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说说汽车座椅的安全性——刚性座椅与柔性座椅之争

2018-11-01 22:33:14·  来源：汽车安全与轻量化  作者：黄毅  
　
人们提到汽车座椅的时候，更多的会先想到与舒适性相关的功能：真皮座椅、N向电动调节、座椅加热、按摩然而座椅的另外一个可以说更重要的功能一直被消费者所忽略
人们提到汽车座椅的时候，更多的会先想到与舒适性相关的功能：真皮座椅、N向电动调节、座椅加热、按摩……然而座椅的另外一个可以说更重要的功能一直被消费者所忽略，那就是安全性。汽车座椅是乘员约束系统的一个重要组成部分。
 
说到乘员约束系统，大家首先都会先想到安全带、安全气囊等装置。汽车座椅在一旁默默流泪。是的，大家都忘了汽车座椅也是乘员约束系统的一个重要组成部分。从理论上来说，在汽车被动安全的领域，只要在汽车发生碰撞的过程中，可能与乘员发生接触，对人体产生载荷的部件，都算是乘员约束装置。而当人们决定坐着开车，而不是站着开车的那一刻起，座椅就已经是约束系统了，因此它的资格应该算是元老级的。只不过，由于座椅在乘员舒适性方面的作用实在是太突出了，导致安全性被消费者忽视。
 
其实工程师们早就注意到了汽车座椅对乘员的保护作用。在上世纪60年代，人们已经注意到了汽车碰撞事故中，尾撞发生的概率较小，但造成的伤害比例，以及医疗成本都比较高。一般来说，车辆被追尾的时候，相对速度都不高，属于较为轻微的碰撞。很自然，大家倾向于将座椅靠背的刚度设计的比较小（这里姑且称之为“柔性”的设计），尽量减小碰撞的过程中，乘员身体所受到的载荷。然而，到了上世纪80年代初，大家对交通事故数据进行评估，发现有问题。在一些比较严重的追尾事故中，例如小轿车被大货车拱了，或者后车完全没有减速，乘员的伤亡比较惨烈。工程师们一分析，发现之前的座椅都太柔了，在剧烈的追尾碰撞下，椅背被乘员向后运动的冲击力加载，向后转动到与竖直方向的夹角超过60度之后，就hold不住乘员了。乘员将以插水式的姿态越过座椅，向车后部的结构“飞”出去……后果可想而知。
图1 在严重追尾在严重追尾事故中座椅靠背变形过大导致乘员失去约束
 
既然座椅太“柔”了不好，那就把座椅的结构变得硬些（“刚性”）吧。可问题来了，当座椅刚度变硬，在低速碰撞下，乘员受到来自椅背的作用力更剧烈，乘员躯干向后运动的趋势被“硬”椅背限制住，因此加剧头部和躯干之间的相对运动，增加颈部受到挥鞭伤的风险（关于挥鞭伤，后续有专文进行介绍）。刚性座椅虽然照顾了高速工况的保护需求，但牺牲了低速工况的保护效果。
 
这场关于座椅是要“硬”一些，还是“柔”一些的争论，一直持续了将近40年，直到上世纪90年代，通用汽车的Viano博士提出了一种新的座椅结构设计，问题才得到较好的解决。这种座椅被称为“新一代高强度吸能座椅”（英文是：A New Generation of Yielding Seats with High Retention, 简单粗暴地直译过来就是新一代又软又硬的座椅……）Viano对传统椅背结构进行大刀阔斧的修改。其主要特征是椅背外围是强壮的一圈骨架结构，中间留下一个空洞。骨架是保证在高速尾撞的时候，座椅能承受较大的载荷，把乘员给hold住；而中间的“大洞”则允许低速碰撞的时候，乘员背部陷入其中。此时乘员只受到挤压靠背泡沫和弹簧结构时所产生的反力，因此比较柔和，可减少颈部的挥鞭伤。通用汽车自1997年开始在其产品线普遍装配此种座椅，并将设计对其它汽车制造商开放。Viano在2014年的一篇论文中指出，这种座椅能使尾撞事故中的致命伤害减少46.3%。
 
图2 通用汽车公司发明的高强度吸能座椅
 
汽车座椅的“刚性”和“柔性”之争，让我们看到汽车座椅这一“古老”的汽车部件，随着交通状况和损伤理论的发展而进化的过程。直到今天，汽车工程师仍在不断努力提高座椅的安全性能，例如进一步降低尾撞事故中挥鞭伤的风险；防止正面碰撞中乘员的下潜伤害等。这些内容将在后续的文章中进行介绍。
 
参考文献：
Viano D C. The debate between stiff and yielding seats - a new generation of yielding seats with high retention in rear crashes[M]. 2003.
Herbst B R, Meyer S E, Oliver A A, et al. Rear impact test methodologies: quasistatic and dynamic[C] // Proceedings of the 21st (ESV) international technical conference on the enhanced safety of vehicles, Stuttgart, Germany, 2009.
Viano D C, Parenteau C S. Update on the effectiveness of high retention seats in preventing fatal injury in rearimpacts[J]. Traffic injury prevention, 2015, 16(2): 154-158. 
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