正面碰撞試驗中坐墊剛度均勻性對乘員傷害影響研究

商恩義 劉衛國 周大永 韓剛

（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）

正面碰撞試驗中坐墊剛度均勻性對乘員傷害影響研究

商恩義 劉衛國 周大永 韓剛

（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）

為提高汽車座椅坐墊的安全性，對坐墊剛度前后一致和前高后低的兩款座椅進行了臺車試驗研究，結果表明，坐墊剛度前高后低將會造成乘員骨盆發生“二次碰撞”，導致乘員的胸部加速度幅值和壓縮變形量增高，頸部張力增大，同時帶來安全氣囊觸底風險，最終造成乘員上半身的傷害相應加重。因此在選配座椅時，應盡可能選擇坐墊前、后剛度接近的座椅。

1 前言

汽車座椅是汽車中將乘員與車身聯系在一起的重要內飾部件,它直接影響到整車的舒適性和安全性[1]，因此，座椅的設計除了要滿足法規對乘員身體壓力分布、振動特性、剛度和強度等性能要求，還要使座椅的結構、剛度及坐墊傾角等設計實現最優化，以期在汽車發生碰撞時能夠有效緩解乘員受到的沖擊傷害。相關研究表明[2，3]，增大座椅坐墊傾角可以減輕乘員頭部和胸部的損傷值，但為了保證乘坐舒適性，坐墊與汽車駕駛區地面的夾角不應偏大。此種情況下，為了提高座椅在碰撞過程中對乘員的約束作用，通常將座椅骨架設計成盆式結構，且將坐墊前、后剛度設計成前高后低，該結構雖然在碰撞中加大了對乘員骨盆的約束作用，但改變了人體通常的運動姿態，可能會對乘員身體局部帶來更嚴重的傷害。針對上述問題，本文通過試驗對坐墊剛度前、后均勻性差異對乘員傷害的影響進行了研究。

2 坐墊剛度分析

目前，坐墊剛度曲線通常按照QC/T 55—93《汽車座椅動態舒適性試驗方法》中對靜剛度檢驗要求的規定，并結合實際工況進行測量，即實際測量中用正面碰撞試驗用HybridⅢ50th假人臀部塊替代標準中規定的坐墊加載板，如圖1所示。試驗中，將下壓作用力直接加載在假人骨盆中間部位[4]。

因試驗車型所選配座椅為盆式座椅（見圖2），其前端和后端的剛度差別較大，因此研究中將選取座椅前、后兩個位置進行靜剛度測量。根據圖1，先將坐墊和靠背按照整車試驗狀態調節好，然后放上假人臀部塊并對臀部塊的位置進行調節。調節假人臀部塊時，先左右調節使假人臀部塊的左右中截面與坐墊前后方向的中截面重合，隨后前后移動假人臀部塊，當假人臀部H點[5]與座椅下加強橫梁在前后方向上相對應時，將該位置確定為前測量位置；當假人臀部后側邊緣與座椅靠背剛剛接觸時，將該位置確定為后測量位置。

試驗加載速度為2.5 mm/s，加載方式為：加載到25 mm時釋放；加載到75 mm時釋放；加載到150 mm時釋放，記錄該過程中的力和位移曲線，并分析載荷為500 N時坐墊下陷量對應值δ，然后通過式（1）計算出加載剛度ks。

每個測量點重復測試3次，取其平均值記作座椅在該點區域的剛度并用于后續分析。

3 臺車試驗研究

試驗樣車為正在開發的A級車，初步選定駕駛員側座椅為盆式結構、坐墊傾角均為14°的A、B兩款，A坐墊前、后剛度分別為23.2 N/mm和13.3 N/mm，前端剛度是后端的1.7倍，差別較大；B坐墊前、后剛度為27.4 N/mm和24.2 N/mm，基本一致。為了確定最有利于駕駛員側乘員保護的一款座椅，對A、B兩款座椅分別進行了臺車試驗。為確保試驗結果能夠真實地反映不同產品之間存在的性能差異，兩次臺車試驗由同一組試驗人員按同一標準進行操作，并使用同一條減速度曲線、同一假人、相同的安全帶和安全氣囊配置。

對于試驗數據，依據SAE J211做如下規定：假人x向加速度為前、后方向，向前為正；y向加速度為左、右方向，向右為正；z向加速度為上、下方向，向下為正。假人頸部x向剪切力Fx，頭向后胸向前為正；頸部z向張力Fz，受拉為正[6]。

3.1 骨盆數據分析

假人骨盆加速度傳感器位于骨盆后端腰椎下方位置。假人骨盆x向加速度曲線反映了安全帶腰帶和坐墊對假人x向的約束作用，以及可能出現的大腿膝部撞擊到儀表板產生的阻力。骨盆z向加速度的變化反映了假人腰椎對假人臀部的上提作用，而腰椎提臀的幅度與安全帶腰帶的作用力和坐墊剛度大小密不可分，因假人在前沖過程中，當受到腰帶的約束作用后，將在上下方向上尋找突破點，當座椅剛度過低時，假人臀部將產生下潛運動，此時臀部上提、胸部前撲的運動將被減弱，骨盆z向加速度偏低；當座椅剛度偏高時，假人的臀部將向前上方運動，向前運動減速加快，整個假人的動能將轉向假人胸部，假人胸部前撲速度將加快，提臀幅度將加大，骨盆z向加速度幅值將偏大。

坐墊剛度變化對假人最直接的影響就是對假人胸部前撲及提臀幅度的影響，表現為假人骨盆加速度的變化，且以z向加速度的變化為主。

兩款座椅臺車試驗后，假人骨盆x向和z向加速度曲線如圖3所示，其中，為了使z向加速度曲線能夠直觀地反映假人臀部上提情況，z向加速度進行了取反處理。

由圖3可看出，對于x向加速度，在約55 ms時刻，A座椅試驗時x向加速度增幅突然加快，而B座椅試驗時增幅過程相對平緩。在整個碰撞過程中，兩次試驗的x向加速度最大幅值基本相等，但A座椅試驗達到最大幅值時刻為73 ms，B座椅試驗為103 ms，A座椅試驗比B座椅試驗提前了約30 ms。對于z向加速度，在約70 ms時，A座椅試驗中z向加速度增幅發生突變，相對第2次試驗不但達到最大幅值時刻提前了30 ms，而且加速度幅值也提高了10g。

兩次試驗中骨盆加速度曲線產生差異的原因為，在假人向前運動過程中，腰帶將盡力將假人臀部約束在座椅上，當坐墊剛度前、后相對均勻時，隨著安全帶腰帶作用的增強，假人骨盆x向和z向加速度絕對值都將均勻增加，直至臀部平穩回彈、胸部前撲達到最大值，但此過程中胸部前撲幅度較小，變化不劇烈，所以z向加速度幅值較低。當坐墊剛度前高后低或大腿膝部撞擊到儀表板時，骨盆x向的加速度將產生急劇增強的突變，該突變將導致假人將胸部提臀前撲速度加快，使假人骨盆z向加速度也產生突變，而此突變強度通常很大，常與x向加速度的幅值幾乎相等。但需要強調的是，在預緊限力式安全帶作用下，因大腿撞擊對骨盆加速度產生影響的情況已很少出現，一旦x向加速度有突變產生，通常只有坐墊剛度發生改變。通過對比兩次試驗結果可知，假人骨盆加速度的差異是坐墊前、后剛度存在均勻性差異造成的。鑒于A座椅試驗中，當骨盆撞擊到前端剛度較高部位時加速度曲線產生了明顯的突變，好似再次發生了撞擊，則將車體碰撞稱為“一次碰撞”，將座椅剛度差異造成的骨盆碰撞強度增強過程可稱為“二次碰撞”。

上述分析表明，在碰撞過程中，人體由于慣性繼續前沖，進而將受到安全帶等約束系統的約束。在所有承受約束的部位中，臀部的承載能力最強，而座椅坐墊剛度前高后低恰恰能增強座椅對乘員臀部的約束作用，進而實現對整個乘員的約束。因此，坐墊剛度前高后低在約束系統開發過程中可以考慮采用。

3.2 胸部傷害影響分析

兩款座椅臺車試驗后，胸部x向加速度曲線如圖4所示，胸部壓縮變形量D曲線如圖5所示。

圖4中，在約55 ms時，兩次試驗中胸部x向加速度曲線下降幅度均明顯增大，即該時刻后安全帶作用效果明顯增強。由于安全帶作用力為被動力，安全帶作用效果增強表明假人胸部前撲明顯加快。其中，A座椅試驗中曲線下降幅度更明顯，可以確認A座椅試驗中坐墊前端剛度突然增大對假人胸部形成了沖擊。

圖5中，由于A座椅試驗中假人相對B座椅試驗的前撲速度過快，導致安全帶對胸部的壓縮速度上升加快，同時，在安全氣囊作用階段，A座椅試驗中假人胸部與氣囊的接觸更早且擠壓強度更大。最終，A座椅試驗中假人胸部壓縮變形量最大值達到33.6 mm，而B座椅試驗中最大值僅是30.3 mm，A座椅試驗中最大胸部壓縮變形量比B座椅試驗中高11%。該結果表明，如果該車型采用A座椅，胸部壓縮變形量的增加將對后續安全氣囊的優化提出更高要求。

3.3 頸部傷害影響分析

兩款座椅臺車試驗后，頸部受力情況如圖6所示。

由圖6a可看出，在約65 ms前后，兩款座椅臺車試驗中假人與安全氣囊發生接觸，頸部剪切力Fx變化趨勢發生轉折，其中，A座椅試驗中Fx轉折斜率和幅值變化均大于B座椅試驗，即頭部與安全氣囊完全接觸后，A座椅試驗中假人頭部撞擊速度偏高。

由圖6b可看出，A座椅試驗中頸部張力Fz幅值達到2.3 kN，B座椅試驗中為1.55 kN，A座椅試驗中Fz幅值是B座椅試驗中的1.5倍。C-NCAP中規定的頸部張力Fz高性能指標為2.7 kN，A座椅試驗中Fz幅值與之很接近，已經對假人頸部造成一定傷害，且存在扣分風險。

3.4 假人頭部傷害影響分析

兩款座椅臺車試驗后，假人頭部合成加速度對比如圖7所示。

圖7中，A座椅試驗中假人頭部合成加速度幅值明顯高于B座椅試驗，A座椅試驗中假人頭部性能指標HIC=803（91～124 ms），而B座椅試驗中HIC=181（90～126 ms）。C-NCAP中規定假人頭部傷害評價指標HIC的高性能限值為650，低性能限值為1 000，即HIC值低于650時為滿分，超過1 000時為零分。B座椅試驗中假人頭部傷害較好，但A座椅試驗中假人頭部將扣掉近一半分數。

在C-NCAP中，頭部HIC計算式[7]如下：

式中，ar為頭部x、y、z3個方向合成加速度，t2-t1≤36 ms。

式（2）表明，頭部HIC的大小與t2-t1間最大平均加速度密切相關，而A座椅試驗中，在91～124 ms內ar維持在高值，即平均加速度值將較高，這是其HIC偏高的主要原因。

A座椅試驗中假人頭部x、y、z3個方向加速度如圖8所示。

圖8中，頭部z向加速度幅值最高達44g，遠高于通常的20g，是合成加速度值偏高的主要原因之一；另外，從頭部x向加速度曲線可以初步判斷，碰撞發生后第108 ms時頭部安全氣囊發生觸底，即碰撞后期頭部透過氣囊與轉向盤發生碰撞。該觸底碰撞導致頭部x向和z向加速度繼續增高并持續保值。

在整個碰撞過程中，假人頭部除了受到安全氣囊的作用力外，還將受到頸部的約束作用，即安全氣囊和頸部共同作用下產生頭部加速度，因此，頸部力和頭部產生加速度的合力之間有著必然聯系。HybridⅢ50th假人頭部質量為4.54 kg，用假人頭部質量分別乘以頭部x向和z向加速度，可以求得假人頭部x向和z向合力。建立頸部力與頭部合力間關系如圖9[8，9]所示。

圖9中，頸部z向張力和頭部z向合力比較接近，表明雖然A座椅試驗中假人頭部z向加速度很大，但主要是由頸部張力作用產生。

分析安全氣囊的作用，將頭部x向合力與頸部x向剪切力、頭部z向合力與頸部Fz分別取差值，求得安全氣囊對假人頭部x向和z向的作用力，如圖10所示。

圖10中，在碰撞發生后第108 ms時，安全氣囊對假人頭部x向和z向的作用力均發生增強突變，可以進一步確認此時安全氣囊觸底[10]。從安全氣囊觸底前A座椅試驗中安全氣囊x向作用力下降斜率較大可以確認，在頭部撞上安全氣囊時安全氣囊的氣量較足、剛度較大，但后期還是觸底，表明安全氣囊作用有效時間短，且頭部撞擊速度高。對于A座椅試驗中安全氣囊對假人頭部z向作用力，其為負值，表明氣囊對頭部z向作用方向向上，即A座椅試驗中假人臀部回彈較快，對頭部產生回拉作用，導致面部與安全氣囊表面接觸面間產生相對滑動，此滑動增大了頸部張力，降低了安全氣囊的保護效果。

4 結束語

本文對正面碰撞試驗時汽車座椅坐墊剛度均勻性對乘員傷害的影響進行了研究，通過臺車試驗結果表明，在約束系統開發過程中，坐墊剛度前高后低有利于對乘員的約束，但當坐墊前、后剛度均勻性相差較大時，將對骨盆造成“二次碰撞”，骨盆的二次碰撞將造成骨盆降速過快，乘員上半身前撲動作加強，進而造成乘員上半身的傷害相應加重。因此，在選配座椅時，應盡可能選擇坐墊前、后剛度接近的座椅。

1 張金換,杜匯良,馬春生等.汽車碰撞安全性設計.北京：清華大學出版社,2010.

2 葛如海,臧綾,王浩濤等.汽車坐墊傾角對正面碰撞乘員保護影響分析.機械工程學報,2009,45（11）：230～234

3 商恩義.正面全寬碰撞試驗中假人胸部損傷研究.汽車科技,2012（3）：18～21.

4 國家發展和改革委員會.汽車座椅動態舒適性試驗方法.QC/T55-1993.北京：中國標準出版社，1993.

5 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).User's Manual for the 50thPercentile Male HybridⅢTest Dummy，Version 1998.USA SAE,1998.

6 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).SAE J211-1：Instrumentation for Impact Test-Part1-Electron?ic Instrumentation,REV.MAR95.USA SAE,2003.

7 中國汽車技術研究中心（天津）.C-NCAP管理規則（2012年版）.（2013-06-20）.http//www.c-ncap.org.

8 商恩義,張君媛,楊斌,等.正面碰撞試驗中假人頭部及胸部受力分析方法的研究與應用.汽車技術,2010（10）：18～21.

9 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).J2052：Test Device Head Contact Duration Analysis.USA SAE, 1997.

10 Adult occupant protection rating：Frontal Impact-Driver &Passenger.http//www.euroncap.com：2～14.

（責任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2016年12月10日。

Research on the Influence of the Occupant’Injuries by Seat Cushion Stiffness Uniformity in the Frontal Impact

Shang Enyi,Liu Weiguo,Zhou Dayong,Han Gang
（Geely Automobile Research Institute,Zhejiang Key Laboratory of Automobile Safety Technology,Hangzhou 311228）

To improve safety of vehicle seat cushion,sled experimental research on two types of seat was conducted, one with equal cushion stiffness on the front and rear seats,the other with higher cushion stiffness on the front seat and lower cushion stiffness on the rear seat.The results showed that the seat with higher cushion stiffness on the front seat and lower cushion stiffness on the rear seat easily cause“secondary impact”to passenger’s pelvis,leading to increase of passenger’s thorax acceleration amplitude and compression deformation,as well as increase of neck strain,meanwhile it also brings about the risk of air bag grounding,ultimately causing aggravation of injury of the passenger’s upper body.Therefore when matching seat,seats with similar stiffness on the front and rear cushion should be choosed.

Frontal impact,Seat cushion stiffness,Uniformity

正面碰撞 坐墊剛度 均勻性

U467.1+4

A

1000-3703（2017）07-0054-05