某车型后排座椅鞭打性能研究与优化

崖文瀚，陈月亮，段大禄，黎谦，凡沙沙

1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007；2.湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司柳州分公司，广西柳州 545007

0 引言

随着我国汽车行业的高速发展，汽车消费者对汽车安全越来越关注，追尾作为最常见交通事故，对乘员颈部的伤害不仅具有顽固性、持久性特点，甚至还很难治愈，因此提升座椅在追尾事故中对乘员的保护性能十分必要。

追尾事故中，前车驾乘人员的躯干加速向前运动，但头部因惯性作用会相对滞后，导致前车驾乘人员头部向后转动而造成颈部受伤，这类受伤称为“挥鞭伤”（whiplash Injury）。为降低挥鞭伤风险，2012年C-NCAP开始引入主驾鞭打试验，2021年C-NCAP增加后排鞭打试验。现阶段对主驾鞭打的研究较多[1-2]，也较为成熟，但对后排座椅鞭打性能研究较少。C-NCAP 2021版规程公布的12款车型中，只有5款车型的后排鞭打试验得分超过1.5分（满分2分），得分情况非常不理想，如图1所示。

图1 C-NCAP 2021版后排鞭打得分情况

本文根据前排鞭打的经验，结合某车型后排座椅的结构特性和鞭打试验结果，提出后排座椅优化方案并进行试验验证，为提升后排座椅鞭打性能提供参考。

1 后排鞭打试验评估方法

根据C-NCAP 2021版试验程序[3]，将座椅及约束系统参照原车结构固定安装在移动滑车上。随机选择试验车辆第二排座椅的左侧或右侧位置放置BioRID II 型假人，滑车速度以变化量为（20.0±1.0）km/h的特定加速度波形发射，用以评估假人颈部受到的伤害情况。某车型后排鞭打试验如图2所示。

图2 某车型后排鞭打试验

后排鞭打试验在C-NCAP 2021版规程中分值为2分，依据假人内部传感器数据进行评估。主要数据包括颈部伤害指数NIC、上颈部剪切力Fx+、上颈部拉力Fz+、上颈部扭矩My、下颈部剪切力Fx+、下颈部拉力Fz+、下颈部扭矩My，其中上颈部和下颈部取3项得分中最低值作为该组得分，具体评分见表1。

表1 C-NCAP 2021版后排鞭打试验评分

2 BioRID II假人颈部损伤机理及影响因素

假人颈部损伤机理：碰撞中头部和胸部之间的运动差异导致相邻颈椎间的相对运动[4]。发生追尾时，车辆忽然向前加速运动，乘员躯干会被座椅靠背向前推动，但头部由于惯性并未向前运动，而是相对躯干向后仰，此时头部和躯干向相反的方向运动，导致头部和躯干间的相对加速度增大，上下颈部的Fz、My增大。

总体来说，追尾可分为初始阶段（碰撞前）、收缩阶段（头部后移）、拉伸阶段（头部后仰）、反弹阶段（头部回弹）4个阶段，鞭打伤害主要发生在拉伸阶段，如图3所示。

图3 追尾的4个阶段

鞭打试验中，BioRID II假人评估采集的是头部加速度、胸部第1胸椎处（T1）加速度、上颈部Fx/Fz/My、下颈部Fx/Fz/My，其结构和传感器布置位置如图4所示。

图4 BioRID II假人头颈结构和传感器布置位置

3 某车型后排座椅试验

3.1 某车型后排座椅试验得分

某车型后排座椅按C-NCAP2021版规程进行后排鞭打试验测试，试验得分为0.916分（总分2分），试验结果见表2。

表2 某车型后排座椅鞭打试验结果

从试验结果看出，后排鞭打主要失分项为NIC、上颈部载荷Fz+和下颈部载荷Fz+，故针对这3项进行分析。

3.2 试验问题及原因分析

3.2.1 颈部伤害指数NIC分析

NIC的考察内容为头部与T1的相对加速度和相对速度，计算公式为：

式中，T-HRC（end）为头部与头枕分离时刻的相对加速度。

式中，AxT（t）为T1加速度，AxHead（t）为头部加速度。相对速度：

由上述公式可知，NIC主要由同一时刻的T1加速度和头部加速度的差值产生，差值越大，NIC越大，反之越小。

试验NIC曲线、头部加速度曲线、T1加速度曲线如图5所示。40 ms时，T1开始上升，73 ms时，头部加速度开始上升，75 ms时，NIC出现峰值，此时T1加速度与头部加速度的差值最大，因此降低NIC的方法有：①降低T1前期加速度；②头部加速度更早响应；③增大头部前期加速度。

图5 NIC、T1及头部加速度曲线

（1）降低T1前期加速度。T1加速度传感器位于颈部与胸部连接处，T1和靠背的相对位置试验时主要受到靠背上部的作用力，如图6所示。可通过减弱座椅靠背上部强度来降低T1加速度。

图6 T1和靠背的相对位置

（2）头部加速度更早响应。头部加速度响应快慢是由头部接触头枕时刻决定的，通过缩短头部到头枕的距离可加快头部加速度响应。

（3）增大头部加速度。头部加速度传感器位于颈部上端处，试验时主要受惯性力、头枕对其的作用力及颈部对其的作用力，如图7所示。

图7 假人头部受力情况

图中，FHX为头枕对头的作用力，FNX为上颈部对头的作用力，Mhead为假人头部质量（4.54 kg），Ahead为头部加速度。由牛顿第二定律：

头部加速度由头枕和上颈部对头的作用力产生，本次试验头枕对头的作用力曲线（FHX）、上颈部对头的作用力曲线（FNX）如图8所示。影响头部加速度的因素主要是头枕对头部的作用力，因此可通过增大头枕刚度提升头部加速度。

图8 假人头部受力曲线

3.2.2 上颈部载荷Fz+分析

上颈部载荷传感器位置及受力分析如图9所示，Fz为上颈部载荷，Fh为头枕对头部的支撑合力，Fhx为头枕对头部的X向支撑力，Fhz为头枕对头部的Z向支撑力，Fin为头部惯性力，Finx为X向头部惯性力，Finz为Z向头部惯性力。由图9可知

图9 上颈部载荷传感器位置及受力分析

因此通过减小Fhz和Finz来实现对Fzd的调整。

（1）减小Finz。本次试验头枕高度55 mm（头比头枕高），头枕不能有效约束头部，头部在惯性力的作用下向后方向滑动，因此可通过抬高头枕高度来减小Finz。

（2）减小Fhz。头枕对头部的支撑力垂直于接触面，在上颈部局部坐标系下分解，Fhz向上，则该支撑力对上颈部Fz为正向作用，Fh的方向由接触面的法向决定，当接触面向竖直面旋转，则向上分力Fhz变小。因此，可通过向竖直面调整头枕角度，达到降低上颈部Fz+的目的。

3.2.3 下颈部载荷Fz+分析

针对下颈部载荷偏高问题的研究表明，头部往上运动的距离超出了头枕高度，导致颈部向后弯曲过大[5]，如图10所示。

图10 下颈部传感器位置及变形

4 改进方案

根据上述分析，座椅鞭打试验是一个复杂的受力过程，其得分与座椅的众多结构及参数有关，提升鞭打性能，需要对座椅进行多方面改进。综合考虑座椅舒适性、成本、工艺及制造等相关因素，确定4项具体的优化方案：

（1）将卷收器下移150 mm，本次试验后排座椅骨架如图11所示，卷收器位于靠背上部，通过将卷收器下移150 mm、减小靠背上部刚度来降低T1加速度。

图11 某后排座椅骨架

（2）将头枕杆的厚度由1.6 mm改为1.8 mm。

（3）头后间隙由49 mm改为10 mm，缩短头部到头枕的距离，使头部更早与头枕接触，从而减小T1加速度和头部加速度差，如图12所示。

图12 头枕及头枕杆优化

（4）将头枕高度抬高50 mm，同时将头枕向竖直方向旋转10°，提高头枕对头部的支撑，阻止头枕后仰，减小颈部向后弯曲，从而减小上下颈部载荷，如图12所示。

5 试验验证

对某车型座椅按上述方案进行改进，优化前后BioRID II 假人损伤值及得分明细见表3。

表3 某车型后排座椅优化前后得分统计

由表3可知，座椅改进后NIC值由20.30 m2/s2减小到8.50 m2/s2，得分由0.352分提升到0.780分；上颈部载荷Fz+由930.60 N减小到589.00 N，得分由0.184分提升到0.496分；下颈部载荷Fz+由617.40 N减小到395.00 N，得分由0.380提升到0.532。鞭打最终得分由0.910分提升为1.808分，鞭打得分显著提升，达到了整改目的。

6 结语

本文针对某车型后排座椅C-NCAP 2021版鞭打试验得分较低的问题，对假人运动机理和整个碰撞过程进行受力分析研究，通过下移卷收器位置、增加头枕杆厚度、减小头枕到头后间隙、抬升头枕高度、调整头枕角度，使鞭打试验得分显著提高，有效保护乘员在车辆追尾事故中的颈部损伤，为C-NCAP（2021）版后排鞭打性能研究和产品开发提供参考。