某轎車座椅鞭打試驗(yàn)性能研究及改進(jìn)

孫嵐穎

(廣州汽車集團(tuán)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(huì)給乘員造成嚴(yán)重的傷害，被追尾時(shí)，被撞的汽車會(huì)以一個(gè)相當(dāng)大的加速度向前運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)的錯(cuò)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(yīng)”。揮鞭效應(yīng)會(huì)造成頸脊骨傷害和腦震蕩［1］。

作者以某轎車座椅為研究對(duì)象，針對(duì)其在C-NCAP中鞭打試驗(yàn)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(jìn)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(yàn)性能。

1 C-NCAP中鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)體系

目前，世界上各發(fā)達(dá)國家都有NCAP新車安全評(píng)價(jià)體系，并在不斷升級(jí)，先后將鞭打試驗(yàn)引入評(píng)價(jià)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(yàn)正式加入歐洲NCAP評(píng)價(jià)體系。日本經(jīng)過4年的項(xiàng)目研究后，于2009年將后碰撞頸部保護(hù)試驗(yàn)引入了J-NCAP評(píng)價(jià)體系［2］。中國則于2012年7月正式將鞭打試驗(yàn)引入新的C-NCAP評(píng)價(jià)體系中，并在評(píng)分體系中占居4分的比重。C-NCAP關(guān)于鞭打試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要借鑒日本的J-NCAP對(duì)頸部的保護(hù)性能指標(biāo)。評(píng)分依據(jù)假人安裝的傳感器測量得到的傷害指數(shù)進(jìn)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(jì)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(píng)分以假人傷害指數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)于每個(gè)傷害指數(shù)設(shè)定高性能限值和低性能限值，分別對(duì)應(yīng)最高1分和0分，處于高低性能指標(biāo)之間，應(yīng)使用線性插值的辦法計(jì)算分?jǐn)?shù)，所有單項(xiàng)得分保留到小數(shù)點(diǎn)后兩位。

2 影響鞭打性能的座椅參數(shù)分析

C-NCAP中關(guān)于假人頸部傷害值及載荷評(píng)價(jià)指標(biāo)共有7項(xiàng)，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(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法如下:

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

相對(duì)加速度:

相對(duì)速度:

(2)頸部剪切力Fx+。頸部剪切力只評(píng)價(jià)頭部相對(duì)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(píng)價(jià)拉伸部分，即Fz值為正。

(4)頸部扭矩My。頸部扭矩評(píng)價(jià)伸張和彎曲兩個(gè)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(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算公式可以看出:通過降低座椅靠背對(duì)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(gè):座椅調(diào)角器及連接板綜合屈服點(diǎn)轉(zhuǎn)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(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)及改進(jìn)

某款轎車座椅按照C-NCAP中鞭打試驗(yàn)要求進(jìn)行評(píng)價(jià)后，該座椅鞭打試驗(yàn)得分為5.47分，換算成 C-NCAP加分項(xiàng)僅1.97分，因此，防鞭打性能有待改進(jìn)。由前面分析可知，影響鞭打試驗(yàn)結(jié)果的座椅參數(shù)較多。適當(dāng)增大座椅調(diào)角器及連接板綜合屈服點(diǎn)轉(zhuǎn)矩，可減小靠背的向后轉(zhuǎn)動(dòng)，使假人頭部較早與頭枕接觸，從而可減小頸部的NIC值;適當(dāng)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(yùn)動(dòng)，也可有

將上述變更后的方案應(yīng)用于該款座椅，并重新進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，最終試驗(yàn)評(píng)分結(jié)果如表1所示。C-NCAP鞭打試驗(yàn)得分由效減小頸部的NIC值;通過適當(dāng)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(shí)，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(yàn)成績，但從方案變更的難易程度、變更成本以及對(duì)鞭打結(jié)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(jié)構(gòu)的前提下，有效提高鞭打試驗(yàn)成績。通過反復(fù)優(yōu)化和驗(yàn)證，將以下措施應(yīng)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(shí)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(shí)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(yàn)評(píng)分結(jié)果

4 結(jié)論

在國際上，鞭打傷害受到越來越多的關(guān)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(guān)的各理論體系的不斷完善，也促進(jìn)了汽車后碰撞頸部保護(hù)評(píng)價(jià)體系科學(xué)性的不斷提高。

作者通過分析C-NCAP評(píng)分體系中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法，得出了影響鞭打試驗(yàn)成績的座椅參數(shù)，并對(duì)座椅變更方案難易程度、變更成本和對(duì)鞭打成績綜合影響度等因素進(jìn)行了切實(shí)可行的篩選，最終確認(rèn)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(yàn)性能。臺(tái)車試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(jìn)［D］．長春:吉林大學(xué)，2011．

【2】婁磊，楊運(yùn)生，張曉龍．鞭打試驗(yàn)在歐洲、日本與中國［J］．交通標(biāo)準(zhǔn)化，2010(18):37－41．

【3】楊運(yùn)生，張曉龍，婁磊．基于臺(tái)車試驗(yàn)的不同國家鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)體系的相關(guān)性［J］．汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2012，3(2):123－128．