基于GB13057的客車座椅結構對乘員傷害的分析

顏長征，王若璜，張科峰

(重慶車輛檢測研究院有限公司 國家客車質量監督檢驗中心，重慶 401122)

0 引 言

據統計分析，客車正面碰撞事故約占客車事故的40%～60%，同時死亡人數占比也最高，達到60%左右[1]。客車發生正面碰撞事故時車輛前部結構往往發生非常大的變形和潰縮，造成大量乘客被擠壓致傷致死；另外由于慣性沖擊，乘客猛烈撞擊立柱、座椅等零部件，造成大量乘員傷亡事故[2-3]。GB13057-2014《客車座椅及其車輛固定件的強度》對客車正面碰撞中座椅對乘客的沖擊保護作出了相應規定，該標準的執行大幅度提高客車座椅的被動安全性。但根據大量試驗數據表明，GB13057-2014中對乘員傷害指標的規定仍不完整，特別是對于頸部的傷害應該作為重點關注對象，同時建議客車座椅應盡量多的配置三點式安全帶，減少正碰事故中因頸部損傷引起的群死群傷現象。筆者對標準修訂和提高客車座椅被動安全性能有重要的參考意義。

1 基于GB13057損傷要求和GB 11551的頸部損傷要求

1.1 GB 13057乘員損傷要求[4]

GB13057-2014將客車座椅的試驗分為兩類，分別對應于客車座椅乘員保護的兩個部分：一是強度試驗(標準中的“試驗1”)，座椅和該座椅之前的座椅或者約束隔板形成的乘客空間強度足夠，不坍塌，乘員不被擠壓致傷致死，其生存空間得以滿足；二是損傷試驗(標準中的“試驗2”)，在生存空間滿足要求的情況下，乘員由于慣性力作用與座椅、約束隔板的撞擊產生的損傷在標準要求范圍內。由于客車座椅是客車上最為普遍的保護乘客的部件，并且經過多年本標準的執行和考核，一般情況下客車座椅能夠滿足本標準的強度試驗要求的，因此此處只研究客車座椅對乘員的撞擊損傷傷害。

GB13057-2014中規定在進行損傷試驗時，采集試驗假人頭部加速度傳感器、胸部加速度傳感器和大腿力傳感器相關數據，并規定了相關部位如下的損傷限值：①頭部允許指標(HIC)：小于500。②胸部允許指標(ThAC)：小于30 g(持續作用時間小于3 ms的峰值除外)(g=9.81 m/s2)。③腿部允許指標(FAC)：小于10 kN；當持續作用時間大于20 ms時，應小于8 kN。

1.2 GB 11551頸部損傷要求[5]

GB 13057中沒有對假人的頸部作出規定。為了考核頸部指標，采用GB 11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護》中對假人頸部的要求。要求如下：①頸部傷害指標(NIC)應不大于圖1和圖2的限值曲線；②頸部對Y軸彎矩Mcoy在伸張方向應不大于57 Nm。

圖1 頸部剪切力Fx指標限值曲線圖

Mocy由頸部載荷傳感器所測的My通過計算得到。計算公式如下：

Mocy=My-0.01778×Fx

(1)

式中：My的單位為Nm;Fx的單位為N。

2 試驗數據統計及分析

為了得到更多的假人損傷數據，試驗時給所有假人安裝了上頸部載荷傳感器。表1隨機列出了8套試驗座椅乘員損傷的結果，其中雙人椅有6套，單人椅2套。所有試驗條件均按照標準GB13057-2014中試驗2的要求進行。

圖2 頸部伸張力Fz指標限值曲線圖

試驗后假人頭部、胸部和大腿的損傷限值采用標準GB13057-2014中的要求，而頸部采用標準GB11551-2014中相應要求。其中頸部Fx和Fz應分別滿足圖1、2損傷持續界限圖，此處為方便，取它們峰值與試驗結果進行對比。Fx的正負峰值取3 100 N，Fz取3 300 N。伸張力矩Mocy(即負向，仰頭)在標準GB11551-2014中的限制為57 Nm。

表1 假人損傷結果數據

注：標*為該值超過標準要求。

從表1中知道，如果假人損傷按照第2章中標準GB13057-2014的要求進行考核，即只考核假人的頭部(HIC)、胸部(ThAC)和大腿(FAC)這三個指標的話，8個試驗中的14個假人，有4個假人的頭部或胸部損傷不滿足要求，不合格率為28.6%；如果按照試驗座椅套數來計算，雙人座椅必須所有假人都滿足要求才算合格，那么8套座椅中有3套是不滿足要求的，不合格率為37.5%。如果把頸部的損傷指標考慮進去，14個假人中有12個假人的頸部Mocy負向(仰頭)是超標的，占比85.7%；如果計算座椅不合格率套數，則只有一套座椅是滿足所有要求的，不合格率為87.5%。因此，雖然大多數座椅是滿足現行標準GB 13057要求的，但是如果引入頸部損傷這一影響乘員生死的重要指標，則目前的大多數座椅是不滿足相應要求的，企業需要做更多的改進及優化才能降低實際事故中的乘員損傷。

3 乘員頸部傷害原因分析

3.1 假人上頸部傳感器

從表1知道，假人的頸部損傷NIC有三個指標Fx、Fz、Mocy，所統計的8個試驗中，Fx、Fz都沒有超標，超標的都是Mocy。分析式(1)知道，假人頸部受到的伸張彎矩Mocy，不但與上頸部載荷傳感器所直接測得的My負向值相關，還與Fx的大小及其方向相關。當Fx為正值時，Mocy將會小于My，頸部伸張彎矩變小，損傷降低；當Fx為負值時，Mocy將會大于My，頸部伸張彎矩變大，損傷加大。而根據SAE J1733規定，當假人頭部向后、胸部向前時，即在給假人頸部載荷傳感器以上的頭部區域施加一個向后的力，Fx為正值；當假人頭部向前、胸部向后時，即在給假人頸部載荷傳感器以上的頭部區域施加一個向前的力，Fx為負值。見圖3。

圖3 假人上頸部載荷傳感器

3.2 假人姿態及曲線分析

為了分析假人在碰撞過程中的姿態，從高速攝像視頻中截取了試驗6從0～250 ms的圖像序列，見圖4。該視頻是從座椅的右側進行的拍攝。共有兩排座椅，前排座椅無假人，后排座椅左右座位各放置一個Hybrid III 50%男性假人，并都系上兩點式安全帶。

從圖4看出，大約70 ms的時候假人大腿撞擊到前排座椅靠背；約110 ms的時候頭部開始撞擊前排靠背上部；110～140 ms間，頭部受到靠背阻擋位移較小，而胸部則繼續往前沖往下墜；140～250 ms，假人軀干回彈，并帶動胸部和頭部逐漸離開靠背。

圖4 假人姿態圖像序列

圖5為右側假人頭部、胸部、大腿和頸部傳感器所采集的數據。從曲線看出，大腿力的峰值出現時刻在80 ms左右，胸部峰值出現在95 ms左右，頭部峰值出現在115 ms左右，而頸部彎曲的峰值出現在130 ms左右。這與高速攝像的分析是一致的。這些峰值的大小與其持續時間決定了假人損傷的傷害程度，而峰值出現時刻的差異是由假人各部位間的相對運動引起的。

圖5 曲線對比

3.3 受力分析

我國最新的法規只對客車關鍵位置座椅(如緊鄰隔板后的座椅、最后排正對通道的座椅、安全門位置的座椅等)規定了必須使用三點式安全帶，而絕大部分的座椅都使用兩點式安全帶。從上面的分析我們知道兩點式安全帶對于假人的軀干是無法約束的，假人的頭部、頸部、胸部以及大腿之間的相對運動是產生各種損傷的原因。圖6為某時刻乘員及座椅碰撞的瞬間。

圖6 乘員與前排座椅碰撞瞬間

從圖中看出，乘員膝部受到前排座椅的阻擋力Ff和安全帶的約束力Fb，其上半身在慣性力作用下向前傾，頭部撞擊到前排座椅靠背，胸部繼續向前運動，作為頭部和胸部之間的連接，頸部除了因為胸部與頭部的相對運動產生剪切力Fx外，還受到胸部向下拉動產生伸張力Fz，同時還由于頭胸之間巨大的相對運動而產生彎曲My，而這些相對運動產生的力和力矩會造成乘員頸部的嚴重受傷甚至死亡。

4 系兩點式、三點式安全帶假人損傷差異

為了對比系兩點式安全帶和三點式安全帶對假人損傷的影響，在同一試驗中同時采用兩點式和三點式安全帶，左側假人系兩點式安全帶，右側系三點式。假人姿態圖像序列如圖7所示。

圖7 假人姿態圖像序列

由圖可知，在0～80 ms期間，安全帶所起作用不大，沒有完全約束假人，左右兩個假人姿態基本一致；在80～120 ms期間，三點式安全帶完全鎖止，系三點式安全帶假人向前運動受阻，而系兩點式安全帶的假人則繼續向前，直到大約120 ms撞擊到前排座椅靠背；120～135 ms期間，系兩點式安全帶假人頭部沖擊達到最大，但是其軀干在無約束情況下仍然向下運動；135～155 ms期間，系兩點式安全帶假人在軀干下墜到極限后開始反彈，系三點式安全帶假人也開始反彈。155～250 ms期間，系三點帶安全帶假人完全回彈，系兩點式的假人頭部開始離開前排座椅靠背。

系三點式安全帶的假人由于安全帶的有效保護，試驗過程中未與前排座椅靠背相撞，因而未產生較大的沖擊力，其主要受自身頭部慣性力損傷及頭部引起頸部的壓縮損傷，這些損傷不會造成嚴重后果。從圖8和圖9可以看出兩個假人頭部和頸部受傷情況的相對大小和峰值出現的相對時刻。表2列出了系兩點式和三點式安全帶假人的具體損傷數值。

圖8 假人頭部x方向加速度曲線對比

圖9 假人頸部y方向力矩曲線對比

表2 假人損傷結果對比

注：標*為該值超過標準要求。

從表中看出，如果不考核假人頸部損傷，那么安全帶的試驗結果都滿足GB 13057-2014要求的；考核頸部則只有系三點式安全帶的假人可以滿足要求。而且，系三點式安全帶的假人在頭部HIC、頸部Mocy、大腿FAC的損傷值遠遠小于系兩點式的假人相應的損傷值。特別頸部損傷Mocy(負向)，系三點式安全帶的假人只有6.7 Nm，系兩點式安全帶的假人高達103.8 Nm，也就意味著在同一事故情況下系三點式安全帶的乘員可能只受了輕傷、保存了性命，而系兩點式安全帶的乘員則受傷嚴重，可能當即死亡。

5 總結和建議

通過以上的分析知道，在客車正碰事故中，大部分安裝兩點式安全帶的座椅保護不了乘員頸部，而更好的約束系統(如三點式安全帶)可以限制乘員各部位的相對運動，減少頸部和乘員其他損傷。

筆者對客車座椅結構對乘員的損傷進行了分析，提出在現行標準GB 13057-2014中增加頸部指標的考核和在客車座椅上盡量多的安裝三點式安全帶，對客車座椅標準的修訂和客車座椅被動安全性能的提高有重要的參考價值。