車輛座椅系統防揮鞭傷性能的優化方案綜述

韓 帥，孫 聰，師玉茹，張 聰

（東北大學 機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110004）

0 引言

頸部揮鞭傷是一種特殊的頸椎、頸髓損傷，指由于身體劇烈加速或減速運動而頭部的運動不同步，致頸椎連續過度伸屈而造成的頸髓損傷[1]。追尾碰撞是造成頸椎傷害的主要因素，在追尾過程中，座位帶動軀干隨被撞車輛向前加速移動，由于頭頸相對自由,在慣性力作用下，頭部后移，頭頸發生水平移位，導致揮鞭傷的發生。在各種交通事故中，頸部傷害比例高達70%，而在追尾碰撞中，乘員頸部損傷概率更高，其中大約90%的后碰撞頸部損傷是低速碰撞（△V≤25km／h）造成的[2]。如今，追尾碰撞發生率逐年提升，2006年交通事故數據分析顯示，交通事故總數中正面碰撞占18.5%，側面碰撞占27%，追尾碰撞發生頻率僅次于側面碰撞，其比例高達25.5%；同時在高速公路的交通事故中，追尾事故發生頻率遠高于其他各類碰撞，其比例高達44.86%[3]；2008年追尾事故造成的直接財產損失高達2.5 億元，占交通事故總損失的25.12%，高于正面碰撞的21.44%和側面碰撞的24.39%。

本文將基于揮鞭傷評價準則，提出優化策略，對現有的防揮鞭傷措施進行分析比較，進而進一步認證優化策略的準確性。

1 揮鞭傷評價準則及優化策略

《C-NCAP 管理規則（2012 版）》在原有試驗項目上增加鞭打試驗，即檢測追尾碰撞過程對乘員頸部造成的損傷程度[4]。2012 版管理規則的修改使得獲得五星評價的難度上升約20%，并且更全面、真實地反應車輛在事故中對乘員的保護；2015 版管理規則將在2012 版的基礎上更加注重主動安全、碰撞形態、測量效果、安全考核四大領域。

基于座椅安全性能考慮，座椅結構主要包括： 靠背、頭枕、坐墊、座椅總成與車身相連接的固定部件[4]。對于減輕揮鞭傷損傷，最直接方式是改進頭枕，最有效方式是靠背、頭枕一體化設計。靠背主要分為柔性吸能式和剛性吸能式，柔性吸能式靠背在發生低強度尾撞時對于減輕揮鞭傷效果顯著，但對于高強度碰撞柔性吸能式靠背會對乘員的約束能力降低，對乘員造成傷害。頭枕分為感應式頭枕和預響應式頭枕，感應式頭枕是指在追尾碰撞事故中，通過乘客自身的重量作用在座椅上的啟動防護裝置，使得頭枕自動向前、向上移動（如Volvo公司的WHIPS 頭頸部保護系統）。預響應式頭枕是安裝在汽車尾部的速度傳感器與加速度傳感器檢測到追尾碰撞即將發生時，控制模塊向頭枕發出向前、向上移動的指令 （如奔馳NECK-PRO 碰撞預響應式頭枕技術）。

2 現有防揮鞭傷結構性能對比及優化方案

隨著對汽車安全性的深入研究，國內外專家相繼提出了不同的汽車安全設計理念。根據作用形式不同，可分為頭枕保護和其他防護，根據動力提供裝置的不同，分為純機械結構和機電一體化；根據響應方式不同，分為傳統式主動式防護和主動式防護等等，下面是對現有幾種安全座椅的介紹。

2.1 主動式頭枕防護

現有的研究成果表明，在汽車受到追尾碰撞時，防止揮鞭傷的發生最首要的措施就是減小頭枕與頭部之間的距離。主動安全頭枕是在車輛檢測到后撞即將發生或后撞已經發生時，可動頭枕部分在特定的機械結構作用下迅速向前上方移動，承接乘員頭部以防止其強烈的向后甩鞭效應，在保證了乘員駕駛舒適性的同時，最大限度地保護了乘員的頸部安全。在汽車安全領域的研究中，已提出兩類主動式頭枕：一類是純機械式的機構，另一類是機電一體式機構[5]。

純機械式的頭枕機構主要依靠追尾碰撞中人體的慣性作驅動整個防護機構，通過觸發彈簧伸展或特定的連桿機構使頭枕向前移動，承接乘員頭部，防止其向后甩鞭，這種主動頭枕機構不需要特定的感應裝置，將人體的慣性作為整個機構的動力來源。現有的純機械系統結構有如下兩種[6]：

專利中的一種主動式安全頭枕裝置[7]是依靠追尾發生時，身體對靠背的沖擊引發靠背和頭枕內部的機械結構運動，觸發頭枕內部彈簧限位裝置，從而使頭枕彈出，縮小頭枕與頭部間的距離，降低頭部的向后甩鞭作用。該裝置雖然運動可逆，但不可以自行收攏，需要施加外力來使其收攏。

第二種結構是在追尾發生時，由于慣性作用，身體向后撞向靠背，通過靠背與頭枕間的空間連桿機構，使頭枕向前上方移動，從而減小所受的傷害。該裝置相比較前者反應時間較長，可能在頭枕起作用之前，揮鞭傷就已經發生，而且沖擊慣性不同，觸發效果也會不同。

另一類主動式頭枕是機電一體式機構，該主動頭枕將主動防護與被動防護思想想結合，通過對路況的檢測來判斷是否啟動防護機構。路況檢測方面通過速度傳感器和加速度傳感器采集前后車之間的相對速度與加速度；特定的電腦控制系統根據實時采集的路況信息快速判斷是否即將發生追尾，同時將信息傳遞給執行模塊；執行模塊能夠根據判斷模塊傳遞的信息啟動乘員保護裝置以保護乘員安全。

可伸縮式主動頭枕機構應滿足以下要求： ①伸展機構應有具有一定的方向引導；②在追尾碰撞中能夠承受乘員頭部對其施加的載荷；③其運動過程可逆。根據該原則，目前已有的主動頭枕設計方案如下：

一種用于追尾碰撞頸部保護的主動頭枕機構[8]，它由電機驅動特定的十字連桿機構來將可動頭枕部分彈出。該裝置依靠汽車安全主動防護系統對路況環境的檢測和判斷，在追尾事故發生前，及時將連桿機構展開，減小乘員頭部和頭枕之間的距離，防止其向后甩鞭；在危險狀況消除后，連桿機構自動收攏。該裝置的優點在于： 連桿機構的展開程度越大，其展開頭枕的運動速度越小，承受能力越強。其缺陷在于： 頭枕只能向前方運動，不能調整頭枕彈出角度來準確承接乘員頭部以防止產生揮鞭傷。

基于現有的主動頭枕結構，提出了如圖1 所示的防揮鞭傷主動頭枕結構的優化方案，它包括電動推桿、可調節滑道和可彈出枕體。頭枕內設置伸縮控制單元，追尾發生前可快速響應，并驅動伸縮保護枕體快速伸出一定距離(若過程中接觸頭部也會立即停止)，從而縮小了頭枕與頭部間的距離，降低頭部的向后甩鞭作用。該裝置在實現防揮鞭傷功能的基礎上，結構簡單，可自由調節頭枕彈出角度，保護更加精確。

圖1 電動推桿式主動頭枕Fig.1 Electric pusher active head

2.2 其他防護措施

除可以通過上述主動頭枕的調節之外，還有很多防止揮鞭傷的措施，如通過改變調角器的剛度，裝置平動吸能座椅等。汽車在受到尾撞時，通過乘員或者汽車某一部件的慣性對座椅產生力的作用，使汽車座椅的防揮鞭損傷機構及時發揮作用，從而保護乘員頸部減輕或免受傷害。以下介紹平動吸能座椅的防護原理。

平動吸能座椅是指在發生中低速碰撞時，汽車座椅可沿固定滑軌后移一定的距離，同時由于克服阻力而吸收一定的碰撞能量。其設計核心就是吸能機構的設計[9]。設計吸能機構時主要考慮的因素是最大程度地使吸收同等能量所需的吸能元件質量減小。依據平動吸能座椅的設計要求，為了保證吸能裝置能夠在當前的大多數汽車上應用，裝置僅在滑軌部分增加了可平動吸能部件，而座椅的其他部件均不做任何改變。以下簡單描述常用的兩種吸收能量的裝置：

第一種是圓管撐裂吸能，首先將圓形鋼管在其軸線方向上固定在相對車身位置固定的導軌上面，而剛性錐形管則固定在相對于車身可以移動的導軌上。由此，當汽車發生追尾碰撞時，隨著座椅的向后平動，變形管被撐裂開，能夠提供較好的平臺力。在設計過程中，需要在失效的一端加工引導槽。這樣可使得圓管受到拉應力而失效大致是沿著圓管的軸向[9]，撐裂的裂紋沿著預定的方向裂開，以保證結構的安全性和穩定性。該方案可針對不同的汽車參數，如車輛的載重，駕駛艙的空間大小和汽車行駛速度等，通過有限元分析的模擬實驗，合理地設置圓變形薄鋼管的抗拉強度極限，直徑和厚度的大小以及與剛性錐形管之間的摩擦系數等因素，以改變撕裂力的大小，從而改變汽車的平動位移。

第二種是鋼片拉彎吸能。鋼片拉彎吸能是發生尾撞時，移動的座椅拉動鋼片繞固定圓柱彎曲拉伸，從而獲得穩定的平臺力。固定圓管和固定限制塊限制了鋼片的運動，牽引圓柱與平動導軌相連。該結構的優點是由于平臺力在鋼片發生彎曲時可迅速增加，穩定時鋼片移動的距離相對于座椅緩沖過程中移動的距離而言可以忽略，因此可認為平臺力在整個過程中保持不變。

基于對現有吸能裝置的研究，設計了一種依靠氣液緩沖器來吸收汽車碰撞能量的緩沖裝置；其吸能原理是： 進程時液壓油流過節流孔產生粘滯阻尼，將沖擊能量大部分轉化為熱能，小部分壓縮氣室內的氣體轉換成緩沖器的內能儲存；回程時，壓縮氣體膨脹釋放內能，克服回程阻尼做功，將部分內能轉化為熱能，從而吸收能量。該裝置中的氣液緩沖器通過固定卡托件安裝在底座上，其活塞桿則與靠背相鉸接，碰撞發生時，該裝置能夠將由人體的慣性產生的能量傳遞給車座下方的氣液緩沖器。該結構的優點是既彌補了氣彈簧彈性阻尼小的不足，又克服了液壓緩沖在短時間內難以吸收大量能量的特點，二者的結合使其在汽車碰撞過程中吸收大量的能量，從而減少了對人體的損傷。

3 結論

隨著科學技術的發展與生活水平的提高，汽車的安全性問題則引起更多的重視。汽車安全座椅則通過對頭枕，靠背等裝置的改進，實現高效防止揮鞭傷的功能。文中提出的優化方案在解決了防護單一、不能重復使用、不適合廣泛推廣等問題的同時，結構簡單，穩定可靠，成本低，防揮鞭傷效果突出。此外，對汽車座椅系統進一步深入研究與改進，提高汽車的安全性，對我國汽車的研發和生產具有重要的現實意義。

[1] 羅進林，王愛玲，等.珍寶丸加申捷針治療揮鞭樣損傷臨床觀察[J].中國中醫藥科技，2014.

[2] 李明權，等.車輛后碰撞中損傷等級的鑒定[J].北京：交通出版社，1989.

[3] 李方.星光暗影之C—NCAP 看門道[N].中國消費者報，2014，1.

[4] 姚衛民，孫丹丹.汽車座椅系統安全性綜述[J].汽車技術，2002.

[5] 金景旭.某轎車座椅頭枕防揮鞭傷性能的研究及改進[D].吉林大學，2011.

[6] 林喆，杜匯良，周青.一種追尾碰撞主動防護頭枕結構設計研究[J].汽車技術，2011.

[7] 長沙立中汽車設計開發有限公司. 一種主動式安全頭枕裝置[P].中國，201310041564.5.2013.

[8] 清華大學.一種用于追尾碰撞頸部保護的主動頭枕機構[P].中國，200710175261.7.2009.

[9] 張曉偉.針對尾撞下乘員頸部損傷保護的平動吸能座椅性能分析[D].清華大學，2013.