基于鞭打性能的座椅靠背型面優化方法

摘要：為降低追尾時的揮鞭傷危害，提出一種座椅靠背型面優化方法，論述該方法對頭后間隙的影響機制。基于該方法對某款座椅的鞭打性能進行優化，根據CNCAP規程進行試驗驗證。結果表明：該方法對座椅造型的影響程度較小，優化目標與試驗結果吻合較好，假人頸部傷害值降低16.6%，上頸部載荷與下頸部載荷顯著降低。

關鍵詞：汽車安全；頸部損傷；鞭打試驗；汽車座椅

中圖分類號：TH162文獻標志碼：B文章編號：1671-5276（2024）06-0155-05

Abstract：To reduce the damage of whiplash injury in low speed rear-end collision， an optimization method of seat back modeling surface is proposed and its influencing mechanism on headback clearance is discussed. Based on the method， the whiplash performance of a certain seat is optimized and verified through experiments according to CNCAP procedure. The results show that the proposed method has less influence on seat modeling， the optimization objective is in good agreement with the experiment results， and the injury value of dummy neck decreases by 16.6%，a significant reduction for both upper neck load and lower neck load.

Keywords：vehicle safety；neck injury；whiplash test；vehicle seat

0引言

在汽車交通事故中，追尾事故約占30%［1-2］，其中乘員頸部受到傷害的幾率可達70%以上［3］。追尾事故中，乘員頭部的運動相對于軀干存在滯后性，頸部先受到拉伸然后加速甩向前方，由此產生的頸部傷害稱為揮鞭傷［4-6］。揮鞭傷表現為頸椎骨骼損傷及頸部軟組織挫傷，并發癥多、潛伏期長，可能對乘員造成永久傷害。為降低揮鞭傷的危害，CNACP將低速后碰撞頸部保護試驗（簡稱鞭打試驗）作為汽車安全的重要評價項目。

汽車座椅結構對揮鞭傷具有顯著影響。鄭祖丹等［7］采用正交試驗方法研究了頭后間隙、頭枕高度、泡沫剛度及調角器剛度對揮鞭傷的靈敏度，結果表明頭后間隙對頸部損傷影響較大。商恩義等［8］提出一種低速追尾頭部受力分析方法，并結合鞭打試驗對座椅結構進行了優化。陳長亮等［9］采用CAE方法對某款電動座椅鞭打性能進行了分析，表明靠背剛度、靠背轉動剛度、頭枕剛度、頭枕轉動剛度、頭枕位置等均對揮鞭傷產生顯著影響。張紹偉等［10］結合CAE及深度學習長短期記憶網絡，構建了一種基于座椅結構特性的揮鞭傷預測神經網絡架構。

正確合理的座椅設計是降低揮鞭傷危害的有效途徑。由于座椅為軟硬材料耦合的復雜系統，且結構同時影響舒適性、靜態強度、動態強度等指標，在設計階段提高座椅的鞭打性能仍是一個難點。本文提出一種座椅靠背型面優化方法改善座椅頭后間隙，并采用CNCAP鞭打試驗進行驗證，為提高座椅鞭打性能提供一種有效的途徑。

1CNCAP鞭打試驗

1.1試驗程序

CNCAP試驗規則［11］中，鞭打試驗分為靜態測量與動態碰撞兩部分。靜態測量中，將座椅調節至規定的位置，采用SAE J826假人和ICBC HRMD頭模測量座椅的H點及頭后間隙，假人軀干角規定為25°。動態碰撞中，將座椅固定在滑車上，安裝BioRID Ⅱ假人，以一定的加速度波形發射滑車，通過BioRID Ⅱ假人上的傳感器采集人體受力情況。其中，BioRID Ⅱ假人的H點及頭后間隙與靜態測量結果的換算關系如下：BioRID Ⅱ假人H點x向前移20mm，允許±5mm的偏差；頭后間隙增加15mm，允許±2mm的偏差；軀干角規定為26.5°。

1.2評價規則

前排座椅鞭打試驗評分標準如表1所示，滿分為5.0分。評價指標分為3組，分別為頸部傷害值NIC、上頸部載荷、下頸部載荷，滿分分別為2.0分、1.5分、1.5分。其中，頸部傷害值NIC為無單位量綱值，反映頸椎流體腔內流體流變壓力梯度對頸部軟組織造成的傷害［12］，上、下頸部載荷Fx+、Fz+、頸部轉距My反映關節錯位、韌帶損傷及骨折等對頸部造成的傷害［13-14］。NIC值的計算方式如下：

式中：aT1x為假人T1胸椎加速度；aHx為假人頭部枕骨加速度。

2靠背型面優化方法

2.1優化方法

現有研究表明，頭后間隙對座椅鞭打性能有顯著影響［15］。隨著頭后間隙的減小，假人頭部與座椅的接觸時間減小，頭部與胸部間相對運動的程度降低，NIC值、頸部剪切力Fx、頸部轉矩My減低，座椅鞭打性能顯著提高。設計上一般采用主動式安全頭枕或增大頭枕厚度減小頭后間隙；然而前者成本較高，后者對座椅造型影響較大。本文提出一種座椅靠背型面優化方法，通過調節靠背腰部型面減小頭后間隙，在不增加成本的情況下降低了對座椅造型的影響。

如圖1（a）所示，某座椅H點為O0，軀干角為θ0，頭后間隙為LH0。將座椅靠背向前轉動，若忽略座椅靠背對假人的支撐作用，假人姿態保持不變，則頭后間隙減小至LH1，如圖1（b）所示。實際上，由于座椅靠背對假人的支撐作用，假人姿態發生改變，軀干角減小至θ1，H點在x方向前移Δx至O1，頭后間隙變為LH2，如圖1（c）所示。其中：

式中：L0為H點至假人頭部距離；LB表示座椅靠背的支撐作用。由以上討論，對H點為O0，軀干角為θ0，頭后間隙為LH0的座椅，通過旋轉靠背位置并降低靠背對假人的支撐作用LB，則可在H點及軀干角不變的情況下將頭后間隙減小至LH1。

圖1座椅頭后間隙與靠背關系

座椅靠背結構一般如圖2所示，包含靠背骨架、發泡、面套及頭枕。靠背骨架為框架式金屬結構，中間位置為彈簧鋼絲。發泡為聚氨酯，裝配在靠背骨架外側。面套為仿皮聚氯乙烯，包覆在發泡上。頭枕通過內嵌的金屬導桿固定在靠背骨架上。當靠背骨架剛度一定時，座椅靠背對假人的支撐作用主要受發泡影響。一般采用滲透率γ反映發泡對假人的支撐程度。

如圖3（a）所示：建立坐標系，以座椅H點為原點，以軀干角方向為x軸方向，則滲透率γ可表示為

式中：Ld為假人中心位置陷入靠背的距離；Lm為靠背型面中心位置距骨架的距離。

對于H點為O0，軀干角為θ0，頭后間隙為LH0的座椅，座椅靠背型面優化方法如下。

1）建立圖3（a）所示坐標系，計算滲透率γ0。

2）保持假人姿態不變，轉動座椅靠背，將頭后間隙調節至優化目標值LH1。

3）根據滲透率γ0，針對轉動后的座椅靠背建立靠背型面優化基準線l。如圖4所示，座椅中間截面上，Ls為SAE J826假人靠背曲線，Lp為靠背發泡截止線，則

4）根據型面優化基準線l及側翼造型線掃掠型面并調整光順，得到優化后的靠背型面如圖5所示。

5）校核優化后滲透率γ1，控制γ1相對于γ0的偏差在±2.5%以內。

采用以上方法優化后的靠背型面，假人滲透率與優化前基本一致，可以認為優化前后座椅靠背對假人的支撐作用相同，H點及軀干角保持不變。

2.2優化實例

某前排駕駛員座椅參數如表2所示。建立頭后間隙優化目標值為5mm，采用以上方法對靠背型面進行優化，優化前后假人滲透率如圖6所示。優化前后，座椅靠背型面位置最大偏差為4.6mm。因此，相較于直接加厚頭枕，采用靠背型面優化方法可顯著降低對座椅造型的影響程度。

3改善效果驗證

對靠背型面優化前后的座椅，根據CNCAP管理規則進行鞭打試驗，試驗現場如圖7所示。

靜態測量結果如表3所示，靠背型面優化后，頭后間隙實測值與目標值吻合較好。動態碰撞結果如表4所示。靠背型面優化后，頸部傷害值NIC得分提高20.8%。優化前后NIC值、頭部枕骨加速度aHx、T1胸椎加速度aT1x如圖8所示。在63ms時，NIC值曲線達到峰值，優化后aHx較優化前提高1.78g，降低了假人頭部與胸部間相對運動的劇烈程度，NIC值降低16.6%。優化前后上頸部載荷及下頸部載荷得分均為1.5分。優化后，假人上頸部拉力、下頸部剪切力、下頸部拉力及下頸部轉矩分別降低20.6%、38.3%、17.5%、49.7%，這是由于頭后間隙減小，假人頭部更早與座椅接觸，頭部向后甩動的程度減緩導致的。

4結語

本文提出了一種座椅靠背型面優化方法，通過優化座椅靠背型面降低了座椅頭后間隙，提高了座椅的鞭打性能且對座椅造型影響較小。針對某款座椅，采用CNCAP鞭打試驗并對該優化方法進行驗證。結果表明：頭后間隙優化值與實測值吻合較好；優化后假人NIC值得分提高，上頸部拉力、下頸部剪切力、下頸部拉力及下頸部轉矩均有顯著降低。

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收稿日期：20230424

第一作者簡介：降皓鑒（1991—），男，河北邯鄲人，工程師，碩士，研究方向為汽車內飾及智能化座艙設計，jianghaojian@163.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.031