李金柱，任鵬飛，石興博，崔東

（1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津300300；2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津300300）

0 引言

后面碰撞是各類事故中最不容易致死的事故類型，但是其造成的傷害概率卻是最高的。汽車后面碰撞一旦發(fā)生，由于慣性，駕駛員的頭部保持原來(lái)位置或移動(dòng)緩慢，而駕駛員身體卻會(huì)跟隨車輛一起向前運(yùn)動(dòng)，這樣駕駛員頸部便會(huì)受到傷害，俗稱鞭打傷害[1-2]。揮鞭傷害是交通事故中最為嚴(yán)重的次要性傷害，其并發(fā)癥多、潛伏期長(zhǎng)，不僅傷者會(huì)遭受巨大痛苦，還會(huì)帶來(lái)較大的財(cái)產(chǎn)損失。2012年，為使鞭打的風(fēng)險(xiǎn)降到最低，鞭打試驗(yàn)正式加入到C-NCAP，并于2018年對(duì)鞭打試驗(yàn)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了提升。

目前對(duì)于前排座椅的鞭打損傷研究較多[3-5]，國(guó)內(nèi)外對(duì)于后排座椅頸部損傷的研究還相對(duì)匱乏，E-NCAP對(duì)于后排座椅鞭打損傷的評(píng)價(jià)也只是對(duì)靜態(tài)測(cè)量做了規(guī)定，無(wú)法與人體頸部損傷建立直接的聯(lián)系。目前大家對(duì)于后排座椅乘員頸部損傷的重視度不夠，隨著國(guó)內(nèi)后排乘坐率的提高，尤其出租車，以及后碰概率的增加，后排鞭打防護(hù)的研究有著重要意義。另外，仿真分析相比于試驗(yàn)研究具有成本低效率高的優(yōu)勢(shì)，而且已經(jīng)在汽車行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛認(rèn)可，所以借助CAE來(lái)研究后排乘員的頸部損傷情況，可以防止時(shí)間和成本的浪費(fèi)[6]，另外通過(guò)仿真結(jié)果可以更加細(xì)致地研究假人姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)情況，分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因。

本文結(jié)合E-NCAP[7]后排座椅鞭打靜態(tài)評(píng)價(jià)流程和C-NCAP[8]（2018版）動(dòng)態(tài)鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)規(guī)程和評(píng)分原則對(duì)5把后排座椅頸部損傷進(jìn)行研究，旨在研究目前后排座椅對(duì)于頸部的保護(hù)情況，以及后排座椅靜態(tài)評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)之間的關(guān)聯(lián)，為后續(xù)在后排座椅的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，能夠提高廠家對(duì)后排座椅乘員頸部保護(hù)的意識(shí)，以及對(duì)于后排座椅的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供參考作用。

1 后排座椅乘員頸部損傷評(píng)價(jià)方法

目前國(guó)內(nèi)C-NCAP只有針對(duì)主駕座椅的頸部損傷評(píng)價(jià)方法，對(duì)于后排座椅的頸部損傷還未公布相關(guān)的法規(guī)，而E-NCAP介紹了后排座椅頸部損傷靜態(tài)評(píng)價(jià)方法。本文參考E-NCAP和C-NCAP相關(guān)的評(píng)價(jià)內(nèi)容對(duì)后排座椅乘員頸部損傷進(jìn)行研究評(píng)價(jià)[9-11]。

1.1 E-NCAP后排鞭打靜態(tài)評(píng)價(jià)流程和評(píng)分原則

E-NCAP后排座椅鞭打評(píng)價(jià)主要對(duì)座椅進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量[12]，主要有以下評(píng)價(jià)項(xiàng)目：頭枕有效高度Heff，包括最高位置和最差位置（需滿足頭枕最低使用高度要求）；頭枕間隙?CPX，包括中間位置和最差位置（需滿足頭枕最低使用高度要求）；頭枕非使用位置評(píng)價(jià)，包括頭枕自動(dòng)復(fù)位評(píng)價(jià)；頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)角度評(píng)價(jià)；HPM軀干角變化量評(píng)價(jià)；頭枕下緣高度HLE和頭枕下緣厚度S。因篇幅有限具體測(cè)量方法不再做單獨(dú)介紹，具體參考E-NCAP后排座椅鞭打評(píng)價(jià)流程。只有當(dāng)Heff滿足要求后，在進(jìn)行其他參數(shù)的評(píng)定，對(duì)于非使用位置評(píng)價(jià)，只需要滿足其中一項(xiàng)就可以得分，總分為4分，換算成乘員保護(hù)得分為0.5分。具體評(píng)分細(xì)則如表1所示。

表1 E-NCAP后排座椅鞭打靜態(tài)評(píng)分原則

本文選擇5款后排座椅作為研究對(duì)象，分別按照ENCAP后排座椅鞭打靜態(tài)評(píng)價(jià)流程進(jìn)行測(cè)量。圖1所示為座椅A靜態(tài)測(cè)量示意圖，其余4把座椅分別命名為B、C、D、E，如圖2所示，測(cè)量方法與座椅A相同，不再重復(fù)展示。

圖1 座椅A靜態(tài)測(cè)量

圖2 其余4把座椅造型

1.2 C-NCAP鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)規(guī)程和評(píng)分原則

C-NCAP采用頸部傷害指數(shù)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+和下頸部扭矩My這7項(xiàng)評(píng)分指標(biāo)，以及對(duì)座椅靠背最大動(dòng)態(tài)張角、頭枕干涉頭部空間、座椅滑軌動(dòng)態(tài)位移的3項(xiàng)罰分項(xiàng)。具體的總體評(píng)分原則如表2所示。

表2 C-NCAP鞭打試驗(yàn)總體評(píng)分原則

E-NCAP和C-NCAP中對(duì)于頸部損傷的評(píng)價(jià)內(nèi)容雖然不同，但卻有一定的聯(lián)系。E-NCAP靜態(tài)評(píng)價(jià)中頭枕有效高度Heff和頭枕間隙?CPX，是和頭部接觸位置有關(guān)，而頭枕的接觸位置會(huì)影響乘員的頸部受力情況，對(duì)頸部造成不同程度的傷害。

2 后排座椅鞭打C-NCAP仿真結(jié)果及分析

后排座椅參考前排座椅先進(jìn)行頭部間隙測(cè)量和頭枕相對(duì)高度測(cè)量，然后再按照法規(guī)要求進(jìn)行加載和評(píng)價(jià)，頭枕靜態(tài)測(cè)量示意圖如圖3所示。

圖3 頭枕靜態(tài)測(cè)量示意圖

測(cè)量結(jié)果如表3所示，可以發(fā)現(xiàn)，除了座椅E，其余4把座椅的頭部間隙，與前排座椅相比，數(shù)值都較大，參考前排座椅鞭打分析經(jīng)驗(yàn)，頭部間隙過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致頭枕接觸時(shí)間變長(zhǎng)，頭枕接觸不穩(wěn)定，不利于鞭打防護(hù)，接下來(lái)參考C-NCAP動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)流程對(duì)5把座椅進(jìn)行鞭打動(dòng)態(tài)仿真分析。

表3 后排座椅靜態(tài)測(cè)量結(jié)果

由于目前缺少后排動(dòng)態(tài)鞭打?qū)嶒?yàn)結(jié)果，無(wú)法對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，本文參考主駕鞭打建模處理方法，圖4所示對(duì)比了某主駕座椅仿真和試驗(yàn)中頭部加速度曲線，曲線整體趨勢(shì)、峰值出現(xiàn)時(shí)刻和大小都比較吻合，對(duì)于后排模型的搭建具有較高的參考意義。

圖4 主駕座椅鞭打試驗(yàn)與仿真頭部加速度對(duì)比

通過(guò)圖5～7可以發(fā)現(xiàn)座椅A、B、C、D頭部加速度和胸部加速度上升時(shí)間差異較大，且加速度上升速度較快，說(shuō)明頭部和胸部運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)了偏差，且靠背和頭枕沒(méi)有起到明顯的緩沖作用，導(dǎo)致座椅NIC值較高。通過(guò)圖8～11可以看出5把座椅中假人頸部上剪切力FX較小，沒(méi)有超過(guò)高性能值。而座椅A和座椅D，則下頸部剪切力FX、上頸部拉力FZ、下頸部拉力FZ峰值都比較大。特別是座椅D的上頸部拉力峰值已經(jīng)超過(guò)低性能值，該座椅鞭打防護(hù)存在較為嚴(yán)重的問(wèn)題，一旦出現(xiàn)事故，會(huì)對(duì)乘員頸部造成嚴(yán)重的傷害。通過(guò)圖12、圖13可以看出5把座椅的假人頸部彎矩值較小，沒(méi)有明顯的失分。

圖5 頭部加速度

圖6 胸部加速度

圖7 頸部傷害值NIC

圖8 上頸部剪切力FX+

圖12 上頸部扭矩My

圖13 下頸部扭矩My

圖9 下頸部剪切力FX+

圖10 上頸部拉力FZ+

圖11 下頸部拉力FZ+

針對(duì)座椅A和座椅D部分傷害值比較大的問(wèn)題，對(duì)頭部運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。根據(jù)圖14頭部與頭枕接觸后，頭枕泡沫太薄，頭部沒(méi)有足夠的緩沖空間，且在頭部向后運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，頭枕剛度不足，頭枕有一個(gè)向后轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程，此時(shí)頭枕對(duì)頭部施加了一個(gè)相反的彎矩，由于頭部還處于往后擺的過(guò)程，雖然此時(shí)對(duì)于上頸部剪切力有利，但勢(shì)必會(huì)增加上頸部拉力的傷害值。通過(guò)圖15可以看出，假人頭部與座椅D頭枕接觸后，隨著頭部的后移與頭枕?xiàng)U發(fā)生接觸，導(dǎo)致頭部加速度急劇上升，最終導(dǎo)致頸部NIC傷害值較大。這些問(wèn)題說(shuō)明部分廠家為了節(jié)約成本和車內(nèi)空間所限，而忽略了對(duì)后排乘員頸部保護(hù)的考慮。

圖14 座椅A頭部受力分析示意圖

圖15 座椅D頭部與頭枕?xiàng)U接觸示意圖

3 后排鞭打靜態(tài)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)于5把后排座椅都沒(méi)有頭枕自動(dòng)復(fù)位和頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，對(duì)于非使用位置，只對(duì)頭枕下緣高度HLE和頭枕下緣厚度S進(jìn)行評(píng)價(jià)。座椅A、B由于只有兩個(gè)卡齒位置，且在最低卡齒位置不滿足UN-ECER17-08要求，所以只對(duì)最高位置進(jìn)行測(cè)評(píng)。通過(guò)表4可以看出5把后排座椅都滿足Heff的測(cè)量指標(biāo)，對(duì)于ΔCPXLIMIT只有座椅E滿足要求，說(shuō)明座椅頭枕相對(duì)于點(diǎn)H普遍靠后，不利于頭枕支撐。對(duì)于頭枕下緣高度HLE沒(méi)有座椅滿足要求，對(duì)于頭枕下緣厚度S則只有座椅E滿足要求，說(shuō)明5把座椅的舒適性相對(duì)較差。

表4 后排座椅靜態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)表5后排座椅的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5把座椅的上頸部剪切力得分普遍較高，而NIC、上頸部拉力得分普遍較差，且差距較大，最差的得到0分。下頸部剪切力和拉力得分較分散，既有傷害值小的，也有比較大的。

雖然A、B、C、D四把座椅E-NCAP靜態(tài)評(píng)價(jià)和CNCAP動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果都比較差，但動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果指標(biāo)有好有壞。說(shuō)明E-NCAP靜態(tài)評(píng)價(jià)可以初步判斷后排座椅的乘員頸部損傷情況，但無(wú)法反映乘員頸部損傷的具體問(wèn)題，還需要參考C-NCAP動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果，從而對(duì)后排座椅進(jìn)行有效地設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于E-NCAP后排座椅鞭打評(píng)價(jià)流程對(duì)5把后排座椅進(jìn)行靜態(tài)評(píng)價(jià)，利用有限元的方法建立該座椅的鞭打仿真模型，根據(jù)C-NCAP鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)規(guī)程和評(píng)分原則對(duì)其進(jìn)行鞭打試驗(yàn)的仿真分析，探究目前后排座椅的鞭打防護(hù)程度，以及E-NCAP靜態(tài)評(píng)價(jià)與C-NCAP動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)之間的關(guān)系，結(jié)論如下。

（1）靜態(tài)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)有一定的相關(guān)性，A、B、C、D四把座椅，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)評(píng)測(cè)結(jié)果都比較差，而E座椅靜態(tài)和動(dòng)態(tài)評(píng)判結(jié)果都較好。

（2）靜態(tài)評(píng)價(jià)失分的主要測(cè)評(píng)項(xiàng)為?CPX和非使用位置的評(píng)價(jià)，動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)失分的主要原因?yàn)镹IC和上頸部拉力傷害值較大。

（3）通過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)E-NCAP靜態(tài)指標(biāo)可以一定程度上反映鞭打防護(hù)情況，但無(wú)法反映鞭打防護(hù)的具體問(wèn)題，還需要結(jié)合C-NCAP動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。

本文的研究可以提高廠家對(duì)于后排座椅鞭打防護(hù)的意識(shí)，為后續(xù)汽車被動(dòng)安全的完善起到一定的參考意義。