韓 帥，孫 聰，師玉茹，張 聰

（東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110004）

0 引言

頸部揮鞭傷是一種特殊的頸椎、頸髓損傷，指由于身體劇烈加速或減速運(yùn)動(dòng)而頭部的運(yùn)動(dòng)不同步，致頸椎連續(xù)過(guò)度伸屈而造成的頸髓損傷[1]。追尾碰撞是造成頸椎傷害的主要因素，在追尾過(guò)程中，座位帶動(dòng)軀干隨被撞車(chē)輛向前加速移動(dòng)，由于頭頸相對(duì)自由,在慣性力作用下，頭部后移，頭頸發(fā)生水平移位，導(dǎo)致?lián)]鞭傷的發(fā)生。在各種交通事故中，頸部傷害比例高達(dá)70%，而在追尾碰撞中，乘員頸部損傷概率更高，其中大約90%的后碰撞頸部損傷是低速碰撞（△V≤25km／h）造成的[2]。如今，追尾碰撞發(fā)生率逐年提升，2006年交通事故數(shù)據(jù)分析顯示，交通事故總數(shù)中正面碰撞占18.5%，側(cè)面碰撞占27%，追尾碰撞發(fā)生頻率僅次于側(cè)面碰撞，其比例高達(dá)25.5%；同時(shí)在高速公路的交通事故中，追尾事故發(fā)生頻率遠(yuǎn)高于其他各類(lèi)碰撞，其比例高達(dá)44.86%[3]；2008年追尾事故造成的直接財(cái)產(chǎn)損失高達(dá)2.5 億元，占交通事故總損失的25.12%，高于正面碰撞的21.44%和側(cè)面碰撞的24.39%。

本文將基于揮鞭傷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，提出優(yōu)化策略，對(duì)現(xiàn)有的防揮鞭傷措施進(jìn)行分析比較，進(jìn)而進(jìn)一步認(rèn)證優(yōu)化策略的準(zhǔn)確性。

1 揮鞭傷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則及優(yōu)化策略

《C-NCAP 管理規(guī)則（2012 版）》在原有試驗(yàn)項(xiàng)目上增加鞭打試驗(yàn)，即檢測(cè)追尾碰撞過(guò)程對(duì)乘員頸部造成的損傷程度[4]。2012 版管理規(guī)則的修改使得獲得五星評(píng)價(jià)的難度上升約20%，并且更全面、真實(shí)地反應(yīng)車(chē)輛在事故中對(duì)乘員的保護(hù)；2015 版管理規(guī)則將在2012 版的基礎(chǔ)上更加注重主動(dòng)安全、碰撞形態(tài)、測(cè)量效果、安全考核四大領(lǐng)域。

基于座椅安全性能考慮，座椅結(jié)構(gòu)主要包括： 靠背、頭枕、坐墊、座椅總成與車(chē)身相連接的固定部件[4]。對(duì)于減輕揮鞭傷損傷，最直接方式是改進(jìn)頭枕，最有效方式是靠背、頭枕一體化設(shè)計(jì)?？勘持饕譃槿嵝晕苁胶蛣傂晕苁剑嵝晕苁娇勘吃诎l(fā)生低強(qiáng)度尾撞時(shí)對(duì)于減輕揮鞭傷效果顯著，但對(duì)于高強(qiáng)度碰撞柔性吸能式靠背會(huì)對(duì)乘員的約束能力降低，對(duì)乘員造成傷害。頭枕分為感應(yīng)式頭枕和預(yù)響應(yīng)式頭枕，感應(yīng)式頭枕是指在追尾碰撞事故中，通過(guò)乘客自身的重量作用在座椅上的啟動(dòng)防護(hù)裝置，使得頭枕自動(dòng)向前、向上移動(dòng)（如Volvo公司的WHIPS 頭頸部保護(hù)系統(tǒng)）。預(yù)響應(yīng)式頭枕是安裝在汽車(chē)尾部的速度傳感器與加速度傳感器檢測(cè)到追尾碰撞即將發(fā)生時(shí)，控制模塊向頭枕發(fā)出向前、向上移動(dòng)的指令 （如奔馳NECK-PRO 碰撞預(yù)響應(yīng)式頭枕技術(shù)）。

2 現(xiàn)有防揮鞭傷結(jié)構(gòu)性能對(duì)比及優(yōu)化方案

隨著對(duì)汽車(chē)安全性的深入研究，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家相繼提出了不同的汽車(chē)安全設(shè)計(jì)理念。根據(jù)作用形式不同，可分為頭枕保護(hù)和其他防護(hù)，根據(jù)動(dòng)力提供裝置的不同，分為純機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)電一體化；根據(jù)響應(yīng)方式不同，分為傳統(tǒng)式主動(dòng)式防護(hù)和主動(dòng)式防護(hù)等等，下面是對(duì)現(xiàn)有幾種安全座椅的介紹。

2.1 主動(dòng)式頭枕防護(hù)

現(xiàn)有的研究成果表明，在汽車(chē)受到追尾碰撞時(shí)，防止揮鞭傷的發(fā)生最首要的措施就是減小頭枕與頭部之間的距離。主動(dòng)安全頭枕是在車(chē)輛檢測(cè)到后撞即將發(fā)生或后撞已經(jīng)發(fā)生時(shí)，可動(dòng)頭枕部分在特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)作用下迅速向前上方移動(dòng)，承接乘員頭部以防止其強(qiáng)烈的向后甩鞭效應(yīng)，在保證了乘員駕駛舒適性的同時(shí)，最大限度地保護(hù)了乘員的頸部安全。在汽車(chē)安全領(lǐng)域的研究中，已提出兩類(lèi)主動(dòng)式頭枕：一類(lèi)是純機(jī)械式的機(jī)構(gòu)，另一類(lèi)是機(jī)電一體式機(jī)構(gòu)[5]。

純機(jī)械式的頭枕機(jī)構(gòu)主要依靠追尾碰撞中人體的慣性作驅(qū)動(dòng)整個(gè)防護(hù)機(jī)構(gòu)，通過(guò)觸發(fā)彈簧伸展或特定的連桿機(jī)構(gòu)使頭枕向前移動(dòng)，承接乘員頭部，防止其向后甩鞭，這種主動(dòng)頭枕機(jī)構(gòu)不需要特定的感應(yīng)裝置，將人體的慣性作為整個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來(lái)源。現(xiàn)有的純機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有如下兩種[6]：

專(zhuān)利中的一種主動(dòng)式安全頭枕裝置[7]是依靠追尾發(fā)生時(shí)，身體對(duì)靠背的沖擊引發(fā)靠背和頭枕內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)頭枕內(nèi)部彈簧限位裝置，從而使頭枕彈出，縮小頭枕與頭部間的距離，降低頭部的向后甩鞭作用。該裝置雖然運(yùn)動(dòng)可逆，但不可以自行收攏，需要施加外力來(lái)使其收攏。

第二種結(jié)構(gòu)是在追尾發(fā)生時(shí)，由于慣性作用，身體向后撞向靠背，通過(guò)靠背與頭枕間的空間連桿機(jī)構(gòu)，使頭枕向前上方移動(dòng)，從而減小所受的傷害。該裝置相比較前者反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，可能在頭枕起作用之前，揮鞭傷就已經(jīng)發(fā)生，而且沖擊慣性不同，觸發(fā)效果也會(huì)不同。

另一類(lèi)主動(dòng)式頭枕是機(jī)電一體式機(jī)構(gòu)，該主動(dòng)頭枕將主動(dòng)防護(hù)與被動(dòng)防護(hù)思想想結(jié)合，通過(guò)對(duì)路況的檢測(cè)來(lái)判斷是否啟動(dòng)防護(hù)機(jī)構(gòu)。路況檢測(cè)方面通過(guò)速度傳感器和加速度傳感器采集前后車(chē)之間的相對(duì)速度與加速度；特定的電腦控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)采集的路況信息快速判斷是否即將發(fā)生追尾，同時(shí)將信息傳遞給執(zhí)行模塊；執(zhí)行模塊能夠根據(jù)判斷模塊傳遞的信息啟動(dòng)乘員保護(hù)裝置以保護(hù)乘員安全。

可伸縮式主動(dòng)頭枕機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足以下要求： ①伸展機(jī)構(gòu)應(yīng)有具有一定的方向引導(dǎo)；②在追尾碰撞中能夠承受乘員頭部對(duì)其施加的載荷；③其運(yùn)動(dòng)過(guò)程可逆。根據(jù)該原則，目前已有的主動(dòng)頭枕設(shè)計(jì)方案如下：

一種用于追尾碰撞頸部保護(hù)的主動(dòng)頭枕機(jī)構(gòu)[8]，它由電機(jī)驅(qū)動(dòng)特定的十字連桿機(jī)構(gòu)來(lái)將可動(dòng)頭枕部分彈出。該裝置依靠汽車(chē)安全主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)對(duì)路況環(huán)境的檢測(cè)和判斷，在追尾事故發(fā)生前，及時(shí)將連桿機(jī)構(gòu)展開(kāi)，減小乘員頭部和頭枕之間的距離，防止其向后甩鞭；在危險(xiǎn)狀況消除后，連桿機(jī)構(gòu)自動(dòng)收攏。該裝置的優(yōu)點(diǎn)在于： 連桿機(jī)構(gòu)的展開(kāi)程度越大，其展開(kāi)頭枕的運(yùn)動(dòng)速度越小，承受能力越強(qiáng)。其缺陷在于： 頭枕只能向前方運(yùn)動(dòng)，不能調(diào)整頭枕彈出角度來(lái)準(zhǔn)確承接乘員頭部以防止產(chǎn)生揮鞭傷。

基于現(xiàn)有的主動(dòng)頭枕結(jié)構(gòu)，提出了如圖1 所示的防揮鞭傷主動(dòng)頭枕結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，它包括電動(dòng)推桿、可調(diào)節(jié)滑道和可彈出枕體。頭枕內(nèi)設(shè)置伸縮控制單元，追尾發(fā)生前可快速響應(yīng)，并驅(qū)動(dòng)伸縮保護(hù)枕體快速伸出一定距離(若過(guò)程中接觸頭部也會(huì)立即停止)，從而縮小了頭枕與頭部間的距離，降低頭部的向后甩鞭作用。該裝置在實(shí)現(xiàn)防揮鞭傷功能的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可自由調(diào)節(jié)頭枕彈出角度，保護(hù)更加精確。

圖1 電動(dòng)推桿式主動(dòng)頭枕Fig.1 Electric pusher active head

2.2 其他防護(hù)措施

除可以通過(guò)上述主動(dòng)頭枕的調(diào)節(jié)之外，還有很多防止揮鞭傷的措施，如通過(guò)改變調(diào)角器的剛度，裝置平動(dòng)吸能座椅等。汽車(chē)在受到尾撞時(shí)，通過(guò)乘員或者汽車(chē)某一部件的慣性對(duì)座椅產(chǎn)生力的作用，使汽車(chē)座椅的防揮鞭損傷機(jī)構(gòu)及時(shí)發(fā)揮作用，從而保護(hù)乘員頸部減輕或免受傷害。以下介紹平動(dòng)吸能座椅的防護(hù)原理。

平動(dòng)吸能座椅是指在發(fā)生中低速碰撞時(shí)，汽車(chē)座椅可沿固定滑軌后移一定的距離，同時(shí)由于克服阻力而吸收一定的碰撞能量。其設(shè)計(jì)核心就是吸能機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[9]。設(shè)計(jì)吸能機(jī)構(gòu)時(shí)主要考慮的因素是最大程度地使吸收同等能量所需的吸能元件質(zhì)量減小。依據(jù)平動(dòng)吸能座椅的設(shè)計(jì)要求，為了保證吸能裝置能夠在當(dāng)前的大多數(shù)汽車(chē)上應(yīng)用，裝置僅在滑軌部分增加了可平動(dòng)吸能部件，而座椅的其他部件均不做任何改變。以下簡(jiǎn)單描述常用的兩種吸收能量的裝置：

第一種是圓管撐裂吸能，首先將圓形鋼管在其軸線方向上固定在相對(duì)車(chē)身位置固定的導(dǎo)軌上面，而剛性錐形管則固定在相對(duì)于車(chē)身可以移動(dòng)的導(dǎo)軌上。由此，當(dāng)汽車(chē)發(fā)生追尾碰撞時(shí)，隨著座椅的向后平動(dòng)，變形管被撐裂開(kāi)，能夠提供較好的平臺(tái)力。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要在失效的一端加工引導(dǎo)槽。這樣可使得圓管受到拉應(yīng)力而失效大致是沿著圓管的軸向[9]，撐裂的裂紋沿著預(yù)定的方向裂開(kāi)，以保證結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。該方案可針對(duì)不同的汽車(chē)參數(shù)，如車(chē)輛的載重，駕駛艙的空間大小和汽車(chē)行駛速度等，通過(guò)有限元分析的模擬實(shí)驗(yàn)，合理地設(shè)置圓變形薄鋼管的抗拉強(qiáng)度極限，直徑和厚度的大小以及與剛性錐形管之間的摩擦系數(shù)等因素，以改變撕裂力的大小，從而改變汽車(chē)的平動(dòng)位移。

第二種是鋼片拉彎吸能。鋼片拉彎吸能是發(fā)生尾撞時(shí)，移動(dòng)的座椅拉動(dòng)鋼片繞固定圓柱彎曲拉伸，從而獲得穩(wěn)定的平臺(tái)力。固定圓管和固定限制塊限制了鋼片的運(yùn)動(dòng)，牽引圓柱與平動(dòng)導(dǎo)軌相連。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是由于平臺(tái)力在鋼片發(fā)生彎曲時(shí)可迅速增加，穩(wěn)定時(shí)鋼片移動(dòng)的距離相對(duì)于座椅緩沖過(guò)程中移動(dòng)的距離而言可以忽略，因此可認(rèn)為平臺(tái)力在整個(gè)過(guò)程中保持不變。

基于對(duì)現(xiàn)有吸能裝置的研究，設(shè)計(jì)了一種依靠氣液緩沖器來(lái)吸收汽車(chē)碰撞能量的緩沖裝置；其吸能原理是： 進(jìn)程時(shí)液壓油流過(guò)節(jié)流孔產(chǎn)生粘滯阻尼，將沖擊能量大部分轉(zhuǎn)化為熱能，小部分壓縮氣室內(nèi)的氣體轉(zhuǎn)換成緩沖器的內(nèi)能儲(chǔ)存；回程時(shí)，壓縮氣體膨脹釋放內(nèi)能，克服回程阻尼做功，將部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱能，從而吸收能量。該裝置中的氣液緩沖器通過(guò)固定卡托件安裝在底座上，其活塞桿則與靠背相鉸接，碰撞發(fā)生時(shí)，該裝置能夠?qū)⒂扇梭w的慣性產(chǎn)生的能量傳遞給車(chē)座下方的氣液緩沖器。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是既彌補(bǔ)了氣彈簧彈性阻尼小的不足，又克服了液壓緩沖在短時(shí)間內(nèi)難以吸收大量能量的特點(diǎn)，二者的結(jié)合使其在汽車(chē)碰撞過(guò)程中吸收大量的能量，從而減少了對(duì)人體的損傷。

3 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與生活水平的提高，汽車(chē)的安全性問(wèn)題則引起更多的重視。汽車(chē)安全座椅則通過(guò)對(duì)頭枕，靠背等裝置的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)高效防止揮鞭傷的功能。文中提出的優(yōu)化方案在解決了防護(hù)單一、不能重復(fù)使用、不適合廣泛推廣等問(wèn)題的同時(shí)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，成本低，防揮鞭傷效果突出。此外，對(duì)汽車(chē)座椅系統(tǒng)進(jìn)一步深入研究與改進(jìn)，提高汽車(chē)的安全性，對(duì)我國(guó)汽車(chē)的研發(fā)和生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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