鞭打假人頸部標定中OC轉角影響因素的研究

劉東春，鄭玉玉，王 旭，楊舒涵

(中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300300)

0 引言

BioRID Ⅱ假人是C-NCAP(中國新車評價規程)鞭打試驗指定使用的假人，用來評估汽車座椅的安全性能。按照2018版C-NCAP規定，使用BioRID Ⅱ假人完成5次試驗后，需要對其頸部進行標定[1]。標定試驗是保證假人生物擬合性的主要手段，用來確保假人在汽車碰撞時具備可靠的響應能力，可以真實客觀地反映汽車的安全性能。

對BioRID Ⅱ假人頸部動態標定試驗過程中有20多項技術指標需要同時滿足要求，而且頸部標定的影響因素比較多，導致頸部標定成功率比較低。作者長時間的實際標定經驗發現：頸部繞OC轉角指標是決定標定試驗成敗的關鍵指標。本文用該指標代表頸部標定需求進行研究，重點分析其影響因素，以減少頸部標定動態次數，同時也減少標定對假人的傷害，提高BioRID Ⅱ頸部標定的成功率[2-3]。

1 BioRID Ⅱ頸部結構及標定

1.1 BioRID Ⅱ頸部結構

BioRID Ⅱ假人的脊柱是其核心部件，假人的脊柱結構如圖1所示。脊柱結構包括7塊頸椎、12塊胸椎和5塊腰椎，與人體脊柱塊的數量完全相同，脊椎塊通過銷軸鏈接，在動態碰撞過程中可以轉動，碰撞后亦可以復位。

1.2 BioRID Ⅱ頸部靜態標定

BioRID Ⅱ假人靜態標定是檢查假人脊柱的曲率。首先將脊柱固定，并用專用夾具支撐假人脊柱，核查假人脊柱兩側螺釘扭矩；然后通過調整鋼絲繩的張緊程度，以使圖1中的各參數在規定的范圍內：L1為[604,614]，L2為[570,580]，α為[29°,30°]，β為[36.5°,37.5°]，L3為[151,161]，L4為[199,209]。

1.3 BioRID Ⅱ頸部動態標定

1.3.1 BioRID Ⅱ頸部動態標定流程

假人頸部靜態標定完成后，再進行動態標定。其流程為：在溫度為19 ℃～25 ℃、相對濕度為10%～70%的環境中，將假人的上軀干(拆除假人四肢以及臀部)固定在迷你小滑臺上，然后用質量為(33.55±0.1)kg的擺錘沖擊小滑臺，如圖2所示。其中，擺錘是由4根鋼絲繩懸掛，通過調節擺錘的高度來控制對假人的沖擊力，整個標定過程是模擬汽車追尾碰撞對假人進行后碰試驗。

圖1 BioRID Ⅱ假人脊柱結構

圖2 BioRID Ⅱ假人頸部標定

1.3.2 BioRID Ⅱ頸部動態標定評價指標

BioRID Ⅱ頸部動態標定評價指標頸部繞OC轉角通過率較低，對其的具體要求為：25 ms～70 ms時間段內達到極大值，且極大值區間為[11.5°,16.5°]；125 ms～135 ms時間段達到極小值，極小值區間為[-9°,2°]。極值發生的時間區間基本可以滿足，主要是兩個極值以及兩者的差值即跨度不容易滿足要求，因此本文重點以這三個值為研究目標，分析其影響因素，進而指導標定調整方向，提高成功率。

2 BioRID Ⅱ頸部動態標定試驗分析

BioRID Ⅱ假人頸部動態標定的主要影響因素有：擺錘速度、鋼絲繩張緊程度、阻尼大小、相鄰標定時間間隔、環境溫度以及脊柱間橡膠緩沖塊等。而在實際標定過程中，標定試驗室溫度基本恒定在20.6 ℃～22.2 ℃范圍內，小范圍的溫度變化對BioRID Ⅱ假人頸部標定影響非常小,同時，脊柱間橡膠緩沖塊定期更換，所以本文對這兩個因素不作討論，主要討論其余4個影響因素。

為定量考察單一因素對OC轉角的影響，將假人靜態標定后鋼絲繩和阻尼器的狀態作為鋼絲繩張緊程度和阻尼的基礎值，擺錘速度為4.75 m/s，相鄰標定時間間隔為60 min，環境溫度為21 ℃作為其他三項各自的基礎值。每次試驗僅改變單一因子，其他因子保持基礎值不變；然后，使用同一個BioRID Ⅱ假人進行統一化試驗流程，并求取多次試驗標準差與均值的比值(記為C.V)來判定各因素對OC轉角的結果影響程度。

2.1 擺錘速度

將擺錘速度分別設定為4.70 m/s、4.75 m/s、4.80 m/s進行3次對比試驗，得到的頸部繞OC轉角極值與擺錘速度的關系如圖3所示，不同速度對OC轉角極值的影響如表1所示。由圖3和表1可知：隨著擺錘速度的增加，3次試驗極值及跨度也呈現出增大的趨勢，曲線雖有一定的差異，但差別不大；3次試驗OC轉角極大值、極小值及跨度的C.V分別為2.61%、-5.03%、1.4%，隨著擺錘速度增加，擺錘和小滑臺的碰撞能量亦增加，假人頭部向前甩動幅度變大導致OC極值及跨度偏大。

圖3 頸部繞OC轉角極值與擺錘速度的關系

2.2 鋼絲繩張緊程度

改變假人鋼絲繩的張緊程度進行5次試驗，用+n(n取值0，1，2)表示圖4中的銅螺柱1、3張緊n圈，銅螺柱2、4松開n圈；用-n表示螺柱1、3松開n圈，螺柱2、4張緊n圈。試驗得到的頸部繞OC轉角極值與鋼絲繩的關系如圖5所示，鋼絲繩不同狀態對OC轉角極值的影響如表2所示。

表1 不同速度對OC轉角極值的影響

圖4 BioRID Ⅱ頸部

圖5 頸部繞OC轉角極值與鋼絲繩的關系

鋼絲繩張緊圈數極大值(°)極小值(°)極值跨度(°)+212.68-3.9516.63+111.52-4.7716.28011.24-5.0916.33-110.86-4.8615.71-210.83-5.0915.92均值11.43-4.7516.17比值C.V(%)5.92-8.852.00

由圖5可知：+2時，OC轉角極大值最大，跨度亦最大；-2時，OC轉角極大值最??；隨著鋼絲繩前緊后松的程度逐漸增加，OC轉角極大值逐漸增大、跨度亦有變大的趨勢。這是由于鋼絲繩前緊后松之后，假人頭部在受到相同能量的沖擊后，向前可彎曲范圍變大，反方向調整鋼絲繩，假人向前可彎曲范圍變小。由表2可知：鋼絲繩調整對OC轉角的影響相對非常大，5次試驗其極大值、極小值及跨度的C.V分別為5.92%、-8.85%和2.00%。

2.3 阻尼大小

改變假人阻尼的大小進行5次試驗，用0表示初始狀態，用-0.5、-1、-1.5、-2表示松開的圈數。試驗得到頸部繞OC轉角極值與阻尼器的關系如圖6所示，阻尼閉合變化對OC轉角極值的影響如表3所示。

由圖6可知：阻尼器松開0.5圈，OC轉角極大值、跨度與初始狀態略有增大趨勢；而松開1圈，OC轉角極大值、跨度明顯變大；松開1.5圈，OC轉角極大值、跨度增大趨勢變緩，但變化在5次試驗中結果最明顯；松開2圈，OC轉角極大值變化不大，且有漸小趨勢。

由表3可知：阻尼松開0.5圈或者2圈時，OC轉角變化不明顯；而在阻尼松開1和1.5圈時，OC轉角變化非常明顯；5次試驗的OC轉角極大值、極小值及跨度的C.V值變化比較大，分別為8.74%、-19.98%和9.91%。

圖6 頸部繞OC轉角極值與阻尼器的關系

阻尼器松開圈數極大值(°)極小值(°)極值跨度(°)09.96-3.0613.02-0.510.53-3.2313.76-112.06-3.4215.48-1.512.62-4.6117.23-211.86-2.5814.44均值11.41-3.3814.79比值C.V(%)8.74-19.989.91

總體來講，減小阻尼，OC轉角極大值及跨度呈增加趨勢；增大阻尼，OC轉角極大值及跨度呈減少趨勢。但是這種規律是當阻尼在一定的區間才有顯著的差異，而超出這個范圍，對OC轉角的影響又變小。

2.4 時間間隔

將相鄰試驗時間分別設為15 min、30 min、45 min和60 min進行4次對比試驗。得到的頸部繞OC轉角極值與時間間隔的關系如圖7所示，相鄰試驗時間間隔對OC轉角極值的影響如表4所示。

圖7 頸部繞OC轉角極值與時間間隔的關系

由如圖7可知:試驗間隔15 min時，OC轉角極大值明顯高于其他3次試驗；試驗間隔30 min和45 min兩次試驗曲線接近；試驗間隔60 min和45 min略有差異，但并不明顯。

由表4可知:4次不同的時間間隔導致的OC轉角極大值、極小值及跨度的變化C.V分別為4.18%、-6.10%和2.50%，數值也不小，可見時間間隔也是一個不可忽視的影響因素。相鄰試驗時間間隔太短，假人內部的鋼絲繩以及皮膚沒有恢復到正常狀態，仍處于形變階段，其并不能真實反映假人的實際狀態，所以，試驗時間間隔務必60 min以上，才能保證試驗結果的客觀性和可信性。

表4 相鄰試驗時間間隔對OC轉角極值的影響

3 結論

本文首先對BioRID Ⅱ假人頸部結構進行剖析，介紹靜態標定和動態標定的過程。然后對頸部繞OC轉角指標各主要影響因素進行單獨剖析。

(1) 阻尼對OC轉角極值影響尤為明顯，假人阻尼存在敏感區域，當阻尼在該區域調整時，減小阻尼，OC轉角極值呈增加趨勢；增大阻尼，OC轉角極值呈減少趨勢，而超出這個敏感區域范圍，阻尼對OC轉角的影響又變小。

(2) 鋼絲繩張緊程度也是重要的影響因子，鋼絲繩前緊后松，OC轉角極值會變大；鋼絲繩前松后緊，OC轉角極值會減小。

(3) 隨著擺錘速度的增加，OC轉角極值呈正相關，由于擺錘速度要求的區間范圍較窄(4.70 m/s～4.80 m/s)內，因此在3次比對試驗中并沒有呈現顯著的差異。

(4) 相鄰試驗時間間隔對試驗的影響也相對顯著，相鄰試驗時間太短，假人內部結構形變還沒有恢復，并不能真實反映假人的實際狀態，因此相鄰試驗時間間隔在標定過程中是不可忽視的因素。