某車型座椅鞭打性能改進

李永攀, 趙海英,沈軍,張賀,張麗君

(北京汽車研究總院有限公司，北京 101300)

0 引言

追尾碰撞，俗稱鞭打事故，在交通事故中的比例逐漸增多。鞭打事故中造成的鞭打傷是指由于后方碰撞導致人體受到向前的加速度，而頭部在慣性力的作用下發生滯后，頸部產生像鞭子猛抽的動作，鞭打效應會造成頸脊骨傷害和腦震蕩[1]。為了更好地評價座椅在追尾事故中對人體頸部的保護效果，各個國家都出臺了相應的安全法規和評定規程，歐洲的Euro-NCAP和美國汽車安全保險協會IIHS都較早地將座椅鞭打性能納入了考核體系[2]。我國發布實施的2018版C-NCAP管理規則對座椅鞭打性能提出更高的要求。

本文作者以某車型座椅為研究對象，針對其在按照C-NCAP-2018進行的鞭打試驗，在其初始試驗成績低于FEA(Finite Element Analysis)的狀況，通過分析影響鞭打試驗性能的原因,制定改善措施，從而最終實現座椅實測鞭打得分高于FEA分析分值。

1 C-NCAP-2018版評價程序和評分原則

1.1 鞭打試驗評價程序

將座椅及夾具準確地固定在滑車臺面上，如果座椅是新的從未被乘坐過的，則應由(75±10) kg的人或裝置在座椅上試坐兩次，每次1 min。在安放HPM裝置(SAE J826-2008)前，所有座椅總成應保持空載至少30 min。加速度波形在0～170 ms范圍內，應被精確控制以滿足試驗要求。加速式臺車的速度變化量應控制在Δv=(20.0±1.0) km/h，波形持續時間為ΔT=(103±3) ms[3]。具體見圖1。

圖1 試驗波形

1.2 鞭打試驗評分原則

鞭打試驗最低得分為0 分，不會因罰分而減為負分。表1 為鞭打試驗總體評分原則[3]。

1.3 影響鞭打性能的座椅參數分析

表1 評分原則

(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。當NIC值超過15時，頸部承受輕微傷(AISI) 的風險會明顯增加，損傷程度由短期損傷擴大到長期損傷[4]。

(2)頸部拉力

頸部張力只評價拉伸部分，其值為正。

(3)頸部扭矩

頸部扭矩評價伸張和彎曲兩個方向：上頸部扭矩和下頸部扭矩。

1.4 常規優化鞭打性能思路

通常通過降低座椅靠背對假人胸部的水平加速度峰值,降低胸部加速度與頭部質心加速度差值，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。

2 FEA分析

(1)建立鞭打模型，包括座椅、假人、三點式安全帶以及B 柱和滑車4 部分，對其進行仿真分析，鞭打模型及分析結果曲線見圖2—圖3。

圖2 鞭打模型

圖3 分析結果曲線

其中頸部傷害值NIC曲線如圖4所示，可知其峰值為17.36g。

圖4 NIC曲線

(2)上頸部剪切力Fx曲線如圖5所示，可知其峰值為19.22 N。

圖5 上頸部剪切力Fx曲線

(3)上頸部拉力Fz曲線如圖6所示，可知其峰值為 287.21 N。

圖6 上頸部拉力Fz曲線

(4)上頸部扭矩My曲線如圖7所示，可知其峰值為14.41 N·m。

圖7 上頸部扭矩My曲線

圖8 下頸部剪切力曲線

圖9 下頸部拉力曲線

圖10 下頸部扭矩曲線

(8)如表2所示，FEA模擬分值為4.02。

表2 FEA得分

3 第一輪試驗驗證

(1)分別選取時間為0、69、190 ms的座椅試驗視頻截圖，如圖11—圖13所示。

(2)經過第一輪試驗，其結果曲線如圖14所示。

(3)第一輪試驗得分如表 3所示(該評分表依據C-NCAP-2018版鞭打試驗評價規程)。

圖11 t= 0 ms

圖12 t=69 ms

圖13 t=190 ms

圖14 試驗曲線

指標試驗值高性能限值低性能限值得分總分NIC16.72 mm/s28 mm/s230 mm/s21.21上頸部Fx0.39 N340 N730 N上頸部Fz600.04 N475 N1 130 N上頸部My16.91 N·m12 N·m40 N·m1.22下頸部F′x238.31 N340 N730 N下頸部F′z249.26 N257 N1 480 N下頸部M′y5.59 N·m12 N·m40 N·m1.50座椅靠背動態張角13.8°≥25.5°0頭枕干涉頭部空間0Y0座椅滑軌動態位移2.3 mm≥20 mm03.93

(4)試驗結論如下：

由表2—表3可知，座椅試驗總分3.93較FEA分析得分4.02偏低；上頸部My和Fz兩項較FEA分值低, NIC值雖然比FEA有提升，但是距離滿分2分仍有較大提升空間。

原因分析: 頸部傷害值NIC 是通過頭部加速度和胸部加速度計算出來的，反映了頭和胸部之間相對運動，即頭部加速度和胸部加速度之間相差越大，NIC值越大，頸部的損傷越嚴重。該試驗頭部加速度觸發較晚，當NIC處于峰值時胸部加速度較高，此時假人頭部后傾，頸部傾斜較大，My和Fz值較高,導致得分偏低。

解決措施：可提升試驗時人體在座椅靠背上的穿透性，增加人體胸部后移量。

4 優化方案

考慮試驗和FEA分值相差不大，座椅不進行較大的改動，對座椅靠背進行優化，具體方案如下：

(1)靠背面套固定鋼絲由整圈整體U形鋼絲改為分3段固定鋼絲，增加試驗時人體傾入量(見圖15)。

圖15 鋼絲優化

(2)靠背骨架上包覆的防異響無紡布，由全部包裹靠背骨架改為僅下部包裹無紡布(見圖16)。

圖16 包覆優化

(3)靠背彈簧鋼絲橫向寬度加長2 mm，降低彈簧鋼絲拉緊力(見圖17)。

圖17 彈簧優化

(4)靠背骨架底部加焊固定支架，試驗時減小骨架向后張角，變相增加靠背人體傾入量(見圖18)。

圖18 骨架優化

5 第二輪優化后試驗驗證

基于上述優化方案，進行第二次優化試驗，其試驗得分如表4所示，可知優化后座椅試驗總分為4.37。

表4 第二輪試驗得分

6 結論

依據優化后的方案，較第一輪試驗有明顯提高，也優于FEA分析得分，其優化方案效果明顯，同時對現有座椅的改動量并不大，更改投入少，改善周期快，可用于后續量產實施。