汽车座椅头枕吸能试验要求与方法

上文汽车座椅头枕的静态强度测试与要求介绍了头枕静态强度试验，该试验用于检查头枕的刚性与强度，确保后碰发生时头枕可以提供足够的支撑，降低乘员的颈部伤害风险。油管有个视频非常详细地记录了该试验的过程。

本文将继续介绍另外一个汽车座椅头枕试验-头枕吸能试验。顾名思义，该试验则是为了检查头枕的吸能效果，确保在二次碰撞发生时，不会因为座椅头枕整体或局部刚性太强，导致乘员脑震荡/颅骨折这类情况发生。

用一句话概括这个试验，就是用一个直径165mm的刚性头型以24.1km/h的速度撞击头枕指定区域后头型减加速度大于80g的持续时间不能超过3ms。

那么问题来了，

1.  为什么要以80g 3ms来评价吸能效果？

2.  进行头枕吸能试验需要注意哪些问题？

3.  国内外法规中该试验方法有什么区别？

本文将围绕以上几个问题对汽车座椅头枕吸能试验进行介绍。

首先简单介绍头部损伤机理和评价方法来源，然后基于《GB11550 – 2009 汽车座椅头枕强度要求和试验方法》介绍试验设备、流程和结果，最后对比分析中/欧、美、GTR中头枕吸能试验的相同和差异点。

01  脑部损伤评价基准来源

头部是全身最关键和脆弱的部位，是车辆交通事故中造成死亡和重伤的最重要原因，因此头部是最需要保护的人体部位。

头部构成如下图所示，主要有头皮、颅骨、脑膜和脑组织构成。


脑部构造与损伤模式

在外力的冲击下，脑部常有两种损伤机理。

一种是接触性损伤，主要是头部与车室内结构直接碰撞导致的头皮损伤、颅骨骨折等颅外伤。另外一种是惯性损伤机理，这是因为脑组织在颅内发生位移导致组织与神经挤压或拉伸导致的脑内血肿、脑震荡等脑损伤。

而严重的颅外骨折往往会导致颅内脑损伤。

那么碰撞生物力学是如何评估脑损伤的呢？

首先学术界达成了一个共识，那就是头部损伤的严重程度不仅与头部加速度峰值有关，同时还与加速度持续作用时间有关。也就是说如果持续时间很短，（脑子还没发应过来，碰撞就结束了）即使加速度峰值很大，脑部也不一定有损伤。

那么如何找到脑部损伤的临界点呢？

很简单，那就是：做 - 实 - 验 。

针对头部损伤临界的问题，20世纪五六十年代，韦恩州立大学的Gabb等学者利用动物、志愿者和尸体进行大量的研究性实验，他们将尸体头部从空中跌落至钢板，测量加速度并观察是否出现线性骨折。

最后将这些实验结果进行整理，并拟合出了一条著名的曲线，韦恩伤害曲线WSTC（Wayne State Toerance Curve）。

该曲线是当今主流头部伤害评价方法的祖师爷。该曲线表示头部有效加速度、持续时间和损伤之间的关系，当头部平移加速度位于曲线上侧时，表示可能会发生颅骨线性骨折，另外头盖骨线性骨折多伴随脑震荡的发生，所以此曲线也会被用来确定脑震荡界限。


WSTC

后来该曲线经Patrick等人修正后，可以发现临界曲线在80g往下开始逐渐平行于持续时间长度的横坐标轴，因此NHTSA最早开始要求，在汽车碰撞中头型的撞击标准是80g以上的加速度不能超过3ms。这也是头枕吸能试验评价标准的来源。

在此基础上，1972年NHTSA定义了另外一套头部损伤评价指标HIC，该评价已经被用于当今绝大多数碰撞假人的脑部损伤评价计算中，这个以后再做介绍吧。

02  汽车座椅头枕吸能试验规程

1. 试验设备

该试验的核心设备为头型冲击设备，一般有三种类型：


The linear impactor (magna)


The free motion impactor (magna)


The pendulum impactor (magna)

GB11550和ECER25 要求采用的是pendulum impactor，而FMVSS202a则是要求采用linear impactor。但是GTR认为已经有研究结果表明，三种方式得到的结果非常接近，因此GTR并没有对头冲设备的类型做明确的要求。

GB11550试验在试验方法中使用的是摆锤撞击头型装置，但是在最后做了“等效试验规程”的说明。大意如下，

允许采用其他等效试验程序，对试验设备的布置没有限制，但是应该保证对头枕的冲击方向不受影响。此外采用其他试验方法的人员需要证明该方法与法规规定的方法等效。

所以似乎可以理解为允许使用其他类型的设备，对于这个猜测，在这里插一个问号眼。

那么如果采用摆锤撞击头型装置，法规对装置的基本要求如下：

·  撞击中心的折算质量为6.8kg

·  刚性撞击头型直径为165mm

·  头型中心与撞击中心重合

·  头型上面装有两个传感器和速度传感器

·  撞击能量 152J以上

·  撞击速度 24.1km/h以上


摆锤头打设备（ENCOPIM）

除此之外，还需要配备高速摄像机用于记录打击过程。

2. 试验步骤

头枕吸能作为动态试验，大部分时间还是要花在准备工作上面。主要工作如下，

调节座椅：法规要求将座椅调整到“正常乘坐位置”，靠背调整到躯干线“最接近25°的后倾位置”，如果头枕可调，将头枕调整到“可调范围内最不利的位置”。（Homework, 如何选择最不利的位置？）

确定撞击区域：法规对撞击区域的规定如下图所示，座椅对称面左右各70mm且H点沿基准线往上635mm的区域。这个找起来比较简单，参照校核头枕高度和宽度的方法汽车座椅头枕的尺寸校核。


头型撞击区域定义

选择撞击点：以上工作完成之后，由试验工程师确定撞击点。

但是在产品开发验证阶段，理论上应该对撞击风险较高的几个点进行测试。常用的方法是拿一个参照头枕，将上面邵尔A硬度小于50的包裹物全部移除，只剩金属骨架或者塑料组件，然后基于经验找到高风险的撞击点，基于 这个点确定头型的位置，试验开始前再把头枕换成正常试验头枕。


确定撞击点（图片来源于网络）

另外也可以在设计阶段，通过CAE方法确定风险较高的几个撞击点，并在试验前做好标记和说明。


确定撞击点（图片来源于网络）

调整撞击角度：法规要求需要进行两个方向的试验，如下图所示，

1. 由前向后撞击座椅头枕前表面，撞击方向位于纵向平面内并沿水平方向。（下图左）

2. 由后向前撞击座椅头枕后表面，撞击方向位于纵向平面内并与铅锤方向成45°。（下图右）


撞击角度&速度( GB11550/ECER25)

设置冲击速度：法规要求头型应该以24.1km/h的速度撞击试验样件。

样件标记：最后别忘了对头枕的固定装置做一些标记，试验后需要检查。

以上准备就绪后差不多就可以开始开始试验，试验过程中开始高速摄像机记录过程，传感器输出头型两侧加速度并计算平均值。

3. 结果评估

1. 头型减加速度大于80g的持续时间不能超过3ms。

2. 头枕的衬垫、固定处或者座椅靠背不得出现刚性的可致伤害的凸起。


头型加速度曲线（图片来源于网络）

03  中欧、美、GTR对比


中欧、美、GTR法规中对头枕吸能的要求对比如下，试验方法和评价基本一致，但还是有一些区别。

中国GB11550参照ECER25，因此方法和要求相同。FMVSS202a与中欧法规有主要有两点不同，一个是撞击设备还有一个是撞击方向。GTR7和美标基本一致，只是没有明确要求装置的类型。



以上内容便是关于汽车座椅吸能试验的介绍，仅供参考。