基于某座椅防揮鞭傷性能提升

岳國(guó)輝 呂寶鋒 韓峰 陳現(xiàn)嶺

（長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

揮鞭傷是指在追尾碰撞事故中，乘員頸部由于產(chǎn)生類(lèi)似于像揮鞭一樣的運(yùn)動(dòng)而造成的損傷。它是交通事故中最常見(jiàn)的損傷之一，會(huì)造成保險(xiǎn)和醫(yī)療等方面巨大的社會(huì)支出[1-2]。為盡量降低在追尾事故中對(duì)乘員（尤其是頸部）造成的損害，世界上各發(fā)達(dá)國(guó)家都先后將座椅鞭打試驗(yàn)引入其新車(chē)評(píng)價(jià)體系（NCAP）中[3-4]。2012年，中國(guó)C-NCAP也將鞭打試驗(yàn)正式引入評(píng)價(jià)規(guī)程[3，5]。在2015年7月執(zhí)行的2015年版C-NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程中，針對(duì)座椅鞭打試驗(yàn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)加嚴(yán)的提升，使得各車(chē)型座椅獲得高分更加困難，尤其針對(duì)已量產(chǎn)座椅，需要重新基于新版規(guī)程進(jìn)行評(píng)價(jià)及問(wèn)題整改。基于此，文章對(duì)某款車(chē)型座椅防揮鞭傷性能的提升進(jìn)行了研究。

1 揮鞭傷原理分析及法規(guī)對(duì)比

為便于對(duì)評(píng)價(jià)規(guī)程第3，4部分內(nèi)容的理解，文章首先對(duì)追尾碰撞中座椅揮鞭傷原理進(jìn)行說(shuō)明。在追尾碰撞過(guò)程中假人頭部運(yùn)動(dòng)大致可分為3個(gè)階段[5]：

1）爬升階段：車(chē)輛在遭受后撞時(shí)會(huì)突然加速向前移動(dòng)，乘員由于慣性的作用，軀干會(huì)沿著座椅靠背向上移動(dòng)，此時(shí)頭部在前，軀干向后，頭部則遭受由軀干傳來(lái)的軸向力，其帶來(lái)的傷害較其他階段小。此時(shí)頭與座椅頭枕還沒(méi)有接觸，頭部相對(duì)于軀干向后運(yùn)動(dòng)。影響爬升的原因主要有座椅靠背的設(shè)計(jì)形狀、乘員的坐姿、座墊及靠背的初始角度，乘員與座墊及靠背間的摩擦因數(shù)等。

2）揮鞭階段：在爬升現(xiàn)象出現(xiàn)后，若缺乏頭枕或其位置不佳，此時(shí)軀干會(huì)被靠背向前推擠，但頭部由于慣性并未向前，而是相對(duì)于軀干繼續(xù)向后仰倒，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)前面所分析的S形變化，頭與軀干分別朝相反的方向移動(dòng)，從而導(dǎo)致頭與軀干間相對(duì)速度和加速度增大，讓上下頸部承受相反方向的剪力。研究認(rèn)為揮鞭傷來(lái)自于頸椎S形變化，人體受傷也主要發(fā)生在這一階段。

3）回彈階段：由于彈性座椅可以吸收一些軀干壓縮產(chǎn)生的能量，在碰撞末期，座椅泡沫反彈，能量再傳給乘員，使乘員加速回彈，在回彈階段，頭部向前運(yùn)動(dòng)，此時(shí)對(duì)人體有影響的是頭部回彈速度。

目前普遍認(rèn)為減少乘員頭部與軀干的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，是防揮鞭傷設(shè)計(jì)的重要出發(fā)點(diǎn)。防揮鞭傷設(shè)計(jì)主要是座椅的設(shè)計(jì)，尤其是座椅頭枕的幾何形狀、位置、發(fā)泡硬度、靠背接觸剛度及摩擦因數(shù)、靠背繞調(diào)角器的旋轉(zhuǎn)剛度等都與防揮鞭傷性能息息相關(guān)[3]。

法規(guī)方面（為便于區(qū)分并簡(jiǎn)化名稱(chēng)，文中2012年版C-NCAP簡(jiǎn)寫(xiě)成2012版，2015年版C-NCAP簡(jiǎn)寫(xiě)成2015版），2015版針對(duì)鞭打試驗(yàn)項(xiàng)進(jìn)行了加嚴(yán)評(píng)價(jià)升級(jí)，與2012版差異對(duì)比情況，如表1所示。主要變化內(nèi)容有[6-7]：1）總分由2012版的插值計(jì)算方式變更為直接累加方式；2）上下頸部評(píng)價(jià)指標(biāo)不再采用累加方法，而是采取最差結(jié)果法，得分難度變大；3）靠背張角罰分限值由 32°調(diào)整為 19°。

表1 2012版與2015版鞭打試驗(yàn)得分對(duì)比

通過(guò)法規(guī)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，2015版鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)變得更加嚴(yán)格，得分更加困難，基于2012版開(kāi)發(fā)的座椅設(shè)計(jì)需要升級(jí)應(yīng)對(duì)。

2 某座椅試驗(yàn)問(wèn)題及原因分析

表2示出某款車(chē)型座椅在完成C-NCAP鞭打摸底試驗(yàn)后，分別按照2012版及2015版進(jìn)行評(píng)價(jià)得分的對(duì)比情況。

表2 某車(chē)型座椅鞭打試驗(yàn)得分對(duì)比

如果只從整體得分情況看，該款座椅在2012版評(píng)價(jià)中總得分為3.63分，分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，但如果按照2015版評(píng)價(jià)，總得分則只能得到2.78分，整體得分相比2012版減少近1分，不能滿足該車(chē)型基于2015版C-NCAP五星針對(duì)鞭打試驗(yàn)項(xiàng)3.5分的得分目標(biāo)要求（公司內(nèi)部目標(biāo)要求）。

另外，從假人具體評(píng)價(jià)項(xiàng)得分情況分析，該款車(chē)型座椅鞭打試驗(yàn)得分較低主要有頸部傷害指數(shù)（NIC）值和上頸部扭矩（My）傷害值偏大2項(xiàng)問(wèn)題。

文章將結(jié)合座椅靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)及動(dòng)態(tài)試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果曲線分析，分別針對(duì)2項(xiàng)問(wèn)題進(jìn)行原因分析。

2.1 頸部傷害指數(shù)（NIC）偏大原因分析

NIC是枕骨鉸鏈相對(duì)于胸部第1胸椎處（T1）的水平加速度和速度的相對(duì)值[7]，理論計(jì)算公式如下[7]（其中，T-HRC（end）為頭部與頭枕接觸后分離時(shí)刻）。

式中：NIC，NICmax——頸部傷害指數(shù)、最大值，m2/s2；——第1胸椎左右側(cè)加速度，m/s2；——第1胸椎、頭部加速度，m/s2。

圖1示出試驗(yàn)中NIC計(jì)算公式曲線示意。圖1中紅色曲線為NIC，由藍(lán)色曲線與綠色曲線相加得到，藍(lán)色曲線為加速度項(xiàng)綠色曲線為速度項(xiàng)由曲線分析結(jié)合理解計(jì)算可以得出，NIC主要由加速度項(xiàng)部分構(gòu)成，速度項(xiàng)對(duì)其數(shù)值大小影響較小。

圖1 頸部傷害指數(shù)（NIC）計(jì)算曲線

所以若要識(shí)別NIC偏大原因，則只需要分析加速度項(xiàng)部分曲線即可。

圖2示出NIC計(jì)算公式中加速度項(xiàng)所涉及曲線，紅色曲線為胸部加速度，藍(lán)色曲線為頭部加速度通過(guò)曲線T1減去頭部曲線，則可以得到綠色曲線“胸部與頭部加速度差值從圖 2 中可以看出，由于頭部與頭枕接觸開(kāi)始時(shí)刻相對(duì)于胸部與座椅靠背接觸開(kāi)始時(shí)刻太晚，即頭部與頭枕間距太大，導(dǎo)致正向值在頭部與頭枕接觸之前直接由胸部加速度構(gòu)成，且數(shù)值為理論最大，進(jìn)而導(dǎo)致NIC偏大。

圖2 胸部與頭部加速度曲線

經(jīng)測(cè)量，在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)前，頭部與頭枕間距在70 mm左右，如圖3所示，與理論分析結(jié)論相吻合，更能充分說(shuō)明本試驗(yàn)中NIC偏大的主要原因?yàn)轭^部與頭枕間距太大。

圖3 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)前頭部與頭枕間距

2.2 上頸部扭矩（My）偏大原因分析

My的理論計(jì)算公式如下[7]。

式中：Myoc，Mymaxoc，Myupper——上頸部扭矩評(píng)價(jià)值、評(píng)價(jià)最大值、試驗(yàn)值，N·m；

Fxupper——上頸部剪切力試驗(yàn)值，N；

D——計(jì)算系數(shù)，D=0.017 78 m。

由于My正負(fù)方向上的傷害都需要評(píng)價(jià)，所以需要明確其正方向定義。圖4示出My正方向定義示意。從定義可知，當(dāng)下顎向前胸，即當(dāng)頭部相對(duì)頸部呈點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，My為正值，反之為負(fù)。

圖4 上頸部扭矩（My）正方向定義示意圖

圖5示出試驗(yàn)中My計(jì)算公式曲線示意。圖5中綠色差值曲線為My結(jié)果評(píng)價(jià)用曲線，由紅色曲線減去藍(lán)色曲線得到，紅色曲線為上頸部扭矩試驗(yàn)值曲線Myupper（t），藍(lán)色曲線為頸部剪切力轉(zhuǎn)化項(xiàng)DFxupper（t）。由曲線分析結(jié)合理解計(jì)算可以得出，整體DFxupper（t）較小，My評(píng)價(jià)結(jié)果主要由讀取結(jié)果部分構(gòu)成。所以若要識(shí)別My偏大原因，則只需要分析My實(shí)際讀取結(jié)果曲線即可。

圖5 上頸部扭矩（My）計(jì)算曲線

圖6示出在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，當(dāng)My達(dá)到峰值時(shí)刻頭部相對(duì)頸部的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。結(jié)合圖5可以看出，由于頭部與頭枕間距太大（如圖3所示），且頭枕發(fā)泡硬度較小，支撐力度不夠（如圖6所示，頭部陷入頭枕太多），導(dǎo)致出現(xiàn)了如文章第1部分中提及的頭部由于慣性相對(duì)于軀干后仰太多，頭部相對(duì)頸部點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)明顯，呈現(xiàn)較為嚴(yán)重的S形變化，進(jìn)而導(dǎo)致My偏大。

圖6 上頸部扭矩（My）峰值時(shí)刻頭部相對(duì)頸部的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)示意圖

3 問(wèn)題整改及驗(yàn)證分析

通過(guò)試驗(yàn)問(wèn)題分析，找到了本款座椅在鞭打試驗(yàn)中主要失分項(xiàng)NIC及My傷害值偏大的真正原因。

結(jié)合原因分析過(guò)程，針對(duì)NIC，可通過(guò)提前頭部與頭枕接觸時(shí)刻從而降低胸部相對(duì)頭部加速度正方向差值，并最終降低NIC的思路來(lái)實(shí)現(xiàn)，頭部加速度波形優(yōu)化概念方案效果曲線，如圖7中藍(lán)色虛線所示。

圖7 頭部相對(duì)胸部加速度優(yōu)化方向示意圖

結(jié)合原因分析過(guò)程，針對(duì)My，可通過(guò)提早頭枕對(duì)于頭部的支撐時(shí)刻，同時(shí)增加頭枕發(fā)泡硬度，通過(guò)平衡My正負(fù)方向數(shù)值大小，進(jìn)而最終降低My整體傷害的思路來(lái)實(shí)現(xiàn)，概念方案效果曲線，如圖8中紅色虛線所示。

為達(dá)到上述預(yù)期效果，同時(shí)降低試驗(yàn)費(fèi)用和成本，縮短試驗(yàn)周期，需借用CAE仿真分析工具進(jìn)行本座椅防揮鞭傷性能優(yōu)化仿真分析，找到最合適的頭部與頭枕間距及頭枕發(fā)泡硬度等關(guān)鍵參數(shù)。

為提升該仿真分析效率與精度，采取MADYMO假人模型與LS-DYNA座椅模型相耦合的方式進(jìn)行分析。圖9示出本次仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性做好之后動(dòng)態(tài)分析過(guò)程示意，結(jié)合數(shù)據(jù)曲線對(duì)比，以確保仿真分析模型準(zhǔn)確性及方案優(yōu)化有效性。

圖9 座椅防揮鞭傷仿真與試驗(yàn)相關(guān)性分析過(guò)程示意圖

通過(guò)以頭后間距及頭枕發(fā)泡硬度為變量進(jìn)行DOE優(yōu)化分析后得出：

1）頭部與頭枕間距應(yīng)由原狀態(tài)降低到25 mm左右（不影響座椅頭枕乘坐舒適性）；

2）頭枕發(fā)泡硬度需在現(xiàn)有狀態(tài)基礎(chǔ)上增加約2.5倍（不影響座椅頭枕乘坐舒適性）。

圖10示出在最優(yōu)參數(shù)狀態(tài)下仿真分析過(guò)程示意，結(jié)合曲線數(shù)據(jù)及圖10，得出在此狀態(tài)下，可以保證頭枕能夠及時(shí)、有效地對(duì)頭部起到支撐作用，進(jìn)而降低NIC及My。

圖10 最優(yōu)參數(shù)狀態(tài)下座椅防揮鞭傷仿真分析示意圖

為驗(yàn)證仿真分析結(jié)論準(zhǔn)確性，對(duì)該款座椅頭枕樣件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。圖11示出試驗(yàn)前靜態(tài)測(cè)量狀態(tài)，保證與仿真分析狀態(tài)保持一致后進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

圖11 最優(yōu)參數(shù)狀態(tài)下頭部與頭枕間距示意圖

基于仿真分析最優(yōu)參數(shù)狀態(tài)，試驗(yàn)后關(guān)鍵結(jié)果曲線對(duì)比，如圖12～圖14所示。

圖12 優(yōu)化后胸部與頭部加速度曲線

圖13 優(yōu)化前后頸部傷害指數(shù)（NIC）對(duì)比曲線

圖14 優(yōu)化前后上頸部扭矩（My）對(duì)比曲線

從圖12可以看出，通過(guò)提早頭部與頭枕接觸時(shí)刻后，在降低頭部加速度峰值的基礎(chǔ)上，有效降低了胸部對(duì)頭部的加速度差值。

從圖13可以看出，在有效降低胸部對(duì)頭部加速度差值后，成功實(shí)現(xiàn)了NIC的降低。

從圖14可以看出，通過(guò)提早頭部與頭枕接觸時(shí)刻，同時(shí)增加頭枕發(fā)泡硬度，平衡了My正負(fù)方向數(shù)值大小，并最終降低了My整體傷害。

表3示出在最優(yōu)參數(shù)狀態(tài)下試驗(yàn)結(jié)果及得分評(píng)價(jià)。

從表3中可以看出，在針對(duì)頭部與頭枕間距及頭枕發(fā)泡硬度進(jìn)行優(yōu)化后，在有效降低NIC及My的同時(shí)，所有評(píng)價(jià)項(xiàng)目基本都能得到滿分；2015版總得分為3.95分，確保了該車(chē)型滿足基于2015版C-NCAP五星針對(duì)鞭打試驗(yàn)項(xiàng)的得3.5分的目標(biāo)要求。

4 結(jié)論

隨著2015年版C-NCAP鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法的實(shí)施，在2012年版基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的部分座椅在防揮鞭傷性能方面需要進(jìn)行提升，以獲得與原來(lái)相當(dāng)?shù)姆謹(jǐn)?shù)。文章通過(guò)對(duì)某車(chē)型座椅鞭打試驗(yàn)結(jié)果中得分較低的關(guān)鍵影響指標(biāo)進(jìn)行深入分析，識(shí)別出問(wèn)題真因所在，并借助仿真工具通過(guò)優(yōu)化分析的方式識(shí)別出了適合本款座椅的頭部與頭枕間距及頭枕發(fā)泡硬度等關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證后達(dá)到了預(yù)期效果，可為后續(xù)新開(kāi)發(fā)座椅或其他有類(lèi)似問(wèn)題的已量產(chǎn)座椅提供設(shè)計(jì)或問(wèn)題整改參考。

1）對(duì)于全新開(kāi)發(fā)座椅，可考慮采用主動(dòng)頭枕結(jié)構(gòu)，對(duì)于已量產(chǎn)普通座椅，則可考慮在不影響乘坐舒適性的基礎(chǔ)上將頭枕向靠近乘員頭部的方向前移以優(yōu)化設(shè)計(jì)，目的是在追尾碰撞過(guò)程中，使得頭枕提早接觸到乘員頭后部，并起到有效支撐，盡量降低頭部與胸部之間加速度差值，進(jìn)而降低NIC；

2）提早頭部與頭枕接觸時(shí)刻、同時(shí)適量增加頭枕發(fā)泡硬度，通過(guò)平衡My正負(fù)方向數(shù)值大小的方式，可有效降低My傷害指標(biāo)；

3）鞭打試驗(yàn)中所涉及到的各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間是有相互關(guān)聯(lián)性的，尤其對(duì)于頭部與頭枕間距，頭枕發(fā)泡硬度，及二者與座椅靠背（尤其是與T1加速度傳感器位置直接相關(guān)的上背部）剛度等之間需要進(jìn)行良好的匹配設(shè)計(jì)，才能取得良好效果。