正面碰撞中基于新型前排安全座椅的后排约束系统优化研究*

洪 亮，葛如海

(江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013)



2015217

正面碰撞中基于新型前排安全座椅的后排约束系统优化研究*

洪 亮，葛如海

(江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013)

提出了一种新型汽车前排安全座椅，以实现正面碰撞中对后排乘员的约束保护。首先，采用碰撞仿真软件MADYMO建立了某轿车后排约束系统模型，进行仿真和试验验证，并利用该模型，分析确定能使乘员获得较好的保护的扭簧转动刚度为10N·m/(°)。接着通过灵敏度分析，选出5个较为敏感的参数。最后，以该5个参数为优化变量，由头部伤害指标HIC15、胸部压缩量D和枕骨伸张弯矩峰值Myoc加权构成的综合伤害指标最小化为优化目标，通过响应面分析进行优化。优化后，后排女性乘员安全性显著提高，HIC15，D和Myoc分别降低了37.76%，4.72%和56.08%。

正面碰撞；新型前排安全座椅；后排约束系统；优化

前言

汽车座椅是汽车安全的重要部件之一[1]，主要由坐垫、靠背和头枕组成，坐垫约束乘员的向下运动，靠背约束乘员的向后运动，头枕约束乘员头部的向后运动。当今汽车座椅对乘员的保护研究主要集中在座椅对自身乘员的保护上：例如在正面碰撞中，座椅前后位置、坐垫刚度和坐垫倾角与乘员伤害、“下潜”运动的关系研究[2-4]；在追尾碰撞中，座椅头枕几何位置、头枕刚度、靠背刚度以及靠背倾角调节器转动刚度等与驾驶员颈部“鞭伤”的关系研究[5-8]；在侧面碰撞中，座椅靠背侧气囊、头枕侧气囊对乘员伤害的影响研究[9]。然而有关汽车座椅对非自身乘员保护的研究很少。由于轿车后排座位空间相对狭小，在正面碰撞中，后排乘员头部在碰撞惯性力的作用下，易与前排座椅发生二次碰撞，导致伤害。本文中提出了一种新型汽车前排安全座椅，该座椅能够在后排乘员头部撞击前排座椅头枕时，对后排乘员提供有效保护。

根据2012年中国新车评价规程中关于正面碰撞后排乘员安全性的相关规定，研究新型汽车前排安全座椅对后排女性乘员伤害的影响，并利用灵敏度分析法，确定采用该新型座椅时，后排约束系统中影响女性乘员伤害的主要因素，并对其进行优化设计，从而为该类型约束系统结构与性能的改进提供参考，同时为新型约束系统的研制提供理论依据。

1 新型汽车前排安全座椅

1.1 新型汽车前排安全座椅的工作原理

新型汽车前排安全座椅主要由座椅头枕、头枕导杆、靠背骨架、U形头枕导套、纵板、扭簧和横杆等组成，如图1所示。U型导套包括两端的竖直杆和中间的水平杆；头枕导杆可插入两端的竖直杆中，用于调节头枕高度；U型导套的水平杆下方固定有两个纵板；固定在靠背骨架上的一横杆穿过纵板中的圆孔而与之形成转动链接；纵板间设有一扭簧，套装于横杆上，其自由长度略大于两纵板间的距离，使弹簧有一定的压缩量。扭簧的两端分别卡在两个纵板的小孔中。当头枕带动U型导套和纵板向前转动时，扭簧将产生反扭矩。

新型汽车前排安全座椅的工作原理是在轿车正面碰撞中，后排乘员头部在惯性力的作用下撞击该座椅头枕时，扭簧的两端在纵板的压力作用下发生扭转弹性变形，这样纵板就绕靠背骨架中的横杆向前转动一定角度，同时U型导套、导杆与头枕向前转动一定角度，从而吸收碰撞能量，有效减轻后排乘员受到的伤害。当碰撞结束后，后排乘员在安全带的拉力作用下向后位移，纵板失去后排乘员头部撞击力的作用，不再给扭簧施加扭力；此时扭簧恢复原有状态，带动纵板绕横杆恢复原始状态，同时U型导套、导杆和头枕恢复原来位置，正常保护前排乘员头和颈部安全。

1.2 正面碰撞后排乘员约束系统仿真模型的建立与验证

以某型轿车乘员区域相关尺寸和性能参数为依据，采用碰撞仿真软件MADYMO建立了包括车内环境模型、Hybrid Ⅲ女性第5百分位椭球假人模型和三点式安全带模型在内的后排乘员约束系统仿真模型，并定义了各部件的载荷特性和各部件之间的接触。

所建立的仿真模型须经实际正面碰撞试验的验证。试验获得的假人各部位伤害响应曲线与仿真计算的假人伤害响应曲线的对比如图2所示，假人主要伤害指标的对比见表1。

从图2看出，试验与仿真得到的假人伤害响应曲线吻合较好。表1表明仿真计算得到的假人各伤害指标与试验结果相比，虽存在一定的误差，但误差均小于10%，因此可将此仿真模型作为基本模型进行深入研究。

表1 假人伤害指标的试验与仿真对比

1.3 正面碰撞中新型前排安全座椅对后排女性乘员保护效果的分析

在所建立的正面碰撞仿真模型中，将前排驾驶员座椅靠背与头枕导杆间的原固定链接改为转动铰链接。转动铰位于图1中扭簧的位置，用于模拟新型前排安全座椅中扭簧的作用。并进一步分析4种扭簧(转动铰)转动刚度对后排女性乘员的保护效果，结果如表2所示。

由表2可知，随着新型前排安全座椅中扭簧的转动刚度降低，乘员头部、胸部以及颈部损伤值逐渐降低，胸部压缩量和髋部合成加速度变化不大。当扭簧的转动刚度为10N·m/(°)时，继续减小转动刚度已不能显著改善头部和胸部的损伤值，并且太小的刚度值容易引起汽车正常行驶中头枕误动，不利于其自身乘员的乘坐舒适性。因此确定扭簧的最佳转动刚度为10N·m/(°)。采用新型汽车前排安全座椅时，后排女性乘员的运动姿态如图3所示。

表2 4种扭簧转动刚度对后排女性乘员的保护效果

2 后排乘员约束系统整体优化

采用新型汽车前排安全座椅，对后排女性乘员有较好的保护效果，但改变了后排乘员约束系统的约束特性，因此有必要对原约束系统进行优化，为女性乘员提供最佳保护。

2.1 主要优化因素的确定

首先进行后排约束系统各影响参数的灵敏度分析，以确定主要的优化参数。

经分析，影响后排女性乘员头、颈部伤害的主要参数有：前排座椅头枕后部刚度、前排座椅靠背倾角调节器转动刚度、后排安全带刚度(实际是延伸率，下同)、安全带上挂点高度、安全带摩擦因数等。影响胸部伤害的主要参数有：前排座椅靠背倾角调节器转动刚度、前排座椅靠背后部刚度、安全带刚度、安全带上挂点高度、安全带卷收器的锁止特性、安全带摩擦因数等。影响髋部及大腿伤害的主要参数有：前排座椅靠背倾角调节器转动刚度、前排座椅靠背后部刚度、安全带刚度、后排座椅坐垫刚度、后排座椅坐垫摩擦因数等。

因此，共选择了前排座椅头枕后部刚度、前排座椅靠背后部刚度、前排靠背倾角调节器转动刚度、后排座椅的坐垫刚度、安全带刚度和安全带上挂点高度等6个参数，采用MADYMO软件进行灵敏度分析仿真，参数如表3所示。

由表3可见，前4个参数，即前排座椅头枕后部刚度、前排座椅靠背后部刚度、前排靠背倾角调节器转动刚度和后排座椅的坐垫刚度的变动范围皆取原值的±40%，而后座的安全带刚度和安全带上挂点高度则分别变动±30%和±15%。

表3 灵敏度分析仿真参数

仿真结果见表4。根据仿真结果，按下式计算各伤害指标对诸参数的灵敏度，结果如表5所示。

100%

由表5可见，6个伤害指标对后排座椅坐垫刚度最不敏感，对其灵敏度比对其它5个参数的灵敏度小一个数量级(按绝对值平均)至两个数量级(按平均值)，因此将其剔除。最终确定优化参数为前排座椅头枕后部刚度、前排座椅靠背后部刚度、前排靠背倾角调节器转动刚度、后排安全带刚度以及安全带上挂点高度等5个参数，取值范围同表3中所示的上下限。

表4 各伤害指标对诸参数的灵敏度分析仿真结果

表5 各伤害指标对诸参数的灵敏度 %

2.2 约束范围

选择胸部3ms合成加速度T3MS，上颈部剪切力与轴向力以及左、右大腿力作为约束变量，约束条件为：T3MS低于40g，上颈部剪切力峰值F1和轴向力峰值F2分别低于1 200和1 700N，左、右大腿力峰值Fleft和Fright都低于3 200N。

2.3 优化目标

2012中国新车评价规程中，规定正面碰撞后排女性乘员的头部伤害指标HIC15须小于700，胸部压缩量D须小于48mm，枕骨伸张弯矩峰值Myoc须小于49N·m。将HIC15，D和Myoc3个评价指标用加权的方式综合在一起，提出了新的全面评价后排女性乘员损伤程度的综合伤害指标WIC作为优化目标：

2.4 优化参数响应面分析

头部伤害指标HIC15、颈部枕骨伸张弯矩峰值Myoc、胸部压缩量D与各优化参数的响应面分析如图4～图6所示。

从图4～图6可以得出，HIC15和Myoc对后排安全带刚度和安全带上挂点高度的变化相当敏感，对其它参数一般敏感；随着安全带刚度的降低和安全带上挂点高度的下降，HIC15和Myoc大幅减小；减小前排头枕后部刚度、前排靠背后部刚度和前排靠背倾角调节器转动刚度，也可一定程度地降低HIC15和Myoc。D对后排安全带刚度和安全带上挂点高度的变化相当敏感，而对前排头枕后部刚度、靠背后部刚度和靠背倾角调节器转动刚度的变化反应平缓；D与HIC15和Myoc的变化趋势相反，随着后排安全带刚度的降低，安全带上挂点高度的下降，D随之变大。

2.5 优化效果

经过响应面分析后，最终确定各参数最优值为：前排头枕后部刚度为30N/mm，前排靠背后部刚度为36N/mm，前排靠背倾角调节器转动刚度为66N·m/(°)；后排安全带刚度为13%，后排安全带上挂点高度下降至0.85m。优化后的约束系统对后排女性乘员的保护效果如表6和图7所示。

由表6可知，相对于优化前，优化后HIC15和Myoc显著降低，分别降低了37.76%和56.08%，左、右大腿力峰值分别降低了14.90%和19.98%，胸部压缩量D和髋部合成加速度峰值也有一定程度地降低，其他伤害值变化不大，综合伤害指标WIC由0.76降至0.51，下降幅度为32.89%。

3 结论

在采用新型汽车前排安全座椅的后排乘员约束系统中，使用灵敏度分析法确定影响女性乘员头部、颈部和胸部等部位伤害的主要因素。在材料特性和结构尺寸允许范围内对其进行优化，优化后约束系统的安全性较优化前有很大程度的提高。

优化后，女性乘员头部伤害指标HIC15、颈部枕骨伸张弯矩峰值Myoc、左右大腿力峰值显著降低，下降幅度分别为37.76%，56.08%，14.90%和19.98%。此外新定义的综合伤害指标WIC由0.76降至0.51，降低了32.89%，其它伤害值变化不大。

综上所述，本研究为新型后排乘员约束系统的开发提供了理论依据。

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A Research on the Optimization of Rear Seat Restraint Systemwith a New Front Safety Seat for Frontal Crash

Hong Liang & Ge Ruhai

SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013

In this paper, a novel vehicle front safety seat is put forward to achieve the constraint and protection of rear seat occupants in vehicle frontal crash. Firstly MADYMO is used to establish a model for the rear seat restraint system of a car, a simulation is conducted and verified by tests, and the rotational stiffness of torsional spring is determined by analysis to be 10N·m/(°) for the better protection of rear seat occupants. Then five more sensitive parameters are selected by a sensitivity analysis. Finally with these 5 sensitive parameters as design variables and minimizing the combined injury criterion as objective function, composed of weighted head injury criterionHIC15, chest compressionDand the peak stretch bending moment of occipital boneMyoc, an optimization is performed through response surface analysis. After optimization, the safety of rear seat female occupants is significantly enhanced withHIC15,DandMyocreduced by 37.76%,4.72% and 56.08% respectively.

frontal crash; new front safety seat; rear seat restraint system; optimization

*江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXLX12_0631)和吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室开放基金(20091106)资助。

原稿收到日期为2014年3月31日，修改稿收到日期为2014年5月12日。