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揮鞭傷形成的機理假設(shè)

2020-04-15 23:52:53·  來源：上汽安全與CAE技術(shù)  
　
隨著座椅鞭打試驗于2012年被C-NCAP引進，揮鞭傷這個概念也越來越為國人所熟知。翻閱文獻，不難發(fā)現(xiàn)，揮鞭傷形成機理的研究早在上個世紀(jì)五十年代就已經(jīng)進入研究人
隨著座椅鞭打試驗于2012年被C-NCAP引進，揮鞭傷這個概念也越來越為國人所熟知。 翻閱文獻，不難發(fā)現(xiàn)，揮鞭傷形成機理的研究早在上個世紀(jì)五十年代就已經(jīng)進入研究人員的視野。
揮鞭傷一般并不致命，但是為什么會被人盯上呢？主要還是資本主義的本質(zhì)決定。具體的說，揮鞭傷侵害了資本家的利益。揮鞭傷占據(jù)長期或永久性醫(yī)療損傷的一半(Kullgren et al. 2013)，給保險公司巨頭帶來了巨大的經(jīng)濟負擔(dān)，所以美國各大保險公司要求他們出資成立的IIHS（美國高速公路安全保險協(xié)會）將座椅的防揮鞭傷性能放進新車評價體系中，IIHS進而于2003年最先引進座椅鞭打試驗來控制座椅防揮鞭性能，倒逼著整車廠研究降低揮鞭傷的方法。
 
那么揮鞭傷形成的機理到底是什么呢？Severy D.等人從1955年開始發(fā)表文章提及揮鞭傷，并于隨后15年間多次發(fā)文章闡述揮鞭傷形成原因。他們認為頸部脊椎的極度彎曲是揮鞭傷形成的首要因素，形成過程如圖下圖所示。MacNab、State等人也給出同樣的結(jié)論。典型案例，當(dāng)車輛發(fā)生尾碰時，人的軀干被座椅結(jié)構(gòu)支撐，而頭因無法得到很好的支撐而被迅速甩出，造成頸椎極度的彎曲。這種現(xiàn)象是試驗或者交通事故中可以直觀觀察的。需要注意的是揮鞭傷并不只是出現(xiàn)在尾碰事故中，正側(cè)碰工況中均可能造成揮鞭傷，只是中低速尾碰中造成揮鞭傷的概率較高。
 
另外一種說法是揮鞭傷的形成是由于頭部相對于軀干的向后平移導(dǎo)致的。Siegmund等人利用放射學(xué)在人體上觀察后，支持這個假設(shè)。一般來說，研究人員常用頭部相對于C7-T1的向后位移來描述這種揮鞭傷的形成機理。Aldman等人也研究了頭與上軀干之間的線性移動所帶來的頸部壓力梯度分布。從這個假設(shè)解說中，我們發(fā)現(xiàn)了力和位移，對于工科的小伙伴們應(yīng)該可以敏銳地察覺到牛頓定律應(yīng)該出現(xiàn)了。
 
基于這個假設(shè)，結(jié)合加速度和速度，一個名為NIC（頸部傷害指標(biāo)）的參數(shù)出現(xiàn)了，這是一個動力參數(shù)，見公式（1），也是目前Euro NCAP、C-NCAP等主要新車評價機構(gòu)用來評價座椅防鞭打性能的主要指標(biāo)之一。當(dāng)然，除此之外還有其他可用來評價相關(guān)性能的指標(biāo)，例如Nij（Normalized Neck Injury Criterion）、NDC（Neck Displacement Criterion）等，這里不一一討論。
 
其中，
 
為T1與頭部水平加速度的差值；
 
為T1與頭部水平速度的差值。
 
由此可見，雖然目前對于揮鞭傷的運動學(xué)分析已經(jīng)比較深入，但是關(guān)于其具體致傷機制，仍未形成統(tǒng)一且確定的說法。雖然致傷機制并不明確，但并不影響研究人員想要降低揮鞭傷發(fā)生率的決心。如何做？無他，唯實驗爾。
這里著重說一下Judson B. Welcher和Thomas J. Szabo。這兩位研究人員于1998年招募了三名志愿者（一對男女體型接近50分位，另一個男性接近95分位）進行實車試驗。這里的自愿并非無償。三個志愿者的信息如下：
 
試驗大概過程如下：三名志愿者依次乘坐在裝有5款不同（頭枕高度、頭后間隙、座椅靜態(tài)剛度等參數(shù)各不相同）的座椅的車輛上，車輛受到4km/h和8km/h不同速度變化量的尾部碰撞，共計30個試驗樣本。試驗過程中監(jiān)測頭部相對頸胸椎結(jié)合處的加速度，頸胸椎結(jié)合處的加速度，頭部的向后的角加速度等運動參數(shù)，并結(jié)合NIC等指標(biāo)對座椅防揮鞭傷性能
進行研究，并要求志愿者根據(jù)自身的感受對座椅進行排名。試驗條件見下圖：
 
研究發(fā)現(xiàn)，座椅的防揮鞭傷性能主要是和頭枕高度及頭后間隙的關(guān)系較為明顯，和座椅本身的吸能特性及靜態(tài)剛度的關(guān)系并不明顯。但由此并不能夠下結(jié)論說揮鞭傷性能和座椅的物理參數(shù)無關(guān)，首先這5款座椅并不滿足控制變量法，另外試驗的速度也相對較低。為此兩位研究人員利用一款某特殊設(shè)計的防鞭打座椅并將試驗速度變化提高至11.1km/h和14.3km/h進行揮鞭傷研究，發(fā)現(xiàn)增加座椅的吸能也是可以有效降低頭部與胸部的相對運動。試驗中自愿者的頸部也未受到揮鞭傷。同時，結(jié)合Severy D.的研究，速度變化量低于10km/h，一般不會受到揮鞭傷。而高于這個值，受傷幾率較大。不難發(fā)現(xiàn)，增加座椅的吸能對于降低揮鞭傷受傷幾率具有一定的好處。
 
除此之外，國內(nèi)外大量研究也發(fā)現(xiàn)，在車輛發(fā)生中低速尾部碰撞時，保證頭部和人體軀干的運動姿態(tài)一致可以有效降低揮鞭傷的發(fā)生率?；诖耍壳爸鳈C廠在車輛座椅設(shè)計時頭枕多是可上下調(diào)節(jié)的，以保證不同身形的乘員均可得到很好的頭部支撐。較為高級的車輛，還會配置前后可調(diào)的頭枕或者主動式頭枕，其目的都是讓頭部在碰撞發(fā)生的時候盡早和頭枕接觸，進而和軀干保持同步減速，降低兩者之間的相對運動。
 
如果您能耐心讀到此處，就不難了解到降低揮鞭傷幾率的方法：
1、道路千萬條，安全第一條。不出事故是能夠百分百避免受傷的唯一途徑；
2、選擇防揮鞭傷性能優(yōu)良的汽車；相關(guān)性能詳情可到C-NCAP，C-IASI，Euro NCAP，J-NCAP，IIHS等評價機構(gòu)官網(wǎng)查詢；
3、良好的駕車/乘車習(xí)慣；駕駛或者乘坐車輛時，調(diào)整座椅頭枕略高于頭部，盡可能降低頭枕與頭部之前的距離，并保持正確的坐姿。
  
參考文獻
1. Judson, B.; Thomas, J.. (2001) Relationships between seat properties and human subject kinematics in rear impact tests. Accident anglysis and prevention, pp 289-304.
2. Severy, D., Mathewson, J., Bechtol, C., 1955 Controlled automobile rear-end collisions, an investigation of related engineering and medical phenomena. Canadian services medical journal, pp 727-759.
3.  Kullgren A, Stigson H, Krafft M, (2013) Development of whiplash associated disorders for male and female car occupants in cars launched since the 80s in different impact directions. Int. IRCOBI Conf. on the Biomechanics of Injury, Gothenburg, Sweden.
4.   MacNab, I., (1965) Whiplash injuries of the neck. In: Proceedings of the 9th Conference of the Association for the Advancement of Automotive Medicine, pp. 11–15.
5    Siegmund, G., King, D., Lawrence, J., Wheeler, J., Brault, J., Smith,T., (1997) Head:neck kinematic response of human subjects in low-speed rear-end collisions. In: Proceedings of the 41st Stapp Car Crash Conference. SAE No. 973 341.
 
 
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