正面碰撞事故中乘員下沉對乘員傷害影響的研究

摘要：通過對正面碰撞事故中乘員下沉的運動情況進行分析，以及正面碰撞試驗結果的比對分析，指出了因坐墊骨架剛度不夠等原因，在碰撞中造成乘員有下沉現象時對乘員傷害的影響。

關鍵詞：碰撞；下沉；座椅；乘員

中圖分類號：U467.1+4 文獻標志碼：A文章編號：1005-2550（2011）02-0025-04

Study of the Occupant Hurt Affected because Drop in the Frontal Collision

SHANG En-yi1， ZHOU Jing1， CHEN Xiao-dong2 ， WU Miao2

（1. Shanghai Eastlong Motor Airbag Co.， Ltd，Shanghai 201201，China；

2.Wuxi Entry-exit Inspection Quarantine Bureau，PRC，Wuxi 214174，China）

Abstract：Through the analysis of dummy motion when the occupant has a drop in front collision，and the compare analysis between two front impacting test is doing，pointing out the effect to the occupant hurt when the occupant has a drop because the cushion framework isn’t firm in the collision accident.

Key words： collision；drop；seat；occupant

當前，在一些正面碰撞事故中，座椅作為減少損傷的安全部件，對駕駛員及乘員起到了重要的保護作用：一方面，減輕駕駛員及乘員的疲勞來滿足主動安全性的要求；另一方面，與安全帶和安全氣囊一起對乘員進行定位，同時緩解碰撞的強度，使乘員的損傷指標達到最小。但當座椅的安全功能失效時，可以引起各種形式的乘員傷害。比如：如果座椅外形設計不當，在正面碰撞時會使乘員沿座椅靠背下滑，使腰部安全帶移到胸部以上（即所謂的“潛水”現象） ［1］；如果座椅坐墊骨架的剛度不夠，或者坐墊的有效深度、坐墊傾角的選取不當，在碰撞過程中，當車上乘員臀部運動超過坐墊骨架前支撐時，乘員臀部會突然發生下沉現象。下沉現象與潛水現象相比，雖然表現不是十分明顯，但對乘員的安全性具有一定的影響。

1 下沉現象的乘員的運動過程分析

1.1 前碰撞事故中乘員的一般運動過程［2］

通常，在發生正面碰撞事故時，車體因受阻開始減速運動，車上前排乘員則因車體通過座椅對其大腿向后施加了一個約束力，臀部開始減速，而上體繼續向前運動，產生一個向前的彎矩。

隨著碰撞事故的進行，車體相對乘員向后的行程加大，安全帶開始起作用，向乘員施加向后的拉力，并逐漸增大。由于安全帶上端相對自由，所以通常安全帶腰帶拉力要大于肩帶拉力（大腿撞到前方儀表板等緩解腰帶拉力情況除外），使乘員臀部減速要快于胸部導致乘員上體再次生成向前的彎矩，表現形式為乘員在向前運動的同時胸部帶動頭頸向前撲。當乘員的臀部運動到座椅的前沿時，一旦座椅坐墊骨架的剛度不夠，乘員的臀部將會突然產生下沉現象，即乘員瞬間有前撲前行轉為直立前行的現象。

1.2 前碰撞事故中乘員有下沉現象的運動過程

為了確認碰撞中乘員有下沉現象時的運動姿勢，選取了一款副駕駛員側坐墊骨架相對較弱的車型，進行了AB試驗兩次50 km/h的臺車碰撞試驗。試驗A中坐墊骨架沒有加固，試驗B中坐墊骨架進行了加固。加固情況如圖1所示，在坐墊骨架前橫梁與地板間通過焊接加入了兩根圓形鋼管支撐。

試驗后對兩次試驗結果進行了分析。

由于碰撞中，坐墊骨架剛度強弱的影響將直接反映在乘員骨盆的變化上，其后再由骨盆向上傳遞，因此，先對骨盆的試驗結果進行分析。

將假人骨盆X向和Z向的加速度分別用骨盆ax和az表示（X向向前為正，Z向向下為正），將兩次試驗中骨盆的ax和az分別調入到圖2和圖3中。從圖中可以看出， 大約60 ms之前，試驗B中的乘員骨盆ax和az在負向上普遍大于試驗A，表明在坐墊骨架前橫梁焊接支撐加固后，坐墊骨架的整體剛體得到了提升，坐墊傾角得到了穩固，坐墊深度也得到了保證，使假人在前行中受到的阻力得以增強；在約60 ms時，試驗B中的az在負向上發生明顯突變，而試驗A中的az在負向上減弱趨向歸零，表明此時假人臀部行至坐墊骨架橫梁位置，試驗A中的假人臀部開始下沉受力開始減弱，而試驗B中的假人的臀部則瞬間坐到了剛性支撐上，在Z向上受到了明顯的向上的沖擊。

借助高速攝像分析：分別截取兩次試驗中66 ms時的錄象圖片如圖4和圖5所示（結合數據分析此時刻下沉影響較明顯）。比較分析發現：試驗A中假人頭頂到頂棚的距離大于試驗B中；試驗A中假人背部傾角小于試驗B中；試驗A中安全氣囊受到假人胸部的沖擊更趨向X向。

通過分析最終確認坐墊骨架剛度變化前后假人運動姿態上的表現：開始，坐墊骨架加固后的假人臀部向前運動的速度小于加固前，則其向前撲的運動幅度大于加固前；當假人運動至坐墊橫梁時，加固前的假人下沉幅度大，相對加固后假人在前撲的運動中有直立的趨勢，胸部更直一些。

2 碰撞試驗中假人下沉現象的影響分析

在兩次臺車試驗中，分別采集了假人頭、頸、胸幾個關鍵部位的數據， 為了進一步分析下沉現象對乘員傷害的影響，下邊將針對這些數據，并結合假人運動姿態的變化進行分析。分析中，考慮到骨架加固前后對Y方向的影響不大，不進行分析。

2.1 下沉現象對假人頭部的影響分析

假人頭部X向和Z向的加速度分別用ax和az表示，將兩次試驗中ax和az分別調入圖6和圖7中。

從圖6可以看出，兩次試驗中乘員ax在頭部回彈之前吻合較好。結合圖4和圖5：兩次試驗中假人正面與安全氣囊表面接觸完全，假人的下沉對接觸面影響不大，即對乘員ax影響不大。

從圖7中可以看出，在約60 ms之前，試驗B中假人前撲的“離心運動”幅度略大于試驗A中假人，導致試驗B中假人az在幅值上大于試驗A中假人；在大約60 ms開始，試驗A中座墊骨架瞬間壓潰變形，假人下沉。將假人頸部比作一彈簧，下沉前該彈簧處于伸張狀態；將假人頭部比作裝在彈簧頂端的質量塊，下沉前處在欲飛離狀態。當下沉現象出現，頸部彈簧對頭部質量塊有一個急速回拉過程，使假人頭部出現復位趨勢；當假人瞬間止住下沉時，假人頭部對頸部彈簧出現了一個瞬間過度壓縮，即出現頸部對頭部的拉力瞬間減弱過程，則在假人az曲線上表現為向下的加速度有一個瞬間減弱過程，即出現一個凹坑。

從對圖6和圖7的綜合分析，結合碰撞試驗中假人的頭部傷害指標HIC36通常出現在50 ms到110 ms之間，可以判斷：當碰撞中乘員出現下沉現象時，乘員頭部的傷害與正常情況比應略偏低。通過試驗結果進行確認：試驗A中的乘員假人的HIC36為335（54~90 ms），試驗B中的乘員假人的HIC36為387（56~92 ms），的確如此［3］。

2.2 下沉現象對假人頸部的影響分析

假人頸部受到的力和彎矩分別用Fx、Fz和My表示，將兩次試驗中的Fx、Fz和My分別調入圖8、圖9和圖10中。

兩次試驗中，由于坐墊骨架加固后的約束作用增強，所以試驗A中假人前行較快，前撲的趨勢較弱。另外，在與安全氣囊接觸后，加之假人下沉，安全氣囊內的氣流被擠向上方，則安全氣囊對頭部與頸部之間的相對運動緩解能力減弱［4］。因此，從圖8中可以看出，試驗A中假人Fx略大于試驗B中假人Fx。

圖9中，大約在60~80 ms間，兩次試驗中的假人Fz曲線相比，試驗A中出現了一個明顯的凹坑，進一步驗證了在假人出現下沉且瞬間停止現象時，頭部質量塊對頸部彈簧出現了一個瞬間過度壓縮過程，使“彈簧拉力”，即頸部張力出現了瞬間減小這一現象。

分析圖10，大約在60~70 ms，試驗A中假人My比試驗B中假人My明顯偏大。通常來說，假人My主要是由Fx作用產生的，即近似有

My=dFx（1）

式中，d為距離，變量。將d=0.085 m，試驗A中的Fx代入公式（1），并將結果與試驗A中的My調入到圖11中。從圖11中可以確認，約70 ms時試驗A中假人My出現的最大值的確是頸部剪切力增大導致的。

2.3 下沉現象對假人胸部的影響分析

假人胸部的加速度和胸位移分別用ax、az和d表示，將兩次試驗中的ax、az和d分別調入圖12、圖13和圖14中。

圖14 試驗A和試驗B中假人d間的關系

與試驗B相比，試驗A中假人整體前行較快，前撲趨勢較弱，當與安全氣囊接觸時，整個胸部有正撲趨勢。因此，如圖12所示，假人胸部與安全氣囊接觸后，試驗A中的ax負向上的幅值偏大；同時，如圖14所示，假人的胸位移負向上的幅值試驗A中的也要偏大。對于Z向，安全帶和安全氣囊在此方向上的作用力較小，受來自于Z向的沖擊影響較顯著。如圖13所示，試驗A中，當碰撞進行到大約60 ms時，來自于假人臀部的沖擊傳遞到假人胸部，在假人胸部的az曲線中出現了與假人臀部曲線中近似的凹坑。對于胸部的合成加速度而言，則在乘員有下沉現象的碰撞中，乘員胸部累計合成3 ms的值往往偏大：試驗A中，cum.A3為56 g；試驗B中，cum.A3為41g［5］。

3 結論

文中通過對在碰撞過程中的乘員有下沉現象的運動姿態進行解讀，結合坐墊骨架有無加固兩種情況下的臺車試驗結果的分析，得出如下結論：當碰撞中乘員有下沉現象時，乘員頭、頸、胸的Z向的傷害將有所減弱，X向的傷害將有所加強，但頭部加強幅度較小。乘員下沉對乘員傷害的最終表現為：頭部HIC36值下降；頸部Fx、My上升、Fz下降；胸部累計合成3 ms值、胸位移增大。總之，碰撞事故中乘員下沉現象的存在將使安全約束系統的整體保護效果明顯降低。

參考文獻:

［1］ 鐘志華，張維剛，曹立波，等. 汽車碰撞安全技術［M］. 北京：機械工業出版社，2003.

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

［3］ GB11551-2003，乘用車正面碰撞的乘員保護［S］.

［4］ 商恩義，楊斌，李洪梅.碰撞試驗中假人頸部傷害的分析方法的研究與應用［J］.上海汽車，2010.（6）.