某车型座椅鞭打性能改进

李永攀, 赵海英,沈军,张贺,张丽君

(北京汽车研究总院有限公司，北京 101300)

0 引言

追尾碰撞，俗称鞭打事故，在交通事故中的比例逐渐增多。鞭打事故中造成的鞭打伤是指由于后方碰撞导致人体受到向前的加速度，而头部在惯性力的作用下发生滞后，颈部产生像鞭子猛抽的动作，鞭打效应会造成颈脊骨伤害和脑震荡[1]。为了更好地评价座椅在追尾事故中对人体颈部的保护效果，各个国家都出台了相应的安全法规和评定规程，欧洲的Euro-NCAP和美国汽车安全保险协会IIHS都较早地将座椅鞭打性能纳入了考核体系[2]。我国发布实施的2018版C-NCAP管理规则对座椅鞭打性能提出更高的要求。

本文作者以某车型座椅为研究对象，针对其在按照C-NCAP-2018进行的鞭打试验，在其初始试验成绩低于FEA(Finite Element Analysis)的状况，通过分析影响鞭打试验性能的原因,制定改善措施，从而最终实现座椅实测鞭打得分高于FEA分析分值。

1 C-NCAP-2018版评价程序和评分原则

1.1 鞭打试验评价程序

将座椅及夹具准确地固定在滑车台面上，如果座椅是新的从未被乘坐过的，则应由(75±10) kg的人或装置在座椅上试坐两次，每次1 min。在安放HPM装置(SAE J826-2008)前，所有座椅总成应保持空载至少30 min。加速度波形在0～170 ms范围内，应被精确控制以满足试验要求。加速式台车的速度变化量应控制在Δv=(20.0±1.0) km/h，波形持续时间为ΔT=(103±3) ms[3]。具体见图1。

图1 试验波形

1.2 鞭打试验评分原则

鞭打试验最低得分为0 分，不会因罚分而减为负分。表1 为鞭打试验总体评分原则[3]。

1.3 影响鞭打性能的座椅参数分析

表1 评分原则

(1)NIC值

颈部伤害值NIC 是枕骨铰链相对于T1( 假人胸部)水平加颈部剪切力Fx。颈部剪切力只评价头部相对于躯干向后的部分，即Fx值为正。当NIC值超过15时，颈部承受轻微伤(AISI) 的风险会明显增加，损伤程度由短期损伤扩大到长期损伤[4]。

(2)颈部拉力

颈部张力只评价拉伸部分，其值为正。

(3)颈部扭矩

颈部扭矩评价伸张和弯曲两个方向：上颈部扭矩和下颈部扭矩。

1.4 常规优化鞭打性能思路

通常通过降低座椅靠背对假人胸部的水平加速度峰值,降低胸部加速度与头部质心加速度差值，降低颈部所受载荷峰值等措施可有效提高座椅防鞭打伤害的性能。

2 FEA分析

(1)建立鞭打模型，包括座椅、假人、三点式安全带以及B 柱和滑车4 部分，对其进行仿真分析，鞭打模型及分析结果曲线见图2—图3。

图2 鞭打模型

图3 分析结果曲线

其中颈部伤害值NIC曲线如图4所示，可知其峰值为17.36g。

图4 NIC曲线

(2)上颈部剪切力Fx曲线如图5所示，可知其峰值为19.22 N。

图5 上颈部剪切力Fx曲线

(3)上颈部拉力Fz曲线如图6所示，可知其峰值为 287.21 N。

图6 上颈部拉力Fz曲线

(4)上颈部扭矩My曲线如图7所示，可知其峰值为14.41 N·m。

图7 上颈部扭矩My曲线

图8 下颈部剪切力曲线

图9 下颈部拉力曲线

图10 下颈部扭矩曲线

(8)如表2所示，FEA模拟分值为4.02。

表2 FEA得分

3 第一轮试验验证

(1)分别选取时间为0、69、190 ms的座椅试验视频截图，如图11—图13所示。

(2)经过第一轮试验，其结果曲线如图14所示。

(3)第一轮试验得分如表 3所示(该评分表依据C-NCAP-2018版鞭打试验评价规程)。

图11 t= 0 ms

图12 t=69 ms

图13 t=190 ms

图14 试验曲线

指标试验值高性能限值低性能限值得分总分NIC16.72 mm/s28 mm/s230 mm/s21.21上颈部Fx0.39 N340 N730 N上颈部Fz600.04 N475 N1 130 N上颈部My16.91 N·m12 N·m40 N·m1.22下颈部F′x238.31 N340 N730 N下颈部F′z249.26 N257 N1 480 N下颈部M′y5.59 N·m12 N·m40 N·m1.50座椅靠背动态张角13.8°≥25.5°0头枕干涉头部空间0Y0座椅滑轨动态位移2.3 mm≥20 mm03.93

(4)试验结论如下：

由表2—表3可知，座椅试验总分3.93较FEA分析得分4.02偏低；上颈部My和Fz两项较FEA分值低, NIC值虽然比FEA有提升，但是距离满分2分仍有较大提升空间。

原因分析: 颈部伤害值NIC 是通过头部加速度和胸部加速度计算出来的，反映了头和胸部之间相对运动，即头部加速度和胸部加速度之间相差越大，NIC值越大，颈部的损伤越严重。该试验头部加速度触发较晚，当NIC处于峰值时胸部加速度较高，此时假人头部后倾，颈部倾斜较大，My和Fz值较高,导致得分偏低。

解决措施：可提升试验时人体在座椅靠背上的穿透性，增加人体胸部后移量。

4 优化方案

考虑试验和FEA分值相差不大，座椅不进行较大的改动，对座椅靠背进行优化，具体方案如下：

(1)靠背面套固定钢丝由整圈整体U形钢丝改为分3段固定钢丝，增加试验时人体倾入量(见图15)。

图15 钢丝优化

(2)靠背骨架上包覆的防异响无纺布，由全部包裹靠背骨架改为仅下部包裹无纺布(见图16)。

图16 包覆优化

(3)靠背弹簧钢丝横向宽度加长2 mm，降低弹簧钢丝拉紧力(见图17)。

图17 弹簧优化

(4)靠背骨架底部加焊固定支架，试验时减小骨架向后张角，变相增加靠背人体倾入量(见图18)。

图18 骨架优化

5 第二轮优化后试验验证

基于上述优化方案，进行第二次优化试验，其试验得分如表4所示，可知优化后座椅试验总分为4.37。

表4 第二轮试验得分

6 结论

依据优化后的方案，较第一轮试验有明显提高，也优于FEA分析得分，其优化方案效果明显，同时对现有座椅的改动量并不大，更改投入少，改善周期快，可用于后续量产实施。