某轎車座椅鞭打試驗性能研究及改進

孫嵐穎

(廣州汽車集團零部件有限公司，廣東 廣州 510050)

0 引言

追尾事故，俗稱鞭打事故，即汽車低速后部碰撞事故。追尾事故會給乘員造成嚴重的傷害，被追尾時，被撞的汽車會以一個相當大的加速度向前運動，乘員的軀干隨著座椅繼續(xù)向前，而頭部由于慣性作用產(chǎn)生滯后，運動的錯位使得乘員頸部受到極大的拉伸，隨后，頭部就像“鞭梢”一樣，被頸部甩向前方，這種現(xiàn)象稱作“揮鞭效應”。揮鞭效應會造成頸脊骨傷害和腦震蕩［1］。

作者以某轎車座椅為研究對象，針對其在C-NCAP中鞭打試驗成績較低的狀況，通過分析影響鞭打性能的座椅參數(shù)，改進了座椅頭枕位置和剛度特性參數(shù)，從而最終大幅度提高了該座椅的防鞭打試驗性能。

1 C-NCAP中鞭打試驗評價體系

目前，世界上各發(fā)達國家都有NCAP新車安全評價體系，并在不斷升級，先后將鞭打試驗引入評價體系。2002年歐洲NCAP建立鞭打工作組，經(jīng)過6年的努力，2008年鞭打試驗正式加入歐洲NCAP評價體系。日本經(jīng)過4年的項目研究后，于2009年將后碰撞頸部保護試驗引入了J-NCAP評價體系［2］。中國則于2012年7月正式將鞭打試驗引入新的C-NCAP評價體系中，并在評分體系中占居4分的比重。C-NCAP關于鞭打試驗的評價指標主要借鑒日本的J-NCAP對頸部的保護性能指標。評分依據(jù)假人安裝的傳感器測量得到的傷害指數(shù)進行，假人測量數(shù)據(jù)包括兩組:一組為通過頭部加速度、胸部加速度計算出的頸部傷害指數(shù)，該組最高得分為2分;另一組為頸部載荷和扭矩，該組最高得分為6分。評分以假人傷害指數(shù)為基礎，對于每個傷害指數(shù)設定高性能限值和低性能限值，分別對應最高1分和0分，處于高低性能指標之間，應使用線性插值的辦法計算分數(shù)，所有單項得分保留到小數(shù)點后兩位。

2 影響鞭打性能的座椅參數(shù)分析

C-NCAP中關于假人頸部傷害值及載荷評價指標共有7項，分別為頸部傷害NIC值、上頸部剪切力Fx+、上頸部拉力Fz+、上頸部扭矩My、下頸部剪切力Fx+、下頸部拉力Fz+以及下頸部扭矩My。其評價指標計算方法如下:

(1)NIC值。頸部傷害值NIC是枕骨鉸鏈相對于T1(假人胸部水平加速度)的水平加速度和速度的相對值。

相對加速度:

相對速度:

(2)頸部剪切力Fx+。頸部剪切力只評價頭部相對于軀干向后的部分，即Fx值為正。

(3)頸部拉力Fz+。頸部張力只評價拉伸部分，即Fz值為正。

(4)頸部扭矩My。頸部扭矩評價伸張和彎曲兩個方向。

①上頸部扭矩

式中:D=0.01778 m。

②下頸部扭矩

由以上的評價指標計算公式可以看出:通過降低座椅靠背對假人胸部的水平加速度峰值aT1x、降低胸部加速度與頭部質(zhì)心加速度差值arelx、降低頸部所受載荷峰值等措施可有效提高座椅防鞭打傷害的性能。由此，通過理論分析可知，影響上述因素的座椅參數(shù)主要有以下幾個:座椅調(diào)角器及連接板綜合屈服點轉矩、座椅靠背的彈性剛度、座椅頭枕位置及剛度特性等。

3 座椅鞭打試驗結果評價及改進

某款轎車座椅按照C-NCAP中鞭打試驗要求進行評價后，該座椅鞭打試驗得分為5.47分，換算成 C-NCAP加分項僅1.97分，因此，防鞭打性能有待改進。由前面分析可知，影響鞭打試驗結果的座椅參數(shù)較多。適當增大座椅調(diào)角器及連接板綜合屈服點轉矩，可減小靠背的向后轉動，使假人頭部較早與頭枕接觸，從而可減小頸部的NIC值;適當減小座椅靠背上部剛度，增大下部剛度，可使假人胸部更容易向后運動，也可有

將上述變更后的方案應用于該款座椅，并重新進行臺架試驗，最終試驗評分結果如表1所示。C-NCAP鞭打試驗得分由效減小頸部的NIC值;通過適當減小頭枕高度、減小頭枕與假人頭部之間的水平距離、增大頭枕的剛度，可以防止頸部向后過度伸展，從而在降低頸部NIC值的同時，大大減小頸部所受的載荷。雖然通過以上方法均可提高座椅的鞭打試驗成績，但從方案變更的難易程度、變更成本以及對鞭打結果的影響度等綜合因素分析，更改座椅頭枕位置及剛度特性顯得更為可行。

因此，通過優(yōu)化座椅頭枕位置及剛度特性，可在不過多增加成本及變更結構的前提下，有效提高鞭打試驗成績。通過反復優(yōu)化和驗證，將以下措施應用于頭枕系統(tǒng)的變更:

(1)頭枕管直徑由變更前的10 mm改為變更后的12.7 mm，并增加一條直徑為5 mm的金屬橫桿，以提高頭枕系統(tǒng)的剛度。

(2)將假人頭部上表面到頭枕管上端的距離由變更前的75 mm減小為變更后的68 mm，以有效增加頭部與頭枕的接觸時間。

(3)將假人頭部后表面到頭枕管前端的距離由變更前的137 mm減小為變更后的62 mm，以有效地使頭部與頭枕的接觸時間大大提前。變更前后方案如圖1和2所示。變更前的1.97分提高為滿分。由此證明，變更后的方案是正確可行的。

表1 變更后的方案座椅鞭打試驗評分結果

4 結論

在國際上，鞭打傷害受到越來越多的關注。為降低汽車追尾事故中頸部的揮鞭傷害，各汽車制造商都在積極地開發(fā)和研究新產(chǎn)品［3］，與鞭打傷害相關的各理論體系的不斷完善，也促進了汽車后碰撞頸部保護評價體系科學性的不斷提高。

作者通過分析C-NCAP評分體系中各評價指標的計算方法，得出了影響鞭打試驗成績的座椅參數(shù)，并對座椅變更方案難易程度、變更成本和對鞭打成績綜合影響度等因素進行了切實可行的篩選，最終確認了通過改善頭枕位置和剛度特性的方法來提高座椅防鞭打試驗性能。臺車試驗結果進一步證明了該變更方案的正確性。

【1】金景旭．某轎車座椅頭枕防揮鞭傷性能的研究及改進［D］．長春:吉林大學，2011．

【2】婁磊，楊運生，張曉龍．鞭打試驗在歐洲、日本與中國［J］．交通標準化，2010(18):37－41．

【3】楊運生，張曉龍，婁磊．基于臺車試驗的不同國家鞭打試驗評價體系的相關性［J］．汽車安全與節(jié)能學報，2012，3(2):123－128．