李金柱,任鵬飛,石興博,崔東
(1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津300300;2.中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司,天津300300)
后面碰撞是各類事故中最不容易致死的事故類型,但是其造成的傷害概率卻是最高的。汽車后面碰撞一旦發(fā)生,由于慣性,駕駛員的頭部保持原來位置或移動緩慢,而駕駛員身體卻會跟隨車輛一起向前運動,這樣駕駛員頸部便會受到傷害,俗稱鞭打傷害[1-2]。揮鞭傷害是交通事故中最為嚴重的次要性傷害,其并發(fā)癥多、潛伏期長,不僅傷者會遭受巨大痛苦,還會帶來較大的財產(chǎn)損失。2012年,為使鞭打的風險降到最低,鞭打試驗正式加入到C-NCAP,并于2018年對鞭打試驗的評定標準進行了提升。
目前對于前排座椅的鞭打損傷研究較多[3-5],國內(nèi)外對于后排座椅頸部損傷的研究還相對匱乏,E-NCAP對于后排座椅鞭打損傷的評價也只是對靜態(tài)測量做了規(guī)定,無法與人體頸部損傷建立直接的聯(lián)系。目前大家對于后排座椅乘員頸部損傷的重視度不夠,隨著國內(nèi)后排乘坐率的提高,尤其出租車,以及后碰概率的增加,后排鞭打防護的研究有著重要意義。另外,仿真分析相比于試驗研究具有成本低效率高的優(yōu)勢,而且已經(jīng)在汽車行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛認可,所以借助CAE來研究后排乘員的頸部損傷情況,可以防止時間和成本的浪費[6],另外通過仿真結(jié)果可以更加細致地研究假人姿態(tài)的運動情況,分析問題產(chǎn)生的原因。
本文結(jié)合E-NCAP[7]后排座椅鞭打靜態(tài)評價流程和C-NCAP[8](2018版)動態(tài)鞭打試驗評價規(guī)程和評分原則對5把后排座椅頸部損傷進行研究,旨在研究目前后排座椅對于頸部的保護情況,以及后排座椅靜態(tài)評價和動態(tài)評價之間的關(guān)聯(lián),為后續(xù)在后排座椅的開發(fā)過程中,能夠提高廠家對后排座椅乘員頸部保護的意識,以及對于后排座椅的開發(fā)設計提供參考作用。
目前國內(nèi)C-NCAP只有針對主駕座椅的頸部損傷評價方法,對于后排座椅的頸部損傷還未公布相關(guān)的法規(guī),而E-NCAP介紹了后排座椅頸部損傷靜態(tài)評價方法。本文參考E-NCAP和C-NCAP相關(guān)的評價內(nèi)容對后排座椅乘員頸部損傷進行研究評價[9-11]。
E-NCAP后排座椅鞭打評價主要對座椅進行靜態(tài)測量[12],主要有以下評價項目:頭枕有效高度Heff,包括最高位置和最差位置(需滿足頭枕最低使用高度要求);頭枕間隙?CPX,包括中間位置和最差位置(需滿足頭枕最低使用高度要求);頭枕非使用位置評價,包括頭枕自動復位評價;頭枕轉(zhuǎn)動角度評價;HPM軀干角變化量評價;頭枕下緣高度HLE和頭枕下緣厚度S。因篇幅有限具體測量方法不再做單獨介紹,具體參考E-NCAP后排座椅鞭打評價流程。只有當Heff滿足要求后,在進行其他參數(shù)的評定,對于非使用位置評價,只需要滿足其中一項就可以得分,總分為4分,換算成乘員保護得分為0.5分。具體評分細則如表1所示。
表1 E-NCAP后排座椅鞭打靜態(tài)評分原則
本文選擇5款后排座椅作為研究對象,分別按照ENCAP后排座椅鞭打靜態(tài)評價流程進行測量。圖1所示為座椅A靜態(tài)測量示意圖,其余4把座椅分別命名為B、C、D、E,如圖2所示,測量方法與座椅A相同,不再重復展示。
圖1 座椅A靜態(tài)測量
圖2 其余4把座椅造型
C-NCAP采用頸部傷害指數(shù)NIC、上頸部剪切力FX+、上頸部拉力FZ+、上頸部扭矩My,下頸部剪切力FX+、下頸部拉力FZ+和下頸部扭矩My這7項評分指標,以及對座椅靠背最大動態(tài)張角、頭枕干涉頭部空間、座椅滑軌動態(tài)位移的3項罰分項。具體的總體評分原則如表2所示。
表2 C-NCAP鞭打試驗總體評分原則
E-NCAP和C-NCAP中對于頸部損傷的評價內(nèi)容雖然不同,但卻有一定的聯(lián)系。E-NCAP靜態(tài)評價中頭枕有效高度Heff和頭枕間隙?CPX,是和頭部接觸位置有關(guān),而頭枕的接觸位置會影響乘員的頸部受力情況,對頸部造成不同程度的傷害。
后排座椅參考前排座椅先進行頭部間隙測量和頭枕相對高度測量,然后再按照法規(guī)要求進行加載和評價,頭枕靜態(tài)測量示意圖如圖3所示。
圖3 頭枕靜態(tài)測量示意圖
測量結(jié)果如表3所示,可以發(fā)現(xiàn),除了座椅E,其余4把座椅的頭部間隙,與前排座椅相比,數(shù)值都較大,參考前排座椅鞭打分析經(jīng)驗,頭部間隙過大,會導致頭枕接觸時間變長,頭枕接觸不穩(wěn)定,不利于鞭打防護,接下來參考C-NCAP動態(tài)評價流程對5把座椅進行鞭打動態(tài)仿真分析。
表3 后排座椅靜態(tài)測量結(jié)果
由于目前缺少后排動態(tài)鞭打?qū)嶒灲Y(jié)果,無法對仿真模型進行驗證,本文參考主駕鞭打建模處理方法,圖4所示對比了某主駕座椅仿真和試驗中頭部加速度曲線,曲線整體趨勢、峰值出現(xiàn)時刻和大小都比較吻合,對于后排模型的搭建具有較高的參考意義。
圖4 主駕座椅鞭打試驗與仿真頭部加速度對比
通過圖5~7可以發(fā)現(xiàn)座椅A、B、C、D頭部加速度和胸部加速度上升時間差異較大,且加速度上升速度較快,說明頭部和胸部運動出現(xiàn)了偏差,且靠背和頭枕沒有起到明顯的緩沖作用,導致座椅NIC值較高。通過圖8~11可以看出5把座椅中假人頸部上剪切力FX較小,沒有超過高性能值。而座椅A和座椅D,則下頸部剪切力FX、上頸部拉力FZ、下頸部拉力FZ峰值都比較大。特別是座椅D的上頸部拉力峰值已經(jīng)超過低性能值,該座椅鞭打防護存在較為嚴重的問題,一旦出現(xiàn)事故,會對乘員頸部造成嚴重的傷害。通過圖12、圖13可以看出5把座椅的假人頸部彎矩值較小,沒有明顯的失分。
圖5 頭部加速度
圖6 胸部加速度
圖7 頸部傷害值NIC
圖8 上頸部剪切力FX+
圖12 上頸部扭矩My
圖13 下頸部扭矩My
圖9 下頸部剪切力FX+
圖10 上頸部拉力FZ+
圖11 下頸部拉力FZ+
針對座椅A和座椅D部分傷害值比較大的問題,對頭部運動進行分析。根據(jù)圖14頭部與頭枕接觸后,頭枕泡沫太薄,頭部沒有足夠的緩沖空間,且在頭部向后運動的過程中,頭枕剛度不足,頭枕有一個向后轉(zhuǎn)動的過程,此時頭枕對頭部施加了一個相反的彎矩,由于頭部還處于往后擺的過程,雖然此時對于上頸部剪切力有利,但勢必會增加上頸部拉力的傷害值。通過圖15可以看出,假人頭部與座椅D頭枕接觸后,隨著頭部的后移與頭枕桿發(fā)生接觸,導致頭部加速度急劇上升,最終導致頸部NIC傷害值較大。這些問題說明部分廠家為了節(jié)約成本和車內(nèi)空間所限,而忽略了對后排乘員頸部保護的考慮。
圖14 座椅A頭部受力分析示意圖
圖15 座椅D頭部與頭枕桿接觸示意圖
對于5把后排座椅都沒有頭枕自動復位和頭枕轉(zhuǎn)動的功能,對于非使用位置,只對頭枕下緣高度HLE和頭枕下緣厚度S進行評價。座椅A、B由于只有兩個卡齒位置,且在最低卡齒位置不滿足UN-ECER17-08要求,所以只對最高位置進行測評。通過表4可以看出5把后排座椅都滿足Heff的測量指標,對于ΔCPXLIMIT只有座椅E滿足要求,說明座椅頭枕相對于點H普遍靠后,不利于頭枕支撐。對于頭枕下緣高度HLE沒有座椅滿足要求,對于頭枕下緣厚度S則只有座椅E滿足要求,說明5把座椅的舒適性相對較差。
表4 后排座椅靜態(tài)評價結(jié)果
通過表5后排座椅的動態(tài)評價結(jié)果發(fā)現(xiàn),5把座椅的上頸部剪切力得分普遍較高,而NIC、上頸部拉力得分普遍較差,且差距較大,最差的得到0分。下頸部剪切力和拉力得分較分散,既有傷害值小的,也有比較大的。
雖然A、B、C、D四把座椅E-NCAP靜態(tài)評價和CNCAP動態(tài)評價結(jié)果都比較差,但動態(tài)評價結(jié)果指標有好有壞。說明E-NCAP靜態(tài)評價可以初步判斷后排座椅的乘員頸部損傷情況,但無法反映乘員頸部損傷的具體問題,還需要參考C-NCAP動態(tài)評價結(jié)果,從而對后排座椅進行有效地設計及優(yōu)化。
本文基于E-NCAP后排座椅鞭打評價流程對5把后排座椅進行靜態(tài)評價,利用有限元的方法建立該座椅的鞭打仿真模型,根據(jù)C-NCAP鞭打試驗評價規(guī)程和評分原則對其進行鞭打試驗的仿真分析,探究目前后排座椅的鞭打防護程度,以及E-NCAP靜態(tài)評價與C-NCAP動態(tài)評價之間的關(guān)系,結(jié)論如下。
(1)靜態(tài)和動態(tài)評價有一定的相關(guān)性,A、B、C、D四把座椅,靜態(tài)和動態(tài)評測結(jié)果都比較差,而E座椅靜態(tài)和動態(tài)評判結(jié)果都較好。
(2)靜態(tài)評價失分的主要測評項為?CPX和非使用位置的評價,動態(tài)評價失分的主要原因為NIC和上頸部拉力傷害值較大。
(3)通過靜態(tài)和動態(tài)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)E-NCAP靜態(tài)指標可以一定程度上反映鞭打防護情況,但無法反映鞭打防護的具體問題,還需要結(jié)合C-NCAP動態(tài)評價。
本文的研究可以提高廠家對于后排座椅鞭打防護的意識,為后續(xù)汽車被動安全的完善起到一定的參考意義。