【汽车安全】鞭打试验中NIC的两种典型失效模式分析

摘要

鞭打试验得分高低可以反映汽车座椅在追尾事故中对人体颈部保护性能的好坏,而颈部伤害指数(NIC)是鞭打试验的评价指标之一,其低得分率一直困扰着车企和座椅供应商｡为解决此问题,依据中国新车评价规程(C-NCAP)中的鞭打试验程序,开展了系列试验,总结并提取出了NIC两种典型失效模式｡通过文献调研､理论推导和仿真分析得出了影响NIC的直接因素,主要包括加速度起升时刻差异､加速度起升速度差异和加速度起升稳定性三个方面,并分类总结了优化各因素的优化措施｡研究结论将服务于座椅开发,为座椅鞭打性能优化提供借鉴意义｡

关键词：鞭打试验;颈部伤害指数;失效模式;中国新车评价规程

作者：张爱法,李志,娄磊,陈洋

中汽研汽车检验中心(天津)有限公司,天津

种事故形式｡追尾事故产生的伤害因其事故特点取名“挥鞭伤”,属于典型的次级伤害,虽不致命,但是伤后康复的过程非常复杂､漫长,有些甚至是不可治愈的永久伤害[1]｡为了最大限度避免此类伤害的产生,中国汽车技术研究中心在中国新车评价规程(ChinaNewCarAssessmentProgram,C-NCAP)中增加了鞭打试验,用于评价座椅及头枕系统在追尾事故中对人体头颈部的保护效果｡

鞭打试验自2012年正式纳入C-NCAP评价体系,是被动安全评价板块的组成部分之一｡在鞭打规程经历了2015､2018､2021等多个版本的升级迭代以后,鞭打试验评价内容由原来的仅评价主驾座椅拓展为主驾座椅和二排座椅(左右随机),其所占分值也由原来的4分变更为现行版本的7分[2],也说明了鞭打试验存在的必要性｡当然,鞭打试验也一直受到了车企和座椅供应商的高度重视,使得汽车座椅的鞭打性能在不断提升｡颈部伤害指数(NeckInjuryCriteria,NIC)是鞭打试验中分值占比最高的一个评价指标,同时也是失分率最高的评价指标,据相关数据统计[3-4],C-NCAP2021版鞭打试验主驾座椅NIC平均得分率为60.2%,二排座椅NIC平均得分率仅有30.5%,远远低于其他指标的得分率(见表1)｡故此,深入研究分析NIC得分与失分规律,探索优化改进方案,具有实用价值｡

鞭打试验方案及评价方法

鞭打试验方案介绍

现行C-NCAP规则2021版中,动态试验过程主要通过台车(汽车模拟碰撞装置)完成(见图1),试验使用BioRID-II型假人,试验前将座椅通过工装按照实车状态安装固定在台面上,并依照鞭打试验规程完成静态测量和动态假人的摆放工作,对试验过程中的假人传感器通道进行伤害采集,最后进行假人伤害的数据处理,计算得分｡台车使用特定的加速度波形发射,其速度为(20±1） km/h,峰值加速度为(11±1)g,波形持续时间为(103±3)ms｡

鞭打假人伤害评分方法

在追尾事故中,乘员的躯干优先受力,会随车辆向前加速运动,而头部因惯性作用相对滞后,在碰撞加速度和头部惯性力的共同作用下,颈部产生一个像鞭子猛抽座椅的动作,对人体颈部产生伤害,其运动过程如图2所示｡

在C-NCAP鞭打试验中,“挥鞭伤”的评价指标包含颈部伤害指数､上颈部载荷和下颈部载荷三大项｡其中,上颈部和下颈部又分为剪切力Fx,拉力Fz和扭矩My三个分项,试验时取三个分项中得分最小值作为该部位的最终得分。伤害限值以人体耐受程度为基础，将 WAD 2+伤害等级 5%风险值设定为高性能阈值，95%风险值设定为低性能阈值[1]，具体数值见表 2。

在得分方面,主驾座椅的鞭打满分为5分,具体分布为颈部伤害指数2分,上颈部1.5分,下颈部1.5分｡假人伤害低于高性能限值得满分,高于低性能限值得0分,处于两者之间的部分采用线性插值的方法得出相应分数｡第二排座椅计算伤害的指标和伤害限值均相同,但各项得分为主驾座椅得分的0.4倍,所以二排座椅鞭打满分为2分｡

颈部伤害指数

NIC是目前应用较为广泛的颈部伤害指标之一,是建立在ALDMAN假设和SVENSSON等人的生物学试验基础上,由BOSTRÖM等[5]1996年提出的一种损伤评价指标,认为追尾事故时颈部的伸展与弯曲会导致人体脊髓槽内的液体形成压力梯度,从而对神经系统造成伤害｡计算伤害时,NIC区别于上､下颈部载荷这些直接测量,需要由鞭打假人3个通道的加速度信号合成:头部质心x方向加速度､T1左侧x方向加速度､T1右侧x方向加速度,其属于间接测量的伤害指标｡

根据C-NCAP规程NIC的计算方法如下:

NIC是由枕骨关节相对于T1的水平加速度和速度的相对值计算而得｡相对加速度:

相对速度:

式中,AT1−Left为T1左侧x方向加速度;AT1−Right为T1右侧x方向加速度;AHead为头部质心x方向加速度,三者的单位均为m/s2｡

颈部伤害指标:

鞭打试验中,NIC取假人头与头枕接触分离时刻之间的最大值:

通过上述推导公式可以确定,NIC指标与假人头部和胸部加速度直接关联｡胸部加速度与头部加速度差值(这里指正值)越大,则会导致NIC的正值越大,也就越不利于NIC得分｡

NIC失效模式分析及优化方案

上文统计数据提到,NIC是鞭打试验中失分最多的一个评价指标｡深入分析NIC失分原因,从现象到原理总结归纳,将对优化NIC提供方向指导｡通过对大量鞭打测试数据分析发现,虽然每个座椅的鞭打NIC数据千差万别,从峰值到趋势都不尽相同,但失分的直接原因相同,根据式(1)-式(5)可知,均为头部加速度与T1加速度的差异导致的｡这种差异可以区别为两种失效模式:失效模式一,头部加速度与T1加速度起升不一致导致的NIC失分;失效模式二,头部加速度与T1加速度稳定性差导致的NIC失分｡另外,为了便于直观观察和比较NIC曲线､头部加速度和胸部加速度的变化趋势,将三条曲线进行了叠加展示(见图3-图5)｡

加速度起升不一致导致的NIC失效

对于加速度起升不一致的问题,主要有起升时刻差异和起升速率差异两种表现形式,如图3所示｡图3(a)表现为两个加速度起升时刻差异过大,T1加速度在40ms左右已经缓慢起升,说明座椅靠背开始对假人胸部产生作用力,但头部直到72ms才与头枕接触,产生头部加速度,两个时刻差值为32ms,导致NIC在72ms附近产生了最大值;图3(b)的NIC峰值主要受加速度起升速率的影响,T1加速度同样在40ms左右开始缓慢起升,不同的是头部加速度起升时刻明显提前,为56ms,比图3(a)的头部加速度起升时刻足足提前了16ms,但是由于头部加速度提升斜率不及T1加速度,导致T1加速度与头部加速度的差值还在进一步增大,产生了NIC得分还不及图3(a)的情形｡图3(a)的状况多见于头后间隙较大的座椅试验;影响图3(a)的因素比较多,多见于头枕内部支撑不够､头枕杆松动､靠背塌溃等问题｡

加速度稳定性差导致的NIC失效

NIC失效的另外一种情形表现为头部或者胸部T1加速度出现较大的震荡,这种不同步导致合成参数NIC峰值很高,如图4所示｡这种类似“过山车”的加速度信号,将其称之为“二次碰撞”导致的NIC失分｡在图4中,头部和胸部加速度起升时刻非常接近,并且头部加速度起升速率高于胸部加速度,按照NIC的计算公式预测,会有一个很好的成绩｡但是由于头部加速度在到达一个峰值后,开始回落,然后又达到一个更高的峰值,这样一个“起-落-起”的过程,导致了NIC数据不理想｡图4中两条曲线的差异是图4(a)中NIC峰值时刻､T1加速度峰值时刻及头部加速度低谷时刻基本相同,而图4(b)中三个峰值时刻有比较明显的差异｡图4(a)多见于靠背骨架结构不合理,图4(b)多见于座椅快速下沉和头枕造型不合理的情形｡

NIC优化方案

优化座椅和头枕系统,通过两者功能配合,达到具有类似图5(某款满分座椅的NIC曲线)这样的鞭打保护性能,是我们共同的目标｡经仿真分析,影响座椅鞭打性能的因素非常多,从座椅滑轨钢珠､小塑料件到骨架结构,头枕结构等｡优化NIC得分,首先要提取影响头部加速度和胸部加速度的关键要素,可以从以下几个方面进行尝试(见表3)｡

相关研究表明[6-10],行业内已经针对座椅NIC优化做了很多工作,并且经过试验验证了一部分优化措施的有效性,希望可以与行业广泛交流,细化优化措施,进一步完善优化方案｡当然,汽车座椅是一个完整且独立的系统,对不同的座椅进行优化时,不同方案会存在不同的优化敏感性,甚至会产生与预期相反的效果,需要针对自身座椅特点进行个性化选择｡

结论

在鞭打试验中,NIC是评价假人颈部伤害的指标之一,但座椅得分一直受到NIC低得分率的困扰｡针对此问题,本文依据C-NCAP2021版鞭打规程进行了一系列试验,提取了NIC两种典型失效模式,并总结归纳了NIC影响因素及其优化措施,期望服务于座椅鞭打性能的开发｡后续将继续开展专项验证试验,验证优化措施的有效性,使优化方案更加科学合理｡

【参考文献】

[1]娄磊,杨运生,张晓龙.鞭打试验在欧洲､日本与中国[J].交通标准化,2010(18):37-41.

[2]中国汽车技术研究中心有限公司.C-NCAP管理规则(2021版)[S].天津:中国汽车技术研究中心有限公司,2021.

[3]张爱法,娄磊,陈洋.二排鞭打测试数据统计与相关性分析[J].汽车工程,2023,45(3):510-516.

[4]张爱法,丛艳军,赵雯.鞭打试验中前后排座椅数据差异性对比分析[C]//第二十五届汽车安全技术国际学术会议论文集.北京:中国汽车工程学会汽车安全技术分会,2023:41.

[5]BOSTRÖMO,SVENSSONMY,ALDMANB,etal.ANewNeckInjuryCriterionCandidatebasedonInjuryFindingsintheCervicalSpinalGangliaafterExperi-mentalNeckExtensionTrauma[C]//Proceedingsofthe1996InternationalIRCOBIConferenceontheBiomechanicsofImpact.Dublin:TransportationRese-archBoard,1996:123-136.

[6]李小兰,曹品金,王懿,等.基于DOE的后排座椅鞭打优化[J].上海汽车,2023(2):17-22.

[7]李海,赵座航,聂仁态,等.某车型驾驶员座椅鞭打试验性能研究及改进[J].时代汽车,2022(13):144-146.

[8]宁成业,杨平,胡祥玲,等.基于C-NCAP的座椅鞭打性能研究及改进[J].中国汽车,2019(12):28-32.

[9]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.

[10]张楚云.汽车座椅鞭打试验综述[J].内燃机与配件,2021(14):198-199.