全球主流鞭打性能测评方法综述及对比研究

梁铭丰 王凯 刘东春 黄浩

（中汽研汽车检验中心（广州）有限公司，广州 511300）

主题词：鞭打试验NCAP测评方法对比研究

1 前言

挥鞭伤（Whiplash injury）是指在车辆的低速碰撞中，伴随乘员头颈运动发生的轻度软组织损伤。这种损伤特别容易在停车中的车辆受到后方碰撞（追尾）的情况下发生。后方碰撞中乘员受轻伤的比例较多，死亡事故所占比小，但是由于发生频率高，占保险金支付额度的比例大，社会成本也大。

据有关调查表明，挥鞭伤是在车辆事故碰撞中最常见的人体伤害，约10%的挥鞭伤会造成长期颈部损伤，约1%的挥鞭伤会造成不可恢复的伤害。颈部伤害虽不是致命伤，但疼痛和恢复治疗却长期伴随着患者，导致巨大的社会性支出。

目前，美国、欧洲、日本、韩国等都先后出台了追尾碰撞保护的评价规程。我国于2012年将座椅鞭打试验评价纳入C-NCAP中，随着国内行业对座椅防鞭打性能越来越重视，C-NCAP鞭打试验评价前后经过了2015版和2018版的改版，试验工况条件及评价规则也越来越苛刻。

2 鞭打试验方法对比

目前全球主流的新车评估规程（New Car Assessment Program,NCAP）都加入了鞭打性能测评项目，其中以Euro NCAP、C-NCAP的鞭打测评最有代表性。除了NCAP，美国公路安全保险协会（Insurance Institute for Highway Safety,IIHS）和中国保险汽车安全指数（C-IASI）亦有自己的鞭打性能测评体系。综合来看，各家测评机构关于鞭打性能的测评试验方法大体一致，都采用静态、动态（均采用BioRIDⅡ假人）相结合的方法，差异在于试验的波形和评分体系的区别。

2.1 前排座椅静态评价试验方法对比

各家测评机构的鞭打测试主要由静态和动态2部分构成，并根据自己的测评体系分别对前排或前排和后排座椅进行测评。

2.1.1 座椅试验状态设置

首先，静态评价需要对座椅进行试验状态设置，对于NCAP测评体系来说前排座椅的试验状态设置基本一致：对于前后可调节的座椅，座椅滑轨须调到行程中间位置，如果中间位置无锁止挡位（如手动滑轨调节座椅）则向后调节到最接近中间位置的锁止挡位；对于高度可调节的座椅，座椅高度需调节到中间位置，如果中间位置无锁止挡位则往下调节到最接近中间位置的锁止挡位，具体操作方法为使用三坐标测量设备获取座椅某一特征点分别处于座椅最高和最低时的坐标值，取平均计算出向中值，然后调节座椅使该特征点坐标值逼近该中值。

除了上述座椅调节，更关键的是头枕试验位置的设置。对于上下可调的头枕，需要调节到中间几何位置（最高锁止位置和最低位置中间），具体操作方法为：将靠背调节到头枕杆竖直位置，使用三坐标测量设备获取头枕上某一特征点分别处于最高锁止位置和最低位置时的坐标值，取平均计算出向中值作为中间几何位置，然后调节头枕高度使该特征点坐标接近该中值，如果没有锁止挡位，则向上调节10 mm头枕，如果在此范围内无锁止位置则向下调节到下一锁止位置。对于前后可调的头枕，同样地计算出头枕分别处于最前和最后之间的中间位置，如果该位置没有锁止挡位，则先向前调节10 mm，如果在此范围内无锁止挡位则向后调节到下一锁止位置。

对于IIHS和C-IASI的鞭打静态测量，需将座椅前后调节到最后位置，高低调节到最低位置，头枕调节方法与NCAP一样调到中间位置。

2.1.2 座椅静态测量

座椅调节完成后，按照规定摆放汽车座椅点测试装置（H-Point Machine,HPM），并将座椅靠背调节到躯干角25°±1°；HPM装置左右调平后放置头枕测量装置（Head Restrain Mesuring Device,HRMD），测量头后间隙和头枕高度2个指标参数（图1）以及点坐标值。重复上述测量3次并取平均值，最终分别获得点坐标、头后间隙（Backset）以及头枕高度（Height）3个参数。

图1 头枕高度和头顶高度

2.1.3 Euro NCAP前排鞭打静态评价最新改版

Euro NCAP自2022年1月份改版正式实施后，其前排鞭打静态测量有较大的改动：

（1）引入“有效高度（Effective Height）”测量，替代原来的头枕高度（Height）测量；

（2）取消使用HRMD头型装置测量头后间隙（Backset），改用坐标测点的方式进行头后间隙测量。另外，前排所有座椅（除结构对称外）均需进行测评。

具体测量方法如下：

（1）座椅按照上述2.1.1的要求调节到位（头枕处于中间位置），然后按照规定摆放HPM装置并将座椅靠背调节到躯干角设计值（若设计值＜20°，则设置为20°；若设计值＞30°，则设置为30°），若无设计值提供，则调节到25°±1°，最后测量点坐标（HPM,HPM），需注意HPM的胸部重块由原来的2块大、4块小的变更为8块小的（图2）。

图2 胸部重块变更示意

通过公式计算504.5×cos(设计躯干角-2.6°)+203并与HPM相加得出CP，然后使用三坐标设备在座椅头枕表面的中轴线上找出高度等于CP的点，确定为点（Contact Point），并记录其坐标（CP,CP），如图3。

图3 CP点位置示意[3]

将头枕调节到最高锁止位置，接着通过公式计算88.5×sin(设 计躯干角-2.6°)+5并与CP相加得出IP，使用三坐标设备继续在座椅头枕表面的中轴线上找出坐标等于IP的点，确定为IP点（Intersection Point）并做好标记，如图4。

图4 IP点位置示意[3]

图5 有效高度测量示意[3]

（3）计算头枕处于中间试验位置的头后间隙Backset=CP-(504.5×sin( 设 计躯干角-2.6°)+71)。

另外，除了中间试验位置，头枕还需要调节到最坏几何位置（Worst Case Geometry，上下最低，前后最后）进行测量：重复上述2.1.3试验步骤，重新确定CP点和IP点的位置，最后通过测量或计算得出最坏几何位置的有效高度Height和头后间隙Backset用于最终评分。

2.1.4 前排座椅动态评价试验方法对比

打动态评价方面，全球各家测评机构均采用Bio-RIDⅡ假人作为测量工具进行动态评价，主要区别在于滑台加速度波形以及最终评分标准的差异。

试验设置方面，将BioRIDⅡ假人放置于完成静态测量的座椅上，假人根据静态测量得出的参数并按照表1中的要求进行调节。

表1 前排BioRID姿态调节参数转换

试验波形方面，除了Euro NCAP需要分别进行中强度波形和高强度波形外，其他测评机构均采用一种类型的波形，仅在波形的峰值和持续时间上有差异，如表2。

表2 各测评机构鞭打动态试验波形

2.2 后排座椅静态评价试验方法对比

纵观各家测评机构，仅有Euro NCAP和C-NCAP对后排座椅鞭打性能进行测评，其中Euro NCAP后排鞭打为静态测评，从2019年1月开始实施，直到目前仍未有较大的改动，而C-NCAP后排鞭打为动态测评，于2021版正式实施。

2.2.1 Euro NCAP后排鞭打试验方法

Euro NCAP后排鞭打静态评价主要由2方面构成：头枕几何评价和非使用位置评价。

其中，头枕几何评价测量以下2个指标：（1）座椅头枕处于中间试验位置时的有效高度(H)和点与点的向距离(Δ)；（2）座椅头枕处于最坏几何位置时的有效高度(H)和点与点的向距离(Δ)。

非使用位置评价主要考察以下3个项目：（1）HPM躯干角变化量评价；（2）不舒适评价：头枕下缘高度H和头枕下缘厚度；（3）自动复位头枕系统评价（若有此功能）；（4）头枕转动角度评价（若有此功能）。

2.2.1.1 Euro NCAP后排鞭打-座椅试验状态设置

对座椅的各项调节进行如下调整：滑轨前后调到最后；座椅高度调到最低；座垫倾角调到中间；其他舒适性配置（如小腿腿托、座垫长度调节、腰托等）均调到完全收回状态。

后排头枕调节到中间试验位置，其定义和操作方法与2.1.1.1头枕调节步骤一样。对于后排座椅头枕，市面上大部分车型都只有一档锁止位置，针对这种情况，分为以下2种情况处理：

（1）若头枕处于最低位置时满足ECE R17关于头枕高度的要求（≥700 mm），如图6；如果锁止挡位处于最低位置向上10 mm范围内，则定义该锁止挡位为中间试验位置，否则定义最低位置为中间试验位置。

图6 ECE R17头枕高度定义[8]

（2）若头枕处于最低位置时头枕高度＜700 mm，该锁止挡位同时被定义为最高、最低和中间试验位置。

2.2.1.2 Euro NCAP后排鞭打-静态测量试验方法

后排鞭打的头枕几何评价方法与前排静态测量方法相同。先后按照规定确定点和点；测量头枕处于中间试验位置时的有效高度(H)和点与点的向距离(∆CP)；测量头枕处于中间试验位置时的有效高度(H)和点与点的向距离(∆CP)。

2.2.1.3 Euro NCAP后排鞭打-非使用位置评价试验方法

非使用位置的定义是不满足ECE R17头枕高度要求（≤700 mm）的头枕位置，此试验方法主要目的是评价后排座椅系统是否有针对头枕正确使用防错功能，主要分为被动防错和主动防错2方面评价。其中被动防错试验方法主要考察头枕在非使用位置是能否对乘员产生不舒适感从而迫使乘员去调节头枕至正确使用位置，具体如下：

HPM躯干角变化量评价：将头枕调节到非使用位置，按照规定正确摆放HPM装置，测量出此时的躯干角，并于头枕位于中间试验位置是的躯干角相减。

不舒适评价：通过专用测量工具测量头枕下缘厚度S，如图7；使用三坐标测量头枕下缘高度H，如图8。

图7 头枕下缘厚度S示意[3]

图8 头枕下缘高度HLE示意[3]

2.2.2 C-NCAP后排鞭打试验方法

C-NCAP后排鞭打为2021版C-NCAP规程新加的试验内容，C-NCAP也是唯一一家对后排座椅进行鞭打动态评价的测评机构。整体来看与前排鞭打的试验程序相近，只在座椅设置细节上存在差异。

2.2.2.1 C-NCAP后排鞭打-座椅静态测量

与前排座椅类似，座椅先进行鞭打姿态调节：滑轨前后中间位置，座垫高度中间位置，头枕最高锁止位置。接着按照规定正确摆放HPM装置，对于独立座椅，将躯干角调节到设计值±1°，对于靠背不可调的后排座椅则直接进行下一步。下一步正确摆放HRMD头型装置，测量头后间隙Backset，记录此时HPM的躯干角和点坐标值（HPM，HPM）。

2.2.2.2 C-NCAP后排鞭打-动态试验方法

将BioRIDⅡ假人放置于完成静态测量的座椅上，假人根据静态测量得出的参数并按照表3中的要求进行调节。

表3 后排BioRID姿态调节参数转换

试验波形方面，采用前排鞭打动态试验相同波形。

3 鞭打试验评分对比

3.1 前排座椅评分标准

3.1.1 静态评分标准

鞭打静态测量作为动态试验的前期准备工作的一部分，C-NCAP和J-NCAP不将具体的测量结果列入评分，仅将HRMD与头枕干涉作为罚分项列入最终评分中。而Euro NCAP、IIHS和C-IASI则对静态测量结果单独进行评分。

Euro NCAP静态测量评分指标以及范围如表4，头枕有效高度低性能限值和高性能限值分别对应1分和-1分，测量值处于中间的则采用线性插值法计算分数。而头后间隙测量值≤45 mm，得1分，否则得-1分。取头枕有效高度和头后间隙二者较小的分数作为最终得分。

表4 Euro NCAP后排静态测量指标限值

特别的，如果座椅在动态试验中原始分大于3分，则最坏几何得分列入总得分，其限值要求如表5，需要同时满足头枕有效高度≥790 mm和头后间隙≤70 mm，最坏几何评价项得1/分（表示前排座椅数量）。

表5 Euro NCAP后排静态测量最坏几何评价指标限值

IIHS和C-IASI静态评分标准一致，根据头枕高度和头后间隙的静态测量值所在的区域，得出优秀、良好、一般、较差静态评价结果（表6）。

表6 IIHS/C-IASI静态评分[9]

3.1.2 动态评分标准

虽然各家测评机构在鞭打动态试验上均采用Bio-RIDⅡ假人进行测量，但在评分体系上直接参与评分的假人通道及高低限值均有差异，如表7。

表7 各测评机构鞭打动态试验评价指标采用情况

3.2 后排座椅评分标准

3.2.1 静态评分标准

后排鞭打静态测量仅有Euro NCAP进行评分，其评分有一前提：后排座椅中间乘坐位置必须满足ECE R17头枕高度要求，否则不予进行评价。其他参数评分要求如表8。

表8 Euro NCAP后排鞭打静态测量评分规则

3.2.2 动态评分标准

C-NCAP后排鞭打动态评分项与前排鞭打动态评分项目及高、低性能限值保持一致，区别仅在于各项指标分数权重的区别，如表9。

表9 C-NCAP前排和后排鞭打动态试验得分规则对比

4 结论及展望

目前我国C-NCAP、欧洲Euro NCAP、日本JNCAP、美国公路安全保险协会（IIHS）和中国保险汽车安全指数（C-IASI）都拥有各自相对完善的鞭打性能测试评估试验。

其中，Euro NCAP和C-NCAP的鞭打试验规程有较大的改版：与之前相比，Euro NCAP静态测量变更了测试方法，在其他主流测评机构均使用HRMD头型装置测量头后间隙的情况下，首次停止使用HRMD头型装置测量，改用三坐标测点设备结合公式计算的方法获取头后间隙、头枕有效高度参数，改版后与其后排鞭打静态评价试验程序和测试原理保持高度一致；CNCAP将动态评价加入到2021版本的后排鞭打性能测评中，属于全球首创独树一帜，与Euro NCAP的后排鞭打静态评价相比，动态试验可以更好地考察座椅系统在实际碰撞中对乘员颈部保护水平。

纵观各家主流测评机构的鞭打试验程序，虽然在试验方法、评价指标上存在诸多的差异，但其实其测评核心都是围绕乘员在低速后碰中的颈部伤害进行评价。在不久的将来，Euro NCAP计划于2027年将虚拟测评引入鞭打试验工况中，使用仿真手段对鞭打工况进行补充或替代，C-NCAP也会在2025版中对后排鞭打试验程序的细节（试验方法，假人伤害指标等）上进行调整和优化。随着各家测评机构的鞭打测评程序水平不断地提升完善，为汽车企业和零部件企业鞭打性能提升指引方向，未来在降低因追尾事故对驾乘人员颈部造成的伤害方面定会继续取得更大的进步。