摘要

鞭打試驗(yàn)得分高低可以反映汽車(chē)座椅在追尾事故中對(duì)人體頸部保護(hù)性能的好壞,而頸部傷害指數(shù)(NIC)是鞭打試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一,其低得分率一直困擾著車(chē)企和座椅供應(yīng)商?為解決此問(wèn)題,依據(jù)中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程(C-NCAP)中的鞭打試驗(yàn)程序,開(kāi)展了系列試驗(yàn),總結(jié)并提取出了NIC兩種典型失效模式?通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研?理論推導(dǎo)和仿真分析得出了影響NIC的直接因素,主要包括加速度起升時(shí)刻差異?加速度起升速度差異和加速度起升穩(wěn)定性三個(gè)方面,并分類總結(jié)了優(yōu)化各因素的優(yōu)化措施?研究結(jié)論將服務(wù)于座椅開(kāi)發(fā),為座椅鞭打性能優(yōu)化提供借鑒意義?

關(guān)鍵詞：鞭打試驗(yàn);頸部傷害指數(shù);失效模式;中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程

作者：張愛(ài)法,李志,婁磊,陳洋

中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心(天津)有限公司,天津

種事故形式?追尾事故產(chǎn)生的傷害因其事故特點(diǎn)取名“揮鞭傷”,屬于典型的次級(jí)傷害,雖不致命,但是傷后康復(fù)的過(guò)程非常復(fù)雜?漫長(zhǎng),有些甚至是不可治愈的永久傷害[1]?為了最大限度避免此類傷害的產(chǎn)生,中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心在中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程(ChinaNewCarAssessmentProgram,C-NCAP)中增加了鞭打試驗(yàn),用于評(píng)價(jià)座椅及頭枕系統(tǒng)在追尾事故中對(duì)人體頭頸部的保護(hù)效果?

鞭打試驗(yàn)自2012年正式納入C-NCAP評(píng)價(jià)體系,是被動(dòng)安全評(píng)價(jià)板塊的組成部分之一?在鞭打規(guī)程經(jīng)歷了2015?2018?2021等多個(gè)版本的升級(jí)迭代以后,鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)內(nèi)容由原來(lái)的僅評(píng)價(jià)主駕座椅拓展為主駕座椅和二排座椅(左右隨機(jī)),其所占分值也由原來(lái)的4分變更為現(xiàn)行版本的7分[2],也說(shuō)明了鞭打試驗(yàn)存在的必要性?當(dāng)然,鞭打試驗(yàn)也一直受到了車(chē)企和座椅供應(yīng)商的高度重視,使得汽車(chē)座椅的鞭打性能在不斷提升?頸部傷害指數(shù)(NeckInjuryCriteria,NIC)是鞭打試驗(yàn)中分值占比最高的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),同時(shí)也是失分率最高的評(píng)價(jià)指標(biāo),據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[3-4],C-NCAP2021版鞭打試驗(yàn)主駕座椅NIC平均得分率為60.2%,二排座椅NIC平均得分率僅有30.5%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他指標(biāo)的得分率(見(jiàn)表1)?故此,深入研究分析NIC得分與失分規(guī)律,探索優(yōu)化改進(jìn)方案,具有實(shí)用價(jià)值?

鞭打試驗(yàn)方案及評(píng)價(jià)方法

鞭打試驗(yàn)方案介紹

現(xiàn)行C-NCAP規(guī)則2021版中,動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過(guò)程主要通過(guò)臺(tái)車(chē)(汽車(chē)模擬碰撞裝置)完成(見(jiàn)圖1),試驗(yàn)使用BioRID-II型假人,試驗(yàn)前將座椅通過(guò)工裝按照實(shí)車(chē)狀態(tài)安裝固定在臺(tái)面上,并依照鞭打試驗(yàn)規(guī)程完成靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)假人的擺放工作,對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的假人傳感器通道進(jìn)行傷害采集,最后進(jìn)行假人傷害的數(shù)據(jù)處理,計(jì)算得分?臺(tái)車(chē)使用特定的加速度波形發(fā)射,其速度為(20±1） km/h,峰值加速度為(11±1)g,波形持續(xù)時(shí)間為(103±3)ms?

鞭打假人傷害評(píng)分方法

在追尾事故中,乘員的軀干優(yōu)先受力,會(huì)隨車(chē)輛向前加速運(yùn)動(dòng),而頭部因慣性作用相對(duì)滯后,在碰撞加速度和頭部慣性力的共同作用下,頸部產(chǎn)生一個(gè)像鞭子猛抽座椅的動(dòng)作,對(duì)人體頸部產(chǎn)生傷害,其運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖2所示?

在C-NCAP鞭打試驗(yàn)中,“揮鞭傷”的評(píng)價(jià)指標(biāo)包含頸部傷害指數(shù)?上頸部載荷和下頸部載荷三大項(xiàng)?其中,上頸部和下頸部又分為剪切力Fx,拉力Fz和扭矩My三個(gè)分項(xiàng),試驗(yàn)時(shí)取三個(gè)分項(xiàng)中得分最小值作為該部位的最終得分。傷害限值以人體耐受程度為基礎(chǔ)，將 WAD 2+傷害等級(jí) 5%風(fēng)險(xiǎn)值設(shè)定為高性能閾值，95%風(fēng)險(xiǎn)值設(shè)定為低性能閾值[1]，具體數(shù)值見(jiàn)表 2。

在得分方面,主駕座椅的鞭打滿分為5分,具體分布為頸部傷害指數(shù)2分,上頸部1.5分,下頸部1.5分?假人傷害低于高性能限值得滿分,高于低性能限值得0分,處于兩者之間的部分采用線性插值的方法得出相應(yīng)分?jǐn)?shù)?第二排座椅計(jì)算傷害的指標(biāo)和傷害限值均相同,但各項(xiàng)得分為主駕座椅得分的0.4倍,所以二排座椅鞭打滿分為2分?

頸部傷害指數(shù)

NIC是目前應(yīng)用較為廣泛的頸部傷害指標(biāo)之一,是建立在ALDMAN假設(shè)和SVENSSON等人的生物學(xué)試驗(yàn)基礎(chǔ)上,由BOSTR?M等[5]1996年提出的一種損傷評(píng)價(jià)指標(biāo),認(rèn)為追尾事故時(shí)頸部的伸展與彎曲會(huì)導(dǎo)致人體脊髓槽內(nèi)的液體形成壓力梯度,從而對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)造成傷害?計(jì)算傷害時(shí),NIC區(qū)別于上?下頸部載荷這些直接測(cè)量,需要由鞭打假人3個(gè)通道的加速度信號(hào)合成:頭部質(zhì)心x方向加速度?T1左側(cè)x方向加速度?T1右側(cè)x方向加速度,其屬于間接測(cè)量的傷害指標(biāo)?

根據(jù)C-NCAP規(guī)程N(yùn)IC的計(jì)算方法如下:

NIC是由枕骨關(guān)節(jié)相對(duì)于T1的水平加速度和速度的相對(duì)值計(jì)算而得?相對(duì)加速度:

相對(duì)速度:

式中,AT1?Left為T(mén)1左側(cè)x方向加速度;AT1?Right為T(mén)1右側(cè)x方向加速度;AHead為頭部質(zhì)心x方向加速度,三者的單位均為m/s2?

頸部傷害指標(biāo):

鞭打試驗(yàn)中,NIC取假人頭與頭枕接觸分離時(shí)刻之間的最大值:

通過(guò)上述推導(dǎo)公式可以確定,NIC指標(biāo)與假人頭部和胸部加速度直接關(guān)聯(lián)?胸部加速度與頭部加速度差值(這里指正值)越大,則會(huì)導(dǎo)致NIC的正值越大,也就越不利于NIC得分?

NIC失效模式分析及優(yōu)化方案

上文統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)提到,NIC是鞭打試驗(yàn)中失分最多的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)?深入分析NIC失分原因,從現(xiàn)象到原理總結(jié)歸納,將對(duì)優(yōu)化NIC提供方向指導(dǎo)?通過(guò)對(duì)大量鞭打測(cè)試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),雖然每個(gè)座椅的鞭打NIC數(shù)據(jù)千差萬(wàn)別,從峰值到趨勢(shì)都不盡相同,但失分的直接原因相同,根據(jù)式(1)-式(5)可知,均為頭部加速度與T1加速度的差異導(dǎo)致的?這種差異可以區(qū)別為兩種失效模式:失效模式一,頭部加速度與T1加速度起升不一致導(dǎo)致的NIC失分;失效模式二,頭部加速度與T1加速度穩(wěn)定性差導(dǎo)致的NIC失分?另外,為了便于直觀觀察和比較NIC曲線?頭部加速度和胸部加速度的變化趨勢(shì),將三條曲線進(jìn)行了疊加展示(見(jiàn)圖3-圖5)?

加速度起升不一致導(dǎo)致的NIC失效

對(duì)于加速度起升不一致的問(wèn)題,主要有起升時(shí)刻差異和起升速率差異兩種表現(xiàn)形式,如圖3所示?圖3(a)表現(xiàn)為兩個(gè)加速度起升時(shí)刻差異過(guò)大,T1加速度在40ms左右已經(jīng)緩慢起升,說(shuō)明座椅靠背開(kāi)始對(duì)假人胸部產(chǎn)生作用力,但頭部直到72ms才與頭枕接觸,產(chǎn)生頭部加速度,兩個(gè)時(shí)刻差值為32ms,導(dǎo)致NIC在72ms附近產(chǎn)生了最大值;圖3(b)的NIC峰值主要受加速度起升速率的影響,T1加速度同樣在40ms左右開(kāi)始緩慢起升,不同的是頭部加速度起升時(shí)刻明顯提前,為56ms,比圖3(a)的頭部加速度起升時(shí)刻足足提前了16ms,但是由于頭部加速度提升斜率不及T1加速度,導(dǎo)致T1加速度與頭部加速度的差值還在進(jìn)一步增大,產(chǎn)生了NIC得分還不及圖3(a)的情形?圖3(a)的狀況多見(jiàn)于頭后間隙較大的座椅試驗(yàn);影響圖3(a)的因素比較多,多見(jiàn)于頭枕內(nèi)部支撐不夠?頭枕?xiàng)U松動(dòng)?靠背塌潰等問(wèn)題?

加速度穩(wěn)定性差導(dǎo)致的NIC失效

NIC失效的另外一種情形表現(xiàn)為頭部或者胸部T1加速度出現(xiàn)較大的震蕩,這種不同步導(dǎo)致合成參數(shù)NIC峰值很高,如圖4所示?這種類似“過(guò)山車(chē)”的加速度信號(hào),將其稱之為“二次碰撞”導(dǎo)致的NIC失分?在圖4中,頭部和胸部加速度起升時(shí)刻非常接近,并且頭部加速度起升速率高于胸部加速度,按照NIC的計(jì)算公式預(yù)測(cè),會(huì)有一個(gè)很好的成績(jī)?但是由于頭部加速度在到達(dá)一個(gè)峰值后,開(kāi)始回落,然后又達(dá)到一個(gè)更高的峰值,這樣一個(gè)“起-落-起”的過(guò)程,導(dǎo)致了NIC數(shù)據(jù)不理想?圖4中兩條曲線的差異是圖4(a)中NIC峰值時(shí)刻?T1加速度峰值時(shí)刻及頭部加速度低谷時(shí)刻基本相同,而圖4(b)中三個(gè)峰值時(shí)刻有比較明顯的差異?圖4(a)多見(jiàn)于靠背骨架結(jié)構(gòu)不合理,圖4(b)多見(jiàn)于座椅快速下沉和頭枕造型不合理的情形?

NIC優(yōu)化方案

優(yōu)化座椅和頭枕系統(tǒng),通過(guò)兩者功能配合,達(dá)到具有類似圖5(某款滿分座椅的NIC曲線)這樣的鞭打保護(hù)性能,是我們共同的目標(biāo)?經(jīng)仿真分析,影響座椅鞭打性能的因素非常多,從座椅滑軌鋼珠?小塑料件到骨架結(jié)構(gòu),頭枕結(jié)構(gòu)等?優(yōu)化NIC得分,首先要提取影響頭部加速度和胸部加速度的關(guān)鍵要素,可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行嘗試(見(jiàn)表3)?

相關(guān)研究表明[6-10],行業(yè)內(nèi)已經(jīng)針對(duì)座椅NIC優(yōu)化做了很多工作,并且經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了一部分優(yōu)化措施的有效性,希望可以與行業(yè)廣泛交流,細(xì)化優(yōu)化措施,進(jìn)一步完善優(yōu)化方案?當(dāng)然,汽車(chē)座椅是一個(gè)完整且獨(dú)立的系統(tǒng),對(duì)不同的座椅進(jìn)行優(yōu)化時(shí),不同方案會(huì)存在不同的優(yōu)化敏感性,甚至?xí)a(chǎn)生與預(yù)期相反的效果,需要針對(duì)自身座椅特點(diǎn)進(jìn)行個(gè)性化選擇?

結(jié)論

在鞭打試驗(yàn)中,NIC是評(píng)價(jià)假人頸部傷害的指標(biāo)之一,但座椅得分一直受到NIC低得分率的困擾?針對(duì)此問(wèn)題,本文依據(jù)C-NCAP2021版鞭打規(guī)程進(jìn)行了一系列試驗(yàn),提取了NIC兩種典型失效模式,并總結(jié)歸納了NIC影響因素及其優(yōu)化措施,期望服務(wù)于座椅鞭打性能的開(kāi)發(fā)?后續(xù)將繼續(xù)開(kāi)展專項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn),驗(yàn)證優(yōu)化措施的有效性,使優(yōu)化方案更加科學(xué)合理?

【參考文獻(xiàn)】

[1]婁磊,楊運(yùn)生,張曉龍.鞭打試驗(yàn)在歐洲?日本與中國(guó)[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2010(18):37-41.

[2]中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司.C-NCAP管理規(guī)則(2021版)[S].天津:中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司,2021.

[3]張愛(ài)法,婁磊,陳洋.二排鞭打測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與相關(guān)性分析[J].汽車(chē)工程,2023,45(3):510-516.

[4]張愛(ài)法,叢艷軍,趙雯.鞭打試驗(yàn)中前后排座椅數(shù)據(jù)差異性對(duì)比分析[C]//第二十五屆汽車(chē)安全技術(shù)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京:中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)汽車(chē)安全技術(shù)分會(huì),2023:41.

[5]BOSTR?MO,SVENSSONMY,ALDMANB,etal.ANewNeckInjuryCriterionCandidatebasedonInjuryFindingsintheCervicalSpinalGangliaafterExperi-mentalNeckExtensionTrauma[C]//Proceedingsofthe1996InternationalIRCOBIConferenceontheBiomechanicsofImpact.Dublin:TransportationRese-archBoard,1996:123-136.

[6]李小蘭,曹品金,王懿,等.基于DOE的后排座椅鞭打優(yōu)化[J].上海汽車(chē),2023(2):17-22.

[7]李海,趙座航,聶仁態(tài),等.某車(chē)型駕駛員座椅鞭打試驗(yàn)性能研究及改進(jìn)[J].時(shí)代汽車(chē),2022(13):144-146.

[8]寧成業(yè),楊平,胡祥玲,等.基于C-NCAP的座椅鞭打性能研究及改進(jìn)[J].中國(guó)汽車(chē),2019(12):28-32.

[9]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(chē)技術(shù),2014(4):53-57.

[10]張楚云.汽車(chē)座椅鞭打試驗(yàn)綜述[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2021(14):198-199.