岳國輝 呂寶鋒 韓峰 陳現(xiàn)嶺

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

揮鞭傷是指在追尾碰撞事故中，乘員頸部由于產(chǎn)生類似于像揮鞭一樣的運(yùn)動而造成的損傷。它是交通事故中最常見的損傷之一，會造成保險和醫(yī)療等方面巨大的社會支出[1-2]。為盡量降低在追尾事故中對乘員（尤其是頸部）造成的損害，世界上各發(fā)達(dá)國家都先后將座椅鞭打試驗引入其新車評價體系（NCAP）中[3-4]。2012年，中國C-NCAP也將鞭打試驗正式引入評價規(guī)程[3，5]。在2015年7月執(zhí)行的2015年版C-NCAP評價規(guī)程中，針對座椅鞭打試驗進(jìn)行了評價加嚴(yán)的提升，使得各車型座椅獲得高分更加困難，尤其針對已量產(chǎn)座椅，需要重新基于新版規(guī)程進(jìn)行評價及問題整改?；诖?，文章對某款車型座椅防揮鞭傷性能的提升進(jìn)行了研究。

1 揮鞭傷原理分析及法規(guī)對比

為便于對評價規(guī)程第3，4部分內(nèi)容的理解，文章首先對追尾碰撞中座椅揮鞭傷原理進(jìn)行說明。在追尾碰撞過程中假人頭部運(yùn)動大致可分為3個階段[5]：

1）爬升階段：車輛在遭受后撞時會突然加速向前移動，乘員由于慣性的作用，軀干會沿著座椅靠背向上移動，此時頭部在前，軀干向后，頭部則遭受由軀干傳來的軸向力，其帶來的傷害較其他階段小。此時頭與座椅頭枕還沒有接觸，頭部相對于軀干向后運(yùn)動。影響爬升的原因主要有座椅靠背的設(shè)計形狀、乘員的坐姿、座墊及靠背的初始角度，乘員與座墊及靠背間的摩擦因數(shù)等。

2）揮鞭階段：在爬升現(xiàn)象出現(xiàn)后，若缺乏頭枕或其位置不佳，此時軀干會被靠背向前推擠，但頭部由于慣性并未向前，而是相對于軀干繼續(xù)向后仰倒，此時會出現(xiàn)前面所分析的S形變化，頭與軀干分別朝相反的方向移動，從而導(dǎo)致頭與軀干間相對速度和加速度增大，讓上下頸部承受相反方向的剪力。研究認(rèn)為揮鞭傷來自于頸椎S形變化，人體受傷也主要發(fā)生在這一階段。

3）回彈階段：由于彈性座椅可以吸收一些軀干壓縮產(chǎn)生的能量，在碰撞末期，座椅泡沫反彈，能量再傳給乘員，使乘員加速回彈，在回彈階段，頭部向前運(yùn)動，此時對人體有影響的是頭部回彈速度。

目前普遍認(rèn)為減少乘員頭部與軀干的相對運(yùn)動，是防揮鞭傷設(shè)計的重要出發(fā)點(diǎn)。防揮鞭傷設(shè)計主要是座椅的設(shè)計，尤其是座椅頭枕的幾何形狀、位置、發(fā)泡硬度、靠背接觸剛度及摩擦因數(shù)、靠背繞調(diào)角器的旋轉(zhuǎn)剛度等都與防揮鞭傷性能息息相關(guān)[3]。

法規(guī)方面（為便于區(qū)分并簡化名稱，文中2012年版C-NCAP簡寫成2012版，2015年版C-NCAP簡寫成2015版），2015版針對鞭打試驗項進(jìn)行了加嚴(yán)評價升級，與2012版差異對比情況，如表1所示。主要變化內(nèi)容有[6-7]：1）總分由2012版的插值計算方式變更為直接累加方式；2）上下頸部評價指標(biāo)不再采用累加方法，而是采取最差結(jié)果法，得分難度變大；3）靠背張角罰分限值由 32°調(diào)整為 19°。

表1 2012版與2015版鞭打試驗得分對比

通過法規(guī)對比分析發(fā)現(xiàn)，2015版鞭打試驗評價變得更加嚴(yán)格，得分更加困難，基于2012版開發(fā)的座椅設(shè)計需要升級應(yīng)對。

2 某座椅試驗問題及原因分析

表2示出某款車型座椅在完成C-NCAP鞭打摸底試驗后，分別按照2012版及2015版進(jìn)行評價得分的對比情況。

表2 某車型座椅鞭打試驗得分對比

如果只從整體得分情況看，該款座椅在2012版評價中總得分為3.63分，分?jǐn)?shù)相對較高，但如果按照2015版評價，總得分則只能得到2.78分，整體得分相比2012版減少近1分，不能滿足該車型基于2015版C-NCAP五星針對鞭打試驗項3.5分的得分目標(biāo)要求（公司內(nèi)部目標(biāo)要求）。

另外，從假人具體評價項得分情況分析，該款車型座椅鞭打試驗得分較低主要有頸部傷害指數(shù)（NIC）值和上頸部扭矩（My）傷害值偏大2項問題。

文章將結(jié)合座椅靜態(tài)測量數(shù)據(jù)及動態(tài)試驗評價結(jié)果曲線分析，分別針對2項問題進(jìn)行原因分析。

2.1 頸部傷害指數(shù)（NIC）偏大原因分析

NIC是枕骨鉸鏈相對于胸部第1胸椎處（T1）的水平加速度和速度的相對值[7]，理論計算公式如下[7]（其中，T-HRC（end）為頭部與頭枕接觸后分離時刻）。

式中：NIC，NICmax——頸部傷害指數(shù)、最大值，m2/s2；——第1胸椎左右側(cè)加速度，m/s2；——第1胸椎、頭部加速度，m/s2。

圖1示出試驗中NIC計算公式曲線示意。圖1中紅色曲線為NIC，由藍(lán)色曲線與綠色曲線相加得到，藍(lán)色曲線為加速度項綠色曲線為速度項由曲線分析結(jié)合理解計算可以得出，NIC主要由加速度項部分構(gòu)成，速度項對其數(shù)值大小影響較小。

圖1 頸部傷害指數(shù)（NIC）計算曲線

所以若要識別NIC偏大原因，則只需要分析加速度項部分曲線即可。

圖2示出NIC計算公式中加速度項所涉及曲線，紅色曲線為胸部加速度，藍(lán)色曲線為頭部加速度通過曲線T1減去頭部曲線，則可以得到綠色曲線“胸部與頭部加速度差值從圖 2 中可以看出，由于頭部與頭枕接觸開始時刻相對于胸部與座椅靠背接觸開始時刻太晚，即頭部與頭枕間距太大，導(dǎo)致正向值在頭部與頭枕接觸之前直接由胸部加速度構(gòu)成，且數(shù)值為理論最大，進(jìn)而導(dǎo)致NIC偏大。

圖2 胸部與頭部加速度曲線

經(jīng)測量，在動態(tài)試驗前，頭部與頭枕間距在70 mm左右，如圖3所示，與理論分析結(jié)論相吻合，更能充分說明本試驗中NIC偏大的主要原因為頭部與頭枕間距太大。

圖3 動態(tài)試驗前頭部與頭枕間距

2.2 上頸部扭矩（My）偏大原因分析

My的理論計算公式如下[7]。

式中：Myoc，Mymaxoc，Myupper——上頸部扭矩評價值、評價最大值、試驗值，N·m；

Fxupper——上頸部剪切力試驗值，N；

D——計算系數(shù)，D=0.017 78 m。

由于My正負(fù)方向上的傷害都需要評價，所以需要明確其正方向定義。圖4示出My正方向定義示意。從定義可知，當(dāng)下顎向前胸，即當(dāng)頭部相對頸部呈點(diǎn)頭運(yùn)動時，My為正值，反之為負(fù)。

圖4 上頸部扭矩（My）正方向定義示意圖

圖5示出試驗中My計算公式曲線示意。圖5中綠色差值曲線為My結(jié)果評價用曲線，由紅色曲線減去藍(lán)色曲線得到，紅色曲線為上頸部扭矩試驗值曲線Myupper（t），藍(lán)色曲線為頸部剪切力轉(zhuǎn)化項DFxupper（t）。由曲線分析結(jié)合理解計算可以得出，整體DFxupper（t）較小，My評價結(jié)果主要由讀取結(jié)果部分構(gòu)成。所以若要識別My偏大原因，則只需要分析My實際讀取結(jié)果曲線即可。

圖5 上頸部扭矩（My）計算曲線

圖6示出在動態(tài)試驗中，當(dāng)My達(dá)到峰值時刻頭部相對頸部的運(yùn)動趨勢。結(jié)合圖5可以看出，由于頭部與頭枕間距太大（如圖3所示），且頭枕發(fā)泡硬度較小，支撐力度不夠（如圖6所示，頭部陷入頭枕太多），導(dǎo)致出現(xiàn)了如文章第1部分中提及的頭部由于慣性相對于軀干后仰太多，頭部相對頸部點(diǎn)頭運(yùn)動趨勢明顯，呈現(xiàn)較為嚴(yán)重的S形變化，進(jìn)而導(dǎo)致My偏大。

圖6 上頸部扭矩（My）峰值時刻頭部相對頸部的運(yùn)動趨勢示意圖

3 問題整改及驗證分析

通過試驗問題分析，找到了本款座椅在鞭打試驗中主要失分項NIC及My傷害值偏大的真正原因。

結(jié)合原因分析過程，針對NIC，可通過提前頭部與頭枕接觸時刻從而降低胸部相對頭部加速度正方向差值，并最終降低NIC的思路來實現(xiàn)，頭部加速度波形優(yōu)化概念方案效果曲線，如圖7中藍(lán)色虛線所示。

圖7 頭部相對胸部加速度優(yōu)化方向示意圖

結(jié)合原因分析過程，針對My，可通過提早頭枕對于頭部的支撐時刻，同時增加頭枕發(fā)泡硬度，通過平衡My正負(fù)方向數(shù)值大小，進(jìn)而最終降低My整體傷害的思路來實現(xiàn)，概念方案效果曲線，如圖8中紅色虛線所示。

為達(dá)到上述預(yù)期效果，同時降低試驗費(fèi)用和成本，縮短試驗周期，需借用CAE仿真分析工具進(jìn)行本座椅防揮鞭傷性能優(yōu)化仿真分析，找到最合適的頭部與頭枕間距及頭枕發(fā)泡硬度等關(guān)鍵參數(shù)。

為提升該仿真分析效率與精度，采取MADYMO假人模型與LS-DYNA座椅模型相耦合的方式進(jìn)行分析。圖9示出本次仿真分析與試驗結(jié)果相關(guān)性做好之后動態(tài)分析過程示意，結(jié)合數(shù)據(jù)曲線對比，以確保仿真分析模型準(zhǔn)確性及方案優(yōu)化有效性。

圖9 座椅防揮鞭傷仿真與試驗相關(guān)性分析過程示意圖

通過以頭后間距及頭枕發(fā)泡硬度為變量進(jìn)行DOE優(yōu)化分析后得出：

1）頭部與頭枕間距應(yīng)由原狀態(tài)降低到25 mm左右（不影響座椅頭枕乘坐舒適性）；

2）頭枕發(fā)泡硬度需在現(xiàn)有狀態(tài)基礎(chǔ)上增加約2.5倍（不影響座椅頭枕乘坐舒適性）。

圖10示出在最優(yōu)參數(shù)狀態(tài)下仿真分析過程示意，結(jié)合曲線數(shù)據(jù)及圖10，得出在此狀態(tài)下，可以保證頭枕能夠及時、有效地對頭部起到支撐作用，進(jìn)而降低NIC及My。

圖10 最優(yōu)參數(shù)狀態(tài)下座椅防揮鞭傷仿真分析示意圖

為驗證仿真分析結(jié)論準(zhǔn)確性，對該款座椅頭枕樣件進(jìn)行試驗驗證。圖11示出試驗前靜態(tài)測量狀態(tài)，保證與仿真分析狀態(tài)保持一致后進(jìn)行動態(tài)試驗。

圖11 最優(yōu)參數(shù)狀態(tài)下頭部與頭枕間距示意圖

基于仿真分析最優(yōu)參數(shù)狀態(tài)，試驗后關(guān)鍵結(jié)果曲線對比，如圖12～圖14所示。

圖12 優(yōu)化后胸部與頭部加速度曲線

圖13 優(yōu)化前后頸部傷害指數(shù)（NIC）對比曲線

圖14 優(yōu)化前后上頸部扭矩（My）對比曲線

從圖12可以看出，通過提早頭部與頭枕接觸時刻后，在降低頭部加速度峰值的基礎(chǔ)上，有效降低了胸部對頭部的加速度差值。

從圖13可以看出，在有效降低胸部對頭部加速度差值后，成功實現(xiàn)了NIC的降低。

從圖14可以看出，通過提早頭部與頭枕接觸時刻，同時增加頭枕發(fā)泡硬度，平衡了My正負(fù)方向數(shù)值大小，并最終降低了My整體傷害。

表3示出在最優(yōu)參數(shù)狀態(tài)下試驗結(jié)果及得分評價。

從表3中可以看出，在針對頭部與頭枕間距及頭枕發(fā)泡硬度進(jìn)行優(yōu)化后，在有效降低NIC及My的同時，所有評價項目基本都能得到滿分；2015版總得分為3.95分，確保了該車型滿足基于2015版C-NCAP五星針對鞭打試驗項的得3.5分的目標(biāo)要求。

4 結(jié)論

隨著2015年版C-NCAP鞭打試驗評價方法的實施，在2012年版基礎(chǔ)上開發(fā)設(shè)計的部分座椅在防揮鞭傷性能方面需要進(jìn)行提升，以獲得與原來相當(dāng)?shù)姆謹(jǐn)?shù)。文章通過對某車型座椅鞭打試驗結(jié)果中得分較低的關(guān)鍵影響指標(biāo)進(jìn)行深入分析，識別出問題真因所在，并借助仿真工具通過優(yōu)化分析的方式識別出了適合本款座椅的頭部與頭枕間距及頭枕發(fā)泡硬度等關(guān)鍵參數(shù)，通過試驗驗證后達(dá)到了預(yù)期效果，可為后續(xù)新開發(fā)座椅或其他有類似問題的已量產(chǎn)座椅提供設(shè)計或問題整改參考。

1）對于全新開發(fā)座椅，可考慮采用主動頭枕結(jié)構(gòu)，對于已量產(chǎn)普通座椅，則可考慮在不影響乘坐舒適性的基礎(chǔ)上將頭枕向靠近乘員頭部的方向前移以優(yōu)化設(shè)計，目的是在追尾碰撞過程中，使得頭枕提早接觸到乘員頭后部，并起到有效支撐，盡量降低頭部與胸部之間加速度差值，進(jìn)而降低NIC；

2）提早頭部與頭枕接觸時刻、同時適量增加頭枕發(fā)泡硬度，通過平衡My正負(fù)方向數(shù)值大小的方式，可有效降低My傷害指標(biāo)；

3）鞭打試驗中所涉及到的各評價指標(biāo)之間是有相互關(guān)聯(lián)性的，尤其對于頭部與頭枕間距，頭枕發(fā)泡硬度，及二者與座椅靠背（尤其是與T1加速度傳感器位置直接相關(guān)的上背部）剛度等之間需要進(jìn)行良好的匹配設(shè)計，才能取得良好效果。