增加座椅靠背轉動角度對BioRID Ⅱ假人傷害值的影響研究

崔新康，王鵬翔，李月明，張毅,商恩義

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

0 引言

2021年C-NCAP增加了第二排兩側座椅鞭打試驗及評價方法，說明C-NCAP對于追尾事故給乘員造成的頸部傷害越來越受重視了。追尾事故損傷原理是碰撞中駕駛員和乘客的頭部和胸部之間的運動差異導致了相鄰頸椎間的相對運動。對于追尾事故中乘員傷害的研究，目前大多數是利用仿真軟件來研究BioRID Ⅱ假人頸部的傷害。根據相關研究，目前降低假人頸部傷害值(NIC)的基本思路為：在不改變汽車座椅骨架的情況下，增加汽車座椅頭枕高度和減小假人頭部和汽車座椅頭枕之間的距離，讓假人頭部更早接觸座椅頭枕這樣可以減小頭部加速度和T1加速度的差值。

一般情況下在鞭打試驗開始后，首先假人在慣性力的作用下開始向后滑行，假人上軀干拖著頭部一起向后滑行。然后假人上軀干和汽車座椅靠背開始接觸，并持續不斷地擠壓汽車座椅靠背，隨后BioRID Ⅱ頭部開始擠壓頭枕。隨著假人上軀干進一步擠壓汽車座椅靠背，頭部開始接觸頭枕。隨著假人背部進一步擠壓座椅靠背，座椅靠背開始變形，座椅靠背角度逐步增加。隨著進一步擠壓假人軀干向后移動受阻，座椅背角增加逐步減緩。假人頭部開始向后旋轉。隨后假人開始反彈。在整個過程中BioRID Ⅱ假人頭部受到的外力主要來自于汽車座椅頭枕，如果汽車座椅靠背骨架旋轉的角度不斷增加，可以把假人上軀干受力的時域延長，強度降低，這樣可以緩解頭部和胸部之間的運動差。同時座椅靠背在旋轉的過程中也會消耗部分能量，也會減少傳遞給假人的能量降低頭部和胸部之間的運動差。基于上述原因，本文利用假人滑臺鞭打試驗研究座椅靠背增加旋轉角度對BIORID Ⅱ假人傷害的影響。

1 BioRID Ⅱ假人脊椎結構

BioRID Ⅱ假人脊椎結構主要由頸椎、胸椎、T1力傳感器、阻尼塊、底座、鋼索及其附件組成，如圖1所示。

圖1 BioRID Ⅱ假人脊椎結構

BioRID Ⅱ假人胸椎是由17塊椎骨通過銷子相連，每兩塊椎骨兩側都有鋼片(有弧形槽)通過螺栓和椎骨連接。頸部脊椎是由8塊頸椎骨用銷子串在一起，頸部左側由一根鋼索從前端穿繞過(8字形)阻尼塊到后端，鋼索用來調節頸部曲度。胸椎、T1力傳感器和頸椎通過銷子連接。同時T1力傳感器和胸椎兩側通過鋼片連接。

2 汽車座椅靠背和坐墊骨架連接結構

汽車座椅在結構上主要分為頭枕、靠背、坐墊及支架、滑軌、調角器、高度調節器、安全帶扣等模塊。座椅靠背骨架和坐墊骨架每側有一塊金屬板連接，座椅靠背的旋轉軸外部和金屬板上部焊在一起。座椅靠背角度調整手柄拉起時，座椅靠背可以繞著轉軸相對于金屬板旋轉，座椅靠背和金屬板是相對分離的。金屬板下部前后兩端各用一顆螺絲和座椅坐墊骨架連接在一起，具體如圖2所示。這樣座椅靠背和座椅坐墊就形成一個整體。

圖2 座椅靠背和坐墊骨架連接結構

3 座椅靠背轉動對BioRID Ⅱ假人的影響分析

3.1 試驗方案

取兩組相同的汽車座椅：試驗1汽車座椅不做任何處理;試驗2汽車座椅靠背和坐墊骨架連接后端螺栓的金屬板上方開一個槽(槽的尺寸可根據不同座椅螺栓尺寸及座椅最大靠背角確定),目的是讓座椅靠背在受到BioRID Ⅱ假人擠壓時，當擠壓力超過座椅靠背骨架和座椅坐墊骨架連接后端螺栓的摩擦力時，座椅靠背可以繞著座椅骨架連接前端螺栓繼續旋轉，消耗假人傳遞給座椅靠背的能量。試驗1和試驗2按照相同試驗方法進行試驗，為了消除假人因素影響，兩組試驗使用同一個假人。

3.2 試驗數據對比分析

在28 ms時假人上軀干和座椅靠背開始接觸，假人上軀干開始擠壓座椅靠背泡沫，T1加速度開始緩慢增加。在56 ms時BioRID Ⅱ假人頭部開始接觸汽車座椅頭枕，T1加速度和頭部加速度曲線斜率越來越大。在60 ms座椅坐墊骨架開始產生變形，T1加速度和頭部加速度開始回落后又快速上升，如圖3和圖4所示。

圖3 頭部加速度對比

圖4 T1加速度對比

由圖3和圖4可知，在78～150 ms時間段，試驗1和試驗2頭部加速度曲線在78 ms產生偏離，試驗2的T1和頭部加速度曲線都明顯向下。但試驗1的頭部加速度和T1加速度曲線繼續快速上升在82 ms才開始回落。試驗2頭部加速度曲線的第2個峰值84.0 m/s明顯低于試驗1第2個峰值122.0 m/s，下降了31.0%;試驗2 T1的第2個峰值110.0 m/s明顯低于試驗1第2個峰值134.0 m/s，下降了18.0%。在78 ms時試驗2中假人對座椅靠背的擠壓力已經大于后端螺栓的摩擦力，座椅骨架連接后端螺栓在刻槽內滑動，座椅靠背開始繞著座椅骨架連接前端螺栓旋轉。

座椅靠背旋轉試驗對比如圖5所示，由圖可以看出，在82 ms座椅靠背骨架開始變形，座椅靠背角度快速增長。在座椅靠背旋轉和變形的共同作用下，試驗2在88 ms時(波谷)的頭部加速度為8.8 m/s，比試驗1的67.7 m/s下降了87.0%，T1加速度平均下降了50.0%。88～150 ms隨著座椅骨架變形量越來越小，頭部加速度和T1加速度則快速上升。在110 ms時試驗1中假人加速度達到最大值195.0 m/s開始反彈，試驗2假人頭部在120 ms達到最大值189.0 m/s開始反彈。由于試驗2中座椅靠背的旋轉導致在88 ms之后試驗1頭部加速度和T1加速度曲線產生了3～4 ms的相位差。

圖5 座椅靠背旋轉試驗對比

BioRID Ⅱ假人上頸部力、對比如圖6所示。

圖6 BioRID Ⅱ假人上頸部力Fx、Fz對比

由圖6可知，在56 ms時刻BioRID Ⅱ假人頭部接觸汽車座椅頭枕，上頸部產生負向剪切力。試驗1和試驗2的上頸部的逐步增加。在78～120 ms 這個時間段：78 ms時試驗2的上頸部曲線達到峰值81 N并開始回落，是因為試驗2座椅靠背在78 ms開始旋轉、變形。試驗1的上頸部達到峰值111 N并開始回落是因為在82 ms時座椅靠背骨架開始變形。試驗2的上頸部曲線峰值比試驗1降低了27.0%。隨著座椅骨架變形逐步減小試驗1和試驗2的上頸部都逐步增加。在120～150 ms 試驗1曲線斜率明顯大于試驗2曲線斜率。這是因為試驗1假人上軀干在120 ms開始反彈，上頸部曲線開始回落。試驗2在125 ms反彈。由于試驗1假人頭部反彈較快，所以曲線斜率較大。

由圖6還可以看出，在0～87 ms試驗1和試驗2的假人上頸部曲線走勢幾乎一致。這是因為在0～56 ms這個時間段。坐墊傳遞給假人的力和假人頭部慣性力的作用下，頸部表現為軸向壓力并逐步增加(頭向上，胸向下為正)。在56～87 ms這個階段：在56 ms頭后方下部開始接觸座椅頭枕，頭枕給假人頭部一個斜向上的力，在逐步快速增長。在87～110 ms這個時間段：試驗2上頸部曲線峰值448 N比試驗1峰值364 N降低了18.8%。因為在試驗2中座椅靠背在87 ms開始旋轉，座椅靠背給假人上軀干的支撐力小于試驗1(從假人T1加速度曲線可以看出)，導致試驗2假人頭部向后運動的速度小于試驗1，假人頭部向后旋轉的速度小于試驗1，在試驗視頻中也得到了驗證，如圖7所示。

圖7 假人頭部旋轉試驗對比

由于假人頭部向后運動時擠壓頭枕。同時頭部向后旋轉，頭部后仰角度的增加，頭部受力在向的分力越來越大。假人頭部受力分析如圖8和圖9所示，圖中代表頭部所受合力，h代表頸部向剪切力，h代表頸部向剪切力。因此試驗1的曲線數值明顯大于試驗2。

圖8 在87 ms時假人頭部受力分析

圖9 在125 ms時假人頭部受力分析

在110～130 ms這個時間段，試驗2曲線值明顯大于試驗1。這是由于在這個過程中試驗1中頭部運動速度和旋轉的速度比試驗2快。

BioRID Ⅱ假人上頸部力矩對比如圖10所示。

圖10 BioRID Ⅱ假人上頸部力矩對比

由圖10可知，在0～78 ms試驗2和試驗1假人上頸部曲線比較一致，這是因為在0～56 ms這個階段：假人的慣性力讓假人上軀干相對于汽車座椅向后運動，力由上軀干傳遞給假人頭部，頭部隨著假人上軀干一起向后運動彎曲表現為正值并逐步增加。在60～65 ms這個階段：由于座椅坐墊骨架變形，導致T1加速度回落，隨著T1加速度回落頸部也開始回落。在65～75 ms這個階段坐墊骨架變形基本完成，隨著T1加速度逐步增長，也開始增長。在75 ms假人頭部開始向后旋轉，如圖7所示，開始回落。在78～110 ms這個時間段，試驗2曲線峰值-3.91 N比試驗1峰值-7.91 N降低了50.6%。這是因為在78 ms時試驗2的座椅靠背開始繞著座椅骨架連接前端螺栓旋轉，給假人上軀干的支撐力小于試驗1，導致試驗1假人頭部旋轉速度比試驗2快，向后旋轉角度大。所以試驗1的大于試驗2的。假人上頸部在125～150 ms試驗2曲線的峰值7.83 N·m比試驗1峰值12.442 N·m降低了37.1%。這是因為試驗1和試驗2假人頭部都在110 ms開始向前旋轉，試驗1在118 ms開始了反彈。試驗2在125 ms反彈。由于試驗1假人頭部反彈早、旋轉速度和反彈速度快，向前旋轉角度大。所以試驗1曲線的峰值明顯大于試驗2。

BioRID Ⅱ假人下頸部和對比如圖11所示。由圖可知，在0～150 ms試驗1和試驗2的曲線走勢幾乎一致。這是因為兩次試驗滑臺的速度基本一致，使用的是同一個假人。在這個時間假人頭部和頸部的旋轉主要發生在T1力傳感器以上部位，胸部脊椎發生旋轉較小。所以假人下頸部T1剪切力基本接近。在78～130 ms產生微小差異的原因和上頸部產生偏差的原因一致。

圖11 BioRID Ⅱ假人下頸部Fx和Fz對比

由圖11可知，試驗1和試驗2中BioRID Ⅱ假人下頸部和上頸部在0～87 ms的曲線走勢幾乎一致。在87～110 ms這個階段下頸部在試驗1和試驗2中產生差異的原因也和上頸部相同。試驗2曲線峰值253 N比試驗1峰值385 N降低了52.2%。

BioRID Ⅱ假人下頸部力矩對比如圖12所示。假人下部在0～160 ms試驗2曲線和試驗1曲線走勢基本一致。這是因為在這個時間假人頭部和頸部的旋轉主要發生在T1力傳感器以上部位，胸部脊椎發生旋轉較小。

圖12 BioRID Ⅱ假人下頸部力矩對比

3.3 試驗結果評價對比

鞭打試驗對比結果見表1。

表1 鞭打試驗對比結果

通過表1可以得到：

(1)BioRID Ⅱ假人頸部傷害值：試驗1試驗值為15.837 m/s，得分1.288;試驗2試驗值為14.617 m/s，得分1.398。試驗2頸部傷害值得分比試驗1高0.11分，提升了8.5%。

(2)BioRID Ⅱ假人上頸部：試驗1的上頸部為12.442，超出了高性能限值，扣0.024分。試驗2的上頸部力傳感器曲線值均比試驗1小。試驗1得分1.476,試驗2得分1.5分。試驗2得分比試驗1高0.024分，提升了1.6%。

(3)BioRID Ⅱ假人下頸部：試驗1的下頸部為385 N，超出了高性能限值257 N，扣0.157分，扣分較多;試驗2的下頸部253.2 N比高性能限值低，未扣分。試驗1下頸部得分1.343，試驗2得分1.5。試驗2下頸部載荷得分比試驗1高0.157分，提升了11.7%。

(4)試驗2的總分4.398比試驗1總分4.107高0.291分，提升了7.1%。其中下頸部載荷得分的提升0.157分貢獻最大，達到了54.0%;頸部傷害值得分的提升0.11分,貢獻了37.8%。

4 結論

本文利用座椅靠背增加旋轉角度對BIORID Ⅱ假人傷害的影響進行了研究，指出增加座椅靠背的轉動和BIORID Ⅱ假人各個傳感器曲線變化的關系。結果表明：

(1)增加座椅靠背轉動角度可以使假人頭部和T1加速度曲線第2個峰值下降。同時也使BIORID Ⅱ假人上頸部的、、曲線峰值下降,下頸部正向峰值下降。

(2)對假人評分結果影響最大的是下頸部、頭部加速度、T1加速度。

(3)增加座椅靠背的轉動對鞭打試驗結果評價的影響。下頸部峰值的降低使得分大幅提升，提升了11.7%;頭部和T1加速度峰值降低使頸部傷害值得分提升了8.5%。增加座椅靠背的轉動使鞭打試驗總得分提升了7.1%。研究結果對汽車座椅開發過程如何降低鞭打試驗假人傷害值指出了方向。