鞭打试验中假人差异对试验评价的影响

2023-02-28王鹏翔李月明商恩义张毅

汽车技术 2023年2期

王鹏翔李月明商恩义张毅

（吉利汽车研究院（宁波）有限公司，浙江省汽车安全技术研究重点实验室，宁波 315336）

主题词：鞭打试验中国新车评价规程 BioRID II 试验评价

1 前言

中国新车评价规程（China New Car Assessment Program，C-NCAP）中，乘员保护部分规定有鞭打试验项目。试验中，在座椅上放置装有若干传感器的BioRID II假人，用以测量后碰撞过程中假人颈部损伤情况，试验后，依据测量结果进行评价。2021年版C-NCAP管理规则[1]对于驾驶员座椅的评价分值为5 分，其评价数据包括3 组：由头部加速度、胸部T1（第1 节胸椎位置）加速度计算出的颈部伤害指数（Neck Injuries Criteria，NIC）；上颈部载荷和扭矩；下颈部载荷和扭矩。另外，也指定了部分罚分项。

鞭打试验实施几年来，经常出现C-NCAP官方试验评价结果与主机厂评价结果间存在差异的问题。以本文研究人员所在试验室为例，在之前几套座椅的鞭打试验中，试验得分一直低于官方结果，但在近期一款座椅使用新BioRID II假人进行试验后，试验得分偏高，分差达到总分值的10%，由此推断参与试验假人之间的差异对试验结果产生了影响。假人作为一种拟人装置，其使用周期的不同将导致各关节、结构性能产生差异。当前，所使用假人只要满足标定要求便认可试验结果，而标定试验可能无法完全规避假人使用周期差异产生的影响。鉴于此，本文通过对试验室内使用周期不同的2个假人进行对比试验，探讨假人使用周期不同对2021年版C-NCAP 管理规则中关于驾驶员座椅的3 组评价数据产生的影响。

2 试验过程

试验室现有2 个BioRID II 假人，为同一版本，结构完全相同，其差别为假人B1已使用2年1个月，假人B2仅使用约2个月。本文研究中，为尽可能减少试验样件差异带来的影响，所有试验采用同一款座椅，为减少人为因素影响，相同操作环节均由相同人员执行。

2.1 假人标定

试验前对假人B1和B2进行了动态标定，将假人摆放在滑台上，用摆锤以一定速度冲击滑台，其中，设摆锤接触滑台瞬间为0时刻。标定结果如表1所示[2]。

标定过程中，除保证输入条件外，还要关注假人头部、颈部和T1的转角，以及颈部弯矩、T1峰值加速度和对应的时刻。表1中，2个假人标定均合格，且各项结果比较接近，如上颈部弯矩均接近上限，下颈部弯矩均接近下限，可以正常使用。标定项中各部位转角的测量位置如图1所示。

图1 标定转角测量位置

表1 假人标定结果

2.2 假人摆放位置的确定

建立车辆坐标系，设前后方向为X向，向后为正。根据2021 版C-NCAP 管理规则假人摆放要求，假人H点应调节到目标点铅垂方向（HZTP）±10 mm、前后水平方向（HXTP）±5 mm 的区域内。该目标点位于由H 点测量装置（H-Point Machine，HPM）测量3 次取平均值所确定的H点(HX,HZ)前方20 mm处。另外，2020年版欧洲新车评价规程（European New Car Assessment Program，E-NCAP）[2]要求假人H 点应在HXTP±10 mm 范围内。为了满足2款法规要求，将假人摆放位置靠后，试验假人X向坐标指定为HXTP+5 mm，采用假人B1、B2 的2 次试验分别用B1R和B2R表示，将假人摆放位置靠前，试验假人X向坐标指定为HXTP-5 mm，采用假人B1、B2的2次试验分别用B1F和B2F表示。

2.3 假人摆放

在C-NCAP中，A.8.7条款规定了“驾驶员座椅鞭打试验程序”，重点指定了试验前测量、试验条件的设定，以及座椅调整、H 点及头后间隙的确定、头枕干涉头部空间的调节、假人的安装定位等操作步骤，上述操作过程中主要使用三坐标测量装置、HPM 装置和头枕测量装置（HeadRest Measuring Device，HRMD）。B1F试验假人摆放如图2所示。

图2 B1F试验假人定位结果

3 试验结果分析

按台车试验速度要求进行4次鞭打试验，结果如表2 所示。表2 中：B1F 试验结果较B1R 高0.2 分，其中，NIC 得分高0.18 分；B2F 试验结果较B2R 高0.3 分，其中，NIC得分高0.25分。2组试验对比结果表明，假人摆放位置靠前时得分会偏高，偏高得分点为NIC 得分，B2假人平均得分比B1假人平均得分高13.4%。

表2 4次鞭打试验结果

4 次试验录像截图如图3 所示。图3 中，各次试验座椅完好，过程中靠背无失稳现象，座椅差异对试验结果不会产生明显影响。各次试验中假人运动同步，很难分析各时刻假人状态差异。对于试验结果的差异需要结合试验数据进行详细分析。

图3 4次试验录像截屏

依据SAE J211-1的规定建立假人坐标系：对于颈部剪切力Fx，头向后，胸向前为正；对于颈部轴向力Fz，头向上，胸向下为正；对于颈部弯矩My，下颌向胸部为正；对于头部和胸部加速度，x向为前后方向，向前为正[3]。

3.1 颈部伤害指数分析

4 次试验中，假人NIC 差异明显：同一乘坐位置时，B2得分均高于B1，平均高0.41分。

3.1.1 NIC的计算过程

NIC 是由枕骨关节相对于T1 的x向加速度和速度的相对值计算而得。

相对加速度为：

NIC为：

式中，NICmax为用于评价的颈部伤害指数最大值；THRC(End)为头部离开头枕时间。

3.1.2 假人摆放前后位置差异对NIC的影响

3.1.3 不同假人间NIC差异分析

图4 4次试验中和及

3.2 上颈部载荷分析

4次试验上颈部Fx曲线如图5所示。图5中：4条曲线正向部分互有交错，一致性较好；在负向部分，B1R曲线整体值略偏小，其他3条曲线在上升和下降过程中互有交错。在2021 版C-NCAP 管理规则中，颈部剪切力只评价头部相对于躯干向后的部分，即Fx的幅值。4次试验中，上颈部Fx幅值最小为14 N，最大为20 N，其值较接近，与扣分的高性能限值340 N相比可忽略。总体而言，4条曲线无明显规律。

图5 4次试验上颈部Fx

4 次试验上颈部轴向力Fz曲线如图6 所示。图6中，4条曲线同步性较好。4条曲线的Fz幅值中，最小为378 N，最大为459 N，平均为429 N，最大幅值与最小幅值之间差值为51 N，但就B1和B2假人的影响而言并无规律。

图6 4次试验上颈部Fz

4次试验上颈部伸张弯矩My曲线如图7所示。图7中，4条曲线在下降和上升过程中互有交错，趋势相同，但重合度较差。B1F 和B2F 中假人上颈部My的幅值均低于B1R和B2R，即假人乘坐位置靠前上颈部My更好，但B1和B2假人之间基本无差别。

图7 4次试验上颈部My

3.3 下颈部载荷分析

4 次试验下颈部剪切力Fx曲线如图8 所示。图8中，4 条曲线在上升和下降过程中互有交错，无明显规律。B1F 和B2F 试验中下颈部Fx幅值分别为203 N 和207 N，较接近；B1R和B2R试验中下颈部Fx幅值分别为249 N和224 N，偏差略大。综合4次试验数据和曲线比对结果，假人乘坐位置靠前下颈部剪切力Fx小，数据结果差异与假人无关。

图8 4次试验下颈部Fx

4 次试验下颈部轴向力Fz曲线如图9 所示。图9中，在约第80～120 ms 时间段内，B1F 和B1R 试验下颈部Fz曲线同步，且存在双峰；B2F 和B2R 试验下颈部Fz曲线同步，且在170 N上下出现平台化。4次试验中，同种工况下的Fz曲线没有一致性，但同一假人不同工况下的Fz曲线一致性较好。B1F和B1R试验中，下颈部Fz幅值分别为385 N 和383 N，基本相同；B2F 和B2R 试验中，下颈部幅值Fz分别为178 N和170 N，差别不大。综合数据和曲线，假人不同对下颈部轴向力Fz存在较大影响。

图9 4次试验下颈部Fz

4次试验下颈部伸张弯矩My曲线如图10所示。图10 中，4 条曲线在下降和上升过程中互有交错，无明显规律。幅值方面，B1F 和B2F 中假人上颈部My均低于B1R和B2R试验，即假人乘坐位置靠前下颈部时伸张弯矩My伤害小。另外，下颈部My曲线以及图7 中下颈部剪切力Fx曲线的同步性也进一步表明下颈部轴向力Fz曲线之间存在差异的真实性。

图10 4次试验下颈部My

4 问题讨论

4.1 颈部结构探讨

BioRID Ⅱ假人的颈部结构如图11a 所示，主要由枕骨、椎骨和下颈部载荷传感器通过螺栓连接而成，颈部前后通过钢丝绳连接而成。其中，胸部T1 传感器安装在下颈部载荷传感器两侧。如图11b所示，颈部右侧前后钢丝绳为独立结构，颈部左侧前后共用一条钢丝绳，该钢丝绳通过位于胸椎靠上位置的旋转阻尼组件形成回环。旋转阻尼器组件如图11c所示，导向轮上有钢丝绳槽，钢丝绳绕在槽内，通过钢丝绳顶丝挤压锁死。在钢丝绳的拉动下，导向轮可以转动，转动阻尼通过导向轮顶丝进行调节，以满足标定条件下的各转角及弯矩要求。顶丝用于固定轴的位置，也可防止轴与轴套间的相对运动。该结构中，通过调节导向轮转动阻尼调节头部和颈部各转角和弯矩，但导向轮相对导向轮轴的转动阻尼通过调节顶丝控制，一旦一侧的钢丝绳拉力达到一定程度或在一定外力持续作用下，可能出现导向轮相对轮轴的相对滑动与钢丝绳拉力被缓解的可能，该结果将造成下颈部载荷传感器发生抖动，进而造成假人颈部Fz幅值被削平及胸部T1的测量结果出现波动。

图11 BioRID Ⅱ假人颈部结构

4.2 标定要求探讨

在BioRID Ⅱ假人标定要求中，主要关注假人头部、颈部转角和颈部弯矩，无颈部轴向力要求，且在上颈部和下颈部的标定要求中，上颈部的幅值范围为7.7～17.8 N·m，下颈部的幅值范围为-23.5～-15 N·m，标定中下颈部的弯矩载荷大于上颈部的弯矩载荷。在鞭打试验结果中，由表2 可以看出，上颈部的弯矩载荷大于下颈部，且基本为下颈部弯矩载荷的2 倍。另外，不同假人在相同试验条件下出现了上、下颈部轴向力Fz的明显差异。