在希邁商務(wù)咨詢（上海）有限公司主辦的第三屆中國(guó)國(guó)際汽車座椅峰會(huì)暨展覽2021的汽車座椅舒適性論壇上，上汽大眾的座椅研發(fā)工程師李宗以“乘員頸部傷害評(píng)價(jià)與鞭打試驗(yàn)分析”為主題發(fā)表了精彩演講。



鞭打試驗(yàn)的發(fā)展

在這里，我展示一下我們?cè)诒薮蛟囼?yàn)方面的一些研究和理解，一個(gè)是為什么要做鞭打試驗(yàn)，鞭打試驗(yàn)到底是在研究什么，我們?nèi)绾稳シ治霰薮蛟囼?yàn)，鞭打試驗(yàn)未來(lái)的發(fā)展方向和趨勢(shì)是什么，我們從這些角度給大家做一個(gè)分享。

作為座椅行業(yè)的人，很多人都聽(tīng)過(guò)鞭打試驗(yàn)，它來(lái)源于NCAP體系，最早在美國(guó)建立并在歐洲和日本已經(jīng)有了很多年的發(fā)展。我們可以看到，在這個(gè)體系中，包括中國(guó)的C-NCAP等，幾乎全部都包含鞭打試驗(yàn)，每個(gè)體系里幾乎都會(huì)對(duì)鞭打試驗(yàn)進(jìn)行考察，特別是在中國(guó)，C-NCAP第一次進(jìn)入中國(guó)的時(shí)候就設(shè)立了這個(gè)試驗(yàn)，而且這個(gè)試驗(yàn)也越來(lái)越嚴(yán)苛。

我們看一下為什么這個(gè)試驗(yàn)要這樣做。要理解鞭打試驗(yàn)首先要了解到底追尾碰撞或低速追尾碰撞時(shí)發(fā)生了什么。低速追尾碰撞時(shí)乘員的動(dòng)作大概有六個(gè)，剛開(kāi)始人和頭部一起向后移動(dòng)，然后當(dāng)靠背壓縮到極限以后，頭會(huì)向后運(yùn)動(dòng)，再向回運(yùn)動(dòng)，頸部以上的運(yùn)動(dòng)類似于甩鞭的動(dòng)作。



為什么現(xiàn)在大家這么重視這個(gè)試驗(yàn)?zāi)?？日本交通安全協(xié)會(huì)做過(guò)交通安全事故致死致傷的統(tǒng)計(jì)，發(fā)生致死的交通事故中有49.1%都是前撞事故，一般情況下前面正面發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞的速度和能量更大，更容易造成致死；致傷事故中有43.5%都是由追尾碰撞造成的，也就是說(shuō)追尾是造成受傷的主要原因。

另外，歐洲也做了交通事故受傷實(shí)際醫(yī)療費(fèi)用的統(tǒng)計(jì)，在追尾過(guò)程中造成的鞭打傷害占到了交通事故總醫(yī)療支出的40%左右，其中英國(guó)更高達(dá)了76%。雖然這個(gè)事故可能碰撞的速度不大，但是它造成的后期醫(yī)療和社會(huì)負(fù)擔(dān)非常大。

德國(guó)對(duì)追尾碰撞速度的統(tǒng)計(jì)分析表明，在25公里每小時(shí)以下的追尾碰撞達(dá)到93%以上，所以鞭打試驗(yàn)研究的都是20公里，國(guó)外還有18公里、16公里的速度。

國(guó)內(nèi)有兩個(gè)體系，C-NCAP體系從2015年開(kāi)始只做司機(jī)側(cè)座椅鞭打試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線是16公里每小時(shí)，鞭打試驗(yàn)設(shè)置的總分只有4分。2018年進(jìn)行C-NCAP 2018升級(jí)時(shí)，鞭打試驗(yàn)進(jìn)行了第一次改變，速度從原來(lái)的16公里每小時(shí)變成了20公里每小時(shí)。根據(jù)我們上面的統(tǒng)計(jì)可以看到，它實(shí)際上把交通事故所涵蓋的覆蓋面擴(kuò)大了，20公里每小時(shí)基本上包含了90%追尾碰撞的實(shí)際情況。



雖然速度提升了4公里，但能量卻提升了50%，而且這是全球范圍內(nèi)最強(qiáng)的曲線。而到了C-NCAP 2021，也就是去年年底發(fā)布的最新一版，C-NCAP體系再一次走到了世界前列，首次對(duì)后排座椅進(jìn)行了鞭打動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，以往歐洲只有靜態(tài)評(píng)價(jià)，沒(méi)有動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。為什么C-NCAP會(huì)增加后排試驗(yàn)?zāi)?？這是有一定理論依據(jù)的。

基于中國(guó)交通事故協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在所有交通事故中，事故車中副駕駛坐人的情況有44.7%，而后排左側(cè)坐人的概率26%，右側(cè)25%，后排兩側(cè)坐人的概率也非常大。所以從C-NCAP體系角度講，后排動(dòng)態(tài)試驗(yàn)也是有必要的，另一方面，歐洲只做靜態(tài)測(cè)量，但靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)的結(jié)果之間并不是線性關(guān)系，所以動(dòng)態(tài)試驗(yàn)更加科學(xué)可靠，這也是增加后排試驗(yàn)的原因。

除了C-NCAP，國(guó)內(nèi)第二個(gè)汽車安全評(píng)價(jià)體系是CIASI，它比C-NCAP起步要晚一些，前幾年剛剛起步。2018年底，CIASI 1.0正式發(fā)布，其評(píng)價(jià)分成靜態(tài)評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，完全拷貝美國(guó)IASI體系，包括接觸時(shí)間和胸部加速度，還有頸部力。CIASI 2.0對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了進(jìn)一步修正，歷次標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)都進(jìn)行了大幅度的提升。頸部力從原來(lái)的750低頸部區(qū)域降到了492，這相當(dāng)于要求高了將近50%，所以都有非常大的提升。另外增加了一個(gè)NIC指標(biāo)，以前是不測(cè)NIC的，從2.0開(kāi)始，明年CIASI正式采用后，也會(huì)評(píng)價(jià)NIC的高低。



乘員頸部傷害評(píng)價(jià)

我們研究的頸椎傷害一方面是外面可見(jiàn)的骨骼部分，再一方面是骨骼內(nèi)部脊髓和神經(jīng)根結(jié)構(gòu)，中間的脊髓連接大腦，再通過(guò)神經(jīng)根連接到身體的各個(gè)部位。頸椎在實(shí)際交通事故中受力情況一是彎曲，就是扭矩，二是壓縮、拉伸，還有一個(gè)橫向扭轉(zhuǎn)及剪切力，需要進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)。



先講NCAP體系，它比CIASI體系更早，最早建立標(biāo)準(zhǔn)時(shí)拿了31把座椅進(jìn)行試驗(yàn)，采集31把座椅實(shí)際數(shù)值和傷害值，把這些值從低到高排序，最好的座椅5%滿分，最差的30%，它這一項(xiàng)就是零分，如果總分是最差的5%，就取消所有成績(jī)，指標(biāo)的選取方法是按照行業(yè)水平來(lái)選的，就是劃一個(gè)百分比，相當(dāng)于以前高考的標(biāo)準(zhǔn)分一樣。



另外一種選擇方式是以日本的J-NCAP體系為代表，以人體的耐受程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，它是基于WAD2+傷害等級(jí)5%的風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行設(shè)定，相當(dāng)于功能紊亂相關(guān)的鞭打傷害。其指標(biāo)一個(gè)是NIC頸部傷害指數(shù)，然后是上頸部所受到的X方向剪切力、Z方向的拉力以及點(diǎn)頭的扭矩MY，下頸部也一樣。

按照WAD2+指數(shù)劃分，小于340就是好的，大于330就是不好的，最早的研究來(lái)源于臨床診斷，發(fā)生了多大的交通事故，人受到了什么樣的傷害；再一類是志愿者試驗(yàn)，一些科學(xué)家在滑車上面用加速度采集實(shí)際頸部的感受。其局限性在于沒(méi)有辦法做16公里、20公里比較高風(fēng)險(xiǎn)的試驗(yàn)，畢竟志愿者不能真的做到不可逆轉(zhuǎn)的傷害。還有一種是尸體試驗(yàn)，包含后來(lái)的假人試驗(yàn)、動(dòng)物試驗(yàn)及FEA，基于這些采集數(shù)據(jù)，制定出了J-NCAP評(píng)價(jià)方案。C-NCAP第一版的體系就是采用了日本的J-NCAP。

我們看一下這幾個(gè)力，其中有一個(gè)NIC頸部傷害指數(shù)，它是基于生物學(xué)理論演化而來(lái)的。人體的脊椎中是脊髓，脊髓連著神經(jīng)根，神經(jīng)根和脊髓中有神經(jīng)質(zhì)，在脊椎發(fā)生鞭打運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓力差，相當(dāng)于上下端加速度不同時(shí)，其中的液體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力梯度，這個(gè)壓力梯度會(huì)對(duì)神經(jīng)造成損傷，出現(xiàn)頸部疼痛及神經(jīng)紊亂，也可能造成神經(jīng)損傷。



在試驗(yàn)前、試驗(yàn)中、試驗(yàn)后，頭和頸部的姿態(tài)保持不變，這是最理想狀態(tài)。BIO Rid假人頸部結(jié)構(gòu)完全仿真模擬人體實(shí)際結(jié)構(gòu)，包括T1的加速度、頭部的力采集非常明確，都是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

第二個(gè)體系是C-IASI，有點(diǎn)類似于歐美的方法，它是按照行業(yè)水平進(jìn)行劃分，前百分之多少是滿分，后百分之多少是不好的，按照這個(gè)理論，其流程分成靜態(tài)評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，靜態(tài)評(píng)價(jià)首先要把座椅調(diào)到最后最低位置，測(cè)頭部后段到頭枕的距離以及頭頂?shù)筋^部頂端的高度。



鞭打試驗(yàn)的影響因子

以NCAP體系為例，用石川圖進(jìn)行分析，相當(dāng)于生產(chǎn)中的產(chǎn)品質(zhì)量分析，在實(shí)驗(yàn)失效分析時(shí)也可以用到。

比如NIC頸部傷害指數(shù)和頭、頭枕的接觸時(shí)間，頭和頭枕接觸時(shí)間內(nèi)的最大值是由頸部加速度和頭部加速度的差造成的，直接影響因素是頭部加速度和頸部加速度。影響頭部加速度曲線的因素一個(gè)是加速度是什么時(shí)候開(kāi)始提升的；第二是加速度提升的是快還是慢；第三是加速度提升的穩(wěn)不穩(wěn)定？這就是加速度的等級(jí)。



加速度起始時(shí)間影響頭和頭枕之間的最大距離，頭和頭枕接觸到加速度才起來(lái)，按照慣性，頭一直處于零加速度；在實(shí)際碰撞過(guò)程中，速度很大，頭枕盒的泡沫結(jié)構(gòu)一下子就壓下去了，實(shí)際上頭枕盒A面的形狀是什么樣也有關(guān)系。

關(guān)于靠背傾角結(jié)構(gòu)，后排座椅有一種直接靠背鎖在側(cè)面的，這相當(dāng)于靠背是三點(diǎn)固定的，在整個(gè)碰撞過(guò)程中，頭枕相對(duì)于車身剛開(kāi)始接觸時(shí)是相對(duì)穩(wěn)定的。另一種是前排座椅，它是靠?jī)蛇叺恼{(diào)角器固定，剛開(kāi)始碰撞身體和靠背接觸時(shí)，能量給了靠背，靠背會(huì)繞著調(diào)角器向后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，頭其實(shí)是在追頭枕，直到碰到頭枕加速度才會(huì)起來(lái)，所以靠背結(jié)構(gòu)也會(huì)影響頭部加速度起始的早晚。另外，頭枕A表面的形狀、頭枕的高度，包括連續(xù)調(diào)角器還是非連續(xù)調(diào)角器都有影響。

總結(jié)與展望

最后展望一下未來(lái)可能的趨勢(shì)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法到底會(huì)有什么樣的變化。C-NCAP很有可能的變化方向是，以前是前排座椅、后排座椅分別進(jìn)行試驗(yàn)，將來(lái)可能是前排和后排試驗(yàn)，前排和后排座椅放在車身里一起滑出去，相當(dāng)于直接裝到車身中一起作為滑車同時(shí)評(píng)價(jià)。另外，以前NCAP體系只評(píng)判裝車比最大的配置，以后對(duì)于其他配置是不是會(huì)進(jìn)行評(píng)價(jià)呢？這個(gè)在討論之中，具體形式是抽取主機(jī)廠車型進(jìn)行試驗(yàn)，其他配置是不是要進(jìn)行評(píng)價(jià)和打分，主機(jī)廠到底是自愿送檢還是會(huì)基于FEA的結(jié)果給消費(fèi)者提供參考報(bào)告，具體形式還在討論之中。

C-IASI將來(lái)也有一個(gè)方向，因?yàn)楝F(xiàn)在已經(jīng)加入了NIC，頸部力標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)了，目前C-IASI還是用的16公里每小時(shí)曲線，它也在討論是否會(huì)把曲線進(jìn)一步加大，這也是一個(gè)方向，有可能會(huì)考慮高能量曲線，因?yàn)镃-IASI實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在是官方實(shí)驗(yàn)室，所以這也是一種可能性。另一方面，它也在探討是不是會(huì)加入副駕座椅的評(píng)價(jià)和后排座椅的評(píng)價(jià)。

以上的分析都是在我們進(jìn)行試驗(yàn)以后，對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析以及到底如何去優(yōu)化的思路。將來(lái)如何提前感知或提前為這些新的標(biāo)準(zhǔn)做準(zhǔn)備，一方面需要提前做一些標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)判，包括一些提前的閾值，看看在可能的方向上我們的產(chǎn)品會(huì)有什么樣的結(jié)果，是否需要提前進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化。

另一方面，在有些高端車型上，還有一些走在前面的自主車型上也在逐漸采用主動(dòng)頭枕等主動(dòng)安全配置，因?yàn)轭^和頭枕之間的間距會(huì)對(duì)結(jié)果造成直接影響，間距小了結(jié)果會(huì)好，間距大了舒適性會(huì)好，主動(dòng)頭枕相當(dāng)于增大了投入，但是能夠更好地保證兩者之間的關(guān)系，這也是一個(gè)可能的工作方法，這方面需要各家主機(jī)廠和各家座椅廠家共同探討。