乘用车座椅靠背角对乘员碰撞安全性的影响分析*

曹立波，戴黄伟，张瑞锋，李正坤，张冠军

(湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082)

前言

汽车座椅是乘员约束系统的重要组成部分，为了满足乘员舒适性要求，座椅的靠背通常都设计成可以调节的，调节范围可以达到15°[1]。特别是对于副驾驶员，由于其在车内主要处于休息状态，座椅靠背的角度经常调节到大于设计值。然而，目前的碰撞安全性评价方法中都要求将座椅的靠背调节到使3DH装置躯干倾角达到制造厂规定的设计角度或调节到从铅垂面向后倾斜25°的位置[2]。在这种情况下的实验只能反映出座椅靠背在特定角度下的乘员碰撞安全性，不能较全面反映在实际碰撞事故中的情况。因此，有必要研究汽车座椅靠背角度的变化对乘员碰撞安全性的影响。

克莱斯勒公司的研究表明，将倾斜的靠背调节到垂向的位置后能够提高安全带的效率[3]，文献[4]中通过优化包括靠背角度在内的乘员乘坐位置使乘员损伤整体降低了43%。然而，对于不同靠背角度下乘员在碰撞中的损伤情况的研究仍然缺乏。为此，本文中以副驾驶员为研究对象，采用LS-DYNA软件分析了座椅靠背角度的变化对乘员损伤的影响。

1 仿真模型的建立和验证

本文中仅研究副驾驶员的损伤，因此，所建立的车体模型只包含副驾驶员位置的地板和仪表板等部件；同时建立了汽车座椅、安全带和副驾驶员安全气囊等约束系统模型。其中，安全带的限力值为3.2kN，安全气囊使用均匀压力模型，起爆时间为20ms，质量流速率曲线如图1所示。选用美国乔治华盛顿大学开发的经过验证的Hybrid III 50th有限元假人模型[5]。整个约束系统模型共有416 055个节点、398 103个壳单元、138 706个实体单元和1 095个焊点单元。有限元模型如图2所示。

为验证仿真模型的有效性，对比分析了在相同碰撞条件下的仿真与实验结果，图3～图7为假人损伤响应曲线对比，表1为假人损伤参数对比。

由图3～图7可以看出，仿真和实验中安全带肩带力、腰带力以及头部、胸部和髋部x向加速度曲线吻合较好。

由表1对比可知，假人相关损伤指标最大误差均小于13%，因此，认为该模型有效，可以用于进行后续研究。

表1 仿真模型和实验假人损伤参数对比

2 仿真分析

利用以上建立的副驾驶员约束系统模型，增大座椅靠背角度进行仿真分析。初始靠背角度为23°，分别将靠背角度向后增加5°、10°、15°和20°。表2为相同碰撞条件下，不同靠背角度对应的乘员损伤。

表2 不同靠背角度下的乘员损伤

由表2可知，随着靠背角度的增加，乘员的头部HIC值、颈部弯矩My、颈部张力Fz和胸部3ms合成加速度均增加，而胸部压缩量基本不变，左、右大腿力先增加后减小，颈部剪切力Fx逐渐减小且由正值变为负值。靠背角度为43°时，头部HIC值增加了227%，颈部弯矩增加了132%，头部HIC值和颈部弯矩My超过人体耐受限值。颈部张力Fz增加了106%，损伤值接近人体耐受限值。胸部3ms合成加速度和左、右大腿力虽然增加了，但都在C-NCAP乘员损伤的高性能指标附近。因此，靠背角度的改变主要影响乘员的头部和颈部损伤。

2.1 头部损伤分析

图8为头部加速度曲线对比。由图8可知，随着靠背角度的增加，头部合成加速度峰值由54.3g增加到88.5g，峰值时刻由91ms延迟到100ms。头部x向加速度上升时刻延后，峰值逐渐增加，说明安全带对假人的约束作用开始时间延后；y向加速度峰值均在8g以内；z向加速度峰值明显增加，当靠背角度达到38°时，其峰值增加到了59.2g，角度为43°时峰值为73g，为初始值的230%。因此，在靠背角度为38°和43°时，HIC值和头部合成加速度值很大的原因是z向加速度分别增加了25g和38.8g。从运动动画可以看出，靠背角度为38°时碰撞后期头部缺少安全气囊的支撑，因而使头部z向加速度峰值迅速增加。而靠背角度为43°时安全气囊对头部无支撑。

2.2 颈部损伤分析

图9为颈部弯矩My曲线。由图可见，随着靠背角度的增加，颈部伸张弯矩增加，弯曲弯矩减小，当靠背角度为43°时伸张弯矩为58N·m。图10为颈部剪切力Fx曲线。由图可见，颈部剪切力Fx正值逐渐减小而负值逐渐增加，但其峰值均在±1kN之内。颈部张力Fz如图11所示。由图可见，Fz随着靠背角度的增加而增加，当靠背角度为43°时达到了3.17kN。

图12为靠背角度在23°和38°时乘员运动姿势对比。由图可见，座椅靠背角度增大时，假人头部和胸部离仪表板的距离增加。时间为80ms，靠背角度为23°时，假人与安全气囊已经接触；而靠背角度为38°时，假人头部距离安全气囊还有30mm，头部相对于颈部向后旋转，颈部弯矩My为-35N·m，此时仍承受较大的伸张弯矩载荷。时间为120ms，靠背角度为23°时，安全气囊能够很好地缓冲头部的向前运动；而靠背角度为38°时，假人头部和胸部距离安全气囊较远，此时碰撞后期头部缺少安全气囊的支撑而胸部被安全带约束使头部绕胸部旋转，这种旋转使颈部Fz和头部z向加速度迅速增加。当靠背角度增加到43°时，安全气囊对头部没有支撑作用，Fz和z向加速度进一步增大。

2.3 约束系统效率分析

图13～图15分别为不同靠背角度下安全带肩带力、腰带力和髋部合成加速度的对比。由图可见，靠背角度增加时肩带力峰值变化不大，上升时刻延后。峰值变化不大是由于使用了限力器，并且没有转向盘的约束作用。上升时刻延后是由于安全带与假人开始作用时间延后。靠背角度的增大使座椅对髋部z向约束增加，座椅和安全带对髋部x向的约束减小。靠背角度增加10°时，安全带腰带力峰值减小了近一半，且髋部合成加速度也减小。同时头部合成加速度增加，由此说明在靠背角度增加时约束系统对乘员的髋部约束减小，而头部的载荷增加。由于一般约束系统的设计原则是要求髋部这些承载能力较强的部位分担较多的载荷，而当靠背角度增加到43°时，安全气囊对头部没有支撑。因此，靠背角度的增加将不利于约束系统对乘员的保护。

3 结论

采用LS-DYNA软件分析了正面碰撞中不同座椅靠背角度下副驾驶员的损伤情况和约束系统保护效果。仿真结果表明，在正面碰撞中，当座椅靠背角度过大时，约束系统效果下降，安全气囊不能对乘员头部和颈部起到有效的保护作用，使乘员的头部和颈部损伤较大。在碰撞之前如果将过大的副驾驶员靠背角度减小，则可提高约束系统的效果，降低副驾驶员损伤。由于驾驶员在驾驶时通常不会将靠背角度调节太大，故该研究结论不适用于驾驶员座椅。

[1] Miriam A Manary,Matthew P Reed.ATD Positioning Based on Driver Posture and Position[C].SAE Paper 983163.

[2] 中国汽车技术中心.C-NCAP管理规程[S].2012.

[3] Rodolfo Schoneburg.Pre-safe-the Next Step in the Enhance of Vehicle Safety[C].18th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles.Washington D.C.Paper No.410,2003.

[4] Christian Gruber.BMW Integrale Sicherheit[C].Technsche Rettung aus PKW,7.Berlin,2011.

[5] Mohan Pradeep,Marzougui Dhafer,Kan Cing-Dao.Development and Validation of Hybrid III Crash Test Dummy[C].SAE Paper 2009-01-047.