正面偏置碰撞中座椅剛度低對假人小腿傷害的影響

商恩義

（浙江吉利汽車研究院有限公司 浙江省汽車安全技術研究重點實驗室，杭州 311228）

正面偏置碰撞中座椅剛度低對假人小腿傷害的影響

商恩義

（浙江吉利汽車研究院有限公司 浙江省汽車安全技術研究重點實驗室，杭州 311228）

為研究汽車座椅剛度對假人運動姿態、假人小腿傷害的影響，對某款左舵車正面偏置碰撞試驗的數據和錄像進行了分析，發現在碰撞過程中，當座椅剛度低導致假人產生下潛趨勢時，將增加假人腳掌發生側翻（內翻或外翻）的可能性，致使假人小腿下部TI值失分。結合該車座椅的臺車試驗結果，對座椅軌道結構和材料進行了優化。結果表明，提高座椅剛度后假人下潛趨勢消失，假人腳掌不再發生側翻，假人小腿下部的TI值降低了26%，達到標準要求。

主題詞：汽車偏置碰撞試驗座椅剛度小腿傷害

1　前言

在中國新車星級評價程序（China New Car Assessment Program，C-NCAP）和歐洲新車評價程序（Euro-New car assessment program，Euro-NCAP）中，都規定了64 km/h正面40%偏置碰撞試驗［1，2］。目前，在偏置碰撞試驗中，假人小腿是失分重點部位。對于假人小腿的失分，普遍認為與小腿與前方儀表板發生碰撞或腳踏板、擱腳板發生侵入有關，因此，解決小腿失分的方法通常是通過增加膝部氣囊或提高車輛前端碰撞區域的剛度來減少防火墻部位的侵入。事實上，在碰撞過程中，假人各部位的傷害程度與假人運動姿態密切相關，即當假人發生下潛或產生下潛趨勢時都將造成假人小腿傷害增加，而假人下潛的發生除與座椅骨架整體結構、座墊傾角有關外，也與座椅剛度低有關。基于此，本文結合某款左舵車（下稱L車）在正面偏置碰撞試驗中駕駛員假人（下稱假人）右小腿下部傷害指標的優化過程，研究座椅剛度偏低對假人小腿傷害的影響。

2　L車偏置碰撞試驗中假人小腿的傷害

在正面偏置碰撞試驗中，通常通過假人小腿上部和小腿下部載荷傳感器測量3個方向（x向、y向、z向）的力及x、y兩個方向的彎矩，用以評價假人小腿上部和小腿下部所受到的傷害，其中，x向為前、后方向，向前為正；y向為左、右方向，向右為正；z向為上、下方向，向下為正。C-NCAP中對假人小腿傷害的評價是通過小腿軸向力Fz和小腿脛骨性能指標TI進行，其中，Fz對應的高性能指標和低性能指標分別為2 kN和8 kN；TI對應的高性能指標和低性能指標分別為0.4和1.3。L車在進行偏置碰撞試驗后，假人右小腿上部的Fz和TI、右小腿下部的Fz均未失分，而假人右小腿下部的TI值為0.467，已經失分。為了獲得滿分，需要對失分的原因進行分析，對當前的約束系統結構進行優化。

2.1基于試驗數據分析TI值過高原因

C-NCAP中TI按下式計算：

式中，Mr為合成彎矩，通過計算得到；（Mc）r為臨界彎矩，取為225 N·m；Fz為假人小腿軸向力（受拉為正）［3］，可直接測量得到；（Fc）z為z向臨界壓縮力，取為35.9 kN；Mx為繞x軸彎矩（膝蓋不動、腳踝向左為正）；My為繞y軸彎矩（膝蓋位置向后、腳踝向前為正）。

依據式（1）和式（2）可得假人右小腿下部TI值，如圖1所示，建立Mx與My的對比關系如圖2所示。

由圖1可看出，TI值偏高，這主要是由于Mr偏大導致的。由圖2可看出，Mx與My相比，Mx基本為負，且絕對值最大值達到97.22 N·m，遠大于My，因此可以確認，試驗中造成假人右小腿下部TI值偏高的主要原因是小腿下部Mx偏高。

2.2試驗中彎矩偏高的原因分析

彎矩的產生是假人小腿軸向力與腳掌支撐點存在偏差造成的，彎矩將隨著假人小腿軸向力的變化和腳掌支撐點的改變而發生變化。當踏板的侵入力增加較快，且假人腳掌受力點從腳掌前方偏離小腿軸心較大時，假人腳掌相對小腿將發生背曲（腳背上翻），My將瞬間增大；當小腿的軸向力增加較快，腳掌支撐點向左或向右偏離小腿軸心較大，Mx絕對值升至較高時，假人腳掌相對小腿將發生側翻（內翻或外翻）。假人腳掌發生側翻后，假人小腿軸向壓力Fz將瞬間減弱，Mx絕對值將得到瞬間緩解。但當側翻達到假人腳踝的損傷容限（醫學上腳踝的最大活動范圍）［4］時，Mx絕對值將繼續增大，且增大速度將更快。

因此，對于L車的正面偏置碰撞試驗，依據圖2中Mx絕對值較大及曲線在80～100 ms之間出現凹坑，可以初步確認碰撞過程中腳掌發生外翻，并且翻轉達到了腳踝的損傷容限。

2.3腳踝狀態分析

圖2中，Mx的突變發生在75 ms時刻，最大值出現在102 ms時刻，截取75 ms時刻和102 ms時刻腳踝部位錄像如圖3所示。由圖3b可看出，在102 ms時，假人右腳外翻明顯。因此，可以確認假人右小腿下部TI超標是假人右腳在碰撞過程中發生嚴重外翻所致。

3　試驗中座椅剛度低對假人小腿傷害的影響

對比圖3a和圖3b可看出，除假人右腳發生外翻外，同時以中央通道的左側面為參照，坐墊前端下沿、座椅前后位置調節桿被下壓明顯，即在75～102 ms的碰撞過程中，座椅前端發生了嚴重變形，表明試驗中座椅剛度偏低。

3.1臺車試驗中座椅剛度低對假人運動姿態的影響

標準GB 15083—2006《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》中規定了“對整個車體向前施加一個不小于20g的水平縱向減速度，持續時間為30 ms”的動態試驗，并要求試驗后的座椅骨架、座椅固定裝置、調節裝置、移位折疊裝置或其鎖止裝置均不應失效，允許產生不會增加傷害程度的永久變形（包括斷裂）且能承受規定載荷。該試驗中L車的座椅已經通過了GB 15083—2006的試驗檢驗，強度上符合要求。對于座椅生產廠家來說，當座椅滿足GB 15083—2006的要求后便可供貨，但是，標準GB 15083—2006只是從試驗中座椅本身應具有的安全性方面考慮，規定了對座椅總成的強度要求和試驗方法，并沒有要求放置假人。而實際碰撞中，座椅剛度影響著乘員的運動姿態，因此，座椅的剛度對乘員傷害的影響不可忽略。

為了檢驗L車所配座椅的剛度，除遵循標準GB 15083—2006的試驗要求外，在座椅上安放了TNO 10假人，并再次進行了動態沖擊試驗。試驗后，截取了假人動作前和向前移動至最大位移時刻的錄像，如圖4所示。

由圖4b可看出，碰撞后座椅滑軌尾端成弓形，前端下降明顯，座椅滑軌由碰撞前的斜向上方變為整體接近水平。另外，坐墊前端下降，假人臀部下沉，膝蓋上頂。由此表明，該座椅整體剛度偏低，尤其滑軌剛度較差，在碰撞中因滑軌發生彈性變形最終導致假人產生下潛趨勢。

3.2L車正面偏置碰撞試驗中假人下潛趨勢判定

為分析L車正面偏置碰撞試驗中假人的運動姿態，截取了試驗中75 ms時刻和102 ms時刻錄像，如圖5所示。由圖5可看出，相對門框上沿假人頭部位置發生了變化，由此可以判定碰撞試驗中假人雖然沒有發生下潛，但下潛趨勢明顯。

3.3假人下潛（趨勢）對小腿傷害的影響

在實車正面偏置碰撞試驗中，由于假人右腳放在加速踏板上，碰撞中前、后基本不動，因此，當假人向前及向下運動時，假人大腿將產生推動小腿向前同時相對小腿上端向下的運動，此過程中假人大腿受拉，小腿因腳下不能移動而受壓，即膝滑移（小腿相對大腿的滑移量）為正。隨著碰撞的進行，當假人膝蓋撞擊到儀表板并沿儀表板向下擠時，假人大腿轉向受壓，假人小腿受到的壓力越來越大，且假人膝部與儀表板之間的接觸越來越不穩定，此時假人小腿將可能發生擺動，假人腳掌下的支撐點可能會發生左右轉換。隨著假人小腿軸向壓力的不斷增大及腳掌支撐點的不穩定，假人腳掌將可能發生翻轉。

通過L車正面偏置碰撞試驗過程中假人右腿的相關數據來分析假人下潛（趨勢）對假人小腿傷害的影響。碰撞試驗后假人右大腿和右小腿下部軸向力、膝滑移分別如圖6和圖7所示。

由圖6可看出，假人小腿下部所受軸向壓力在54 ms時開始增大，在64 ms時增速緩解；假人大腿所受軸向壓力曲線在60～63 ms之間出現凹坑，64 ms后受拉強度逐漸減弱并轉向受壓。假人小腿下部軸向壓力曲線和大腿軸向壓力曲線在82～100 ms之間均出現了明顯凹坑，即此期間假人大腿和小腿所受的軸向壓力出現瞬間緩解。

由圖7可看出，膝滑移在113 ms前一直為正值，且在約61～88 ms期間正向增速較快。在113 ms之后膝滑移為負，且最小負值僅為-0.6 mm，該現象表明，在碰撞過程中，假人小腿相對大腿沒有向后移動，與儀表板相接觸的腿部主要是膝部，且假人大腿與小腿存在對折現象。

根據假人右小腿下部的Mx曲線（圖2）可知，在60 ms時，Mx開始正向增大；在74 ms時開始轉向，并沿負向增速明顯。Mx值正、負轉換表明在小腿軸向壓力作用下，假人右腳與加速踏板間的作用點不穩定，發生了切換。在82 ms時，Mx出現了第1個較大的負向尖峰。

綜合上述分析可以確認，試驗中假人右腿的碰撞過程為：在60 ms時，假人右腿膝部與儀表板發生接觸，但接觸不穩定；隨著假人開始下潛（趨勢），假人大腿對小腿的向前及向下擠壓使小腿軸向壓力急劇增大；在82 ms時，假人小腿軸向壓力達到了1.7 kN，右腳掌開始外翻；假人右腳掌外翻過程中，假人右小腿下部所受到的傷害均得到緩解，但當翻轉達到腳踝的損傷容限后，假人右小腿下部所受傷害均再次增大，在102 ms時Mx絕對值達到最大值97.22 N·m。分析碰撞過程中假人小腿脛骨性能指標TI值可知，在假人腳掌開始發生翻轉的第82 ms時刻，TI為0.424；在假人腳掌翻轉達到最大容限后的第102 ms時刻，TI為0.467，兩時刻的TI都超過了高性能指標。即假人下潛將造成假人小腿Mx增大，當假人發生下潛時，無論假人腳掌是否發生翻轉，都可能造成假人小腿失分。

4　座椅剛度的改進

由上述分析可知，假人小腿傷害失分是L車座椅剛度偏低所致，為保證假人小腿得分為滿分，需要對當前約束系統進行優化。為提高座椅剛度，對座椅軌道的結構進行了適當改進，對軌道進行了加厚處理。優化后再次進行了臺車試驗，試驗中假人向前運動至最大位移時刻的錄像截屏如圖8所示。

與圖4b相比，圖8中假人未出現下潛趨勢，即改進后的座椅剛度得到了明顯提升。將改進后的座椅安裝至L車上后再次進行了正面偏置碰撞試驗。圖9～圖11為座椅改進前、后兩次試驗中假人右大腿軸向力F′z、右小腿下部軸向力Fz和右小腿下部Mx的比較。

由圖9～圖11可看出，座椅剛度提升后，假人大腿軸向力在整個試驗過程表現為受拉狀態，即沒有出現膝蓋撞擊儀表板并沿儀表板前表面向前、向下擠壓產生壓力的情況；假人小腿軸向力曲線波動減少，在接近80 ms時產生了一個明顯的尖峰，且相對座椅改進前峰值增大明顯，但對應時刻的Mx的絕對值卻較小。該結果表明，在假人膝部與儀表板發生碰撞后，假人膝部與儀表板的接觸比較穩定，且假人腳掌的支撐點集中在小腿軸心線上，因此不但假人腳掌未發生翻轉，而且產生的Mx的絕對值也較小。

分析了座椅改進前、后兩次試驗中假人右小腿下部TI值的變化情況，如圖12所示。由圖12可看出，座椅改進后的TI最大值為0.345，相比改進前降低了0.122，且已低于高性能指標，不再扣分，達到了約束系統優化的目標。

5　結束語

為降低某款左舵車正面偏置碰撞試驗中駕駛員假人右小腿下部傷害指標值，對L車座椅剛度對假人運動姿態的影響進行了研究，指出在偏置碰撞過程中，當座椅剛度不足時，假人可能產生下潛趨勢，進而會造成小腿下部Mx增大，TI值超過C-NCAP中規定的高性能指標。為提高座椅剛度，對座椅軌道結構和軌道材料進行了改進，座椅改進后，假人小腿下部TI值比改進前降低了0.122，且低于高性能指標。

1中國新車評價規程（C-NCAP）.（2013-03-01）.http//www.c-ncap.org.

2European New Car Assessment Program（E-NCAP）.（2013-03-01）.http//www.euroncap.com.

3USA Society of Automotive Engineers（USA SAE）.SAE J211-1：Instrumentation for Impact Test-Part1-Electronic Instrumentation，REV.MAR95.USA SAE，2003.

4陳海斌，王正國，Albert I King等，汽車碰撞事故中下肢的損傷容限與機制.汽車安全與節能學報，2010，1（4）：253～259.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年6月1日。

Influence of Seat Rigidity on Dummy's Tibia Injuries in Frontal Offset Crash Test

Shang Enyi
（Zhejiang Geely Automobile Institute Co.，Ltd，Key Research Laboratory of Zhejiang Provincial Automobile Safety Technology，Hangzhou 311228）

To investigate the influences of the seat rigidity on dummy's movement posture and tibia injuries，we analyze the test data and the video of left-side drive vehicle in frontal offset impact test，and find that，dummy will tend to descend when the seat rigidity is lower that will increase the possibility of the sole side flexion（inner side or outer side），causing the TI lose points.Combined with sled test result of this vehicle seat，the seat rail structure and material are optimized.The results show that the dummy's descending trend disappears when the seat rigidity is increased，and no sole side flexion occurs，TI value of the dummy's tibia declines by 26%，and complies with requirement of standard.

Automotive，Offset impact test，Seat rigidity，Tibia injuries

U467.1+4

A

1000-3703（2016）10-0044-04