汽車座椅揮鞭傷性能要求及提升方案

張程

（宜賓凱翼汽車有限公司汽車研究院）

揮鞭傷是在后撞車禍中的一種最常見的頸部傷害。C-NCAP（中國新車評價規程）2021版的評價體系將于2021年正式實施，其性能要求增加后排揮鞭傷要求。參照前排座椅WHIPLASH（揮鞭傷）的有效高度及頭后間隙的設計要求，理論極限法推算出頭枕設計的安全位置，節約反復設計及計算時間，提高設計效率。針對某項目座椅鞭打摸底試驗成績較差的情況，對試驗數據進行分析，發現了座椅結構設計不足之處，進行座椅優化設計達到試驗高分。

1 C-NCAP 2021版座椅揮鞭傷解讀

1.1 揮鞭傷試驗

揮鞭傷試驗要求按照C-NCAP 2021版的試驗要求布置進行，按照人機工程設計參數將座椅總成和安全帶系統布置于試驗移動滑車上，試驗臺車按照一定的加速度波形發射[1]。揮鞭傷試驗布置圖，如圖1所示。

圖1 揮鞭傷試驗布置圖

試驗臺車速度以變化量為（20.0±1.0）km/h的特定加速度波形發射，臺車上的新開發座椅上布置BioRID（后碰試驗假人）II型假人，經過各種實時傳感器測量車輛后碰撞過程中，乘員頸部受到的傷害值情況。

新規程中，車輛的第二排座椅鞭打試驗方法和前排座椅試驗一樣，隨機在試驗臺車上第二排座椅的左側或右側位置放置BioRID II型假人。經過各種實時傳感器測量車輛后碰撞過程中，測試乘員頸部受到的傷害值情況。

1.2 揮鞭傷評分規則

1.2.1 揮鞭傷得分準則

評價規程規定座椅系統揮鞭傷試驗的最高得分為5分。

安裝在測試假人上的傳感器采集測量技術參數，經過中央處理器計算得到傷害指數，揮鞭傷測量值指標及分值分布，如表1所示。試驗中假人傳感器測量數據分為三組：第一組為通過頭部加速度、胸部加速度計算出頸部傷害指數，該組最高得分為2分；第二組為上頸部載荷和扭矩，該組最高得分為1.5分；第三組為下頸部載荷和扭矩，該組最高得分為1.5分[1]。

表1 測量指標及分值

試驗結果以假人傷害指數為基礎，對于每個傷害指數設定高性能限值和低性能限值，分別對應最高分和0分。當假人測試值在高低性能限值之間，試驗使用線性插值的辦法計算分數，試驗計算的單項得分保留到小數點后3位。

1.2.2 揮鞭傷扣分準則

揮鞭傷扣分項目：

1）試驗中座椅靠背最大動態張角大于等于25.5°，試驗成績將被扣2分；

2）頭枕干涉BioRIDII型假人頭部空間將被扣2分；

3）試驗過程中座椅滑軌動態位移滑動量大于20 mm，試驗結果將被扣5分。

鞭打試驗結果最低得分為0分，同時試驗規則規定，試驗過程中不會因罰分而使結果判定為負分。

2 前排座椅揮鞭傷失效分析

2.1 揮鞭傷試驗失分分析

以某項目座椅進行C-NCAP 2021版揮鞭傷摸底試驗為例，如圖2所示。在90 ms時，假人頭部與座椅頭枕接觸，并在165 ms時出現分離情況。經過摸底揮鞭傷成績只有4分，達不到設定分值要求。

圖2 C-NCAP揮鞭傷試驗過程圖

2.2 揮鞭傷試驗運動過程分析

對試驗中假人頭部運動過程進行分析，頭部的反應一般分為3個階段[2]：爬升階段→揮鞭階段→回彈階段。各階段時間分布為：0～90 ms為爬升階段：90～180 ms為揮鞭階段，180～200 ms為回彈階段。

2.2.1 爬升階段分析

試驗爬升階段：車輛行駛中遭受后面車輛撞擊時，車輛會突然加速向前前進，車內乘客由于慣性的作用，身體軀干會沿著座椅靠背向上移動產生爬升階段。頭部在前，軀干向后，頭部則遭受由軀干傳來的軸向力，乘客頭部相對于身體向后移動。揮鞭傷事故發生時到90 ms，假人的運動狀態，如圖3所示。

圖3 爬升階段試驗圖

2.2.2 揮鞭階段分析

頭部揮鞭階段：當頭部隨身體軀干爬升出現后，乘客軀干被座椅靠背向前推擠；頭部由于慣性作用未向前而相對軀干向后仰倒，頭與軀干分別朝相反方向移動，使上下頸部承受相反方向的剪力；頸椎呈現S型變化，在S型變化的后期由于靠背泡沫反彈，推動軀干向前運動，而頭部還未反彈，此時產生C型變化；試驗100～180 ms過程中假人頭部由于慣性產生了揮鞭階段，每20 ms假人姿態，如圖4所示。

圖4 頭枕揮鞭階段運動圖

2.2.3 回彈階段分析

在后碰撞結束時，座椅泡沫由于物理性能出現反彈，出現回彈階段。頭枕積蓄的能量再傳給乘員，迫使乘員頭部加速回彈，發生后碰在回彈階段180 ms以后頭枕使假人頭部向前運動，如圖5所示。在試驗后碰撞的頸部運動過程中，由于碰撞中頭部和胸部之間的運動差異引起相鄰頸椎間的相對運動，從而造成了對頸部的傷害[3]。

圖5 頭枕回彈階段運動圖

揮鞭傷試驗頭部運動過程分析得出造成揮鞭傷失分的原因主要是座椅頭枕設計不合理和頭枕對假人頭部的支撐面不吻合。

3 前排座椅揮鞭傷解決方案

靠背剛度越小和靠背轉動剛度越大，鞭打試驗得分越高，對座椅骨架的靠背剛度比其轉動剛度影響更明顯；頭枕剛度和頭枕轉動剛度越大，則鞭打試驗得分越高，其中，頭枕轉動剛度的影響更明顯；而頭枕越高和頭后間隙越小，則越有利于鞭打試驗得分[4]。

3.1 頭枕高度和頭后間隙優化設計

頭后間隙設計合理，有利于使后碰時乘客頭部與頭枕的接觸時刻提前；座椅的頭枕高度設計越小，有利于支撐整個乘客頭部，降低頸部傷害值，提高鞭打得分[5]。座椅頭枕的高度和頭后間隙圖測試方式，如圖6所示。某項目車型座椅鞭打試驗成績較差，分析原因發現頭枕高度偏大，引發頭枕上頸部上扭力增大而失分。試驗驗證頭后間隙及頭的高低直接影響假人頸部傷害值，影響鞭打得分；通過整改、優化假人與頭枕距離關系，減小頭后間隙及抬高頭枕可以提高鞭打得分[6]。經過項目試驗的驗證經驗，座椅人機布置設計的頭枕高度A為0～30 mm，頭后間隙值B為20～45 mm，如圖7所示。

圖6 頭枕高度和頭后間隙圖

圖7 頭枕高度和頭后間隙設計值

性能好的座椅頭枕高度和假人頭頂基本平齊，頭后間隙也較小，而性能差的座椅頭枕高度剛過假人頭部的中部，頭后間隙也較大，試驗狀態圖，如圖8所示。

圖8 試驗狀態圖

性能好的座椅與頭部接觸時間較長，能給頭部很好的保護[7]，而性能差的座椅由于頭與頭枕的接觸時間推后，導致頭部與頭枕接觸時有更多的能量需要頭枕吸收，這樣增加了對頭部的傷害。

3.2 頭枕剛度提升方案

座椅骨架頭枕部位的剛性，通常采用增加結構和焊接強度的方式，提升座椅頭枕剛度。頭枕剛度的提升可減小座椅頭枕與靠背相對位移變化，減小頸部扭矩傷害值[6]；較大的頭枕接觸剛度和頭枕旋轉鉸剛度能有效降低追尾中對乘員頸部的傷害。

圖9示出某項目車型靠背骨架前期設計圖。該骨架在揮鞭傷摸底試驗中出現低分值。

圖9 靠背骨架前期設計圖

改進方案：在座椅靠背骨架的頭枕管的結構背面增加焊接加強鈑金件（B410LA），左右兩側增加支撐鋼絲（10號鋼，直徑φ7 mm），增加靠背頭枕剛度。靠背骨架優化設計方案，如圖10所示。

圖10 靠背骨架優化設計圖

4 結論

隨著人們對汽車使用安全性的要求越來越高，乘客在汽車的使用中越來越重視汽車本身的被動安全性。好的安全座椅將提升汽車本身的價值，同時也指引汽車座椅開發的方向。試驗驗證表明，頭枕的空間結構優化設計和頭枕部位剛度提升能較好地提升鞭打得分，并且有利于車輛達到C-NACP 2021版5星要求，從而保護好乘客，在事故中減少對乘客頸部的傷害。