乘员颈部伤害评价与鞭打试验分析

在希迈商务咨询（上海）有限公司主办的第三届中国国际汽车座椅峰会暨展览2021的汽车座椅舒适性论坛上，上汽大众的座椅研发工程师李宗以“乘员颈部伤害评价与鞭打试验分析”为主题发表了精彩演讲。



鞭打试验的发展

在这里，我展示一下我们在鞭打试验方面的一些研究和理解，一个是为什么要做鞭打试验，鞭打试验到底是在研究什么，我们如何去分析鞭打试验，鞭打试验未来的发展方向和趋势是什么，我们从这些角度给大家做一个分享。

作为座椅行业的人，很多人都听过鞭打试验，它来源于NCAP体系，最早在美国建立并在欧洲和日本已经有了很多年的发展。我们可以看到，在这个体系中，包括中国的C-NCAP等，几乎全部都包含鞭打试验，每个体系里几乎都会对鞭打试验进行考察，特别是在中国，C-NCAP第一次进入中国的时候就设立了这个试验，而且这个试验也越来越严苛。

我们看一下为什么这个试验要这样做。要理解鞭打试验首先要了解到底追尾碰撞或低速追尾碰撞时发生了什么。低速追尾碰撞时乘员的动作大概有六个，刚开始人和头部一起向后移动，然后当靠背压缩到极限以后，头会向后运动，再向回运动，颈部以上的运动类似于甩鞭的动作。



为什么现在大家这么重视这个试验呢？日本交通安全协会做过交通安全事故致死致伤的统计，发生致死的交通事故中有49.1%都是前撞事故，一般情况下前面正面发生碰撞时，碰撞的速度和能量更大，更容易造成致死；致伤事故中有43.5%都是由追尾碰撞造成的，也就是说追尾是造成受伤的主要原因。

另外，欧洲也做了交通事故受伤实际医疗费用的统计，在追尾过程中造成的鞭打伤害占到了交通事故总医疗支出的40%左右，其中英国更高达了76%。虽然这个事故可能碰撞的速度不大，但是它造成的后期医疗和社会负担非常大。

德国对追尾碰撞速度的统计分析表明，在25公里每小时以下的追尾碰撞达到93%以上，所以鞭打试验研究的都是20公里，国外还有18公里、16公里的速度。

国内有两个体系，C-NCAP体系从2015年开始只做司机侧座椅鞭打试验，试验曲线是16公里每小时，鞭打试验设置的总分只有4分。2018年进行C-NCAP 2018升级时，鞭打试验进行了第一次改变，速度从原来的16公里每小时变成了20公里每小时。根据我们上面的统计可以看到，它实际上把交通事故所涵盖的覆盖面扩大了，20公里每小时基本上包含了90%追尾碰撞的实际情况。



虽然速度提升了4公里，但能量却提升了50%，而且这是全球范围内最强的曲线。而到了C-NCAP 2021，也就是去年年底发布的最新一版，C-NCAP体系再一次走到了世界前列，首次对后排座椅进行了鞭打动态试验，以往欧洲只有静态评价，没有动态试验。为什么C-NCAP会增加后排试验呢？这是有一定理论依据的。

基于中国交通事故协会的统计数据，在所有交通事故中，事故车中副驾驶坐人的情况有44.7%，而后排左侧坐人的概率26%，右侧25%，后排两侧坐人的概率也非常大。所以从C-NCAP体系角度讲，后排动态试验也是有必要的，另一方面，欧洲只做静态测量，但静态测量和动态的结果之间并不是线性关系，所以动态试验更加科学可靠，这也是增加后排试验的原因。

除了C-NCAP，国内第二个汽车安全评价体系是CIASI，它比C-NCAP起步要晚一些，前几年刚刚起步。2018年底，CIASI 1.0正式发布，其评价分成静态评价和动态评价，完全拷贝美国IASI体系，包括接触时间和胸部加速度，还有颈部力。CIASI 2.0对标准进行了进一步修正，历次标准升级都进行了大幅度的提升。颈部力从原来的750低颈部区域降到了492，这相当于要求高了将近50%，所以都有非常大的提升。另外增加了一个NIC指标，以前是不测NIC的，从2.0开始，明年CIASI正式采用后，也会评价NIC的高低。



乘员颈部伤害评价

我们研究的颈椎伤害一方面是外面可见的骨骼部分，再一方面是骨骼内部脊髓和神经根结构，中间的脊髓连接大脑，再通过神经根连接到身体的各个部位。颈椎在实际交通事故中受力情况一是弯曲，就是扭矩，二是压缩、拉伸，还有一个横向扭转及剪切力，需要进行实际试验来评价。



先讲NCAP体系，它比CIASI体系更早，最早建立标准时拿了31把座椅进行试验，采集31把座椅实际数值和伤害值，把这些值从低到高排序，最好的座椅5%满分，最差的30%，它这一项就是零分，如果总分是最差的5%，就取消所有成绩，指标的选取方法是按照行业水平来选的，就是划一个百分比，相当于以前高考的标准分一样。



另外一种选择方式是以日本的J-NCAP体系为代表，以人体的耐受程度进行评价，它是基于WAD2+伤害等级5%的风险值进行设定，相当于功能紊乱相关的鞭打伤害。其指标一个是NIC颈部伤害指数，然后是上颈部所受到的X方向剪切力、Z方向的拉力以及点头的扭矩MY，下颈部也一样。

按照WAD2+指数划分，小于340就是好的，大于330就是不好的，最早的研究来源于临床诊断，发生了多大的交通事故，人受到了什么样的伤害；再一类是志愿者试验，一些科学家在滑车上面用加速度采集实际颈部的感受。其局限性在于没有办法做16公里、20公里比较高风险的试验，毕竟志愿者不能真的做到不可逆转的伤害。还有一种是尸体试验，包含后来的假人试验、动物试验及FEA，基于这些采集数据，制定出了J-NCAP评价方案。C-NCAP第一版的体系就是采用了日本的J-NCAP。

我们看一下这几个力，其中有一个NIC颈部伤害指数，它是基于生物学理论演化而来的。人体的脊椎中是脊髓，脊髓连着神经根，神经根和脊髓中有神经质，在脊椎发生鞭打运动时，会产生压力差，相当于上下端加速度不同时，其中的液体会产生一个压力梯度，这个压力梯度会对神经造成损伤，出现颈部疼痛及神经紊乱，也可能造成神经损伤。



在试验前、试验中、试验后，头和颈部的姿态保持不变，这是最理想状态。BIO Rid假人颈部结构完全仿真模拟人体实际结构，包括T1的加速度、头部的力采集非常明确，都是行业标准。

第二个体系是C-IASI，有点类似于欧美的方法，它是按照行业水平进行划分，前百分之多少是满分，后百分之多少是不好的，按照这个理论，其流程分成静态评价和动态评价，静态评价首先要把座椅调到最后最低位置，测头部后段到头枕的距离以及头顶到头部顶端的高度。



鞭打试验的影响因子

以NCAP体系为例，用石川图进行分析，相当于生产中的产品质量分析，在实验失效分析时也可以用到。

比如NIC颈部伤害指数和头、头枕的接触时间，头和头枕接触时间内的最大值是由颈部加速度和头部加速度的差造成的，直接影响因素是头部加速度和颈部加速度。影响头部加速度曲线的因素一个是加速度是什么时候开始提升的；第二是加速度提升的是快还是慢；第三是加速度提升的稳不稳定？这就是加速度的等级。



加速度起始时间影响头和头枕之间的最大距离，头和头枕接触到加速度才起来，按照惯性，头一直处于零加速度；在实际碰撞过程中，速度很大，头枕盒的泡沫结构一下子就压下去了，实际上头枕盒A面的形状是什么样也有关系。

关于靠背倾角结构，后排座椅有一种直接靠背锁在侧面的，这相当于靠背是三点固定的，在整个碰撞过程中，头枕相对于车身刚开始接触时是相对稳定的。另一种是前排座椅，它是靠两边的调角器固定，刚开始碰撞身体和靠背接触时，能量给了靠背，靠背会绕着调角器向后进行旋转，头其实是在追头枕，直到碰到头枕加速度才会起来，所以靠背结构也会影响头部加速度起始的早晚。另外，头枕A表面的形状、头枕的高度，包括连续调角器还是非连续调角器都有影响。

总结与展望

最后展望一下未来可能的趋势，试验标准和试验方法到底会有什么样的变化。C-NCAP很有可能的变化方向是，以前是前排座椅、后排座椅分别进行试验，将来可能是前排和后排试验，前排和后排座椅放在车身里一起滑出去，相当于直接装到车身中一起作为滑车同时评价。另外，以前NCAP体系只评判装车比最大的配置，以后对于其他配置是不是会进行评价呢？这个在讨论之中，具体形式是抽取主机厂车型进行试验，其他配置是不是要进行评价和打分，主机厂到底是自愿送检还是会基于FEA的结果给消费者提供参考报告，具体形式还在讨论之中。

C-IASI将来也有一个方向，因为现在已经加入了NIC，颈部力标准更严了，目前C-IASI还是用的16公里每小时曲线，它也在讨论是否会把曲线进一步加大，这也是一个方向，有可能会考虑高能量曲线，因为C-IASI实验室现在是官方实验室，所以这也是一种可能性。另一方面，它也在探讨是不是会加入副驾座椅的评价和后排座椅的评价。

以上的分析都是在我们进行试验以后，对实际问题进行分析以及到底如何去优化的思路。将来如何提前感知或提前为这些新的标准做准备，一方面需要提前做一些标准的预判，包括一些提前的阈值，看看在可能的方向上我们的产品会有什么样的结果，是否需要提前进行相关的优化。

另一方面，在有些高端车型上，还有一些走在前面的自主车型上也在逐渐采用主动头枕等主动安全配置，因为头和头枕之间的间距会对结果造成直接影响，间距小了结果会好，间距大了舒适性会好，主动头枕相当于增大了投入，但是能够更好地保证两者之间的关系，这也是一个可能的工作方法，这方面需要各家主机厂和各家座椅厂家共同探讨。