上文汽車座椅頭枕的靜態(tài)強(qiáng)度測試與要求介紹了頭枕靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)，該試驗(yàn)用于檢查頭枕的剛性與強(qiáng)度，確保后碰發(fā)生時(shí)頭枕可以提供足夠的支撐，降低乘員的頸部傷害風(fēng)險(xiǎn)。油管有個(gè)視頻非常詳細(xì)地記錄了該試驗(yàn)的過程。

本文將繼續(xù)介紹另外一個(gè)汽車座椅頭枕試驗(yàn)-頭枕吸能試驗(yàn)。顧名思義，該試驗(yàn)則是為了檢查頭枕的吸能效果，確保在二次碰撞發(fā)生時(shí)，不會(huì)因?yàn)樽晤^枕整體或局部剛性太強(qiáng)，導(dǎo)致乘員腦震蕩/顱骨折這類情況發(fā)生。

用一句話概括這個(gè)試驗(yàn)，就是用一個(gè)直徑165mm的剛性頭型以24.1km/h的速度撞擊頭枕指定區(qū)域后頭型減加速度大于80g的持續(xù)時(shí)間不能超過3ms。

那么問題來了，

1.  為什么要以80g 3ms來評價(jià)吸能效果？

2.  進(jìn)行頭枕吸能試驗(yàn)需要注意哪些問題？

3.  國內(nèi)外法規(guī)中該試驗(yàn)方法有什么區(qū)別？

本文將圍繞以上幾個(gè)問題對汽車座椅頭枕吸能試驗(yàn)進(jìn)行介紹。

首先簡單介紹頭部損傷機(jī)理和評價(jià)方法來源，然后基于《GB11550 – 2009 汽車座椅頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》介紹試驗(yàn)設(shè)備、流程和結(jié)果，最后對比分析中/歐、美、GTR中頭枕吸能試驗(yàn)的相同和差異點(diǎn)。

01  腦部損傷評價(jià)基準(zhǔn)來源

頭部是全身最關(guān)鍵和脆弱的部位，是車輛交通事故中造成死亡和重傷的最重要原因，因此頭部是最需要保護(hù)的人體部位。

頭部構(gòu)成如下圖所示，主要有頭皮、顱骨、腦膜和腦組織構(gòu)成。


腦部構(gòu)造與損傷模式

在外力的沖擊下，腦部常有兩種損傷機(jī)理。

一種是接觸性損傷，主要是頭部與車室內(nèi)結(jié)構(gòu)直接碰撞導(dǎo)致的頭皮損傷、顱骨骨折等顱外傷。另外一種是慣性損傷機(jī)理，這是因?yàn)槟X組織在顱內(nèi)發(fā)生位移導(dǎo)致組織與神經(jīng)擠壓或拉伸導(dǎo)致的腦內(nèi)血腫、腦震蕩等腦損傷。

而嚴(yán)重的顱外骨折往往會(huì)導(dǎo)致顱內(nèi)腦損傷。

那么碰撞生物力學(xué)是如何評估腦損傷的呢？

首先學(xué)術(shù)界達(dá)成了一個(gè)共識，那就是頭部損傷的嚴(yán)重程度不僅與頭部加速度峰值有關(guān)，同時(shí)還與加速度持續(xù)作用時(shí)間有關(guān)。也就是說如果持續(xù)時(shí)間很短，（腦子還沒發(fā)應(yīng)過來，碰撞就結(jié)束了）即使加速度峰值很大，腦部也不一定有損傷。

那么如何找到腦部損傷的臨界點(diǎn)呢？

很簡單，那就是：做 - 實(shí) - 驗(yàn) 。

針對頭部損傷臨界的問題，20世紀(jì)五六十年代，韋恩州立大學(xué)的Gabb等學(xué)者利用動(dòng)物、志愿者和尸體進(jìn)行大量的研究性實(shí)驗(yàn)，他們將尸體頭部從空中跌落至鋼板，測量加速度并觀察是否出現(xiàn)線性骨折。

最后將這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，并擬合出了一條著名的曲線，韋恩傷害曲線WSTC（Wayne State Toerance Curve）。

該曲線是當(dāng)今主流頭部傷害評價(jià)方法的祖師爺。該曲線表示頭部有效加速度、持續(xù)時(shí)間和損傷之間的關(guān)系，當(dāng)頭部平移加速度位于曲線上側(cè)時(shí)，表示可能會(huì)發(fā)生顱骨線性骨折，另外頭蓋骨線性骨折多伴隨腦震蕩的發(fā)生，所以此曲線也會(huì)被用來確定腦震蕩界限。


WSTC

后來該曲線經(jīng)Patrick等人修正后，可以發(fā)現(xiàn)臨界曲線在80g往下開始逐漸平行于持續(xù)時(shí)間長度的橫坐標(biāo)軸，因此NHTSA最早開始要求，在汽車碰撞中頭型的撞擊標(biāo)準(zhǔn)是80g以上的加速度不能超過3ms。這也是頭枕吸能試驗(yàn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的來源。

在此基礎(chǔ)上，1972年NHTSA定義了另外一套頭部損傷評價(jià)指標(biāo)HIC，該評價(jià)已經(jīng)被用于當(dāng)今絕大多數(shù)碰撞假人的腦部損傷評價(jià)計(jì)算中，這個(gè)以后再做介紹吧。

02  汽車座椅頭枕吸能試驗(yàn)規(guī)程

1. 試驗(yàn)設(shè)備

該試驗(yàn)的核心設(shè)備為頭型沖擊設(shè)備，一般有三種類型：


The linear impactor (magna)


The free motion impactor (magna)


The pendulum impactor (magna)

GB11550和ECER25 要求采用的是pendulum impactor，而FMVSS202a則是要求采用linear impactor。但是GTR認(rèn)為已經(jīng)有研究結(jié)果表明，三種方式得到的結(jié)果非常接近，因此GTR并沒有對頭沖設(shè)備的類型做明確的要求。

GB11550試驗(yàn)在試驗(yàn)方法中使用的是擺錘撞擊頭型裝置，但是在最后做了“等效試驗(yàn)規(guī)程”的說明。大意如下，

允許采用其他等效試驗(yàn)程序，對試驗(yàn)設(shè)備的布置沒有限制，但是應(yīng)該保證對頭枕的沖擊方向不受影響。此外采用其他試驗(yàn)方法的人員需要證明該方法與法規(guī)規(guī)定的方法等效。

所以似乎可以理解為允許使用其他類型的設(shè)備，對于這個(gè)猜測，在這里插一個(gè)問號眼。

那么如果采用擺錘撞擊頭型裝置，法規(guī)對裝置的基本要求如下：

·  撞擊中心的折算質(zhì)量為6.8kg

·  剛性撞擊頭型直徑為165mm

·  頭型中心與撞擊中心重合

·  頭型上面裝有兩個(gè)傳感器和速度傳感器

·  撞擊能量 152J以上

·  撞擊速度 24.1km/h以上


擺錘頭打設(shè)備（ENCOPIM）

除此之外，還需要配備高速攝像機(jī)用于記錄打擊過程。

2. 試驗(yàn)步驟

頭枕吸能作為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，大部分時(shí)間還是要花在準(zhǔn)備工作上面。主要工作如下，

調(diào)節(jié)座椅：法規(guī)要求將座椅調(diào)整到“正常乘坐位置”，靠背調(diào)整到軀干線“最接近25°的后傾位置”，如果頭枕可調(diào)，將頭枕調(diào)整到“可調(diào)范圍內(nèi)最不利的位置”。（Homework, 如何選擇最不利的位置？）

確定撞擊區(qū)域：法規(guī)對撞擊區(qū)域的規(guī)定如下圖所示，座椅對稱面左右各70mm且H點(diǎn)沿基準(zhǔn)線往上635mm的區(qū)域。這個(gè)找起來比較簡單，參照校核頭枕高度和寬度的方法汽車座椅頭枕的尺寸校核。


頭型撞擊區(qū)域定義

選擇撞擊點(diǎn)：以上工作完成之后，由試驗(yàn)工程師確定撞擊點(diǎn)。

但是在產(chǎn)品開發(fā)驗(yàn)證階段，理論上應(yīng)該對撞擊風(fēng)險(xiǎn)較高的幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測試。常用的方法是拿一個(gè)參照頭枕，將上面邵爾A硬度小于50的包裹物全部移除，只剩金屬骨架或者塑料組件，然后基于經(jīng)驗(yàn)找到高風(fēng)險(xiǎn)的撞擊點(diǎn)，基于 這個(gè)點(diǎn)確定頭型的位置，試驗(yàn)開始前再把頭枕換成正常試驗(yàn)頭枕。


確定撞擊點(diǎn)（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

另外也可以在設(shè)計(jì)階段，通過CAE方法確定風(fēng)險(xiǎn)較高的幾個(gè)撞擊點(diǎn)，并在試驗(yàn)前做好標(biāo)記和說明。


確定撞擊點(diǎn)（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

調(diào)整撞擊角度：法規(guī)要求需要進(jìn)行兩個(gè)方向的試驗(yàn)，如下圖所示，

1. 由前向后撞擊座椅頭枕前表面，撞擊方向位于縱向平面內(nèi)并沿水平方向。（下圖左）

2. 由后向前撞擊座椅頭枕后表面，撞擊方向位于縱向平面內(nèi)并與鉛錘方向成45°。（下圖右）


撞擊角度&速度( GB11550/ECER25)

設(shè)置沖擊速度：法規(guī)要求頭型應(yīng)該以24.1km/h的速度撞擊試驗(yàn)樣件。

樣件標(biāo)記：最后別忘了對頭枕的固定裝置做一些標(biāo)記，試驗(yàn)后需要檢查。

以上準(zhǔn)備就緒后差不多就可以開始開始試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中開始高速攝像機(jī)記錄過程，傳感器輸出頭型兩側(cè)加速度并計(jì)算平均值。

3. 結(jié)果評估

1. 頭型減加速度大于80g的持續(xù)時(shí)間不能超過3ms。

2. 頭枕的襯墊、固定處或者座椅靠背不得出現(xiàn)剛性的可致傷害的凸起。


頭型加速度曲線（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

03  中歐、美、GTR對比


中歐、美、GTR法規(guī)中對頭枕吸能的要求對比如下，試驗(yàn)方法和評價(jià)基本一致，但還是有一些區(qū)別。

中國GB11550參照ECER25，因此方法和要求相同。FMVSS202a與中歐法規(guī)有主要有兩點(diǎn)不同，一個(gè)是撞擊設(shè)備還有一個(gè)是撞擊方向。GTR7和美標(biāo)基本一致，只是沒有明確要求裝置的類型。



以上內(nèi)容便是關(guān)于汽車座椅吸能試驗(yàn)的介紹，僅供參考。