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挥鞭伤形成的机理假设

2020-04-15 23:52:53·  来源：上汽安全与CAE技术  
　
随着座椅鞭打试验于2012年被C-NCAP引进，挥鞭伤这个概念也越来越为国人所熟知。翻阅文献，不难发现，挥鞭伤形成机理的研究早在上个世纪五十年代就已经进入研究人
随着座椅鞭打试验于2012年被C-NCAP引进，挥鞭伤这个概念也越来越为国人所熟知。 翻阅文献，不难发现，挥鞭伤形成机理的研究早在上个世纪五十年代就已经进入研究人员的视野。
挥鞭伤一般并不致命，但是为什么会被人盯上呢？主要还是资本主义的本质决定。具体的说，挥鞭伤侵害了资本家的利益。挥鞭伤占据长期或永久性医疗损伤的一半(Kullgren et al. 2013)，给保险公司巨头带来了巨大的经济负担，所以美国各大保险公司要求他们出资成立的IIHS（美国高速公路安全保险协会）将座椅的防挥鞭伤性能放进新车评价体系中，IIHS进而于2003年最先引进座椅鞭打试验来控制座椅防挥鞭性能，倒逼着整车厂研究降低挥鞭伤的方法。
 
那么挥鞭伤形成的机理到底是什么呢？Severy D.等人从1955年开始发表文章提及挥鞭伤，并于随后15年间多次发文章阐述挥鞭伤形成原因。他们认为颈部脊椎的极度弯曲是挥鞭伤形成的首要因素，形成过程如图下图所示。MacNab、State等人也给出同样的结论。典型案例，当车辆发生尾碰时，人的躯干被座椅结构支撑，而头因无法得到很好的支撑而被迅速甩出，造成颈椎极度的弯曲。这种现象是试验或者交通事故中可以直观观察的。需要注意的是挥鞭伤并不只是出现在尾碰事故中，正侧碰工况中均可能造成挥鞭伤，只是中低速尾碰中造成挥鞭伤的概率较高。
 
另外一种说法是挥鞭伤的形成是由于头部相对于躯干的向后平移导致的。Siegmund等人利用放射学在人体上观察后，支持这个假设。一般来说，研究人员常用头部相对于C7-T1的向后位移来描述这种挥鞭伤的形成机理。Aldman等人也研究了头与上躯干之间的线性移动所带来的颈部压力梯度分布。从这个假设解说中，我们发现了力和位移，对于工科的小伙伴们应该可以敏锐地察觉到牛顿定律应该出现了。
 
基于这个假设，结合加速度和速度，一个名为NIC（颈部伤害指标）的参数出现了，这是一个动力参数，见公式（1），也是目前Euro NCAP、C-NCAP等主要新车评价机构用来评价座椅防鞭打性能的主要指标之一。当然，除此之外还有其他可用来评价相关性能的指标，例如Nij（Normalized Neck Injury Criterion）、NDC（Neck Displacement Criterion）等，这里不一一讨论。
 
其中，
 
为T1与头部水平加速度的差值；
 
为T1与头部水平速度的差值。
 
由此可见，虽然目前对于挥鞭伤的运动学分析已经比较深入，但是关于其具体致伤机制，仍未形成统一且确定的说法。虽然致伤机制并不明确，但并不影响研究人员想要降低挥鞭伤发生率的决心。如何做？无他，唯实验尔。
这里着重说一下Judson B. Welcher和Thomas J. Szabo。这两位研究人员于1998年招募了三名志愿者（一对男女体型接近50分位，另一个男性接近95分位）进行实车试验。这里的自愿并非无偿。三个志愿者的信息如下：
 
试验大概过程如下：三名志愿者依次乘坐在装有5款不同（头枕高度、头后间隙、座椅静态刚度等参数各不相同）的座椅的车辆上，车辆受到4km/h和8km/h不同速度变化量的尾部碰撞，共计30个试验样本。试验过程中监测头部相对颈胸椎结合处的加速度，颈胸椎结合处的加速度，头部的向后的角加速度等运动参数，并结合NIC等指标对座椅防挥鞭伤性能
进行研究，并要求志愿者根据自身的感受对座椅进行排名。试验条件见下图：
 
研究发现，座椅的防挥鞭伤性能主要是和头枕高度及头后间隙的关系较为明显，和座椅本身的吸能特性及静态刚度的关系并不明显。但由此并不能够下结论说挥鞭伤性能和座椅的物理参数无关，首先这5款座椅并不满足控制变量法，另外试验的速度也相对较低。为此两位研究人员利用一款某特殊设计的防鞭打座椅并将试验速度变化提高至11.1km/h和14.3km/h进行挥鞭伤研究，发现增加座椅的吸能也是可以有效降低头部与胸部的相对运动。试验中自愿者的颈部也未受到挥鞭伤。同时，结合Severy D.的研究，速度变化量低于10km/h，一般不会受到挥鞭伤。而高于这个值，受伤几率较大。不难发现，增加座椅的吸能对于降低挥鞭伤受伤几率具有一定的好处。
 
除此之外，国内外大量研究也发现，在车辆发生中低速尾部碰撞时，保证头部和人体躯干的运动姿态一致可以有效降低挥鞭伤的发生率。基于此，目前主机厂在车辆座椅设计时头枕多是可上下调节的，以保证不同身形的乘员均可得到很好的头部支撑。较为高级的车辆，还会配置前后可调的头枕或者主动式头枕，其目的都是让头部在碰撞发生的时候尽早和头枕接触，进而和躯干保持同步减速，降低两者之间的相对运动。
 
如果您能耐心读到此处，就不难了解到降低挥鞭伤几率的方法：
1、道路千万条，安全第一条。不出事故是能够百分百避免受伤的唯一途径；
2、选择防挥鞭伤性能优良的汽车；相关性能详情可到C-NCAP，C-IASI，Euro NCAP，J-NCAP，IIHS等评价机构官网查询；
3、良好的驾车/乘车习惯；驾驶或者乘坐车辆时，调整座椅头枕略高于头部，尽可能降低头枕与头部之前的距离，并保持正确的坐姿。
  
参考文献
1. Judson, B.; Thomas, J.. (2001) Relationships between seat properties and human subject kinematics in rear impact tests. Accident anglysis and prevention, pp 289-304.
2. Severy, D., Mathewson, J., Bechtol, C., 1955 Controlled automobile rear-end collisions, an investigation of related engineering and medical phenomena. Canadian services medical journal, pp 727-759.
3.  Kullgren A, Stigson H, Krafft M, (2013) Development of whiplash associated disorders for male and female car occupants in cars launched since the 80s in different impact directions. Int. IRCOBI Conf. on the Biomechanics of Injury, Gothenburg, Sweden.
4.   MacNab, I., (1965) Whiplash injuries of the neck. In: Proceedings of the 9th Conference of the Association for the Advancement of Automotive Medicine, pp. 11–15.
5    Siegmund, G., King, D., Lawrence, J., Wheeler, J., Brault, J., Smith,T., (1997) Head:neck kinematic response of human subjects in low-speed rear-end collisions. In: Proceedings of the 41st Stapp Car Crash Conference. SAE No. 973 341.
 
 
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