羅覃月，凡沙沙，呂俊成，林智桂，賈麗剛

(上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，廣西柳州 545007)

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C-NCAP正面碰撞后排女性假人頸部損傷研究

羅覃月，凡沙沙，呂俊成，林智桂，賈麗剛

(上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，廣西柳州 545007)

摘要：通過(guò)對(duì)后排女性假人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程建立簡(jiǎn)化模型、進(jìn)行動(dòng)力學(xué)理論分析，發(fā)現(xiàn)引起后排頸部傷害的根本原因有兩點(diǎn)：第一，頭部與胸部之間的運(yùn)動(dòng)不同步；第二，頭、胸部與骨盆的運(yùn)動(dòng)不同步。將理論分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合,找到影響假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的主要因素是安全帶的限力等級(jí)。通過(guò)優(yōu)化安全帶的限力值可達(dá)到降低頸部損傷的效果。

關(guān)鍵詞：正面碰撞；頸部傷害；受力分析

0引言

多年來(lái)，各車(chē)型的被動(dòng)安全性約束裝置開(kāi)發(fā)都聚焦在前排駕駛員和乘員，安全帶、潰縮式轉(zhuǎn)向柱管及安全氣囊等這些安全性配置將在碰撞過(guò)程中對(duì)前排乘員進(jìn)行有效保護(hù)。隨著汽車(chē)安全技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始注意后排乘員的安全性問(wèn)題。而我國(guó)車(chē)輛后排座位的使用率相當(dāng)高，其中女性和兒童占有相當(dāng)?shù)谋壤Ｒ虼嗽谡媾鲎苍囼?yàn)中，C-NCAP評(píng)價(jià)體系加入了對(duì)后排放置女性假人的評(píng)價(jià)。車(chē)輛后排約束系統(tǒng)往往沒(méi)有前排那樣完善，通常只有安全帶沒(méi)有氣囊，這就增加了傷害的可能性。2012年版C-NCAP實(shí)施以來(lái)，后排女性假人的得分普遍不高，尤其頸部，反映了當(dāng)前對(duì)后排女性乘員的保護(hù)意識(shí)薄弱，約束系統(tǒng)作用效果不佳。因此作者重點(diǎn)對(duì)后排女性假人頸部傷害的原因進(jìn)行分析。

1后排女性假人頸部損傷現(xiàn)狀

C-NCAP要求在正面碰撞50 km/h、100%FRB和64 km/h、40%ODB 2種工況下，分別評(píng)價(jià)假人的頭部、頸部、胸部傷害值。第二排女性假人頭部若在向前移動(dòng)過(guò)程中未與車(chē)輛零部件發(fā)生二次碰撞，則頭部直接得分。因此文中主要研究頭部未發(fā)生二次碰撞的情況下頸部的傷害，此時(shí)頸部評(píng)價(jià)指標(biāo)為頸部張力Fz。

查看2015版C-NCAP實(shí)施以來(lái)的試驗(yàn)車(chē)型，后排得分情況如表1所示。

從這7款車(chē)試驗(yàn)后的圖片得知，后排假人在向前移動(dòng)過(guò)程中均未與前排座椅、B柱等零部件發(fā)生二次碰撞。因此，正碰中頭部直接獲得0.8分，頸部考察張力Fz；偏置碰中頭頸部只考察頸部張力Fz。從表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)：除3款五星車(chē)外，其余參評(píng)車(chē)頸部得分均為0分；且3款五星車(chē)后排頸部得分率依次為55.0%，47.5%，40.8%，均不理想。

2后排女性假人頸部損傷理論研究

在正面碰撞過(guò)程中，車(chē)體與假人的初始速度為v0，在100%正面碰撞中v0=13.89 m/s，在40%偏置碰撞中v0=17.78 m/s。以某車(chē)型100%正面碰撞采集到的數(shù)據(jù)為例，如圖1所示，圖中4條曲線分別為車(chē)體、假人頭部、胸部、骨盆的水平速度隨時(shí)間的變化。在0～20 ms期間，車(chē)體開(kāi)始減速后，假人的頭部、胸部、骨盆由于慣性將維持初始速度繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，由于假人和安全帶存在初始間隙，此時(shí)安全帶還未發(fā)揮作用，在水平方向上假人只受到與坐墊的摩擦力，因此假人的速度并無(wú)大的變化；隨后在肩帶力、腰帶力、座椅約束力3種外力作用下，假人各部位的速度開(kāi)始下降。

為便于分析假人頸部的受力，對(duì)假人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程建立簡(jiǎn)化模型。

如圖3所示,將假人的上軀干簡(jiǎn)化為頭部(Head)、胸部(Chest)、骨盆(Pelvis)3個(gè)部分。骨盆與胸部之間的相互作用力為Fpc,胸部與頭部之間的相互作用力為Fch,那么頸部伸張力Fz即為胸部對(duì)頭部的拉力Fch_z。對(duì)假人各部位受力分解如下：

(1)骨盆受到座椅約束力、腰帶力及Fpc作用；

(2)胸部受到肩帶力，及Fpc、Fch作用；

(3)頭部在不發(fā)生二次碰撞的情況下，無(wú)任何外力作用，僅受到Fch作用。

圖4為試驗(yàn)用的假人,假人各部分構(gòu)成和圖3一致。

根據(jù)牛頓第二定律，得出關(guān)于假人頸部伸張力Fz及剪切力Fx的如下關(guān)系式：

Fz=Fch_z=mheadahead_z

(1)

Fx=Fch_x=mheadahead_x

(2)

將假人上軀干的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為兩部分：(1)頭部繞胸部的圓周運(yùn)動(dòng),向心加速度為a1_z，旋轉(zhuǎn)半徑為r1；(2)頭部、胸部共同繞骨盆的圓周運(yùn)動(dòng), 提供頭部作圓周運(yùn)動(dòng)的向心加速度為a2_z，旋轉(zhuǎn)半徑為r2，提供胸部作圓周運(yùn)動(dòng)的向心加速度為a3_z，旋轉(zhuǎn)半徑為r3。由此可得如下關(guān)系式：

ahead_z=a1_z+a2_z

頭部與胸部共同繞骨盆作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，有如下關(guān)系式：

a2_z=r2·ω2， a3_z=r3·ω2， a3_z=achest_z

故：

由上述關(guān)系式，可得出如下結(jié)果：

通過(guò)5th女性假人的結(jié)構(gòu)及傳感器位置，可粗略估算出1/r1=6,r2/r3=1.5。

因此:

ahead_z=6×(vhead_x-1.5·vchest_x)2+1.5×achest_z

(3)

5th女性假人頭型質(zhì)量為3.443 kg,可得出頸部張力Fz:

Fz=3.443×[6×(vhead_x-1.5×vchest_x)2+1.5×achest_z]

(4)

3基于試驗(yàn)的后排女性假人頸部損傷研究

3.1試驗(yàn)中假人頸部傷害值

通過(guò)2款車(chē)型在100%正碰和40%偏置碰中、后排女性假人的頸部損傷情況來(lái)驗(yàn)證上述理論分析的結(jié)果。車(chē)型一后排配置為普通三點(diǎn)式安全帶，肩帶力為7 kN。車(chē)型二后排配置為帶限力功能的安全帶，肩帶力為3.5 kN。如圖5、圖6所示，曲線1為試驗(yàn)中后排女性假人頸部張力傳感器輸出的Fz；曲線2為利用頭部加速度、胸部加速度及理論研究中的公式計(jì)算得到的Fz。試驗(yàn)中頭部均未與前排座椅、B柱等零部件發(fā)生二次碰撞。

由于假人的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在碰撞過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)也較復(fù)雜，文中第二部分關(guān)于頸部張力Fz的理論公式是簡(jiǎn)化了假人結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)后得到，因此并不能完全代表假人頸部的傷害情況。但是從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，兩者具有較好的同步性與相關(guān)性。

3.2頸部傷害值影響因素分析

Fz=3.443×[6×(vhead_x-1.5×vchest_x)2+1.5×achest_z]

從上述公式及其推導(dǎo)過(guò)程可以看出，影響頸部張力Fz的主要因素有2點(diǎn)：第一，是頭部與胸部之間的運(yùn)動(dòng)不同步；第二，是頭、胸部與骨盆的運(yùn)動(dòng)不同步。而2個(gè)影響因素對(duì)Fz的權(quán)重則與后排安全帶的配置有直接關(guān)系。

車(chē)型一后排配置普通三點(diǎn)式安全帶，肩帶力為7 kN。如圖7和圖8所示，通過(guò)車(chē)型一100%正碰和40%偏置碰的視頻可以看出：由于肩帶力高，安全帶對(duì)胸部的約束作用力大，假人胸部與骨盆的相對(duì)運(yùn)動(dòng)小，但是頭部與胸部的相對(duì)運(yùn)動(dòng)大。因此，該車(chē)型的試驗(yàn)中，頭部與胸部之間的運(yùn)動(dòng)不同步是影響頸部張力Fz的主要因素。

圖7車(chē)型一100%正面碰撞視頻截圖

圖8車(chē)型一40%正面偏置碰撞視頻截圖

車(chē)型二后排配置帶限力功能的安全帶，肩帶力為3.5 kN。如圖9和圖10所示，通過(guò)車(chē)型二100%正碰和40%偏置碰的視頻可以看出：由于肩帶力低，安全帶對(duì)胸部的約束作用力小，假人胸部繞骨盆的旋轉(zhuǎn)幅度較大，頭部繞胸部的旋轉(zhuǎn)幅度小。因此，該車(chē)型的試驗(yàn)中，頭、胸部與骨盆的運(yùn)動(dòng)不同步是影響頸部張力Fz的主要因素。

在車(chē)型二的基礎(chǔ)上將后排安全帶肩帶力提升至4.0 kN。如圖11和圖12所示，通過(guò)100%正碰和40%偏置碰的視頻可以看出：安全帶對(duì)胸部的約束作用力有所提升，假人胸部繞骨盆的旋轉(zhuǎn)幅度變小，頭部繞胸部的旋轉(zhuǎn)幅度變大。

圖9車(chē)型二,100%正面碰撞視頻截圖

圖10車(chē)型二,40%正面偏置碰撞視頻截圖

圖11肩帶力4.0 kN,100%正面碰撞視頻截圖

圖12肩帶力4.0 kN,40%偏置碰撞視頻截圖

3.3試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)車(chē)型一與車(chē)型二的試驗(yàn)視頻可知，肩帶力太高或太低會(huì)得到2種截然不同的假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，頸部Fz的主要影響因素也各不相同。若要降低假人頸部張力Fz，需要優(yōu)化安全帶的限力等級(jí)，達(dá)到同時(shí)減少頭部、胸部、骨盆三者間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的目的。表2列出了3組試驗(yàn)中后排假人頸部傷害值的對(duì)比，從試驗(yàn)結(jié)果可知：普通安全帶與低限力安全帶頸部傷害值均不理想，車(chē)型二在優(yōu)化了限力等級(jí)后，在正碰及偏置碰中頸部得分均得到提升。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)正面碰撞過(guò)程中后排女性假人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化及分解，得到頸部的受力主要與兩方面因素有關(guān)。結(jié)合后排安全帶的不同配置及實(shí)車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)正面碰撞中后排頸部傷害的根本原因有2點(diǎn)：第一是頭部與胸部之間的運(yùn)動(dòng)不同步；第二是頭、胸部與骨盆的運(yùn)動(dòng)不同步。

(2)后排安全帶的限力等級(jí)不同，會(huì)造成假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)不同，頸部傷害值不同。優(yōu)化安全帶的限力等級(jí)，在頭、胸部的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及頭胸部與骨盆的相對(duì)運(yùn)動(dòng)之間取得平衡，可以達(dá)

到降低頸部傷害值Fz的目的。

參考文獻(xiàn):

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Research on the Rear-row Female Dummy’s Neck Injury in the C-NCAP Frontal Impact Test

LUO Qinyue, FAN Shasha, LV Juncheng, LIN Zhigui, JIA Ligang

(SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd.,Liuzhou Guangxi 545007,China)

Keywords:Frontal impact; Neck injury; Force analysis

Abstract:Through establishing the movement simplified model of rear-row female dummy and making kinetic theory analysis, it was found that there were two root causes for neck injuries of rear-row female dummy, the first was the movement between the head and the chest was not synchronized; the second was the head, chest and pelvis movement was not synchronized. Combining the theoretical analysis with the experimental data,it was found the major factors affecting the posture was the seat belt force limiters grade. By optimizing the value of the seat belt force limiter, neck injuries can be reduced.

收稿日期：2016-02-18

作者簡(jiǎn)介：羅覃月(1984—)，女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槠?chē)被動(dòng)安全研究。E-mail：pmfxiatian@163.com。

中圖分類(lèi)號(hào):U461.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1986(2016)05-011-05