某鞭打試驗駕駛員傷害值優化研究

劉敏慧　王錚　楊成國

摘 要：文章以某C-NCAP 2018 5星項目座椅鞭打試驗為基礎，針對其在項目開發中鞭打試驗假人頸部傷害值不達標的狀況，通過對試驗數據的研究分析，找出對其鞭打性能影響較大的相應座椅參數，在滑臺試驗中通過改進座椅靠背剛度和座椅頭枕剛度及座椅頭枕與假人頭部相對高度差值等特性參數，真實可靠的減小了鞭打試驗對乘員頸部傷害，提高了該座椅的鞭打試驗性能從而滿足開發目標。關鍵詞：C-NCAP;鞭打試驗;座椅參數;頸部傷害中圖分類號：U471.3 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）08-156-04

Abstract： Aiming at the driver neck injure cant meet the developing requirement in one project whose development target is 5 stars in C-NCAP 2018， by studying the after test seats and analyzing the test data， finding out the critical parameters in test seat that can affect the Whiplash test performance in major， it is showed that the stiffness of the seatback， the stiffness of the seat headrest and the height of seat headrest can impact on the driver neck injure in deeply， so in the Whiplash tests changing these parameters in steps and reduced the driver neck injure value really in final，?and make the test result meet the project target.Keywords： C-NCAP; Whiplash test; Seat parameters; Neck injureCLC NO.： U471.3 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）08-156-04

前言

發生車輛追尾事故時，由于頸部發生鞭打現象而產生的對頸部的傷害，叫做鞭打癥。追尾事故會給乘員造成嚴重的傷害，被追尾時，被撞的汽車會以一個相當大的加速度向前運動，乘員的軀干隨著座椅繼續向前，而頭部由于慣性作用產生滯后，運動的錯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，這種現象稱作“揮鞭效應”[1]。揮鞭效應會造成頸脊骨傷害和腦震蕩[2]。

雖然頸部的揮鞭傷造成乘員致命傷害可能性相對較小，但可能引起長期的頸部損傷，導致巨大的社會性支出[3]。據不完全統計，在歐洲、美國、澳大利亞等國家，其社會保險機構每年都會因為追尾交通事故中頸部傷害而帶來的巨額保險支出。

本文以某C-NCAP 2018 5星項目座椅鞭打試驗為基礎，針對其在項目開發中鞭打試驗假人頸部傷害值不達標的狀況，通過研究分析，找出對其鞭打性能影響較大的相應座椅參數，在滑臺實驗中通過改進座椅靠背剛度和座椅頭枕剛度及座椅頭枕高度等特性參數，真實可靠的減小了乘員頸部傷害，提高了該座椅的鞭打試驗性能從而滿足開發目標。

1 某前排鞭打試驗結果分析

1.1 C-NCAP數據統計

以上23款5星車型數據統計中，前排駕駛員鞭打傷害值最低分為3.53分，最高分4.9分，平均值為4.27分。

1.2 C-NCAP2018總體評判總則

C-NCAP2018版較C-NCAP2015版，速度從原來的15.65km/h提到到20km/h，試驗要求總分由4分提高到5分，上頸部總分數由1分提到1.5分，下頸部總分數由1分提到1.5分;試驗過程中靠背動態張角要求由小于19°調到小于25.5°。由此可見，追尾交通事故給人們帶來的傷害被逐漸得到重視，而且C-NCAP組織機構通過逐年提高鞭打試驗在C-NCAP總分中占分比例和得分難度來加強管理乘員座椅的設計要求，從而達到更好的保護乘員效果。

1.3 某鞭打試驗結果

表3為某座椅鞭打試驗駕駛員側得分結果：由于在試驗后，頭枕空間干涉、座椅靠背張角、滑軌位移項都未發生減分。所以我們可以重點關注試驗后假人得分項。

由表3可以看出，此次試驗駕駛員在NIC、上頸載荷和下頸載荷都出現了失分現象，特別是NIC、上頸MY及上頸FZ、下頸FZ是重點失分部分。試驗后通過對試驗后座椅檢查，結合試驗數據、試驗錄像等分析此次鞭打試驗失分原因如下：

（1）圖2中，T1Are.（T1left+T1right）為假人胸椎接觸到座椅靠背時左、右胸椎在X向產生的加速度平均值，稍后文章均稱為T1Are.，Head AX為假人運動過程中頭部接觸到座椅頭枕后在X軸方向產生到加速度值，其中，假人頭部接觸座椅頭正持續時間為68ms到161ms。從圖2可以看到，T1Are.在32ms已經開始上升，在約78ms時與Head AX差值達到最大即NIC發生時刻，此時假人頭部雖然已經接觸到座椅頭枕，但是Head AX才剛剛有開始上升趨勢，此時的Head AX值幾乎趨近于零，在約100ms時Head AX才到達峰值。由此說明，試驗座椅靠背發泡剛度與座椅頭枕剛度配合得不合理，在假人胸椎接觸到座椅靠背后，由于座椅發泡靠背剛度太大而不能伴隨假人胸椎向后移動，從而輔助吸收加載在假人身上的動能，反而給了假人胸椎很大的反向沖擊力，從而迅速提升了T1 Are.加速度值，并迅速使其達到峰值;另外，座椅頭枕桿剛度不夠，雖然在69ms時假人頭部已經接觸到頭枕，但座椅頭枕桿沒能起到及時支撐作用，不能減小頭、胸相對運動激烈程度，從而增大了NIC值。

（2）試驗數據中，如圖3上頸MY在約125ms時達到峰值，而座椅靠背在約110ms時就已經停止運動。這充分說明試驗過程中座椅靠背已經停止運動，但是由于頭枕桿支撐力不夠無法阻止假人頭部繼續向后運動，造成頭部后移過度，從而增大MY值;同時如圖4，因為座椅頭枕高度不足沒有高出假人頭部頂部，使假人頭部在后移過度在造成在Z向滑出座椅頭枕，從而假人上頸拉伸力增大，增加了FZ值。

2 座椅鞭打滑臺優化

2.1 優化方案一

2.1.1 優化NIC及頸部MY傷害策略

（1）將圖5中的A部分A面（虛線部分）削減12mm，達到減小座椅靠背發泡剛度的目的;

（2）將圖5中的B部分頭枕增厚20mm，目的是減小座椅頭枕與假人頭部間隙，使假人運動過程中座椅頭枕可以盡早接觸假人頭部，支撐頭部，使頭部Head AX值提前發生;

（3）將圖5中的C部分頭枕桿處增加U形件a，直徑加強為φ12，以加強座椅頭枕對假人頭部支撐作用;

（4）根據以上參數，進行樣件優化后再次進行滑臺優化試驗。

2.1.2?滑臺試驗結果

通過優化方案一優化后的座椅進行試驗后，由圖6可知，A部分為優化前后Head AX在78ms區域內對比曲線;B部分為優化前后T1Are.在78ms區域內對比曲線;C部分為優化前后在78ms區域內T1Are.與Head AX差值對比曲線。由A可知，Head AX優化后在78ms時由0 m/s2增大到19m/s2;由B可知T1Are.由90 m/s2減小到75 m/s2，由C可知假人頭部加速度與T1 Are.在78ms區域差值約40 m/s2。由此可知減薄座椅靠背A面的厚度的作用很好的降低了座椅支撐剛度，在試驗假人向后運動中，大大的減小座椅的反作用力T1 Are.，與此同時，增厚座椅頭枕，適當減小了假人頭部與座椅頭枕的間隙，假人頭部與頭枕接觸時刻從69ms提前到60.7ms，使假人的胸椎和頭部在向后運動中可以達到合理配合，從而降低了NIC值。

由圖7可知，優化方案一中，也特別處理了座椅頭枕桿的強度，使頭枕能夠很好的支撐住假人運動中的頭部，大大降低的假人上頸MY的值，甚至得到滿分的成績;上頸FZ值在此方案中沒有得到降低，需要進一步進行優化試驗。

方案一優化結果中，為了證明優化方案方向的正確性，所以重復進行了一次同工況試驗，試驗結果相對比較穩定，假人傷害值的波動在可接受范圍之內，由此證明此次優化方案的正確性。

2.2 優化方案二

2.2.1 優化頸部載荷FZ策略

（1）此優化方案二為在優化方案一基礎上進行，目的是保持假人上次試驗的傷害值不增加的基礎上繼續優化NIC和上頸FZ值。

（2）由于原來試驗樣件座椅頭枕接觸范圍足夠大，所以可以嘗試將圖8中B部分座椅頭枕定位孔由5EA*φ11變為6EA*φ11，在箭頭指示位置增加，將假人頭部與座椅頭枕高度差值由原來的5.6mm更新為-5mm，以阻止假人頭部Z向過分滑出現象。

（3）繼續加強圖5中C部分頭枕桿a和b部分強度，將其鋼管部分全部采用特殊工藝將鋼管空心部分實心處理，進一步增強座椅頭枕對假人頭部支撐作用。

（4）根據以上參數，進行樣件優化后再次進行滑臺優化試驗。

2.2.2?滑臺試驗結果

從此次試驗結果可以看出，優化方案二中，雖然NIC值有所下降，但是，對于假人的頸部FZ卻得到很好的改善，如圖9，假人上頸受到的頸部拉伸降低了約90N，如圖10下頸受到的頸部拉伸降低了約200N，比原來提高了0.21分;下頸部得到1.5分滿分。通過以上結果說明，試驗假人在運動中，座椅頭枕的高度可以有效的阻止假人在試驗運動中頭部過度的滑出頭枕，減小假人頸部受到的拉伸傷害。

考慮到開發成本及樣件數量，同工況樣件重復一次試驗后，假人傷害值基本穩定，而且經過此次優化后，試驗后假人得分基本達到目標值，所以樣件優化參數基本可以確定。

3 結論

本研究依據C-NCAP 2018相關鞭打試驗要求，并參考C-NCAP 2018年度發布的某23款5星車中鞭打試驗得分平均值作為項目開發目標，就某項目進行駕駛員側鞭打滑臺試驗過程中，結合后碰撞中乘員傷害值評價指標針對假人傷害值問題進行了分析，并結合滑臺試驗進行相應的樣件優化試驗，最終達到本項目鞭打試驗開發目標。

綜合以上可知，利用滑臺試驗手段進行座椅鞭打開發、優化、驗證手段，可以在最短的時間得到最真實有效的結果，為項目開發爭取到有利時間。

參考文獻

[1] 孫嵐穎.某轎車座椅鞭打試驗性能研究及改進[J].汽車零部件， 2013.

[2] 楊學桐.金相檢驗[M].上海：上海科學普及出版社，2003.

[3] 黨雪芒.某駕駛員座椅鞭打性能分析及優化[J].機電工程.2015.2.