長(zhǎng)城某SUV座椅防揮鞭傷性能改進(jìn)

呂寶鋒，韓 峰

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

長(zhǎng)城某SUV座椅防揮鞭傷性能改進(jìn)

呂寶鋒，韓 峰

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

針對(duì)某SUV座椅鞭打摸底試驗(yàn)成績(jī)較差的情況，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，明確影響座椅鞭打性能的主要因素有：頭后間隙和頭枕高度。對(duì)座椅設(shè)計(jì)不足之處進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證座椅改進(jìn)效果符合預(yù)期。

鞭打；C-NCAP；頭后間隙；頭枕高度

1 揮鞭傷介紹

汽車被追尾時(shí)，被撞的汽車以一定的加速度向前運(yùn)動(dòng)，乘員軀干隨座椅向前運(yùn)動(dòng)，而頭部由于慣性作用產(chǎn)生滯后，運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)位使頸部受到極大的拉伸，隨后頭部像“鞭梢”一樣，被頸部帶動(dòng)快速甩向前方，這種現(xiàn)象被稱為“揮鞭效應(yīng)”，由此產(chǎn)生的頸部損傷被稱為“揮鞭傷”（Whiplash Associated Disorders）。2012年C-NCAP評(píng)價(jià)體系中正式加入了鞭打試驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法［1］，2015年鞭打評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了升級(jí)。

鞭打試驗(yàn)在2015年版C-NCAP總體得分中所占分值為4分。評(píng)分原則依據(jù)假人安裝的傳感器測(cè)量所受的傷害指數(shù)進(jìn)行，假人測(cè)量數(shù)據(jù)包括2組：一組通過頭部加速度、胸部加速度計(jì)算出NIC（頸部傷害指數(shù)）；另一組為頸部載荷和扭矩，具體評(píng)分原則見表1，其中上、下頸部得分取3個(gè)指標(biāo)中最差得分，總分4分。

表1 鞭打試驗(yàn)總體評(píng)分原則

2 摸底試驗(yàn)結(jié)果

長(zhǎng)城某款車座椅初始鞭打成績(jī)?nèi)绫?所示，最終成績(jī)1.20分，跟預(yù)期目標(biāo)分值差別較大，不滿足性能要求。主要失分項(xiàng)為NIC、上頸部拉力、上頸部彎矩、下頸部剪切力。

表2 某車型座椅鞭打成績(jī)

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 NIC分析

頸部傷害值NIC是枕骨鉸鏈相對(duì)于T1的水平加速度和速度的相對(duì)值。

相對(duì)加速度

NIC計(jì)算過程表明：該指標(biāo)主要與T1加速度和頭部x方向加速度有關(guān)。對(duì)摸底試驗(yàn)NIC計(jì)算過程進(jìn)行推導(dǎo)。其中，Ax-T1代表胸部T1平均加速度，Ax-head代表頭部x方向加速度，A-rel代表相對(duì)加速度，Vx-rel代表相對(duì)速度。推導(dǎo)過程如圖1、圖2所示。

圖1 加速度曲線

圖2 NIC曲線

圖2 中可看出：NIC在106 ms時(shí)達(dá)到最大值24.4，超標(biāo)較多，得0.5分，失1.5分。通過曲線分析NIC構(gòu)成，可以看出：相對(duì)加速度占較大比重，對(duì)NIC直接影響較大；此外，根據(jù)NIC計(jì)算公式，相對(duì)速度是由相對(duì)加速度積分而來，也受相對(duì)加速度間接影響。因此，降低NIC值，必須降低相對(duì)加速度。

圖1中，Ax-T1在48 ms左右開始產(chǎn)生并緩慢上升，而Ax-head在105 ms左右產(chǎn)生，遠(yuǎn)晚于Ax-T1，并且產(chǎn)生后急劇上升。隨著頭部加速度的急劇上升，相對(duì)加速度急劇下降直至轉(zhuǎn)向，NIC也隨之降低。

上述分析表明，NIC值的大小與頭枕接觸時(shí)刻密切相關(guān)。頭枕接觸時(shí)刻越早，在Ax-T1剛產(chǎn)生時(shí)Ax-head隨之產(chǎn)生，可以迅速緩解Ax-T1的增大趨勢(shì)，使相對(duì)加速度Ax-rel在值不大時(shí)，便開始降低直至反向，實(shí)現(xiàn)降低NIC正向幅值。因此，在優(yōu)化NIC傷害時(shí)，應(yīng)盡可能提早頭枕接觸時(shí)刻，即減小頭后的間隙。

3.2 頸部載荷分析

對(duì)于假人頭部，在碰撞過程中將存在慣性力、頭枕施加的外力、上頸部施加的約束內(nèi)力。分別用Fx、Fux、Fix表示假人頭部x方向的所受外力、約束內(nèi)力、取反慣性力，應(yīng)用達(dá)朗貝爾原理［2］，有

所以， 有

同理，分別用Fz、Fuz、Fiz表示假人頭部z方向的所受外力、約束內(nèi)力、取反慣性力，則有

Ax、Az、Fux、Fuz在試驗(yàn)過程中可采集得到，依據(jù)公式（8）和（9），可計(jì)算出試驗(yàn)過程中假人頭部x和z方向所受到的外力。對(duì)于y方向受力，由于后碰撞試驗(yàn)，其值較低則不予考慮。根據(jù)上述原理，對(duì)假人頭部受力計(jì)算如下：試驗(yàn)中采集的假人頭部加速度如圖3所示，假人上頸部剪切力及拉力如圖4所示。

圖3 頭部加速度曲線

圖4 上頸部受力曲線

依據(jù)公式（7）計(jì)算出Fix，公式（8）計(jì)算出Fx。Fx、Fux、Fix之間關(guān)系如圖5a所示；同理，處理出Fz、Fuz、Fiz之間關(guān)系如圖5b所示。

圖5 頭部x向和z向受力曲線

從圖5a看出，假人頭部x方向受力為正，即頭枕對(duì)頭部作用力向前，峰值1 170 N左右；圖5b中可看出z方向受力為負(fù)，即頭枕對(duì)假人頭部作用力向上，600 N左右；頭枕對(duì)頭部作用合力為1 315 N左右，方向斜向上。截取假人頭部受力最大時(shí)錄像，并將頭枕作用力在圖中標(biāo)示出來，如圖6所示。Fx與Fux作用效果相同，共同促進(jìn)頭部沿x方向向前運(yùn)動(dòng)，所以，F(xiàn)x增大將有利于Fux的降低；Fz與Fuz的作用效果相反，F(xiàn)z作用效果使頭向上運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)uz的作用效果是阻止頭部向上運(yùn)動(dòng)，所以F z越大，F(xiàn)uz也越大。因此，要減小上頸部受力，就要增大合力F在x方向分力，減小合力F在z方向分力。合力F和水平面夾角的大小跟頭枕與頭部接觸位置有關(guān)，即與頭枕高度有關(guān)。頭枕高度越小，頭枕接觸頭部位置越靠頭部上部，合力在x方向分力Fx就越大，z方向分力Fz就越小，上頸部剪切力和拉力都會(huì)減小。因此，要減小上頸部剪切力和拉力，就要減小頭枕高度。

圖6 頭部受力示意圖

合力F的作用效果為給上頸部正向彎矩My，彎矩的大小與合力F的大小有關(guān)，合力越小，彎矩也小。合力的大小與頭枕碰撞強(qiáng)度有關(guān)，頭枕接觸時(shí)刻越早，頭枕碰撞強(qiáng)度越低，合力F就越小。因此，優(yōu)化上頸部彎矩My，就要提早頭枕接觸時(shí)刻，即減小頭后間隙。

4 改進(jìn)方案

根據(jù)前述分析，對(duì)該座椅的優(yōu)化方向?yàn)闇p小頭后間隙和頭枕高度，提早頭枕接觸時(shí)刻和增高頭枕接觸位置。據(jù)此制定優(yōu)化方案如下。

1）靠背骨架增高 座椅調(diào)角器以下部分不變，靠背骨架增高50 mm，靠背發(fā)泡也隨之增高。

2）靠背發(fā)泡及頭枕發(fā)泡優(yōu)化 優(yōu)化座椅靠背發(fā)泡形狀，靠背發(fā)泡腰托處內(nèi)收24 mm，頭枕發(fā)泡形狀重新設(shè)計(jì)，頭枕更前傾。座椅優(yōu)化前后對(duì)比如圖7所示。

圖7 座椅優(yōu)化前后對(duì)比

經(jīng)過上述優(yōu)化后，對(duì)座椅進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，頭后間隙由原來的114 mm降低為67 mm，頭枕高度由47 mm降低為0 mm。重新進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，最終得分3.02分，達(dá)到預(yù)期整改效果，座椅優(yōu)化成功。

5 總結(jié)

通過對(duì)某SUV座椅數(shù)據(jù)的分析及優(yōu)化過程的闡述，得出如下結(jié)論。

1）頭后間隙和頭枕高度是座椅靜態(tài)測(cè)量的2個(gè)重要參數(shù)，直接影響頭枕接觸時(shí)刻和頭枕支撐位置。

2）頭后間隙越小越有利于頭枕接觸時(shí)刻提前，頭枕高度越小越有利于頭枕支撐位置靠上，均有利于降低頸部傷害值，提高鞭打得分。

表3 優(yōu)化后座椅鞭打成績(jī)

3）座椅靠背發(fā)泡及頭枕發(fā)泡會(huì)影響頭后間隙及頭枕高度。本文中座椅的優(yōu)化思路和方案為后續(xù)座椅設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了參考。

［1］ 中國汽車技術(shù)研究中心（天津）.中國新車評(píng)價(jià)規(guī)則（C-NCAP）［Z］.2009.

［2］ 商恩義，張君媛，楊斌，等.正面碰撞試驗(yàn)中假人頭部及胸部受力分析方法的研究與應(yīng)用［J］.汽車技術(shù)，2010（10）：18-21.

Performance Improvement of Seat Whip Wound Protection on a Great Wall SUV

LV Bao-feng， HAN Feng
（R&D Center of Great Wall Motor Co.， Ltd.， Automotive Engineering Technical Center of HeBei， Baoding 071000， China）

Based on the situation that a Great Wall SUV model performed badly in seat whipping test， the test data is analyzed， and major influencing factors are identified as the head-seat distance and the pillow height. Then the seat design is improved， and verified to be effective.

whip； C-NCAP； head-seat distance； pillow height

U463.6

A

1003-8639（2017）12-0077-03

2017-02-21

呂寶鋒（1986-），男，山東萊蕪人，助理工程師，從事汽車碰撞安全CAE分析工作。

（編輯 凌 波）