駕駛員碰撞保護效果與座椅前后使用位置關系研究

摘要：為了研究駕駛員碰撞保護效果與座椅前后使用位置關系，在駕駛員駕駛行為調研的基礎上，對駕駛員的非標準位乘員保護進行了碰撞仿真測試研究，并基于國內市場研發目標車輛對女性駕駛員的保護效果進行了碰撞仿真測試研究及試驗驗證。研究表明，男性駕駛員的實際駕駛座椅前后位置，與設計位置的離散程度較高，且在非標準駕駛位上時，車輛對男性駕駛員的保護效果明顯降低；女性駕駛員的實際駕駛座椅前后位置，與設計位置的離散程度也較高，在非標準駕駛位上時，兼顧女性駕駛員保護開發的車輛，女性駕駛員傷害值無明顯降低；經試驗驗證，未兼顧女性駕駛員保護開發的國內市場研發目標車輛中，有造成05分位女性假人個別部位傷害值臨界或超限的風險，即也有造成總體保護效果（總得分）降低的風險。

關鍵詞：非標準位；女性駕駛員；碰撞測試；乘員保護

中圖分類號：U461 收稿日期：2023-10-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.025

1 前言

根據中國公安部交管局數據，2016-2020年的5年間，女司機人數從9 738萬增加到1.48億，增加了5 000多萬，女司機占比從27.23%%增加到32.43%。2020年男女司機比例已接近2∶1，每年女司機以平均1.2%的速度增長，到2025年男女司機比例將低于2∶1比例。

在汽車被動安全研究領域，國外的測試標準如美國FMVSS208[1]、歐盟的Euro NCAP[2]、日本的JNCAP[3]、澳大利亞ANCAP[4]等均存在使用女性作為駕駛員的測試工況。目前國內的被動安全測試標準如國家標準GB、新車評價標準C-NCAP《管理規則》[5]、中國保險汽車安全指數管理辦法C-IASI[6]等，均只有駕駛員為男性的碰撞工況。由于國內標準對于女性駕駛員沒有碰撞測試的相關規定，車輛研發時可能并未兼顧對女性駕駛員的保護研究[7-8]。且現有的關于女性駕駛員的研究主要集中于個別車型基于多剛體動力學模型對約束系統進行優化后兼顧女性駕駛員的保護[9-12]，或者對不同身材的乘員保護研究[13-16]，但對國內市場車輛并沒有普遍的約束力。由于女性與男性身高及體型上的差異，女性駕駛員與男性駕駛員所使用的座椅前后位置會存在差異。

本文將首先對男女性的駕駛行為習慣進行調研，然后針對非標準位駕駛位置時車輛對駕駛員的保護效果進行研究（即男性駕駛員座椅前后使用位置未在座椅前后行程中間位置時車輛對假人的保護效果，女性駕駛員座椅前后使用位置未在05分位女性假人設計位置時車輛對女性駕駛員的保護效果）。同時針對國內市場的汽車產品（研發過程中駕駛員位置使用的是男性假人，未使用女性假人）基于某些真實車輛的仿真模型，對女性駕駛員的保護效果進行研究。

2 駕駛行為調研

2.1 駕駛員身高統計

本次調研共涉及男性駕駛員26名，女性駕駛員17名。統計數據如圖1所示。

圖1中，紅色表示所調研樣本為女性，藍色表示所調研樣本為男性。調研數據顯示，26名男性駕駛員身高范圍從1 650 mm至1 830 mm，平均身高為1 739 mm，女性駕駛員身高范圍從1 500 mm至1 720 mm，平均身高為1 612 mm。

2.2 駕駛員座椅前后使用位置統計分析

2.2.1 座椅前后行程統計

從圖2可以看出，座椅前后總行程分布位于190～280 mm。經計算，72%的座椅前后總行程位于230～269 mm。平均值為239 mm，標準差為17。

2.2.2 座椅前后行程統計

計算駕駛員駕駛位置占座椅前后總行程的比例。將所調研所有樣例身高按照從高到低進行排序，將駕駛員駕駛位置與身高在同一圖中進行顯示，如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著身高的逐漸升高，駕駛位占總行程的比例值總體呈升高趨勢，即使用位置是逐漸后移的過程。

2.2.3 駕駛員座椅前后使用位置與設計位

計算并對比男性及女性駕駛位占總行程比例，結果如圖4所示。圖4中橫坐標為樣本，縱坐標為該樣本駕駛員使用位置占總行程的比例。本圖是將駕駛員座椅前后使用位置比例數據按照從小到大的順序排列。紅色表示為女性駕駛員，藍色表示為男性駕駛員，黑色參考線為標準座椅前后行程50%設計位置。

從圖4可以看出，跟座椅前后使用中間位置相比，大部分駕駛員的座椅前后使用位置位于50%的中間設計位置之前。男性駕駛員的實際使用位置占總行程的比例范圍為18%～83%，經計算，平均值為45.5%，標準差為15.6%，說明所統計男性駕駛員使用位置雖然平均值位于中間位置附近，但整體樣品的離散程度比較大。女性駕駛員占總行程的比例范圍為3%～61%，經計算，平均值為24.3%，標準差為15.9%，說明雖然女性駕駛員的實際使用位置與設計位置相近，但實際使用位置離散程度也比較大。綜上，男性及女性駕駛員的實際使用位置與設計位置均相近，但實際使用位置離散程度較大。因此，有必要針對男女駕駛員實際使用位置與設計位置離散程度較高的情況，對非標準位的駕駛員保護情況進行研究。

3 非標準位駕駛員保護仿真測試

標準位置是指車輛研發及測試時駕駛員座椅的標準設計位置。例如，在國內外的碰撞測試中，50分位男性假人駕駛員的測試標準位置為駕駛員座椅縱向方向的中間位置。在國外女性駕駛員的碰撞測試中，其測試標準位置為05分位女性假人的設計位置，若05分位女性假人的設計位置在座椅前后行程的25%之后，那么將座椅在縱向方向調整至座椅前后行程的最前進行測試。

由2.2.3節可知，男性駕駛員及女性駕駛員的實際使用位置與設計位置均存在較大區別，在此將驗證當假人偏離設計駕駛位時，即非標準設計位時，車輛對駕駛員的保護效果的影響。

3.1 男性非標準位駕駛員保護仿真測試

根據2.2.3節中得到的結論，根據座椅前后總行程平均值計算得出，男性駕駛員可能的使用范圍位于中間位置向前50 mm至向后28 mm。選用某一款車型，在50分位設計位置（座椅前后行程中間位置）、座椅前后行程中間位置向前50 mm及向后50 mm三個使用位置進行仿真測試。將前后50mm時的碰撞仿真測試的假人傷害結果與50分位設計位時的假人傷害值進行對比分析。

統計座椅位置向前變化50 mm，和向后移動50 mm時假人各部位傷害值。由于數據原因，本次選取了對各部位傷害指標影響較大的幾個數據項的峰值，如表1所示。

將前后移動50 mm的傷害值與在設計位置的傷害值進行對比，由于以上所選取的各部位傷害值數據并不能直接顯示假人的受傷情況，我們進行傷害值變化率的計算，假人各部位傷害值的變化率如表2所示。

正值表示傷害值變大，負值表示傷害值變小。通過對比可知，當50分位假人向前移動50 mm時，頸部彎矩My的傷害值變差，且變化率超過了30%。若在設計位置時頸部My的傷害值處于標準要求的臨界狀態，當駕駛者實際使用位置比設計位置靠前時，駕駛者頸部傷害值有超過標準限值的可能性。當50分位假人向后移動50 mm時，頭部合成加速度的值變差，變化率為20%。若在設計位置時頭部傷害值處于標準要求的臨界狀態，當駕駛者實際使用位置比設計位置靠后時，駕駛者頭部傷害值有超過標準限值的可能性。

由2.2.3節的結論可知，男性駕駛員實際使用位置與設計位置相比離散程度較高，表示實際使用位置偏離設計位置的可能性較高。由此可知，同一款車型，由于使用位置的離散程度較高會對50分位男性駕駛員的保護造成不利影響，那么在進行駕駛員保護開發時應不僅考慮設計位置的乘員保護，還應同時考慮偏離設計位置的駕駛位置的乘員保護。例如同時考慮其設計最前使用位置及設計最后使用位置的乘員保護，從而達到座椅前后全行程的乘員保護設計。

3.2 女性非標準駕駛員保護仿真測試

由于E-NCAP全寬正碰測試標準中，女性駕駛員的測試位置為05分位女性駕駛員的設計位置，該位置需位于座椅前后行程的前25%之內，否則假人應位于座椅前后行程的最前位置進行測試。由2.2.3節調研可知，由于女性駕駛員的實際使用位置離散程度較高，根據座椅前后總行程平均值計算得出，女性駕駛員可能使用位置位于25%設計位置向前42 mm，向后36 mm。現對05分位女性假人在05分位女性假人設計位置及向前50 mm及向后50 mm三個使用位置進行仿真測試，這可基本上覆蓋女性常用的座椅前后使用范圍。在向前移動50 mm的過程中，若女性假人無法達到座椅前后行程的最前位置，則在女性假人能夠達到的最前位置進行測試。

由于國內無05分位女性駕駛員的測試工況，選用一款Euro NCAP車型，以Euro NCAP 50FRB作為05分位女性假人仿真模型的基礎。通過調節座椅前后位置，對比假人傷害的差異。

統計標準駕駛位置、座椅前后位置向前變化50 mm（或假人最前使用位置）和向后移動50 mm時假人各部位傷害值，如表3所示。

計算假人各部位傷害值變化率，如表4所示。

對該三個位置時的假人傷害值進行對比，發現對于05分位女性假人在其設計位置進行前后50 mm移動時，假人傷害值大部分呈現變小的趨勢。由此可知，同一款車型，由于使用位置的離散程度較高不會對05分位女性駕駛員的保護造成不利影響。兼顧女性駕駛員保護開發的車輛在女性駕駛員偏離其設計駕駛位置前后50 mm時，保護效果不會減弱。

但05分位假人的設計位置的傷害值比前后移動50 mm之后傷害值要差，該現象是否為該車型為兼顧50分位男性假人傷害值設計而使05分位女性假人的乘員保護效果進行了妥協，需要引起企業在車輛研發過程的思考。

4 國內目標車輛對女性駕駛員保護效果研究

在車輛開發過程中，由于國內沒有針對女性駕駛員的碰撞測試標準，以國內市場為研發目標的車輛在開發過程中僅會考慮駕駛員為男性時的保護效果。在此對未兼顧女性駕駛員保護開發的車輛對女性駕駛員的保護效果進行研究，主要通過假人總體評分對比和局部假人傷害值超限風險分析進行研究。

本次選擇了5輛車。車輛進行50分位男性假人的碰撞仿真測試時，50分位假人的傷害值以C-NCAP管理規則中100%剛性壁障正面碰撞中50假人的傷害值限值進行評價。車輛對05分位女性假人進行碰撞仿真測試時，05分位假人的假人傷害值以Euro CNAP中100%剛性壁障正面碰撞中女性駕駛員的傷害值限值進行評價。

4.1 假人總體得分評價

通過仿真測試，5款車型的假人得分如圖5所示。

05分位按照Euro NCAP中05分位女性假人進行評分，50分位按照C-NCAP 《管理規則》中50分位男性假人進行評分。

50分位男性假人及05分位女性假人作為駕駛員的總分均為16分。由圖5可知，除車輛2假人得分降低0.1外，其余4個車型05分位女性假人得分比50分位男性假人的得分均有所升高。那么可以得出結論，國標車雖然僅針對50分位男性假人設計，但對05分位女性假人的總體評分效果變化不大，甚至保護效果更好。

4.2 假人某部位傷害值超限風險評價

下面將研究假人各部位傷害值的變化率，從而判斷將駕駛員切換為女性駕駛員時其傷害值有無超限的可能性。

4.2.1 傷害值變化率統計

由于50分位男性假人和05分位女性假人的傷害值限值要求不同，本次對比項為假人傷害值占限值的比例。由于05分位女性假人的傷害值不包括小腿的傷害值，本次對比不進行小腿傷害值的對比。5輛車假人各部位的傷害值占限值的比例如表5所示。

從表5中可以看出：第1輛車頸部My傷害值占比從43%上升到了74%；第4輛車頭部HIC15傷害值占比從28%上升到66%；第5輛車頸部彎矩傷害值占比從33%上升到了74%。

計算05分位女性假人各部位傷害值比例與50分位男性假人各部位傷害值比例的差值，結果見表6所示。

表6中，正值表示05分位女性假人的傷害值相對于50分位男性假人的傷害值變大，即保護效果變差，負值表示05分位女性假人的傷害值相對于50分位男性假人的傷害值變小，即保護效果變好。正值數據代表車輛對05假人的保護超限風險的大小。

從表6可以看出：頭部傷害值HIC15變化量最大的是車輛4，變化率為37.83%；頭部Head3msMax（G）變化量最大的是車輛4，變化率為26.46%；頸部NeckFx+變化率最大的也是車輛4，變化率為22.31%；頸部NeckFz+變化率最大的是車輛5，變化率為20.72%；頸部傷害值NeckMycor-變化率最大的是車輛5，變化率為40.73%。由此可知，各部位變化率較大的部位都出現在車輛4和車輛5中。

4.2.2 影響傷害值變化率的因素分析

將表6中的數據按照車輛進行統計，統計如圖6所示。

圖6中，HIC15表示頭部 HIC15傷害值，Head3msMax（G）表示頭部累積 3ms 合成加速度值，NeckFx+表示頸部剪切力Fx，NeckFz+表示頸部張力，NeckMyCor-表示頸部伸張彎矩，ChestDef表示胸部壓縮變形量，ChestVC表示胸部粘性指數，FemLeFz-表示大腿壓縮力（左腿），FemRiFz-表示大腿壓縮力（右腿）。

由圖6正值部分可知，車輛1、車輛4和車輛5傷害值變差的假人部位較多，且變差的程度較大。統計各車輛假人傷害值變差程度的峰值，并將其按照從大到小的順序進行排列，與車輛信息放置于統一表中，如表7所示。

觀察表7，在假人傷害值變差率峰值按照從大到小的順序排列的前提下，國標開發目標車輛5數值最大，另外4輛C-NCAP五星車為開發目標的車輛傷害值變差率均小于開發目標為GB的車輛5，可以認為開發目標為國標GB的車型對05分位女性假人的保護效果差于C-NCAP為開發目標的車型。但其與C-NCAP開發目標車輛4區別不大，即車輛的開發目標對女性駕駛員某部位超限的風險程度稍有影響，但影響不大。車輛分類中轎車、SUV或A級B級的劃分并未出現明顯的排序規律，能源類型的燃油車及純電車的排序也無明顯的規律。可以認為車輛的分類及車輛的能源類型對女性駕駛員某部位超限的風險程度無直接影響。

綜上，車輛的開發目標是C-NCAP還是GB會對05分位女性假人的傷害值變化率產生影響，影響程度不確定。車輛級別和車輛能源類型對05分位女性假人的傷害值變化率無規律影響。

由于車輛5變差數值最大，選取國標車輛5作為試驗驗證的對象。由于車輛5的樣件問題，驗證階段選用類似的國標開發車型作為驗證車輛。

5 試驗驗證

選擇一款開發目標為GB的車型，該車型僅考慮了50分位男性假人的研發測試，未考慮05分位女性假人作為駕駛員的研發測試。在座椅前后行程的中間位置進行50分位男性假人的碰撞測試。在女性駕駛員的設計位置進行女性駕駛員的正面碰撞的研發測試。50分位男性假人測試依據的標準為《C-NCAP 管理規則》（2021年版）中的正面100%重疊剛性壁障碰撞。05分位女性假人測試依據的標準為Euro NCAP 中的Full width frontal impact testing protocol（正面100%重疊剛性壁障碰撞）。

5.1 局部超限可能性分析

通過測試，得到假人傷害值占限值的比例數據如圖7所示（因女性假人無小腿傷害值，此次分析不考慮假人小腿傷害）。

由圖7可知：05分位女性假人各部位傷害值占限值的比例相對于50分位男性假人各部位傷害值占限值的比例大部分都是升高的趨勢，且頭部Head3msMax（G）占據了限值的93.34%，已處于臨界狀態；大腿力壓縮力FemRiFz-占限值的比例更是從17.21%上升至占限值比例的83%，上升了65.79%。分析可知，該GB車型05分位女性假人的大部分部位傷害值占限值的比例相對于50分位男性假人有較為明顯的上升。由此可知，該車型有造成05女性假人傷害值某部位臨界或超限的風險。

5.2 總體保護效果變化分析

統計50分位男性假人及05分位女性假人各部位得分，并計算各部位得分占各部位總分的比例及總得分占該假人總分的比例。如表8、表9所示。

以曲線圖展示，如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可知，該車型對05分位女性假人的整體保護效果明顯低于對50分位男性假人的保護效果。

綜上，該國標車型對05分位女性假人的保護有局部傷害值超限的風險，且整體保護效果下降明顯。

6 結語

隨著身高的逐漸升高，假人使用座椅前后位置有一個逐漸后移的過程。

男性及女性駕駛員實際使用位置離散程度都較高，且使用位置的離散程度較高會對50分位男性駕駛員的保護造成不利影響。對于兼顧女性駕駛員保護開發的車輛，使用位置的離散程度較高不會對5分位女性駕駛員的保護造成不利影響。

車輛的開發目標為GB或C-NCAP時，僅考慮了50分位男性假人乘員保護，有造成05女性假人傷害值某部位臨界或超限的風險。

車輛的開發目標為GB時對5分位女性假人的保護效果比開發目標為C-NCAP時對女性假人的保護效果更差。

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作者簡介：

丁冉冉，女，1988年，工程師，研究方向為汽車被動安全測試技術。