某鞭打试验驾驶员伤害值优化研究

刘敏慧　王铮　杨成国

摘 要：文章以某C-NCAP 2018 5星项目座椅鞭打试验为基础，针对其在项目开发中鞭打试验假人颈部伤害值不达标的状况，通过对试验数据的研究分析，找出对其鞭打性能影响较大的相应座椅参数，在滑台试验中通过改进座椅靠背刚度和座椅头枕刚度及座椅头枕与假人头部相对高度差值等特性参数，真实可靠的减小了鞭打试验对乘员颈部伤害，提高了该座椅的鞭打试验性能从而满足开发目标。关键词：C-NCAP;鞭打试验;座椅参数;颈部伤害中图分类号：U471.3  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）08-156-04

Abstract： Aiming at the driver neck injure cant meet the developing requirement in one project whose development target is 5 stars in C-NCAP 2018， by studying the after test seats and analyzing the test data， finding out the critical parameters in test seat that can affect the Whiplash test performance in major， it is showed that the stiffness of the seatback， the stiffness of the seat headrest and the height of seat headrest can impact on the driver neck injure in deeply， so in the Whiplash tests changing these parameters in steps and reduced the driver neck injure value really in final， and make the test result meet the project target.Keywords： C-NCAP; Whiplash test; Seat parameters; Neck injureCLC NO.： U471.3  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）08-156-04

前言

发生车辆追尾事故时，由于颈部发生鞭打现象而产生的对颈部的伤害，叫做鞭打症。追尾事故会给乘员造成严重的伤害，被追尾时，被撞的汽车会以一个相当大的加速度向前运动，乘员的躯干随着座椅继续向前，而头部由于惯性作用产生滞后，运动的错位使得乘员颈部受到极大的拉伸，随后，头部就像“鞭梢”一样，被颈部甩向前方，这种现象称作“挥鞭效应”[1]。挥鞭效应会造成颈脊骨伤害和脑震荡[2]。

虽然颈部的挥鞭伤造成乘员致命伤害可能性相对较小，但可能引起长期的颈部损伤，导致巨大的社会性支出[3]。据不完全统计，在欧洲、美国、澳大利亚等国家，其社会保险机构每年都会因为追尾交通事故中颈部伤害而带来的巨额保险支出。

本文以某C-NCAP 2018 5星项目座椅鞭打试验为基础，针对其在项目开发中鞭打试验假人颈部伤害值不达标的状况，通过研究分析，找出对其鞭打性能影响较大的相应座椅参数，在滑台实验中通过改进座椅靠背刚度和座椅头枕刚度及座椅头枕高度等特性参数，真实可靠的减小了乘员颈部伤害，提高了该座椅的鞭打试验性能从而满足开发目标。

1 某前排鞭打试验结果分析

1.1 C-NCAP数据统计

以上23款5星车型数据统计中，前排驾驶员鞭打伤害值最低分为3.53分，最高分4.9分，平均值为4.27分。

1.2 C-NCAP2018总体评判总则

C-NCAP2018版较C-NCAP2015版，速度从原来的15.65km/h提到到20km/h，试验要求总分由4分提高到5分，上颈部总分数由1分提到1.5分，下颈部总分数由1分提到1.5分;试验过程中靠背动态张角要求由小于19°调到小于25.5°。由此可见，追尾交通事故给人们带来的伤害被逐渐得到重视，而且C-NCAP组织机构通过逐年提高鞭打试验在C-NCAP总分中占分比例和得分难度来加强管理乘员座椅的设计要求，从而达到更好的保护乘员效果。

1.3 某鞭打试验结果

表3为某座椅鞭打试验驾驶员侧得分结果：由于在试验后，头枕空间干涉、座椅靠背张角、滑轨位移项都未发生减分。所以我们可以重点关注试验后假人得分项。

由表3可以看出，此次试验驾驶员在NIC、上颈载荷和下颈载荷都出现了失分现象，特别是NIC、上颈MY及上颈FZ、下颈FZ是重点失分部分。试验后通过对试验后座椅检查，结合试验数据、试验录像等分析此次鞭打试验失分原因如下：

（1）图2中，T1Are.（T1left+T1right）为假人胸椎接触到座椅靠背时左、右胸椎在X向产生的加速度平均值，稍后文章均称为T1Are.，Head AX为假人运动过程中头部接触到座椅头枕后在X轴方向产生到加速度值，其中，假人头部接触座椅头正持续时间为68ms到161ms。从图2可以看到，T1Are.在32ms已经开始上升，在约78ms时与Head AX差值达到最大即NIC发生时刻，此时假人头部虽然已经接触到座椅头枕，但是Head AX才刚刚有开始上升趋势，此时的Head AX值几乎趋近于零，在约100ms时Head AX才到达峰值。由此说明，试验座椅靠背发泡刚度與座椅头枕刚度配合得不合理，在假人胸椎接触到座椅靠背后，由于座椅发泡靠背刚度太大而不能伴随假人胸椎向后移动，从而辅助吸收加载在假人身上的动能，反而给了假人胸椎很大的反向冲击力，从而迅速提升了T1 Are.加速度值，并迅速使其达到峰值;另外，座椅头枕杆刚度不够，虽然在69ms时假人头部已经接触到头枕，但座椅头枕杆没能起到及时支撑作用，不能减小头、胸相对运动激烈程度，从而增大了NIC值。

（2）试验数据中，如图3上颈MY在约125ms时达到峰值，而座椅靠背在约110ms时就已经停止运动。这充分说明试验过程中座椅靠背已经停止运动，但是由于头枕杆支撑力不够无法阻止假人头部继续向后运动，造成头部后移过度，从而增大MY值;同时如图4，因为座椅头枕高度不足没有高出假人头部顶部，使假人头部在后移过度在造成在Z向滑出座椅头枕，从而假人上颈拉伸力增大，增加了FZ值。

2 座椅鞭打滑台优化

2.1 优化方案一

2.1.1 优化NIC及颈部MY伤害策略

（1）将图5中的A部分A面（虚线部分）削减12mm，达到减小座椅靠背发泡刚度的目的;

（2）将图5中的B部分头枕增厚20mm，目的是减小座椅头枕与假人头部间隙，使假人运动过程中座椅头枕可以尽早接触假人头部，支撑头部，使头部Head AX值提前发生;

（3）将图5中的C部分头枕杆处增加U形件a，直径加强为φ12，以加强座椅头枕对假人头部支撑作用;

（4）根据以上参数，进行样件优化后再次进行滑台优化试验。

2.1.2 滑台试验结果

通过优化方案一优化后的座椅进行试验后，由图6可知，A部分为优化前后Head AX在78ms区域内对比曲线;B部分为优化前后T1Are.在78ms区域内对比曲线;C部分为优化前后在78ms区域内T1Are.与Head AX差值对比曲线。由A可知，Head AX优化后在78ms时由0 m/s2增大到19m/s2;由B可知T1Are.由90 m/s2减小到75 m/s2，由C可知假人头部加速度与T1 Are.在78ms区域差值约40 m/s2。由此可知减薄座椅靠背A面的厚度的作用很好的降低了座椅支撑刚度，在试验假人向后运动中，大大的减小座椅的反作用力T1 Are.，与此同时，增厚座椅头枕，适当减小了假人头部与座椅头枕的间隙，假人头部与头枕接触时刻从69ms提前到60.7ms，使假人的胸椎和头部在向后运动中可以达到合理配合，从而降低了NIC值。

由图7可知，优化方案一中，也特别处理了座椅头枕杆的强度，使头枕能够很好的支撑住假人运动中的头部，大大降低的假人上颈MY的值，甚至得到满分的成绩;上颈FZ值在此方案中没有得到降低，需要进一步进行优化试验。

方案一优化结果中，为了证明优化方案方向的正确性，所以重复进行了一次同工况试验，试验结果相对比较稳定，假人伤害值的波动在可接受范围之内，由此证明此次优化方案的正确性。

2.2 优化方案二

2.2.1 优化颈部载荷FZ策略

（1）此优化方案二为在优化方案一基础上进行，目的是保持假人上次试验的伤害值不增加的基础上继续优化NIC和上颈FZ值。

（2）由于原来试验样件座椅头枕接触范围足够大，所以可以尝试将图8中B部分座椅头枕定位孔由5EA*φ11变为6EA*φ11，在箭头指示位置增加，将假人头部与座椅头枕高度差值由原来的5.6mm更新为-5mm，以阻止假人头部Z向过分滑出现象。

（3）继续加强图5中C部分头枕杆a和b部分强度，将其钢管部分全部采用特殊工艺将钢管空心部分实心处理，进一步增强座椅头枕对假人头部支撑作用。

（4）根据以上参数，进行样件优化后再次进行滑台优化试验。

2.2.2 滑台试验结果

从此次试验结果可以看出，优化方案二中，虽然NIC值有所下降，但是，对于假人的颈部FZ却得到很好的改善，如图9，假人上颈受到的颈部拉伸降低了约90N，如图10下颈受到的颈部拉伸降低了约200N，比原来提高了0.21分;下颈部得到1.5分满分。通过以上结果说明，试验假人在运动中，座椅头枕的高度可以有效的阻止假人在试验运动中头部过度的滑出头枕，减小假人颈部受到的拉伸伤害。

考虑到开发成本及样件数量，同工况样件重复一次试验后，假人伤害值基本稳定，而且经过此次优化后，试验后假人得分基本达到目标值，所以样件优化参数基本可以确定。

3 结论

本研究依据C-NCAP 2018相关鞭打试验要求，并参考C-NCAP 2018年度发布的某23款5星车中鞭打试验得分平均值作为项目开发目标，就某项目进行驾驶员侧鞭打滑台试验过程中，结合后碰撞中乘员伤害值评价指标针对假人伤害值问题进行了分析，并结合滑台试验进行相应的样件优化试验，最终达到本项目鞭打试验开发目标。

综合以上可知，利用滑台试验手段进行座椅鞭打开发、优化、验证手段，可以在最短的时间得到最真实有效的结果，为项目开发争取到有利时间。

參考文献

[1] 孙岚颖.某轿车座椅鞭打试验性能研究及改进[J].汽车零部件， 2013.

[2] 杨学桐.金相检验[M].上海：上海科学普及出版社，2003.

[3] 党雪芒.某驾驶员座椅鞭打性能分析及优化[J].机电工程.2015.2.