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某车型座椅鞭打性能研究
2020-07-29 23:34:30· 来源：中国汽车
某车型座椅鞭打性能研究作者：孔德伟，马良，胡祥玲，师玉涛，杨劲松单位：长城汽车股份有限公司技术中心摘要：自 2018 年 7 月 1 日 18 年版《C-NCAP 管理规则
某车型座椅鞭打性能研究
作者：孔德伟，马良，胡祥玲，师玉涛，杨劲松
单位：长城汽车股份有限公司技术中心
摘要：自 2018 年 7 月 1 日 18 年版《C-NCAP 管理规则》实施至今一年时间里，C-NCAP 官方发布的四星及以上车辆座椅鞭打平均得分为 4.26 分，鞭打试验成绩仍然处于较低水平。针对这一现状，本文从试验角度对我司某款车型座椅鞭打试验数据进行详细分析总结，通过控制头后间隙、调节靠背悬簧刚度，可有效提高 NIC 得分；通过提高座椅靠背骨架焊接强度、控制头枕高度，可有效提高上颈部 My 得分。本文对座椅的调节方法，为座椅鞭打性能的提升提供参考。
关键词：C-NCAP；鞭打；NIC；上颈部 My；头后间隙；头枕高度
近年来，随着我国社会经济的快速发展，汽车已经成为人们生活中的重要交通工具， 截至 2019 年 6 月， 全国汽车保有量达 2.5 亿辆， 汽车驾驶人达 3.8 亿人[1]。随着汽车数量及驾驶人数的增多，有关追尾碰撞的交通事故时常发生，且呈增长趋势。追尾事故会对人颈部产生严重的损伤，因伤害过程酷似挥鞭， 这种伤害又叫“挥鞭伤”。我国于 2012 年将座椅鞭打试验正式引入《C-NCAP 管理规则》， 目前已经发展到 2018 年版，于 18 年 7 月 1 日经实施，新版法规中关于鞭打评价参数除靠背动态张角外未发生变化， 但试验波形能量更强，对座椅鞭打性能要求更高。
由于鞭打假人的颈部比较敏感， 仿真方法多用于分析座椅各参数对座椅鞭打试验性能影响趋势的分析， 而具体的座椅鞭打试验性能提升优化是通过试验方法进行的。 从目前对座椅鞭打试验性能的研究发现， 鞭打试验的主要失分项在假人 NIC 和上颈部 My 伤害两项， 在性能优化过程中，NIC 伤害的改善更加困难。
01、追尾碰撞过程中的生物力学响应
追尾碰撞过程中汽车成员的运动过程
在追尾碰撞过程中， 颈部响应包含一系列复杂的运动和因此产生的载荷， 因追尾碰撞而发生的汽车乘员的运动分 3 个不同的过程[2]1，如图 1 所示。
(a)在缩回运动过程中，驾驶员被座椅靠背推向前方，而没有与汽车任何部位接触的头部保持在起始位置， 因此头部运动滞后于躯干， 颈椎上部发生前弯曲状态而下部产生后弯曲状态，成“S”形。在 S 形变形后头开始向后旋转，从而导致整个颈椎向后弯曲。
(b)驾驶员头部、颈部和躯干收到座椅的弹性及其相应的回弹效应，而向前运动。
(c)由于安全带系统的约束，车内乘员头部继续向前运动而胸椎已经停止运动。因此颈部会出现一个相反的“S”形状。
《C-NCAP 管理规则》中对假人鞭打伤害评价的时间范围是从头与头枕接触开始， 到头与头枕分离为止，即上述运动过程中的(a) (b)阶段。
追尾碰撞过程中颈部损伤机理
追尾碰撞过程中， 颈部软组织损伤的产生源于头部与胸部的相对运动， 由于乘员运动响应的复杂性，对颈部软组织损伤机理存在不同的意见。其中代表性的假设有：椎管中的静脉和脑脊液中产生的压力梯度引起细胞的损伤（Aldman1986 年提出）[2]2。博斯特伦(Bostr觟m)等根据这一假设提出了颈部损伤准 则 NIC[2]3， NIC 作为时间函数的定义在动物试验的基础上得到了验证。目前《C-NCAP 管理规则》中对假人鞭打伤害的评价采用了这一准则。
02、新版C-NCAP 法规解读及其执行情况
新版 C-NCAP 法规解读
2018 年 7 月 1 日 18 年版 《C-NCAP 管理规则》正式实施，在关于鞭打试验的规定中，新版法规在伤害评价参数限值不变的情况下， 调整滑台加速度波形， 增加碰撞能量， 对座椅鞭打性能的考察更加严格。具体变化如表 1、图 2 所示[3-4]。
座椅鞭打性能现状
2018 年版《C-NCAP 管理规则》实施已有一段时间， 截止 2019 年 7 月 3 日，C-NCAP 官方共计发布四批共计 30 款车型的座椅鞭打试验成绩[5]。由于汽车主机厂对于试验车型的市场定位不同， 本文仅以获得四星及以上的 25 款车型座椅鞭打成绩进行座椅鞭打性能现状进行研究。
25 款座椅鞭打成绩平均分为 4.26 分，较 5 分的满分成绩还有很大的提升空间。同时最高得分 4.90 分与最低得分 3.50 分之间相差 1.4 分， 这也体现出市场上座椅鞭打性能的参差不齐。
03、座椅鞭打性能的提升优化过程总结
基于新版法规的变化及市场上座椅鞭打性能现状， 对我司某款座椅鞭打试验性能提升过程进行分析总结。
试验结果及失分分析
某款车型的鞭打试验动、静态结果
对某款新开发座椅按照 18 版 C-NCAP 法规进行初次鞭打试验，试验动、静态结果及假人主要伤害波形如下。
由表 3 可知，本次试验总分为 3.69 分，试验失分项有 NIC、 上颈部 Fz+、 上颈部 My 和下颈部 Fz+几项，其中上颈部 My 与上颈部、Fz+下颈部 Fz+存在直接联系（如图 6 所示趋势），针对主要失分项进行分类分析，可以较快的得出整改方案。
座椅失分情况分析
（1）颈部伤害指数（NIC）分析
NIC 计算公式如下：
由公式可知， 影响假人 NIC 伤害的因素是同一时刻 T1 位置与头部的加速度差值， 二者差值越大， NIC 越大，反之，NIC 越小。
图 4 为本次试验中 NIC 相关的曲线，在碰撞过程中由于假人身体挤压座椅靠背及头枕向后旋转， 假人头部在试验前期没有得到支撑， 头部加速度在头与头枕接触前几乎为零 （ 假人头部与头枕接在79ms 接触，如图 5）。由于试验前期座椅靠背带动假人移动，此时 T1 部位已有一定的加速度，导致在头与头枕接触前出现头部与 T1 位置加速度最大差值，既出现 NIC 最大伤害值。
上颈部 My 和上颈部 Fz+、下颈部 Fz+分析颈部 My 伤害主要由头部与颈部相对运动产生，当假人在运动过程中出现“点头”的现象，即头向前而下巴内收时 My 为正值；反之，假人运动“后仰”时颈部 My 为负值；同时，在假人点头的过程中假人颈部 Z 向先受到拉伸后受到压缩，My 最大值多出现在Fz+最大值附近。
本次试验中， 通过分析试验录像可知， 由于头后间隙较大，加之假人身体挤压座椅靠背及头枕向后旋转， 假人头与头枕刚接触时， 头与头枕接触点所在水平面在头部质心所在水平面之下（如图 7 所示），运动前期头枕向上拖着头部，假人颈部受到拉伸， 头绕头部质心向前转动， 之后头枕抑制假人头部上窜，假人下颚回收，增加了上颈部 My 与颈部 Z 向伤害。
整改方案
整改方向
在 18 版 C-NCAP 发布前，各主机厂及座椅厂商已经对座椅鞭打性能的提升进行了大量的研究工作，虽然 18 版 C-NCAP 法规的波形有所变化，但关于座椅鞭打性能整改的方法仍然具有参考性。
郑祖丹等人利用仿真软件， 采用极差分析法对座椅主要特征参数对座椅颈部伤害指标进行了分析，发现调角器刚度、头后间隙、头枕高度、下靠背刚度等对假人伤害影响较大[6]。
周泽斌等人通过改进头枕的结构并优化头枕强度和发泡厚度等措施[7]， 来提高座椅的防挥鞭伤性能。
李常青通过调整头后间隙、头枕高度、头枕尺寸及头枕杆结构、加强靠背及坐垫骨架等方式[8]，来改 善座椅的防挥鞭伤性能。
商恩义等人通过对鞭打试验中假人头部受力分析方法， 对假人头部与头枕接触时刻及碰撞强度在座椅结构及头枕优化中的应用进行研究。提出假人头部与头枕接触时刻越早， 越有利于降低颈部 NIC 指标及头部碰撞强度；头部碰撞强度低及 Z 向受力向下，将有利于降低颈部各载荷[9]。
整改思路及方案
（1）整改思路，根据对试验数据的分析发现：
·此座椅需减小假人头后间隙，将假人头部加速度起来的时刻提前；
·此座椅需减小假人头部质心与头枕接触点之间的 Z 向距离；
·此座椅可以通过提高座椅靠背头枕的刚性， 减小座椅靠背及头枕的反弹对假人颈部伤害；
·此座椅可以通过降低试验前期 T1 位置加速度，减小 T1 与头部加速度的差值。
（2）基于研究与经验，考虑周期与成本，提出如下整改方案
·靠背泡沫肩部局部减薄 10-40mm（如图 8 所示），通过使假人肩部能够向后移动，带动头部向后移动，减小假人头后间隙；
·通过降低坐垫泡棉硬度，增大坐垫变形，使头部质心向下移动，增加假人头枕高度，控制假人头部质心位于头与头枕接触点所在平面上；
·通过（A）在头枕管套与靠背弯管处增加焊点 （如图 9 所示），（B）增加靠背弯管与座椅靠背边板之间的焊道数目 （如图 9 所示），（C） 靠背上弯管壁厚1.2mm 改为 1.5mm（如图 10 所示），（D） 增加座椅靠背的刚性，减小碰撞过程中的变形，提高座椅靠背及头枕对假人的支撑性， 减小座椅靠背及头枕的反弹对假人颈部伤害；
·通过靠背悬簧弱化，取消中间挂点（如图 11所示），增加靠背吸收能量的能力，减小假人在碰撞初期 T1 加速度值。
整改效果验证
整改后试验结果
通过上述整改，再次对座椅进行鞭打试验，试验动、静态结果及假人主要伤害波形如下。
整改效果分析
由表 5 鞭打动态冲击试验结果可知， 整改后的座椅鞭打试验总分为 4.6 分，试验仅 NIC、上颈部 My 失分，且失分较少，达到了整改预期。
(1)通过局部减薄靠背肩部泡沫，使头后间隙由38.67mm 减小到 13.67mm；
(2)通过对图 12 试验曲线的分析可知， 通过控制头后间隙、 调节靠背悬簧刚度可以匹配头部加速度与 T1 加速差值， 是进一步提高 NIC 得分的方向；
(3)通过降低坐垫泡棉硬度，假人头部质心与头部接触点落在同一水平面上，如图 14 所示，减小假人颈部受到的拉伸伤害， 降低假人头部向前转动的趋势；通过增加焊道、增加靠背上弯管厚度的方式， 增加了靠背的刚度， 提高了靠背与头枕对假人的支撑性，降低假人颈部受到的伤害。本次试验假人颈部Z 向伤害得到满分，上颈部 My 伤害得到降低，如图13 所示。
04、结论
本文对典型座椅鞭打性能提升案例进行分析总结，通过控制头后间隙、增强座椅靠背与头枕运动一致性、控制头枕高度的方法，有效提升座椅鞭打试验性能。根据研究发现， 在进行座椅鞭打动态试验前就将头后间隙控制在 20mm 以内， 可以提高鞭打试验成功的概率，降低座椅开发成本。
参考文献
[1]公安部.今年上半年全国机动车保有量达 3.4 亿辆[EB/OL].（2019-07-04）[2020-04-14].
[2]SCHMITT K U,NIEDERER P F,MUSER M H,et al.汽车与运动损伤生物力学[M].2 版.曹立波,白中浩,蒋彬辉,等,译.北京:机械工业出版社,2012.
[3]中国汽车技术研究中心.C-NCAP 管理规则(2015 年版) [R].天津:中国汽车技术研究中心,2015.
[4]中国汽车技术研究中心.C-NCAP 管理规则(2018 年版) [R].天津:中国汽车技术研究中心,2018.
[5]中国汽车技术研究中心有限公司.碰撞结果全纪录[EB/OL]. [2020-04-14].
[6]郑祖丹,吴斌,于峰,等.追尾碰撞颈部挥鞭伤害的试验研究[J].汽车技术,2013(10):47-50.
[7]李常青.某车型座椅鞭打性能提升研究[C]//2015 中国汽车工程学会年会论文集(Volume2). 上海: 中国汽车工程学会, 2015:103-107.
[8]商恩义,陈现岭,师玉涛,等.基于假人头部受力分析的鞭打试验研究[J].汽车技术,2014(4):53:57.
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