基于2021版和2015版C-NCAP的某駕駛員座椅鞭打試驗(yàn)對(duì)比分析及改進(jìn)

李勛 李永剛 王庭槐 曾強(qiáng) 劉宏達(dá)

摘? 要：通過(guò)對(duì)比2015版和2021版C-NCAP鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)規(guī)程和評(píng)分原則，總結(jié)了兩個(gè)版本之間的異同點(diǎn)。搭載BioRID II假人模型對(duì)同一批次的某駕駛員座椅分別進(jìn)行2015版和2021版C-NCAP鞭打試驗(yàn)，并對(duì)比了在不同版本評(píng)價(jià)規(guī)程下試驗(yàn)后假人頸部的傷害情況，找出失分的主要因素，為廠家進(jìn)行駕駛員座椅設(shè)計(jì)提供了相對(duì)應(yīng)的改進(jìn)措施，以提高某駕駛員座椅在2021版C-NCAP鞭打試驗(yàn)部分的得分。

關(guān)鍵詞：鞭打試驗(yàn);C-NCAP;座椅;頸部傷害

中圖分類號(hào)：U467? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2021）01-0075-07

Abstract： According to summarizing the differences and similarities of the C-NCAP 2021 and C-NCAP 2015 whiplash test assessment rules and scoring principles， this paper used the BioRID II dummy model to study the whiplash test of the same batch driver's seat， compared with the neck injury of the C-NCAP 2021 and C-NCAP 2015. The research found out the main factors of losing points and provided the improvement measures for the driver s seat design of manufacturers in order to improve the whiplash test scores of driver s seat based on C-NCAP 2021.

Key Words： Whiplash Test ; C -ncap; Seat; Neck Injury

1? ? 引言

近年來(lái)，我國(guó)汽車行業(yè)發(fā)展迅速，汽車保有量持續(xù)上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年底全國(guó)私人轎車保有量13701萬(wàn)輛，同比增加1112萬(wàn)輛[1]，這給城市交通帶來(lái)巨大壓力，道路交通事故也隨之不斷上升。我國(guó)道路交通事故死亡人數(shù)居高不下，連續(xù)數(shù)年居于世界首位[2]。其中，最為常見(jiàn)的交通事故便是追尾碰撞事故，汽車追尾造成的死亡人數(shù)雖然在所有交通事故中占比小，但是因追尾受傷的人數(shù)卻占很高的比例，追尾事故所引起的頸部損傷占比達(dá)到30%左右，且這一比例中的5%是致命性的[3]。在車輛發(fā)生追尾的過(guò)程中，受到后車撞擊的影響，前車駕乘人員的軀干加速向前運(yùn)動(dòng)，但頭部因慣性作用會(huì)相對(duì)滯后，導(dǎo)致前車駕乘人員頭部向后轉(zhuǎn)動(dòng)而造成頸部受傷，這類受傷的方式稱為“揮鞭傷”（Whiplash Injury）[4]。揮鞭傷是道路交通事故中最為嚴(yán)重的次要性傷害，這種損傷將引起多種且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的病癥[5]，為了降低這種受傷的風(fēng)險(xiǎn)，C-NCAP在2012版中正式導(dǎo)入了鞭打試驗(yàn)。隨后陸續(xù)出臺(tái)了更為嚴(yán)格的2015版C-NCAP、2018版C-NCAP和2021版C-NCAP鞭打試驗(yàn)規(guī)程，2021版鞭打試驗(yàn)較2018版僅增加了第二排鞭打試驗(yàn)，其他試驗(yàn)方法均保持不變。2021版鞭打試驗(yàn)中的波形速度和波形脈寬較2015版均有提升，分?jǐn)?shù)也由4分提高到5分。本文對(duì)比分析了同一批次駕駛員座椅在2021版和2015版鞭打試驗(yàn)下假人的頸部損傷情況，找出了失分的主要因素，并對(duì)座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后座椅的鞭打性能得到顯著提升，為汽車座椅企業(yè)的座椅耐撞性設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考。

2? ? 2021版C-NCAP和2015版C-NCAP鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)規(guī)程對(duì)比

按照試驗(yàn)要求將座椅、BioRID II型假人、安全帶固定在加速臺(tái)車上以模擬追尾碰撞過(guò)程，試驗(yàn)后通過(guò)測(cè)量假人的頸部傷害指標(biāo)來(lái)對(duì)座椅的鞭打性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。2015版和2021版鞭打試驗(yàn)總體評(píng)分表如表1所示，主要變化在于鞭打試驗(yàn)的總分由4分提高到5分，其中上頸部和下頸部得分分別增加0.5分，NIC得分不變，座椅靠背動(dòng)態(tài)張角從19°放寬至25.5°。

對(duì)比2015版和2021版鞭打試驗(yàn)加速度波形曲線，主要有以下兩點(diǎn)變化：第一，針對(duì)波形脈寬而言，2021版中鞭打試驗(yàn)的加速度波形脈寬為170ms，相對(duì)于2015版鞭打試驗(yàn)要求的150ms，波形脈寬增加了20ms;第二，針對(duì)波形速度和波形持續(xù)時(shí)間而言，2021版中鞭打試驗(yàn)的速度變化量應(yīng)控制在△V=20.0km/h±1.0km/h，波形持續(xù)時(shí)間為△T =103ms±3ms[6]，相對(duì)于2015版鞭打試驗(yàn)要求控制在△V=15.65km/h±0.8km/h，波形持續(xù)時(shí)間為△T=91ms±3ms[7]，速度增加了4.35 km/h，波形持續(xù)時(shí)間增加了12ms。可以看出，2021版鞭打試驗(yàn)速度提升，持續(xù)時(shí)間增加，這就意味著鞭打試驗(yàn)的碰撞能量也提高了。鞭打試驗(yàn)得分比重增加，試驗(yàn)條件更加苛刻，這將對(duì)汽車座椅的鞭打性能設(shè)計(jì)提出更高的要求。

3? ? 2021版C-NCAP和2015版C-NCAP鞭打試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1? ?座椅一致性確定

本次比對(duì)試驗(yàn)選用的座椅為同批次產(chǎn)品以保證試驗(yàn)結(jié)果的一致性。經(jīng)靜態(tài)測(cè)量后，從表2中可知，座椅H點(diǎn)、假人骨盆角、頭頂角、頭后間隙、頭枕高度的偏差均在誤差范圍內(nèi)，滿足比對(duì)試驗(yàn)的一致性要求。

3.2? ?假人傷害指標(biāo)計(jì)算

假人頸部傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)主要分為頸部傷害指數(shù)NIC、上頸部載荷（Fx、Fz、My）和下頸部載荷（Fx、Fz、My）三大類，其中，頸部傷害指數(shù)NIC計(jì)算公式如式1所示：

下頸部扭矩My計(jì)算公式如式5所示：

3.3? ?試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

按照2015版和2021版C-NCAP的試驗(yàn)要求分別進(jìn)行鞭打試驗(yàn)，如圖1所示。試驗(yàn)后假人頸部的各傷害指標(biāo)對(duì)比如圖2—圖4所示。從圖中可以看出，假人頸部各傷害指標(biāo)（2021版）的試驗(yàn)值均超過(guò)2015版假人頸部各傷害指標(biāo)。

假人頸部各傷害指標(biāo)評(píng)分表如表3所示。2015版C-NCAP鞭打試驗(yàn)得分為3.03分（總分為4分），在NIC和上頸部扭矩My這兩項(xiàng)分別扣掉0.47分和0.5分;2021版C-NCAP鞭打試驗(yàn)得分為2.8分（總分為5分），NIC、上頸部扭矩My、下頸部Fx分別扣掉0.74分、1.21分、0.25分，該座椅在2021版試驗(yàn)總分增加的情況下，得分卻比2015版還要低，可以看出，鞭打試驗(yàn)失分主要在NIC和上頸部扭矩My這兩項(xiàng)上。

4? ? 座椅設(shè)計(jì)改進(jìn)分析

為提高2021版鞭打試驗(yàn)的得分，需找出NIC和上頸部扭矩My的影響因素，才能提出改進(jìn)措施。下面主要分析NIC、上頸部扭矩My的影響因素，從而提出對(duì)應(yīng)的改進(jìn)措施，以減少失分。

4.1? ?NIC的影響因素及改進(jìn)

NIC由頭部和胸部T1加速度決定，分為兩個(gè)分量：頭胸相對(duì)加速度、頭胸相對(duì)速度，如圖5所示。NIC峰值為16.15，峰值出現(xiàn)在73ms，該時(shí)刻頭胸相對(duì)加速度為14.19，頭胸相對(duì)速度為1.86。NIC值由假人頭胸相對(duì)加速度決定，降低頭胸相對(duì)加速度是減少NIC值最有效的方法。從圖6中可以看出，假人頭部、胸部加速度的變化趨勢(shì)基本相同，胸部加速度呈上下波動(dòng)趨勢(shì)，而頭部加速度在80ms處呈直線上升，到120ms達(dá)到最大，呈單峰形式。在試驗(yàn)開(kāi)始后，由于慣性假人相對(duì)于座椅向后運(yùn)動(dòng)，胸部最先接觸到靠背，開(kāi)始擠壓靠背中的泡沫材料，胸部加速度隨著泡沫材料的擠壓變形緩慢上升，直到無(wú)法發(fā)生形變后，與座椅剛性接觸，胸部加速度迅速上升，中間有所回落，到73ms后，座椅靠背無(wú)法抵御外力作用發(fā)生變形導(dǎo)致靠背張角急劇增加，此時(shí)假人胸部加速度迅速回落。在73ms處，頭部與頭枕仍未接觸，頭部加速度基本為0，此時(shí)的頭胸部相對(duì)加速度達(dá)到最大值，NIC值也在此時(shí)達(dá)到峰值。

可以通過(guò)以下途徑降低NIC值：第一，增加頭枕剛度，以增加頭部加速度;第二，合理設(shè)計(jì)靠背泡沫材料、靠背骨架的剛度，以減少胸部加速度;第三，設(shè)計(jì)合適的頭后間隙，讓假人頭部提前接觸頭枕，盡早產(chǎn)生頭部加速度，從而使頭、胸相對(duì)加速度減少，一般頭后間隙控制在20mm—40mm，能夠在NIC值上減少失分。

4.2? ?上頸部扭矩My的影響因素

如圖7所示，在試驗(yàn)過(guò)程中，座椅靠背張角在120 ms時(shí)達(dá)到峰值后座椅靠背保持不變，頭和頭枕繼續(xù)往后運(yùn)動(dòng)，在130ms上頸部扭矩到達(dá)峰值后靠背角逐漸變小，這意味著座椅開(kāi)始回彈，上頸部扭矩也隨之減小。在座椅靠背保持不變后，由于頭枕和靠背上部剛度太弱，導(dǎo)致頭部繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)，造成頸部過(guò)度伸張和彎曲，上頸部扭矩增大從而影響了上頸部扭矩的得分。

可通過(guò)以下途徑減少上頸部扭矩的失分：第一，增加頭枕或者靠背上部的剛度，這樣可以有效降低座椅變形對(duì)假人頸部彎曲所造成的影響;第二，合理設(shè)計(jì)頭枕高度，抑制頭部過(guò)快向后旋轉(zhuǎn)，可有效降低上頸部扭矩。

4.3? ?某座椅鞭打性能的改進(jìn)

對(duì)座椅頭枕彎折桿的彎曲角度進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)減小彎曲角度以降低頭后間隙，改進(jìn)后的座椅頭枕如圖8所示，經(jīng)過(guò)靜態(tài)測(cè)量后，從表4中可以看出，頭枕間隙由原來(lái)的49mm減少為31mm，假人頭部將更快與頭枕接觸，從而有效降低頸部傷害指標(biāo)，提升座椅的鞭打性能。

對(duì)改進(jìn)后的座椅按照2021版C-NCAP的試驗(yàn)要求進(jìn)行鞭打試驗(yàn)，如圖9所示。改進(jìn)前后假人頸部的各傷害指標(biāo)對(duì)比如圖10—圖12所示。從表5可以看出，改進(jìn)后假人頸部NIC值得分、上頸部得分、下頸部得分均較改進(jìn)前有所提升。進(jìn)一步分析可知，由于頭后間隙的減少，頭與頭枕接觸時(shí)刻由 83ms提前到51.70ms，頭部加速度提前產(chǎn)生，使得頭、胸相對(duì)加速度減少，NIC值也由16.15降低為13.50，得分由1.26上升為1.50分。同時(shí)，上頸部My由34.60N.m降低為30.90N，得分由0.29分增加為0.49分，下頸部得分由1.25提升為1.50分，總分由2.80增加到3.49，改進(jìn)效果明顯。通過(guò)合理設(shè)計(jì)座椅頭枕的結(jié)構(gòu)有效提升了該座椅鞭打試驗(yàn)性能。

5? ? 總結(jié)

本文對(duì)比分析了2015版和2021版C-NCAP版鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)規(guī)程和評(píng)分規(guī)則的區(qū)別，并對(duì)同一批次的駕駛員座椅分別進(jìn)行兩個(gè)版本的鞭打比對(duì)試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，分析了鞭打試驗(yàn)中主要扣分項(xiàng)NIC以及上頸部My的影響因素，提出了改進(jìn)措施，并對(duì)座椅頭枕結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，從而提升了假人頸部各傷害指標(biāo)的得分，改善了該座椅的鞭打性能，這也為汽車座椅企業(yè)進(jìn)一步提升座椅鞭打性能提供了工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)參考方向。

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