车辆座椅系统防挥鞭伤性能的优化方案综述

韩 帅，孙 聪，师玉茹，张 聪

（东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110004）

0 引言

颈部挥鞭伤是一种特殊的颈椎、颈髓损伤，指由于身体剧烈加速或减速运动而头部的运动不同步，致颈椎连续过度伸屈而造成的颈髓损伤[1]。追尾碰撞是造成颈椎伤害的主要因素，在追尾过程中，座位带动躯干随被撞车辆向前加速移动，由于头颈相对自由,在惯性力作用下，头部后移，头颈发生水平移位，导致挥鞭伤的发生。在各种交通事故中，颈部伤害比例高达70%，而在追尾碰撞中，乘员颈部损伤概率更高，其中大约90%的后碰撞颈部损伤是低速碰撞（△V≤25km／h）造成的[2]。如今，追尾碰撞发生率逐年提升，2006年交通事故数据分析显示，交通事故总数中正面碰撞占18.5%，侧面碰撞占27%，追尾碰撞发生频率仅次于侧面碰撞，其比例高达25.5%；同时在高速公路的交通事故中，追尾事故发生频率远高于其他各类碰撞，其比例高达44.86%[3]；2008年追尾事故造成的直接财产损失高达2.5 亿元，占交通事故总损失的25.12%，高于正面碰撞的21.44%和侧面碰撞的24.39%。

本文将基于挥鞭伤评价准则，提出优化策略，对现有的防挥鞭伤措施进行分析比较，进而进一步认证优化策略的准确性。

1 挥鞭伤评价准则及优化策略

《C-NCAP 管理规则（2012 版）》在原有试验项目上增加鞭打试验，即检测追尾碰撞过程对乘员颈部造成的损伤程度[4]。2012 版管理规则的修改使得获得五星评价的难度上升约20%，并且更全面、真实地反应车辆在事故中对乘员的保护；2015 版管理规则将在2012 版的基础上更加注重主动安全、碰撞形态、测量效果、安全考核四大领域。

基于座椅安全性能考虑，座椅结构主要包括： 靠背、头枕、坐垫、座椅总成与车身相连接的固定部件[4]。对于减轻挥鞭伤损伤，最直接方式是改进头枕，最有效方式是靠背、头枕一体化设计。靠背主要分为柔性吸能式和刚性吸能式，柔性吸能式靠背在发生低强度尾撞时对于减轻挥鞭伤效果显著，但对于高强度碰撞柔性吸能式靠背会对乘员的约束能力降低，对乘员造成伤害。头枕分为感应式头枕和预响应式头枕，感应式头枕是指在追尾碰撞事故中，通过乘客自身的重量作用在座椅上的启动防护装置，使得头枕自动向前、向上移动（如Volvo公司的WHIPS 头颈部保护系统）。预响应式头枕是安装在汽车尾部的速度传感器与加速度传感器检测到追尾碰撞即将发生时，控制模块向头枕发出向前、向上移动的指令 （如奔驰NECK-PRO 碰撞预响应式头枕技术）。

2 现有防挥鞭伤结构性能对比及优化方案

随着对汽车安全性的深入研究，国内外专家相继提出了不同的汽车安全设计理念。根据作用形式不同，可分为头枕保护和其他防护，根据动力提供装置的不同，分为纯机械结构和机电一体化；根据响应方式不同，分为传统式主动式防护和主动式防护等等，下面是对现有几种安全座椅的介绍。

2.1 主动式头枕防护

现有的研究成果表明，在汽车受到追尾碰撞时，防止挥鞭伤的发生最首要的措施就是减小头枕与头部之间的距离。主动安全头枕是在车辆检测到后撞即将发生或后撞已经发生时，可动头枕部分在特定的机械结构作用下迅速向前上方移动，承接乘员头部以防止其强烈的向后甩鞭效应，在保证了乘员驾驶舒适性的同时，最大限度地保护了乘员的颈部安全。在汽车安全领域的研究中，已提出两类主动式头枕：一类是纯机械式的机构，另一类是机电一体式机构[5]。

纯机械式的头枕机构主要依靠追尾碰撞中人体的惯性作驱动整个防护机构，通过触发弹簧伸展或特定的连杆机构使头枕向前移动，承接乘员头部，防止其向后甩鞭，这种主动头枕机构不需要特定的感应装置，将人体的惯性作为整个机构的动力来源。现有的纯机械系统结构有如下两种[6]：

专利中的一种主动式安全头枕装置[7]是依靠追尾发生时，身体对靠背的冲击引发靠背和头枕内部的机械结构运动，触发头枕内部弹簧限位装置，从而使头枕弹出，缩小头枕与头部间的距离，降低头部的向后甩鞭作用。该装置虽然运动可逆，但不可以自行收拢，需要施加外力来使其收拢。

第二种结构是在追尾发生时，由于惯性作用，身体向后撞向靠背，通过靠背与头枕间的空间连杆机构，使头枕向前上方移动，从而减小所受的伤害。该装置相比较前者反应时间较长，可能在头枕起作用之前，挥鞭伤就已经发生，而且冲击惯性不同，触发效果也会不同。

另一类主动式头枕是机电一体式机构，该主动头枕将主动防护与被动防护思想想结合，通过对路况的检测来判断是否启动防护机构。路况检测方面通过速度传感器和加速度传感器采集前后车之间的相对速度与加速度；特定的电脑控制系统根据实时采集的路况信息快速判断是否即将发生追尾，同时将信息传递给执行模块；执行模块能够根据判断模块传递的信息启动乘员保护装置以保护乘员安全。

可伸缩式主动头枕机构应满足以下要求： ①伸展机构应有具有一定的方向引导；②在追尾碰撞中能够承受乘员头部对其施加的载荷；③其运动过程可逆。根据该原则，目前已有的主动头枕设计方案如下：

一种用于追尾碰撞颈部保护的主动头枕机构[8]，它由电机驱动特定的十字连杆机构来将可动头枕部分弹出。该装置依靠汽车安全主动防护系统对路况环境的检测和判断，在追尾事故发生前，及时将连杆机构展开，减小乘员头部和头枕之间的距离，防止其向后甩鞭；在危险状况消除后，连杆机构自动收拢。该装置的优点在于： 连杆机构的展开程度越大，其展开头枕的运动速度越小，承受能力越强。其缺陷在于： 头枕只能向前方运动，不能调整头枕弹出角度来准确承接乘员头部以防止产生挥鞭伤。

基于现有的主动头枕结构，提出了如图1 所示的防挥鞭伤主动头枕结构的优化方案，它包括电动推杆、可调节滑道和可弹出枕体。头枕内设置伸缩控制单元，追尾发生前可快速响应，并驱动伸缩保护枕体快速伸出一定距离(若过程中接触头部也会立即停止)，从而缩小了头枕与头部间的距离，降低头部的向后甩鞭作用。该装置在实现防挥鞭伤功能的基础上，结构简单，可自由调节头枕弹出角度，保护更加精确。

图1 电动推杆式主动头枕Fig.1 Electric pusher active head

2.2 其他防护措施

除可以通过上述主动头枕的调节之外，还有很多防止挥鞭伤的措施，如通过改变调角器的刚度，装置平动吸能座椅等。汽车在受到尾撞时，通过乘员或者汽车某一部件的惯性对座椅产生力的作用，使汽车座椅的防挥鞭损伤机构及时发挥作用，从而保护乘员颈部减轻或免受伤害。以下介绍平动吸能座椅的防护原理。

平动吸能座椅是指在发生中低速碰撞时，汽车座椅可沿固定滑轨后移一定的距离，同时由于克服阻力而吸收一定的碰撞能量。其设计核心就是吸能机构的设计[9]。设计吸能机构时主要考虑的因素是最大程度地使吸收同等能量所需的吸能元件质量减小。依据平动吸能座椅的设计要求，为了保证吸能装置能够在当前的大多数汽车上应用，装置仅在滑轨部分增加了可平动吸能部件，而座椅的其他部件均不做任何改变。以下简单描述常用的两种吸收能量的装置：

第一种是圆管撑裂吸能，首先将圆形钢管在其轴线方向上固定在相对车身位置固定的导轨上面，而刚性锥形管则固定在相对于车身可以移动的导轨上。由此，当汽车发生追尾碰撞时，随着座椅的向后平动，变形管被撑裂开，能够提供较好的平台力。在设计过程中，需要在失效的一端加工引导槽。这样可使得圆管受到拉应力而失效大致是沿着圆管的轴向[9]，撑裂的裂纹沿着预定的方向裂开，以保证结构的安全性和稳定性。该方案可针对不同的汽车参数，如车辆的载重，驾驶舱的空间大小和汽车行驶速度等，通过有限元分析的模拟实验，合理地设置圆变形薄钢管的抗拉强度极限，直径和厚度的大小以及与刚性锥形管之间的摩擦系数等因素，以改变撕裂力的大小，从而改变汽车的平动位移。

第二种是钢片拉弯吸能。钢片拉弯吸能是发生尾撞时，移动的座椅拉动钢片绕固定圆柱弯曲拉伸，从而获得稳定的平台力。固定圆管和固定限制块限制了钢片的运动，牵引圆柱与平动导轨相连。该结构的优点是由于平台力在钢片发生弯曲时可迅速增加，稳定时钢片移动的距离相对于座椅缓冲过程中移动的距离而言可以忽略，因此可认为平台力在整个过程中保持不变。

基于对现有吸能装置的研究，设计了一种依靠气液缓冲器来吸收汽车碰撞能量的缓冲装置；其吸能原理是： 进程时液压油流过节流孔产生粘滞阻尼，将冲击能量大部分转化为热能，小部分压缩气室内的气体转换成缓冲器的内能储存；回程时，压缩气体膨胀释放内能，克服回程阻尼做功，将部分内能转化为热能，从而吸收能量。该装置中的气液缓冲器通过固定卡托件安装在底座上，其活塞杆则与靠背相铰接，碰撞发生时，该装置能够将由人体的惯性产生的能量传递给车座下方的气液缓冲器。该结构的优点是既弥补了气弹簧弹性阻尼小的不足，又克服了液压缓冲在短时间内难以吸收大量能量的特点，二者的结合使其在汽车碰撞过程中吸收大量的能量，从而减少了对人体的损伤。

3 结论

随着科学技术的发展与生活水平的提高，汽车的安全性问题则引起更多的重视。汽车安全座椅则通过对头枕，靠背等装置的改进，实现高效防止挥鞭伤的功能。文中提出的优化方案在解决了防护单一、不能重复使用、不适合广泛推广等问题的同时，结构简单，稳定可靠，成本低，防挥鞭伤效果突出。此外，对汽车座椅系统进一步深入研究与改进，提高汽车的安全性，对我国汽车的研发和生产具有重要的现实意义。

[1] 罗进林，王爱玲，等.珍宝丸加申捷针治疗挥鞭样损伤临床观察[J].中国中医药科技，2014.

[2] 李明权，等.车辆后碰撞中损伤等级的鉴定[J].北京：交通出版社，1989.

[3] 李方.星光暗影之C—NCAP 看门道[N].中国消费者报，2014，1.

[4] 姚卫民，孙丹丹.汽车座椅系统安全性综述[J].汽车技术，2002.

[5] 金景旭.某轿车座椅头枕防挥鞭伤性能的研究及改进[D].吉林大学，2011.

[6] 林喆，杜汇良，周青.一种追尾碰撞主动防护头枕结构设计研究[J].汽车技术，2011.

[7] 长沙立中汽车设计开发有限公司. 一种主动式安全头枕装置[P].中国，201310041564.5.2013.

[8] 清华大学.一种用于追尾碰撞颈部保护的主动头枕机构[P].中国，200710175261.7.2009.

[9] 张晓伟.针对尾撞下乘员颈部损伤保护的平动吸能座椅性能分析[D].清华大学，2013.