汽車(chē)座椅鞭打試驗(yàn)綜述

張楚云

摘要：追尾事故在汽車(chē)交通事故中占有很高比例，通過(guò)鞭打試驗(yàn)對(duì)追尾事故進(jìn)行研究，提升汽車(chē)座椅安全性，降低駕乘人員在追尾事故中受到的傷害。本文通過(guò)介紹汽車(chē)座椅鞭打試驗(yàn)的發(fā)展、試驗(yàn)評(píng)分和試驗(yàn)方法以及鞭打改善的措施，讓讀者知曉汽車(chē)座椅鞭打試驗(yàn)。

Abstract： Rear-end collisions account for a high proportion of automobile traffic accidents. This paper studies the rear-end collisions through whiplash test. In order to improve the safety of car seats and reduce the injuries of drivers and passengers in the rear-end collisions. This paper introduces the development of whiplash test， test score， test method and improvement measures of whiplash test to let readers know about whiplash test of car seats.

關(guān)鍵詞：汽車(chē)座椅;鞭打試驗(yàn);C-NCAP;鞭打提升

Key words： car seats;whiplash test;C-NCAP;whiplash improvement

中圖分類(lèi)號(hào)：U471.21? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）14-0198-02

0? 引言

我國(guó)汽車(chē)行業(yè)伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速提升而飛速發(fā)展，在2020年我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)量2522.5萬(wàn)輛，汽車(chē)銷(xiāo)售量2531.1萬(wàn)輛，汽車(chē)年產(chǎn)銷(xiāo)量連續(xù)12年位居全球汽車(chē)行業(yè)第一。此外，查詢我國(guó)交通管理局最新消息，在2020年我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量已達(dá)3.72億輛，這其中汽車(chē)保有量是2.81億輛。同時(shí)，我國(guó)汽車(chē)駕駛員達(dá)4.18億人，在2020年新領(lǐng)證駕駛員2231萬(wàn)人[1]。

汽車(chē)在給我們提供方便和駕駛快樂(lè)的同時(shí)，出現(xiàn)的交通事故也同樣帶來(lái)了許多傷害。在汽車(chē)交通事故中追尾事故有著較高的發(fā)生概率，雖然追尾事故造成的死亡人數(shù)比例較小，但因其受傷的人數(shù)卻占有很高的比例，并且受傷后很難痊愈[2]。在發(fā)生追尾交通事故時(shí)，被追尾的汽車(chē)會(huì)因較大的加速度而向前移動(dòng)，駕乘人員的軀干此時(shí)會(huì)隨著座椅繼續(xù)向前。因?yàn)閼T性作用的原因，駕乘人員的頭部會(huì)出現(xiàn)滯后，這種軀干和頭部運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)位會(huì)使得駕乘人員頸部遭受非常大的拉伸力，駕乘人員頭部如同“鞭梢”被頸部甩向軀干后方，發(fā)生的這種現(xiàn)象我們稱(chēng)為“揮鞭效應(yīng)”[3]。揮鞭效應(yīng)會(huì)對(duì)頸部造成傷害且不易痊愈，其產(chǎn)生的傷害已成為最嚴(yán)重的交通事故次要傷害之一。

1? 鞭打試驗(yàn)評(píng)分

1.1 鞭打試驗(yàn)發(fā)展

自1979年美國(guó)啟用NCAP評(píng)價(jià)體系開(kāi)始，汽車(chē)消費(fèi)者們逐漸開(kāi)始關(guān)注并去了解汽車(chē)安全性[4]。為了降低“揮鞭傷”對(duì)頸部造成的傷害，中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心于2006年正式發(fā)布了第一版C-NCAP。并且在2012年版本中正式增加了“鞭打試驗(yàn)”。此后，C-NCAP進(jìn)行了多次更新和完善，推出了2015年版和2018年版。目前使用的C-NCAP（2018年版）在2018年7月1日正式實(shí)施。

此外《C-NCAP管理規(guī)則（2021年版）》已經(jīng)在2020年8月25日正式發(fā)布，將在2022年1月1日正式實(shí)施，2021年版首次增加了第二排鞭打試驗(yàn)要求，進(jìn)一步關(guān)注全車(chē)駕乘人員頸部安全。C-NCAP增加“鞭打試驗(yàn)”評(píng)價(jià)項(xiàng)目，促使汽車(chē)企業(yè)關(guān)注駕乘人員在追尾事故中受到的傷害，重視駕乘人員頸部安全，進(jìn)一步改進(jìn)汽車(chē)座椅安全設(shè)計(jì)，提升整車(chē)安全性。

1.2 鞭打試驗(yàn)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

在2021年版中，座椅鞭打試驗(yàn)滿分為5分。評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)通過(guò)安裝在試驗(yàn)假人身上傳感器測(cè)得的鞭打試驗(yàn)傷害指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)假人傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)有以下三組：第一組是傳感器測(cè)量的假人頭部和胸部加速度值計(jì)算出的頸部傷害指數(shù)（NIC），該組滿分為2分;第二組是假人上頸部的載荷（FX+/FZ+）和扭矩（MY），該組滿分1.5分;第三組是假人下頸部的載荷（FX+/FZ+）和扭矩（MY），該組滿分1.5分。鞭打試驗(yàn)評(píng)分同時(shí)設(shè)定三組罰分項(xiàng)：第一組是座椅靠背最大動(dòng)態(tài)張角不滿足要求，扣2分;第二組是頭枕干涉頭部空間不滿足要求，扣2分;第三組是座椅滑軌動(dòng)態(tài)位移不滿足要求，扣5分。鞭打試驗(yàn)最終得分的最低分是0分，無(wú)負(fù)分。在2021版的C-NCAP中新增加第二排座椅鞭打試驗(yàn)，評(píng)分方式與駕駛座評(píng)分一致，最終得分需要乘以0.4，因此第二排鞭打試驗(yàn)滿分為2分。

頸部傷害值（NIC）是根據(jù)試驗(yàn)假人頭部加速度和胸部T1加速度計(jì)算得出，其中高性能限值：8m2/s2;低性能限值：30m2/s2。上頸部載荷包含上頸部剪切力FX+、上頸部拉力FZ+，其中上頸部剪切力Fx+高性能限值：340N;低性能限值：730N;上頸部拉力Fz+高性能限值：475N;低性能限值：1130N;上頸部扭矩MY高性能限值：12N.m;低性能限值：40N.m。下頸部載荷包含下頸部剪切力FX+、下頸部拉力FZ+，其中下頸部剪切力FX+高性能限值：340N;低性能限值：730N;下頸部拉力FZ+高性能限值：257N;低性能限值：1480N;上頸部扭矩MY高性能限值：12N.m;低性能限值：40N.m。鞭打試驗(yàn)評(píng)分基于以上7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的高性能限值和低性能限值，分別得分是滿分和0分。如果這個(gè)7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)值位于高、低性能之間，則需要使用線性插值計(jì)算進(jìn)行得分換算，并且所有的得分均需要保留三位小數(shù)。

座椅靠背動(dòng)態(tài)張角是通過(guò)試驗(yàn)影像進(jìn)行評(píng)價(jià)，在試驗(yàn)過(guò)程中靠背張角最大變化量需要小于25.5°，否則進(jìn)行罰分。頭枕干涉頭部空間是通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)量座椅進(jìn)行評(píng)價(jià)，不允許出現(xiàn)座椅頭枕與HRMD干涉情況，否則進(jìn)行罰分。座椅滑軌動(dòng)態(tài)位移同時(shí)試驗(yàn)影像進(jìn)行評(píng)價(jià)，在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中，要求滑軌位移最大值小于20mm，否則進(jìn)行罰分。

2? 鞭打試驗(yàn)方法

2.1 鞭打試驗(yàn)設(shè)置

根據(jù)2021年版鞭打試驗(yàn)方法，將駕駛員座椅和相關(guān)約束裝置模擬原車(chē)，固定安裝在試驗(yàn)移動(dòng)滑車(chē)上，其中，試驗(yàn)移動(dòng)滑車(chē)以特定的加速度波形進(jìn)行發(fā)射，其速度變化范圍是20.0±1.0km/h，模擬汽車(chē)追尾交通事故。在試驗(yàn)座椅上擺放BioRID Ⅱ型試驗(yàn)假人，通過(guò)假人身上的傳感器測(cè)量其頸部傷害指標(biāo)的數(shù)值大小，用以確定駕乘人員頸部被汽車(chē)座椅頭枕的保護(hù)情況[5]。此外，第二排座椅的鞭打試驗(yàn)方法同前排座椅試驗(yàn)方法，第二排左右側(cè)位置隨機(jī)選取放置BioRID Ⅱ型假人，測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中假人頸部傷害情況，如圖1鞭打試驗(yàn)示意。

2.2 試驗(yàn)座椅狀態(tài)

鞭打試驗(yàn)使用的座椅，是由C-NCAP管理中心從被試驗(yàn)汽車(chē)品牌的汽車(chē)經(jīng)銷(xiāo)商處進(jìn)行采購(gòu)，然后在現(xiàn)場(chǎng)從購(gòu)買(mǎi)的實(shí)車(chē)上拆下。試驗(yàn)座椅到達(dá)實(shí)驗(yàn)室后，需對(duì)試驗(yàn)座椅的外觀、型號(hào)和基本參數(shù)確認(rèn)后，進(jìn)行拍照記錄留存。

對(duì)于前后可以調(diào)節(jié)座椅，試驗(yàn)座椅前后調(diào)節(jié)至中間位置，如果不能調(diào)節(jié)到前后的中間位置，則需要向后調(diào)節(jié)到接近中間位置的鎖止位置。對(duì)于上下可以調(diào)節(jié)座椅，要求座椅調(diào)節(jié)到上下中間位置，如果不能調(diào)節(jié)到上下的中間位置，則需向下調(diào)節(jié)到接近中間位置的鎖止位置。座椅靠背調(diào)節(jié)需到滿足HPM裝置軀干角25±1°的范圍內(nèi)。頭枕高度調(diào)節(jié)至中間位置，如果中間位置無(wú)鎖止位置且向上10mm無(wú)鎖止位置，則需向下調(diào)節(jié)到下一鎖止位置。

2.3 試驗(yàn)滑車(chē)試驗(yàn)波形

《C-NCAP管理規(guī)則（2021年版）》要求加速度波形應(yīng)準(zhǔn)確的控制在0ms至170ms的時(shí)間范圍內(nèi)，以滿足試驗(yàn)要求。其中試驗(yàn)滑車(chē)的速度變化量應(yīng)控制在ΔV=20.0±1.0km/h，試驗(yàn)滑車(chē)波形持續(xù)時(shí)間為ΔT=103±3ms。其中加速度波形的速度2021版與2018版一致，均為20.0±1.0km/h。相比2015版15.65±0.8km/h進(jìn)行了提升，難度提高，這樣的速度能夠覆蓋到追尾事故中70%的傷害概率。表1加速度波形對(duì)比可以看出，最新的鞭打試驗(yàn)，座椅試驗(yàn)的速度提高，持續(xù)的時(shí)間加長(zhǎng)。表明鞭打試驗(yàn)的要求更加嚴(yán)格，試驗(yàn)難度加大，對(duì)汽車(chē)座椅的安全性設(shè)計(jì)提出了更加嚴(yán)格的要求。

3? 鞭打試驗(yàn)改善措施

明確鞭打的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，在保證試驗(yàn)座椅不罰分的情況下，提高鞭打得分即需要改善NIC、上頸部載荷（FX+/FZ+）和扭矩（MY）以及下頸部載荷（FX+/FZ+）和扭矩（MY）這7項(xiàng)傷害指標(biāo)試驗(yàn)分值。改善措施主要有減小鞭打位置假人頭部和頭枕的X向距離，加快頭部的接觸時(shí)間，改善NIC、使頭枕高于假人頭部，改善頸部上拉力、增加假人的穿透性，改善NIC、增加頭枕與靠背的剛度，改善頸部上拉力和NIC值。目前座椅上采用的主動(dòng)式頭枕，就是利用了鞭打試驗(yàn)研究成果，該頭枕可以在發(fā)生追尾事故時(shí)，在軀干與靠背的接觸過(guò)程中，頭枕能夠自動(dòng)向前與駕乘人員頭部接觸，減小頭部和頭枕的X向距離和接觸時(shí)間，達(dá)到保護(hù)頸部的效果。較小的頭后間隙頭枕設(shè)計(jì)，但間隙過(guò)小會(huì)使得駕乘人員有頂頭的不適感，如果兼顧舒適性，一般推薦鞭打位置頭枕間25～35mm。

4? 結(jié)束語(yǔ)

隨著鞭打試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，通過(guò)了解鞭打試驗(yàn)的評(píng)分機(jī)制和試驗(yàn)方法，研究改善鞭打得分的措施，為汽車(chē)座椅的安全性設(shè)計(jì)提供思路，降低因追尾事故對(duì)駕乘人員頸部造成的傷害，使汽車(chē)座椅起到更好的駕乘人員保護(hù)作用，使汽車(chē)更加安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)公安部，政府信息公開(kāi)[EB/OL].https：//app.mps.gov.cn/gdnps/pc/content.jsp？id=7647257. 2021-01-07.

[2]李瑞生.某汽車(chē)座椅鞭打性能的研究與優(yōu)化[D].吉林：吉林大學(xué)，2016.

[3]孫嵐穎.某轎車(chē)座椅鞭打試驗(yàn)性能研究及改進(jìn)[J].汽車(chē)零部件，2013（4）：56-57，70.

[4]C-NCAP管理規(guī)則（2021年版）[S].天津：中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，2021.

[5]黨雪，芒方銳，謝書(shū)港.等.某駕駛員座椅鞭打性能分析及優(yōu)化[J].機(jī)電工程，2015（2）：190-195.