主动式安全头枕的开发与仿真研究*

曹立波，李正坤，龚永坚

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082; 2.金华职业技术学院，金华 321007)

前言

追尾碰撞是发生率仅次于正面碰撞和侧面碰撞的主要交通事故形态，虽然追尾碰撞不像正面碰撞容易对乘员造成严重伤害，但却易于导致乘员发生包括颈部损伤在内的各种可持续影响受害者一生的损伤，从而造成巨大的社会医疗支出［1］。座椅头枕是一种保护颈部和降低头部与胸部相对运动的装置。研究表明，由于考虑乘员舒适性和侧面视野等因素，普通头枕只能起到13% ～18%的颈部防护效果［2］。

法规对安全性的要求已经促使传统头枕的设计越来越靠近乘员头部，但基于安全性设计的头枕会影响到乘员舒适性和侧面视野［3］。因此，设计一种既不影响乘员舒适性和视野，又能在追尾碰撞时靠近乘员头部的头枕装置成为一种迫切的需求。目前，常见的安全头枕有:纯机械式的头枕装置，借助乘员身体的力量触发头枕，使得头枕靠近乘员头部，但在使用中存在容易误触发、对身高较低的乘员不触发和响应滞后的问题［4］;预响应式头枕，通过毫米波雷达测速和测距，能准确地预测追尾碰撞的发生，提供对乘员颈部的有效保护，但由于成本高，主要用于中高档车辆，难以普及;碰撞响应式头枕，由传感器控制，电磁铁触发，响应准确迅速，具有较好的推广应用价值。

本文中提出了一种基于碰撞加速度信号控制的主动式安全头枕，它能准确判断追尾碰撞的发生，并及时有效地将头枕靠近乘员头部，建立了相应的座椅有限元与BioRIDII假人耦合计算模型，对该头枕的保护效果进行了仿真研究。

1 结构设计

该主动式安全头枕主要由固定部分和可动部分组成。按功能细分为感知控制模块、触发机构和执行机构，可动部分通过执行机构与固定部分相连。头枕包括收拢和展开两种工作状态，平时为收拢状态，当追尾碰撞发生时，头枕快速展开，向前、向上移动，以保护乘员，头枕两种状态示意图如图1所示。头枕结构如图2所示。

1.1 感知控制模块

为能快速准确地判断追尾碰撞的发生，主动式安全头枕采用加速度传感器实时采集车辆加速度信息，并以此判断追尾碰撞是否发生和碰撞强度，如果碰撞强度达到触发阈值，则系统将头枕解锁。

1.2 触发机构

为使头枕可动部分能在追尾碰撞发生后及时快速地展开，采用电磁铁触发，如图2所示，可动部分平时通过滑杆卡在从动臂的滑槽内，使头枕处于收拢和锁止状态;当追尾碰撞发生后，控制系统判断追尾碰撞发生，发送信号给电磁铁，电磁铁带动滑杆从滑槽中滑出，释放头枕可动部分，在10ms内完成头枕的释放动作。

1.3 执行机构

为使头枕快速完成向上向前的运动，采用平行连杆机构，利用拉簧提供动力。如图2所示，在追尾碰撞发生后，电磁铁触发机构解除头枕锁止状态，头枕可动部分在拉簧回复力的作用下，快速靠近乘员头部;该机构还具有限位机构，使得头枕展开到预定位置后锁止，不会在头部冲击力的作用下向后运动。头枕展开以完成颈部保护功能后，可方便地手动复位。

对主动式安全头枕进行样件试制，利用高速摄像仪对样件展开动作进行记录，结果如图3所示。由图可见，该试制样件展开动作控制在30ms内，能够保证头枕的快速展开，从而为乘员颈部提供有效的保护。

2 仿真研究

采用有限元软件LS-DYNA和多刚体软件MADYMO建立座椅有限元与BioRIDII有限元假人耦合计算模型，使用耦合计算的方法进行仿真分析。

LS-DYNA与MADYMO耦合计算方法结合了两个软件的各自优势［5］:LS-DYNA能准确模拟座椅结构变形;MADYMO假人数据库中BioRIDII假人的计算精度和效率高，数值稳定性好。在耦合计算过程中，LS-DYNA与MADYMO求解器分别计算出座椅结构变形和乘员动力学响应，并进行实时的数据交互，相互之间传递接触力和结构变形位置，耦合计算方法原理如图4所示。

2.1 座椅有限元模型的建立和验证

利用 Hypermesh软件构建某车型驾驶员座椅，包括骨架总成、头枕和坐垫等完整的有限元模型，如图5所示，该座椅有限元模型共计102 785个单元，其中壳单元44 830个，实体单元56 442个，梁单元 676个，RBE2单元837个。

使用质量 5.825kg、直径165mm的刚性摆锤以4m/s的水平速度冲击头枕对座椅有限元模型的有效性进行试验验证，输出摆锤的加速度曲线对比。验证试验和仿真模型分别如图6和图7所示，图8为试验和仿真得到的摆锤加速度曲线。由图可见:仿真结果在峰值及峰值时刻与试验结果存在一定的差异，但误差控制在10%以内，且两条曲线的趋势基本一致。因此座椅的有限元模型是有效的，可用于后续的研究。

2.2 追尾碰撞试验方法

按照C-NCAP法规中的追尾碰撞试验方法，根据原车结构将座椅和约束系统固定安装在台车上，座椅上放置BioRIDII型假人，台车速度控制在Δv=15.65±0.8km/h，加速度波形按照C-NCAP要求加载，加速度峰值为10.0g，在0～150ms时间范围内准确控制以满足试验要求。

颈部评价指标分为两组。一组为通过头部加速度和胸部加速度计算出的颈部伤害指数NIC;颈部伤害指数NIC是枕骨铰链相对于第一胸椎骨T1的水平加速度和速度的相对值。

另一组为颈部载荷，包括颈部上(第一颈椎骨C1)剪切力Fx、拉力Fz和扭矩My以及颈部下(T1)剪切力Fx、拉力Fz和扭矩My。

2.3 追尾碰撞的仿真研究

按照C-NCAP追尾碰撞试验方法，采用上述座椅有限元模型进行追尾碰撞仿真分析，碰撞加速度按照法规要求，反向加载在BioRIDII假人身上，座椅有限元和BioRIDII有限元假人耦合计算模型如图9所示。分别对乘员使用原结构座椅和安装主动式安全头枕座椅进行仿真分析。

原结构座椅和装有主动式安全头枕的座椅头枕展开后的静态尺寸如表1所示，其中头后间隙和头枕高度的定义如图10所示。该主动式头枕展开后使得头枕升高32mm，头后间隙减小38mm。

表1 座椅静态尺寸 mm

图11为乘员分别使用原结构座椅与装有主动式安全头枕座椅时的头部和T1加速度对比。在使用原座椅的情况下，在追尾碰撞发生35ms时，胸部开始承受向前的加速度，头部由于没有支撑，不承受向前的加速度，头部和胸部开始产生相对运动，到75ms时，头部与头枕开始接触，头部加速度迅速上升，80ms时刻，胸部完全陷入靠背中，胸部加速度达到峰值15g。此后，胸部加速度开始下降，92ms时刻，头部加速度达到30g的峰值，随后头部加速度开始下降，123ms时刻，头部与头枕分开，头部加速度降为0，头部与头枕接触时间为48ms。使用主动式安全头枕时，在65ms时刻，头部就已经开始与头枕接触，头部加速度提前上升，使得第一阶段头部和胸部的相对运动减小，头部加速度在100ms时达到峰值20g，头部与头枕接触时间增加至65ms。

图12为乘员分别使用原结构座椅与装有主动式安全头枕座椅时的颈部伤害指数对比。乘员使用原结构座椅时的颈部损伤指数NIC峰值发生在78ms，大小为33.4m2/s2;使用装有主动式安全头枕座椅时的颈部损伤指数NIC峰值发生在70ms，峰值为22.1m2/s2。研究表明:NIC值越大，脊髓神经根受刺激导致神经元细胞膜功能受到损伤的几率越大;NIC峰值达到15m2/s2时，颈部会有50%的损伤风险;NIC峰值达到32m2/s2时，颈部会有100%的损伤风险［6］。而C-NCAP法规要求的NIC低性能限值为30m2/s2。因此，原结构座椅在追尾碰撞中会使乘员颈部受到损伤，起不到应有的保护效果。而乘员使用主动式安全头枕时的颈部损伤指数NIC值相比原结构降低了33.8%，显著降低了颈部损伤风险，并且满足C-NCAP法规要求。

表2列出了追尾碰撞中的评价指标的性能阈值和乘员使用原结构座椅与安装主动式安全头枕座椅时的乘员响应参数。由表可见:使用原结构座椅时的损伤参数除了上颈部剪切力外均超过了低性能限值，对乘员颈部的保护性能欠佳;而采用主动式安全头枕后，乘员颈部损伤指数NIC和颈部载荷均有所降低，并且显著优于C－NCAP法规的低性能限值，说明主动式安全头枕能有效地降低乘员颈部损伤，起到保护乘员颈部的作用。

表2 追尾碰撞中乘员响应峰值

2.4 主动式头枕设计参数的仿真研究

为了更好地了解头枕展开位置对乘员追尾碰撞动力学响应和颈部损伤的影响，为优化硬件设计提供理论指导，提高汽车追尾碰撞颈部损伤的防护性能，在上述研究的基础上，以颈部损伤指数NIC作为评价指标，对主动式头枕的设计参数进行研究。

调整主动式头枕展开位置进行追尾碰撞仿真分析。取主动头枕未展开、展开至中间位置和完全展开3种情况进行分析，仿真结果如图13所示。由图可见:追尾碰撞中主动式头枕展开位置不同对颈部损伤有很大影响;头枕完全展开时，在70ms时刻NIC就已经达到峰值22.1m2/s2;头枕展开到中间位置时，76ms时达到NIC峰值28.5m2/s2;头枕未展开时，82ms时才达到 NIC峰值38.3m2/s2。NIC峰值的出现时刻与头枕接触时刻一致，说明头枕越靠近乘员头部，头部与头枕接触越早，乘员颈部损伤越小。由于头枕展开位置确定须综合考虑座椅种类，展开时间等因素，具体头枕展开位置的确定有待进一步研究。

3 结论

开发了一种基于碰撞加速度信号控制的主动式安全头枕，能够在追尾碰撞发生后60ms内展开，使头枕前移32mm，上移38mm。该头枕装置展开后，可通过手动方便地复位。建立了座椅有限元和BioRIDII假人的耦合计算模型，并根据C－NCAP法规追尾碰撞试验方法对未安装和安装主动式安全头枕的两种座椅进行了仿真研究。通过与乘员使用原座椅结构仿真结果对比可知，该主动式安全头枕使乘员在追尾碰撞中颈部损伤指数NIC降低33.8%，可显著降低颈部损伤，对乘员颈部有明显的保护作用。同时，通过对主动式头枕设计参数研究发现，随着头后间隙的减小与头枕高度的增加，主动式头枕具有更好的颈部保护效果，对头枕的设计具有一定的指导意义。

［1］Gerald Locke，Eric Veine，Andrew Merkle，et al.Influence of Seatback Content and Deflection on FMVSS 202a Dynamic Response［C］.21stESV Conference，Paper No.09 －0324.

［2］Brian D Stemper，Narayan Yoganandan，Frank A Pintar.Effect of Head Restraint Backset on Head－Neck Kinematics in Whiplash［J］.Accident Analysis and Prevention，2006，38:317 －323.

［3］Sawada M Hasegawa.Development of New Whiplash Prevention Seat［C］.19thESV Conference，Paper No.05 －0288.

［4］Anders Kullgren，Anders Lie，Claes Tingvall.The Effect of Whiplash Protection Systems in Real－Life Crashes and Their Correlation to Consumer Crash Test Programmes［C］.Paper No:07 －0468.

［5］Prabhu Setru，Jiri Kral，Swarna Rajeswaran.IIHS Side Impact U－sing DYNA－MADYMO Coupling［C］.8thInternational LS－DYNA Users Conference.2004:47－54.

［6］Kullgren A，Eriksson L，Boström O，et al.Validation of Neck Injury Criteria Using Reconstructed Real－Life Rear－End Crashes With Recorded Crash Pulses［C］.18thInternational Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles(ESV)，2003，Paper No.1－14.