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某車型座椅鞭打性能研究

2020-07-29 23:34:30·  來源：中國汽車  
　
某車型座椅鞭打性能研究作者：孔德偉，馬良，胡祥玲，師玉濤，楊勁松單位：長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心摘要：自 2018 年 7 月 1 日 18 年版《C-NCAP 管理規(guī)則
某車型座椅鞭打性能研究
作者：孔德偉，馬良，胡祥玲，師玉濤，楊勁松
單位：長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心
 
摘要：自 2018 年 7 月 1 日 18 年版《C-NCAP 管理規(guī)則》實(shí)施至今一年時(shí)間里，C-NCAP 官方發(fā)布的四星及以上車輛座椅鞭打平均得分為 4.26 分，鞭打試驗(yàn)成績(jī)?nèi)匀惶幱谳^低水平。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文從試驗(yàn)角度對(duì)我司某款車型座椅鞭打試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析總結(jié)，通過控制頭后間隙、調(diào)節(jié)靠背懸簧剛度，可有效提高 NIC 得分；通過提高座椅靠背骨架焊接強(qiáng)度、控制頭枕高度，可有效提高上頸部 My 得分。本文對(duì)座椅的調(diào)節(jié)方法，為座椅鞭打性能的提升提供參考。
 
關(guān)鍵詞：C-NCAP；鞭打；NIC；上頸部 My；頭后間隙；頭枕高度

近年來，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們生活中的重要交通工具， 截至 2019 年 6 月， 全國汽車保有量達(dá) 2.5 億輛， 汽車駕駛?cè)诉_(dá) 3.8 億人[1]。隨著汽車數(shù)量及駕駛?cè)藬?shù)的增多，有關(guān)追尾碰撞的交通事故時(shí)常發(fā)生，且呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。追尾事故會(huì)對(duì)人頸部產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷，因傷害過程酷似揮鞭， 這種傷害又叫“揮鞭傷”。我國于 2012 年將座椅鞭打試驗(yàn)正式引入《C-NCAP 管理規(guī)則》， 目前已經(jīng)發(fā)展到 2018 年版，于 18 年 7 月 1 日經(jīng)實(shí)施，新版法規(guī)中關(guān)于鞭打評(píng)價(jià)參數(shù)除靠背動(dòng)態(tài)張角外未發(fā)生變化， 但試驗(yàn)波形能量更強(qiáng)，對(duì)座椅鞭打性能要求更高。
 
由于鞭打假人的頸部比較敏感， 仿真方法多用于分析座椅各參數(shù)對(duì)座椅鞭打試驗(yàn)性能影響趨勢(shì)的分析， 而具體的座椅鞭打試驗(yàn)性能提升優(yōu)化是通過試驗(yàn)方法進(jìn)行的。 從目前對(duì)座椅鞭打試驗(yàn)性能的研究發(fā)現(xiàn)， 鞭打試驗(yàn)的主要失分項(xiàng)在假人 NIC 和上頸部 My 傷害兩項(xiàng)， 在性能優(yōu)化過程中，NIC 傷害的改善更加困難。
 
01、追尾碰撞過程中的生物力學(xué)響應(yīng)
追尾碰撞過程中汽車成員的運(yùn)動(dòng)過程
在追尾碰撞過程中， 頸部響應(yīng)包含一系列復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)和因此產(chǎn)生的載荷， 因追尾碰撞而發(fā)生的汽車乘員的運(yùn)動(dòng)分 3 個(gè)不同的過程[2]1，如圖 1 所示。
 
(a)在縮回運(yùn)動(dòng)過程中，駕駛員被座椅靠背推向前方，而沒有與汽車任何部位接觸的頭部保持在起始位置， 因此頭部運(yùn)動(dòng)滯后于軀干， 頸椎上部發(fā)生前彎曲狀態(tài)而下部產(chǎn)生后彎曲狀態(tài)，成“S”形。在 S 形變形后頭開始向后旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致整個(gè)頸椎向后彎曲。
(b)駕駛員頭部、頸部和軀干收到座椅的彈性及其相應(yīng)的回彈效應(yīng)，而向前運(yùn)動(dòng)。
(c)由于安全帶系統(tǒng)的約束，車內(nèi)乘員頭部繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)而胸椎已經(jīng)停止運(yùn)動(dòng)。因此頸部會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相反的“S”形狀。
《C-NCAP 管理規(guī)則》中對(duì)假人鞭打傷害評(píng)價(jià)的時(shí)間范圍是從頭與頭枕接觸開始， 到頭與頭枕分離為止，即上述運(yùn)動(dòng)過程中的(a) (b)階段。
 
追尾碰撞過程中頸部損傷機(jī)理
 
追尾碰撞過程中， 頸部軟組織損傷的產(chǎn)生源于頭部與胸部的相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 由于乘員運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的復(fù)雜性，對(duì)頸部軟組織損傷機(jī)理存在不同的意見。其中代表性的假設(shè)有：椎管中的靜脈和腦脊液中產(chǎn)生的壓力梯度引起細(xì)胞的損傷（Aldman1986 年提出）[2]2。博斯特倫(Bostr觟m)等根據(jù)這一假設(shè)提出了頸部損傷準(zhǔn) 則 NIC[2]3， NIC 作為時(shí)間函數(shù)的定義在動(dòng)物試驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到了驗(yàn)證。目前《C-NCAP 管理規(guī)則》中對(duì)假人鞭打傷害的評(píng)價(jià)采用了這一準(zhǔn)則。

02、新版C-NCAP 法規(guī)解讀及其執(zhí)行情況
新版 C-NCAP 法規(guī)解讀
2018 年 7 月 1 日 18 年版 《C-NCAP 管理規(guī)則》正式實(shí)施，在關(guān)于鞭打試驗(yàn)的規(guī)定中，新版法規(guī)在傷害評(píng)價(jià)參數(shù)限值不變的情況下， 調(diào)整滑臺(tái)加速度波形， 增加碰撞能量， 對(duì)座椅鞭打性能的考察更加嚴(yán)格。具體變化如表 1、圖 2 所示[3-4]。
 
 
座椅鞭打性能現(xiàn)狀
2018 年版《C-NCAP 管理規(guī)則》實(shí)施已有一段時(shí)間， 截止 2019 年 7 月 3 日，C-NCAP 官方共計(jì)發(fā)布四批共計(jì) 30 款車型的座椅鞭打試驗(yàn)成績(jī)[5]。由于汽車主機(jī)廠對(duì)于試驗(yàn)車型的市場(chǎng)定位不同， 本文僅以獲得四星及以上的 25 款車型座椅鞭打成績(jī)進(jìn)行座椅鞭打性能現(xiàn)狀進(jìn)行研究。
25 款座椅鞭打成績(jī)平均分為 4.26 分，較 5 分的滿分成績(jī)還有很大的提升空間。同時(shí)最高得分 4.90 分與最低得分 3.50 分之間相差 1.4 分， 這也體現(xiàn)出市場(chǎng)上座椅鞭打性能的參差不齊。
 
03、座椅鞭打性能的提升優(yōu)化過程總結(jié)
基于新版法規(guī)的變化及市場(chǎng)上座椅鞭打性能現(xiàn)狀， 對(duì)我司某款座椅鞭打試驗(yàn)性能提升過程進(jìn)行分析總結(jié)。
 
試驗(yàn)結(jié)果及失分分析
某款車型的鞭打試驗(yàn)動(dòng)、靜態(tài)結(jié)果
對(duì)某款新開發(fā)座椅按照 18 版 C-NCAP 法規(guī)進(jìn)行初次鞭打試驗(yàn)，試驗(yàn)動(dòng)、靜態(tài)結(jié)果及假人主要傷害波形如下。
 
 
 
 
由表 3 可知，本次試驗(yàn)總分為 3.69 分，試驗(yàn)失分項(xiàng)有 NIC、 上頸部 Fz+、 上頸部 My 和下頸部 Fz+幾項(xiàng)，其中上頸部 My 與上頸部、Fz+下頸部 Fz+存在直接聯(lián)系（如圖 6 所示趨勢(shì)），針對(duì)主要失分項(xiàng)進(jìn)行分類分析，可以較快的得出整改方案。
 
座椅失分情況分析
（1）頸部傷害指數(shù)（NIC）分析
NIC 計(jì)算公式如下： 
 
由公式可知， 影響假人 NIC 傷害的因素是同一時(shí)刻 T1 位置與頭部的加速度差值， 二者差值越大， NIC 越大，反之，NIC 越小。
 
圖 4 為本次試驗(yàn)中 NIC 相關(guān)的曲線，在碰撞過程中由于假人身體擠壓座椅靠背及頭枕向后旋轉(zhuǎn)， 假人頭部在試驗(yàn)前期沒有得到支撐， 頭部加速度在頭與頭枕接觸前幾乎為零 （ 假人頭部與頭枕接在79ms 接觸，如圖 5）。由于試驗(yàn)前期座椅靠背帶動(dòng)假人移動(dòng)，此時(shí) T1 部位已有一定的加速度，導(dǎo)致在頭與頭枕接觸前出現(xiàn)頭部與 T1 位置加速度最大差值，既出現(xiàn) NIC 最大傷害值。
 
上頸部 My 和上頸部 Fz+、下頸部 Fz+分析頸部 My 傷害主要由頭部與頸部相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，當(dāng)假人在運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)“點(diǎn)頭”的現(xiàn)象，即頭向前而下巴內(nèi)收時(shí) My 為正值；反之，假人運(yùn)動(dòng)“后仰”時(shí)頸部 My 為負(fù)值；同時(shí)，在假人點(diǎn)頭的過程中假人頸部 Z 向先受到拉伸后受到壓縮，My 最大值多出現(xiàn)在Fz+最大值附近。
 
本次試驗(yàn)中， 通過分析試驗(yàn)錄像可知， 由于頭后間隙較大，加之假人身體擠壓座椅靠背及頭枕向后旋轉(zhuǎn)， 假人頭與頭枕剛接觸時(shí)， 頭與頭枕接觸點(diǎn)所在水平面在頭部質(zhì)心所在水平面之下（如圖 7 所示），運(yùn)動(dòng)前期頭枕向上拖著頭部，假人頸部受到拉伸， 頭繞頭部質(zhì)心向前轉(zhuǎn)動(dòng)， 之后頭枕抑制假人頭部上竄，假人下顎回收，增加了上頸部 My 與頸部 Z 向傷害。
 
整改方案
整改方向
在 18 版 C-NCAP 發(fā)布前，各主機(jī)廠及座椅廠商已經(jīng)對(duì)座椅鞭打性能的提升進(jìn)行了大量的研究工作，雖然 18 版 C-NCAP 法規(guī)的波形有所變化，但關(guān)于座椅鞭打性能整改的方法仍然具有參考性。
鄭祖丹等人利用仿真軟件， 采用極差分析法對(duì)座椅主要特征參數(shù)對(duì)座椅頸部傷害指標(biāo)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)角器剛度、頭后間隙、頭枕高度、下靠背剛度等對(duì)假人傷害影響較大[6]。
周澤斌等人通過改進(jìn)頭枕的結(jié)構(gòu)并優(yōu)化頭枕強(qiáng)度和發(fā)泡厚度等措施[7]， 來提高座椅的防揮鞭傷性能。
 
李常青通過調(diào)整頭后間隙、頭枕高度、頭枕尺寸及頭枕?xiàng)U結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)靠背及坐墊骨架等方式[8]，來改 善座椅的防揮鞭傷性能。
商恩義等人通過對(duì)鞭打試驗(yàn)中假人頭部受力分析方法， 對(duì)假人頭部與頭枕接觸時(shí)刻及碰撞強(qiáng)度在座椅結(jié)構(gòu)及頭枕優(yōu)化中的應(yīng)用進(jìn)行研究。提出假人頭部與頭枕接觸時(shí)刻越早， 越有利于降低頸部 NIC 指標(biāo)及頭部碰撞強(qiáng)度；頭部碰撞強(qiáng)度低及 Z 向受力向下，將有利于降低頸部各載荷[9]。
 
整改思路及方案
（1）整改思路，根據(jù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)：
·此座椅需減小假人頭后間隙，將假人頭部加速度起來的時(shí)刻提前；
·此座椅需減小假人頭部質(zhì)心與頭枕接觸點(diǎn)之間的 Z 向距離；
·此座椅可以通過提高座椅靠背頭枕的剛性， 減小座椅靠背及頭枕的反彈對(duì)假人頸部傷害；
·此座椅可以通過降低試驗(yàn)前期 T1 位置加速度，減小 T1 與頭部加速度的差值。
（2）基于研究與經(jīng)驗(yàn)，考慮周期與成本，提出如下整改方案
·靠背泡沫肩部局部減薄 10-40mm（如圖 8 所示），通過使假人肩部能夠向后移動(dòng)，帶動(dòng)頭部向后移動(dòng)，減小假人頭后間隙；
·通過降低坐墊泡棉硬度，增大坐墊變形，使頭部質(zhì)心向下移動(dòng)，增加假人頭枕高度，控制假人頭部質(zhì)心位于頭與頭枕接觸點(diǎn)所在平面上；
 
·通過（A）在頭枕管套與靠背彎管處增加焊點(diǎn) （如圖 9 所示），（B）增加靠背彎管與座椅靠背邊板之間的焊道數(shù)目 （如圖 9 所示），（C） 靠背上彎管壁厚1.2mm 改為 1.5mm（如圖 10 所示），（D） 增加座椅靠背的剛性，減小碰撞過程中的變形，提高座椅靠背及頭枕對(duì)假人的支撐性， 減小座椅靠背及頭枕的反彈對(duì)假人頸部傷害；
 
 
·通過靠背懸簧弱化，取消中間掛點(diǎn)（如圖 11所示），增加靠背吸收能量的能力，減小假人在碰撞初期 T1 加速度值。
 
整改效果驗(yàn)證
整改后試驗(yàn)結(jié)果
通過上述整改，再次對(duì)座椅進(jìn)行鞭打試驗(yàn)，試驗(yàn)動(dòng)、靜態(tài)結(jié)果及假人主要傷害波形如下。
 
 
 
整改效果分析
由表 5 鞭打動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)結(jié)果可知， 整改后的座椅鞭打試驗(yàn)總分為 4.6 分，試驗(yàn)僅 NIC、上頸部 My 失分，且失分較少，達(dá)到了整改預(yù)期。
(1)通過局部減薄靠背肩部泡沫，使頭后間隙由38.67mm 減小到 13.67mm；
(2)通過對(duì)圖 12 試驗(yàn)曲線的分析可知， 通過控制頭后間隙、 調(diào)節(jié)靠背懸簧剛度可以匹配頭部加速度與 T1 加速差值， 是進(jìn)一步提高 NIC 得分的方向；
(3)通過降低坐墊泡棉硬度，假人頭部質(zhì)心與頭部接觸點(diǎn)落在同一水平面上，如圖 14 所示，減小假人頸部受到的拉伸傷害， 降低假人頭部向前轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)；通過增加焊道、增加靠背上彎管厚度的方式， 增加了靠背的剛度， 提高了靠背與頭枕對(duì)假人的支撐性，降低假人頸部受到的傷害。本次試驗(yàn)假人頸部Z 向傷害得到滿分，上頸部 My 傷害得到降低，如圖13 所示。
 
04、結(jié)論
本文對(duì)典型座椅鞭打性能提升案例進(jìn)行分析總結(jié)，通過控制頭后間隙、增強(qiáng)座椅靠背與頭枕運(yùn)動(dòng)一致性、控制頭枕高度的方法，有效提升座椅鞭打試驗(yàn)性能。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)， 在進(jìn)行座椅鞭打動(dòng)態(tài)試驗(yàn)前就將頭后間隙控制在 20mm 以內(nèi)， 可以提高鞭打試驗(yàn)成功的概率，降低座椅開發(fā)成本。
 
參考文獻(xiàn)
[1]公安部.今年上半年全國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá) 3.4 億輛[EB/OL].（2019-07-04）[2020-04-14].
[2]SCHMITT K U,NIEDERER P F,MUSER M H,et al.汽車與運(yùn)動(dòng)損傷生物力學(xué)[M].2 版.曹立波,白中浩,蔣彬輝,等,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.
[3]中國汽車技術(shù)研究中心.C-NCAP 管理規(guī)則(2015 年版) [R].天津:中國汽車技術(shù)研究中心,2015.
[4]中國汽車技術(shù)研究中心.C-NCAP 管理規(guī)則(2018 年版) [R].天津:中國汽車技術(shù)研究中心,2018.
[5]中國汽車技術(shù)研究中心有限公司.碰撞結(jié)果全紀(jì)錄[EB/OL]. [2020-04-14].
[6]鄭祖丹,吳斌,于峰,等.追尾碰撞頸部揮鞭傷害的試驗(yàn)研究[J].汽車技術(shù),2013(10):47-50.
[7]李常青.某車型座椅鞭打性能提升研究[C]//2015 中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集(Volume2). 上海: 中國汽車工程學(xué)會(huì), 2015:103-107.
[8]商恩義,陳現(xiàn)嶺,師玉濤,等.基于假人頭部受力分析的鞭打試驗(yàn)研究[J].汽車技術(shù),2014(4):53:57.
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