碰撞工況下零重力姿態Hybrid Ⅲ 50 th型假人損傷及約束系統分析

關鍵詞：零重力座椅；約束系統；模擬碰撞

0 前言

美國航空航天局（NASA）最早提出零重力姿態概念，它描述的是宇航員在零重力環境下展現出的一種特定身體姿勢。將零重力概念引入汽車行業最早是在2006 年，日產汽車公司公布一款配置兩段式靠背來近似維持乘員身體處于零重力姿態的座椅。2022 年第一款搭載零重力座椅的國產車問界M7 問世，該座椅靠背可向后調節53°，傾角調節靠背和角度可調節腿托相互配合，使二排右側乘員呈現近乎躺臥的乘坐姿態。此外，還有起亞嘉華、現代庫斯途、智已LS7 等國內外量產車型在副駕或者二排裝車使用了零重力座椅［1-2］。盡管該類型座椅目前定義為停車狀態使用，但越來越多的汽車為了乘員的舒適性裝配零重力座椅，因此必須考慮該類型座椅在行車過程中使用的安全性能。

1 試驗方法

本文以加速型模擬碰撞臺車為依托，搭建二排零重力座椅負載Hybrid Ⅲ 50 th 型假人在正面碰撞工況下的模擬碰撞試驗，根據采集到的假人傷害數據分析研究不同座椅靠背角度和不同安全帶約束系統對Hybrid Ⅲ 50 th 型假人的保護效果。試驗使用的臺車模擬碰撞加速度波形來自于某款國產新能源汽車，按照中國新車評價規程（C-NCAP）進行正面100% 重疊剛性壁障碰撞工況試驗，車輛左B柱底部粘貼加速度傳感器以采集碰撞加速度波形，將該波形稍作處理后輸入到臺車系統，經過臺車的幾次迭代，能夠很好地復現出整車碰撞的加速度曲線。

從座椅靠背角度和約束系統2 個方面來考察Hybrid Ⅲ 50 th 假人所受的傷害情況。普通座椅正常坐姿時座椅靠背調節至25°左右，目前市場搭載的零重力座椅靠背可調節至55°左右，因此決定在靠背角度為25°、35°、40°、45°、50°、55°時分別使用三點式和四點式安全帶進行模擬碰撞試驗。

評價假人傷害的指標可參照C-NCAP 中正面剛性壁障碰撞工況［3］，主要有：頭部合成加速度3 ms 過載量（Rcum.3ms）、頭部傷害指數（HIC15）、頸部y向彎矩（My）、胸部壓縮量、骨盆合成加速度、膝蓋滑動位移和大腿力。

2 配備三點式安全帶的假人傷害情況

2. 1 肩部受力

不同座椅靠背角度試驗下肩帶力峰值和峰值出現的時刻（以下簡稱“出峰時刻”）見表1。

結合表1 和高速攝像觀察假人運動姿態分析不難發現，當假人坐姿逐漸后躺時，發生碰撞時假人肩部受到安全帶約束作用的趨勢雖然一致，但是作用的時間逐漸滯后，導致安全帶對假人肩部作用力的出峰時刻從25°姿態時的89 ms 變成96 ms，相應的肩帶力峰值由5.13 kN 變成4.35 kN。

2. 2 頭部傷害

不同座椅靠背角度試驗下頭部合成加速度如圖1所示，其中g 為重力加速度。當假人坐姿為25°、35°、40°時頭部合成加速度經CFC 1000 濾波器濾波后只有1 個峰值，而45°、50°、55°時曲線出現2 個峰值的原因是在碰撞瞬間假人的身體受到安全帶預緊作用被約束，假人頭部由于慣性相對于軀干仍然是向前的運動狀態，此時頭部加速度合成曲線出現第1 個峰值，反彈過程中假人頭部撞到頭枕產生第2 個峰值。

由于45°～55°的試驗假人頭部存在二次碰撞，此時采集到的Rcum.3ms 均超過極限值（80g），HIC15 也均超過了極限值（700），因此從C-NCAP 角度來講，乘員在座椅靠背呈45°乘坐時發生碰撞對乘員身體傷害是巨大的。

2. 3 頸部傷害

使用頸部彎矩My 來表征假人頸部受到損傷的程度，25°坐姿試驗得到的My為44.44 N·m，55°坐姿試驗得到的My 為30.12 N·m。根據C-NCAP 進行評判，25°姿勢假人頸部傷害大于36 N·m，不處于高性能范圍；55°姿勢假人頸部傷害小于36 N·m，處于高性能范圍內。隨著假人乘坐角度增大，假人頸部傷害總體上處于逐漸減小的趨勢。

2. 4 胸部損傷

25°～55°試驗的胸部壓縮變形量的曲線趨勢基本一致，即先經歷壓縮峰值，再逐漸回彈。25°～55°得到的假人胸部壓縮量均不處于C-NCAP 的高性能狀態區間，這是因為此碰撞工況只有安全帶對假人進行約束，沒有安全氣囊對假人上肢的保護。

2. 5 骨盆合成加速度

骨盆合成加速度在本項目的試驗中可以配合高速攝像視頻作為假人運動姿態的分析依據，由骨盆x、y、z 向加速度合成。從試驗結果可知25°時骨盆合成加速度在85 ms 時達到峰值（44.2g），55° 時在91 ms 時達到峰值（41.6g）。安全帶的腰帶預緊力在正常坐姿時對骨盆作用部位比較正，骨盆受到腰帶預緊約束力更大，而大角度坐姿時假人在碰撞瞬間由于腰帶預緊力實際作用部位和設計位置存在偏移，假人臀部在坐墊上先向前滑移，再被預緊力約束。因此從峰值和總體趨勢上看正常坐姿比大角度坐姿的骨盆傷害要大，出峰時刻也稍微提前。

2. 6 大腿部位損傷

大腿部位評價指標包含膝蓋滑動位移和大腿壓縮力。2021 版50 km/h 剛性壁正面碰撞（FRB）工況評判膝蓋滑動位移的高性能指標和低性能指標分別是6 mm 和15 mm。表2 是不同座椅靠背角度試驗下假人左右膝蓋滑動位移量的試驗數據。

由表2 可知，25°～55°假人膝蓋滑動位移量都低于6 mm，均處于高性能指標范圍。55°時假人膝蓋滑動位移量整體上比正常坐姿25°時小一些，究其原因是正常坐姿碰撞時假人雙腳被腳踏板支撐住，假人小腿受到支撐與膝蓋出現相對運動，而大角度姿態下發生碰撞時假人小腿被腿托支撐，雙腳懸空，腿部與膝蓋相對滑移量較小。

不同座椅靠背角度試驗得到的大腿力出峰時刻比較接近，55°時左右大腿力傷害比25°偏高一些。

綜上，在乘坐配備三點式安全帶的零重力座椅的汽車時，當汽車處于行駛狀態時，座椅靠背不建議調節至40°以上，否則發生正面碰撞時可能會對乘客身體造成嚴重的傷害。

3 配備四點式安全帶的假人傷害情況

為假人配備四點式安全帶，在處于25°正常姿態和55°零重力姿態時分別進行傷害采集，結果見表3。

通過高速攝像觀察到零重力姿勢發生碰撞時在三點式安全帶的約束下，假人向前滑移被安全帶割脖子，導致對假人的鎖骨和脊椎造成更大傷害。這說明傳統的三點式安全帶約束系統對零重力座椅乘員的保護具有很大的局限性。通過高速攝像可知，使用四點式安全帶進行零重力坐姿試驗時，假人的滑移量明顯比三點式安全帶少很多。由于測試使用的四點式安全帶不配備預緊功能，因此在使用該款四點式安全帶約束假人時盡量減少了一些假人向前移動的空間，在25°和55°時采集到的假人各部位傷害同比三點式安全的要差一些。但可以看出在使用該款四點式安全帶的前提下，2 種坐姿假人各部位傷害對比趨勢與三點式安全帶測得的對比趨勢接近。

4 結論

本文試驗依托伺服液壓加速型模擬碰撞臺車搭載Hybrid Ⅲ 50 th 型假人模擬零重力座椅在發生正面碰撞時對乘員造成的傷害。試驗主要從不同座椅靠背角度和不同約束系統2 個因素對假人傷害的影響進行開展。通過本文研究可得到如下結論：

（1） 使用三點式安全帶進行25°～55°試驗得到的假人各部位傷害中，正常乘坐姿態（25°）時的頭部和大腿傷害低，而零重力乘坐姿態（55°）時頸部、胸部、膝部及骨盆損傷較小。

（2） 鑒于目前零重力座椅仍然配置的是傳統的三點式安全帶，不建議乘員在行車狀態下將零重力座椅靠背角度調節至40°以上。

（3） 傳統三點式安全帶對零重力座椅乘客的保護效果有限，使用四點式安全帶可以在一定程度上消除在碰撞時乘員向前的滑移。但是，本文使用的四點式安全帶效果有限，后續有條件可使用配備預緊器的四點式安全帶乃至六點式安全帶繼續研究其對乘員的保護效果，更新迭代零重力座椅的約束系統，讓乘客在獲得零重力座椅的舒適體驗的同時受到更全面的保護。