鞭打試驗中假人差異對試驗評價的影響

王鵬翔 李月明 商恩義 張毅

（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，寧波 315336）

主題詞：鞭打試驗 中國新車評價規程 BioRID II 試驗評價

1 前言

中國新車評價規程（China New Car Assessment Program，C-NCAP）中，乘員保護部分規定有鞭打試驗項目。試驗中，在座椅上放置裝有若干傳感器的BioRID II假人，用以測量后碰撞過程中假人頸部損傷情況，試驗后，依據測量結果進行評價。2021年版C-NCAP管理規則[1]對于駕駛員座椅的評價分值為5 分，其評價數據包括3 組：由頭部加速度、胸部T1（第1 節胸椎位置）加速度計算出的頸部傷害指數（Neck Injuries Criteria，NIC）；上頸部載荷和扭矩；下頸部載荷和扭矩。另外，也指定了部分罰分項。

鞭打試驗實施幾年來，經常出現C-NCAP官方試驗評價結果與主機廠評價結果間存在差異的問題。以本文研究人員所在試驗室為例，在之前幾套座椅的鞭打試驗中，試驗得分一直低于官方結果，但在近期一款座椅使用新BioRID II假人進行試驗后，試驗得分偏高，分差達到總分值的10%，由此推斷參與試驗假人之間的差異對試驗結果產生了影響。假人作為一種擬人裝置，其使用周期的不同將導致各關節、結構性能產生差異。當前，所使用假人只要滿足標定要求便認可試驗結果，而標定試驗可能無法完全規避假人使用周期差異產生的影響。鑒于此，本文通過對試驗室內使用周期不同的2個假人進行對比試驗，探討假人使用周期不同對2021年版C-NCAP 管理規則中關于駕駛員座椅的3 組評價數據產生的影響。

2 試驗過程

試驗室現有2 個BioRID II 假人，為同一版本，結構完全相同，其差別為假人B1已使用2年1個月，假人B2僅使用約2個月。本文研究中，為盡可能減少試驗樣件差異帶來的影響，所有試驗采用同一款座椅，為減少人為因素影響，相同操作環節均由相同人員執行。

2.1 假人標定

試驗前對假人B1和B2進行了動態標定，將假人擺放在滑臺上，用擺錘以一定速度沖擊滑臺，其中，設擺錘接觸滑臺瞬間為0時刻。標定結果如表1所示[2]。

標定過程中，除保證輸入條件外，還要關注假人頭部、頸部和T1的轉角，以及頸部彎矩、T1峰值加速度和對應的時刻。表1中，2個假人標定均合格，且各項結果比較接近，如上頸部彎矩均接近上限，下頸部彎矩均接近下限，可以正常使用。標定項中各部位轉角的測量位置如圖1所示。

圖1 標定轉角測量位置

表1 假人標定結果

2.2 假人擺放位置的確定

建立車輛坐標系，設前后方向為X向，向后為正。根據2021 版C-NCAP 管理規則假人擺放要求，假人H點應調節到目標點鉛垂方向（HZTP）±10 mm、前后水平方向（HXTP）±5 mm 的區域內。該目標點位于由H 點測量裝置（H-Point Machine，HPM）測量3 次取平均值所確定的H點(HX,HZ)前方20 mm處。另外，2020年版歐洲新車評價規程（European New Car Assessment Program，E-NCAP）[2]要求假人H 點應在HXTP±10 mm 范圍內。為了滿足2款法規要求，將假人擺放位置靠后，試驗假人X向坐標指定為HXTP+5 mm，采用假人B1、B2 的2 次試驗分別用B1R和B2R表示，將假人擺放位置靠前，試驗假人X向坐標指定為HXTP-5 mm，采用假人B1、B2的2次試驗分別用B1F和B2F表示。

2.3 假人擺放

在C-NCAP中，A.8.7條款規定了“駕駛員座椅鞭打試驗程序”，重點指定了試驗前測量、試驗條件的設定，以及座椅調整、H 點及頭后間隙的確定、頭枕干涉頭部空間的調節、假人的安裝定位等操作步驟，上述操作過程中主要使用三坐標測量裝置、HPM 裝置和頭枕測量裝置（HeadRest Measuring Device，HRMD）。B1F試驗假人擺放如圖2所示。

圖2 B1F試驗假人定位結果

3 試驗結果分析

按臺車試驗速度要求進行4次鞭打試驗，結果如表2 所示。表2 中：B1F 試驗結果較B1R 高0.2 分，其中，NIC 得分高0.18 分；B2F 試驗結果較B2R 高0.3 分，其中，NIC得分高0.25分。2組試驗對比結果表明，假人擺放位置靠前時得分會偏高，偏高得分點為NIC 得分，B2假人平均得分比B1假人平均得分高13.4%。

表2 4次鞭打試驗結果

4 次試驗錄像截圖如圖3 所示。圖3 中，各次試驗座椅完好，過程中靠背無失穩現象，座椅差異對試驗結果不會產生明顯影響。各次試驗中假人運動同步，很難分析各時刻假人狀態差異。對于試驗結果的差異需要結合試驗數據進行詳細分析。

圖3 4次試驗錄像截屏

依據SAE J211-1的規定建立假人坐標系：對于頸部剪切力Fx，頭向后，胸向前為正；對于頸部軸向力Fz，頭向上，胸向下為正；對于頸部彎矩My，下頜向胸部為正；對于頭部和胸部加速度，x向為前后方向，向前為正[3]。

3.1 頸部傷害指數分析

4 次試驗中，假人NIC 差異明顯：同一乘坐位置時，B2得分均高于B1，平均高0.41分。

3.1.1 NIC的計算過程

NIC 是由枕骨關節相對于T1 的x向加速度和速度的相對值計算而得。

相對加速度為：

NIC為：

式中，NICmax為用于評價的頸部傷害指數最大值；THRC(End)為頭部離開頭枕時間。

3.1.2 假人擺放前后位置差異對NIC的影響

3.1.3 不同假人間NIC差異分析

圖4 4次試驗中和及

3.2 上頸部載荷分析

4次試驗上頸部Fx曲線如圖5所示。圖5中：4條曲線正向部分互有交錯，一致性較好；在負向部分，B1R曲線整體值略偏小，其他3條曲線在上升和下降過程中互有交錯。在2021 版C-NCAP 管理規則中，頸部剪切力只評價頭部相對于軀干向后的部分，即Fx的幅值。4次試驗中，上頸部Fx幅值最小為14 N，最大為20 N，其值較接近，與扣分的高性能限值340 N相比可忽略?？傮w而言，4條曲線無明顯規律。

圖5 4次試驗上頸部Fx

4 次試驗上頸部軸向力Fz曲線如圖6 所示。圖6中，4條曲線同步性較好。4條曲線的Fz幅值中，最小為378 N，最大為459 N，平均為429 N，最大幅值與最小幅值之間差值為51 N，但就B1和B2假人的影響而言并無規律。

圖6 4次試驗上頸部Fz

4次試驗上頸部伸張彎矩My曲線如圖7所示。圖7中，4條曲線在下降和上升過程中互有交錯，趨勢相同，但重合度較差。B1F 和B2F 中假人上頸部My的幅值均低于B1R和B2R，即假人乘坐位置靠前上頸部My更好，但B1和B2假人之間基本無差別。

圖7 4次試驗上頸部My

3.3 下頸部載荷分析

4 次試驗下頸部剪切力Fx曲線如圖8 所示。圖8中，4 條曲線在上升和下降過程中互有交錯，無明顯規律。B1F 和B2F 試驗中下頸部Fx幅值分別為203 N 和207 N，較接近；B1R和B2R試驗中下頸部Fx幅值分別為249 N和224 N，偏差略大。綜合4次試驗數據和曲線比對結果，假人乘坐位置靠前下頸部剪切力Fx小，數據結果差異與假人無關。

圖8 4次試驗下頸部Fx

4 次試驗下頸部軸向力Fz曲線如圖9 所示。圖9中，在約第80～120 ms 時間段內，B1F 和B1R 試驗下頸部Fz曲線同步，且存在雙峰；B2F 和B2R 試驗下頸部Fz曲線同步，且在170 N上下出現平臺化。4次試驗中，同種工況下的Fz曲線沒有一致性，但同一假人不同工況下的Fz曲線一致性較好。B1F和B1R試驗中，下頸部Fz幅值分別為385 N 和383 N，基本相同；B2F 和B2R 試驗中，下頸部幅值Fz分別為178 N和170 N，差別不大。綜合數據和曲線，假人不同對下頸部軸向力Fz存在較大影響。

圖9 4次試驗下頸部Fz

4次試驗下頸部伸張彎矩My曲線如圖10所示。圖10 中，4 條曲線在下降和上升過程中互有交錯，無明顯規律。幅值方面，B1F 和B2F 中假人上頸部My均低于B1R和B2R試驗，即假人乘坐位置靠前下頸部時伸張彎矩My傷害小。另外，下頸部My曲線以及圖7 中下頸部剪切力Fx曲線的同步性也進一步表明下頸部軸向力Fz曲線之間存在差異的真實性。

圖10 4次試驗下頸部My

4 問題討論

4.1 頸部結構探討

BioRID Ⅱ假人的頸部結構如圖11a 所示，主要由枕骨、椎骨和下頸部載荷傳感器通過螺栓連接而成，頸部前后通過鋼絲繩連接而成。其中，胸部T1 傳感器安裝在下頸部載荷傳感器兩側。如圖11b所示，頸部右側前后鋼絲繩為獨立結構，頸部左側前后共用一條鋼絲繩，該鋼絲繩通過位于胸椎靠上位置的旋轉阻尼組件形成回環。旋轉阻尼器組件如圖11c所示，導向輪上有鋼絲繩槽，鋼絲繩繞在槽內，通過鋼絲繩頂絲擠壓鎖死。在鋼絲繩的拉動下，導向輪可以轉動，轉動阻尼通過導向輪頂絲進行調節，以滿足標定條件下的各轉角及彎矩要求。頂絲用于固定軸的位置，也可防止軸與軸套間的相對運動。該結構中，通過調節導向輪轉動阻尼調節頭部和頸部各轉角和彎矩，但導向輪相對導向輪軸的轉動阻尼通過調節頂絲控制，一旦一側的鋼絲繩拉力達到一定程度或在一定外力持續作用下，可能出現導向輪相對輪軸的相對滑動與鋼絲繩拉力被緩解的可能，該結果將造成下頸部載荷傳感器發生抖動，進而造成假人頸部Fz幅值被削平及胸部T1的測量結果出現波動。

圖11 BioRID Ⅱ假人頸部結構

4.2 標定要求探討

在BioRID Ⅱ假人標定要求中，主要關注假人頭部、頸部轉角和頸部彎矩，無頸部軸向力要求，且在上頸部和下頸部的標定要求中，上頸部的幅值范圍為7.7～17.8 N·m，下頸部的幅值范圍為-23.5～-15 N·m，標定中下頸部的彎矩載荷大于上頸部的彎矩載荷。在鞭打試驗結果中，由表2 可以看出，上頸部的彎矩載荷大于下頸部，且基本為下頸部彎矩載荷的2 倍。另外，不同假人在相同試驗條件下出現了上、下頸部軸向力Fz的明顯差異。

5 結束語

本文通過將2 個使用周期相差近2 年的BioRID II假人進行4 次鞭打試驗，以及對BioRID II 的標定要求、頸部結構進行探討，得到以下結論：

a.在鞭打試驗中，使用周期不同的假人之間存在的差異可使評價結果產生0.5分以上的偏差；

b.目前通過調節頂絲調節導向輪轉動阻尼的方式有可能導致頸部軸向力幅值產生偏差，進而導致胸部T1加速度產生較大波動；

c.BioRID II 假人的標定方法和標定維度的完整性有待進一步探討。