某車型后排座椅鞭打性能研究與優化

崖文瀚，陳月亮，段大祿，黎謙，凡沙沙

1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007；2.湖南湖大艾盛汽車技術開發有限公司柳州分公司，廣西柳州 545007

0 引言

隨著我國汽車行業的高速發展，汽車消費者對汽車安全越來越關注，追尾作為最常見交通事故，對乘員頸部的傷害不僅具有頑固性、持久性特點，甚至還很難治愈，因此提升座椅在追尾事故中對乘員的保護性能十分必要。

追尾事故中，前車駕乘人員的軀干加速向前運動，但頭部因慣性作用會相對滯后，導致前車駕乘人員頭部向后轉動而造成頸部受傷，這類受傷稱為“揮鞭傷”（whiplash Injury）。為降低揮鞭傷風險，2012年C-NCAP開始引入主駕鞭打試驗，2021年C-NCAP增加后排鞭打試驗。現階段對主駕鞭打的研究較多[1-2]，也較為成熟，但對后排座椅鞭打性能研究較少。C-NCAP 2021版規程公布的12款車型中，只有5款車型的后排鞭打試驗得分超過1.5分（滿分2分），得分情況非常不理想，如圖1所示。

圖1 C-NCAP 2021版后排鞭打得分情況

本文根據前排鞭打的經驗，結合某車型后排座椅的結構特性和鞭打試驗結果，提出后排座椅優化方案并進行試驗驗證，為提升后排座椅鞭打性能提供參考。

1 后排鞭打試驗評估方法

根據C-NCAP 2021版試驗程序[3]，將座椅及約束系統參照原車結構固定安裝在移動滑車上。隨機選擇試驗車輛第二排座椅的左側或右側位置放置BioRID II 型假人，滑車速度以變化量為（20.0±1.0）km/h的特定加速度波形發射，用以評估假人頸部受到的傷害情況。某車型后排鞭打試驗如圖2所示。

圖2 某車型后排鞭打試驗

后排鞭打試驗在C-NCAP 2021版規程中分值為2分，依據假人內部傳感器數據進行評估。主要數據包括頸部傷害指數NIC、上頸部剪切力Fx+、上頸部拉力Fz+、上頸部扭矩My、下頸部剪切力Fx+、下頸部拉力Fz+、下頸部扭矩My，其中上頸部和下頸部取3項得分中最低值作為該組得分，具體評分見表1。

表1 C-NCAP 2021版后排鞭打試驗評分

2 BioRID II假人頸部損傷機理及影響因素

假人頸部損傷機理：碰撞中頭部和胸部之間的運動差異導致相鄰頸椎間的相對運動[4]。發生追尾時，車輛忽然向前加速運動，乘員軀干會被座椅靠背向前推動，但頭部由于慣性并未向前運動，而是相對軀干向后仰，此時頭部和軀干向相反的方向運動，導致頭部和軀干間的相對加速度增大，上下頸部的Fz、My增大。

總體來說，追尾可分為初始階段（碰撞前）、收縮階段（頭部后移）、拉伸階段（頭部后仰）、反彈階段（頭部回彈）4個階段，鞭打傷害主要發生在拉伸階段，如圖3所示。

圖3 追尾的4個階段

鞭打試驗中，BioRID II假人評估采集的是頭部加速度、胸部第1胸椎處（T1）加速度、上頸部Fx/Fz/My、下頸部Fx/Fz/My，其結構和傳感器布置位置如圖4所示。

圖4 BioRID II假人頭頸結構和傳感器布置位置

3 某車型后排座椅試驗

3.1 某車型后排座椅試驗得分

某車型后排座椅按C-NCAP2021版規程進行后排鞭打試驗測試，試驗得分為0.916分（總分2分），試驗結果見表2。

表2 某車型后排座椅鞭打試驗結果

從試驗結果看出，后排鞭打主要失分項為NIC、上頸部載荷Fz+和下頸部載荷Fz+，故針對這3項進行分析。

3.2 試驗問題及原因分析

3.2.1 頸部傷害指數NIC分析

NIC的考察內容為頭部與T1的相對加速度和相對速度，計算公式為：

式中，T-HRC（end）為頭部與頭枕分離時刻的相對加速度。

式中，AxT（t）為T1加速度，AxHead（t）為頭部加速度。相對速度：

由上述公式可知，NIC主要由同一時刻的T1加速度和頭部加速度的差值產生，差值越大，NIC越大，反之越小。

試驗NIC曲線、頭部加速度曲線、T1加速度曲線如圖5所示。40 ms時，T1開始上升，73 ms時，頭部加速度開始上升，75 ms時，NIC出現峰值，此時T1加速度與頭部加速度的差值最大，因此降低NIC的方法有：①降低T1前期加速度；②頭部加速度更早響應；③增大頭部前期加速度。

圖5 NIC、T1及頭部加速度曲線

（1）降低T1前期加速度。T1加速度傳感器位于頸部與胸部連接處，T1和靠背的相對位置試驗時主要受到靠背上部的作用力，如圖6所示。可通過減弱座椅靠背上部強度來降低T1加速度。

圖6 T1和靠背的相對位置

（2）頭部加速度更早響應。頭部加速度響應快慢是由頭部接觸頭枕時刻決定的，通過縮短頭部到頭枕的距離可加快頭部加速度響應。

（3）增大頭部加速度。頭部加速度傳感器位于頸部上端處，試驗時主要受慣性力、頭枕對其的作用力及頸部對其的作用力，如圖7所示。

圖7 假人頭部受力情況

圖中，FHX為頭枕對頭的作用力，FNX為上頸部對頭的作用力，Mhead為假人頭部質量（4.54 kg），Ahead為頭部加速度。由牛頓第二定律：

頭部加速度由頭枕和上頸部對頭的作用力產生，本次試驗頭枕對頭的作用力曲線（FHX）、上頸部對頭的作用力曲線（FNX）如圖8所示。影響頭部加速度的因素主要是頭枕對頭部的作用力，因此可通過增大頭枕剛度提升頭部加速度。

圖8 假人頭部受力曲線

3.2.2 上頸部載荷Fz+分析

上頸部載荷傳感器位置及受力分析如圖9所示，Fz為上頸部載荷，Fh為頭枕對頭部的支撐合力，Fhx為頭枕對頭部的X向支撐力，Fhz為頭枕對頭部的Z向支撐力，Fin為頭部慣性力，Finx為X向頭部慣性力，Finz為Z向頭部慣性力。由圖9可知

圖9 上頸部載荷傳感器位置及受力分析

因此通過減小Fhz和Finz來實現對Fzd的調整。

（1）減小Finz。本次試驗頭枕高度55 mm（頭比頭枕高），頭枕不能有效約束頭部，頭部在慣性力的作用下向后方向滑動，因此可通過抬高頭枕高度來減小Finz。

（2）減小Fhz。頭枕對頭部的支撐力垂直于接觸面，在上頸部局部坐標系下分解，Fhz向上，則該支撐力對上頸部Fz為正向作用，Fh的方向由接觸面的法向決定，當接觸面向豎直面旋轉，則向上分力Fhz變小。因此，可通過向豎直面調整頭枕角度，達到降低上頸部Fz+的目的。

3.2.3 下頸部載荷Fz+分析

針對下頸部載荷偏高問題的研究表明，頭部往上運動的距離超出了頭枕高度，導致頸部向后彎曲過大[5]，如圖10所示。

圖10 下頸部傳感器位置及變形

4 改進方案

根據上述分析，座椅鞭打試驗是一個復雜的受力過程，其得分與座椅的眾多結構及參數有關，提升鞭打性能，需要對座椅進行多方面改進。綜合考慮座椅舒適性、成本、工藝及制造等相關因素，確定4項具體的優化方案：

（1）將卷收器下移150 mm，本次試驗后排座椅骨架如圖11所示，卷收器位于靠背上部，通過將卷收器下移150 mm、減小靠背上部剛度來降低T1加速度。

圖11 某后排座椅骨架

（2）將頭枕桿的厚度由1.6 mm改為1.8 mm。

（3）頭后間隙由49 mm改為10 mm，縮短頭部到頭枕的距離，使頭部更早與頭枕接觸，從而減小T1加速度和頭部加速度差，如圖12所示。

圖12 頭枕及頭枕桿優化

（4）將頭枕高度抬高50 mm，同時將頭枕向豎直方向旋轉10°，提高頭枕對頭部的支撐，阻止頭枕后仰，減小頸部向后彎曲，從而減小上下頸部載荷，如圖12所示。

5 試驗驗證

對某車型座椅按上述方案進行改進，優化前后BioRID II 假人損傷值及得分明細見表3。

表3 某車型后排座椅優化前后得分統計

由表3可知，座椅改進后NIC值由20.30 m2/s2減小到8.50 m2/s2，得分由0.352分提升到0.780分；上頸部載荷Fz+由930.60 N減小到589.00 N，得分由0.184分提升到0.496分；下頸部載荷Fz+由617.40 N減小到395.00 N，得分由0.380提升到0.532。鞭打最終得分由0.910分提升為1.808分，鞭打得分顯著提升，達到了整改目的。

6 結語

本文針對某車型后排座椅C-NCAP 2021版鞭打試驗得分較低的問題，對假人運動機理和整個碰撞過程進行受力分析研究，通過下移卷收器位置、增加頭枕桿厚度、減小頭枕到頭后間隙、抬升頭枕高度、調整頭枕角度，使鞭打試驗得分顯著提高，有效保護乘員在車輛追尾事故中的頸部損傷，為C-NCAP（2021）版后排鞭打性能研究和產品開發提供參考。