增加座椅靠背轉(zhuǎn)動(dòng)角度對(duì)BioRID Ⅱ假人傷害值的影響研究

崔新康，王鵬翔，李月明，張毅,商恩義

吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 311228

0 引言

2021年C-NCAP增加了第二排兩側(cè)座椅鞭打試驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法，說明C-NCAP對(duì)于追尾事故給乘員造成的頸部傷害越來越受重視了。追尾事故損傷原理是碰撞中駕駛員和乘客的頭部和胸部之間的運(yùn)動(dòng)差異導(dǎo)致了相鄰頸椎間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于追尾事故中乘員傷害的研究，目前大多數(shù)是利用仿真軟件來研究BioRID Ⅱ假人頸部的傷害。根據(jù)相關(guān)研究，目前降低假人頸部傷害值(NIC)的基本思路為：在不改變汽車座椅骨架的情況下，增加汽車座椅頭枕高度和減小假人頭部和汽車座椅頭枕之間的距離，讓假人頭部更早接觸座椅頭枕這樣可以減小頭部加速度和T1加速度的差值。

一般情況下在鞭打試驗(yàn)開始后，首先假人在慣性力的作用下開始向后滑行，假人上軀干拖著頭部一起向后滑行。然后假人上軀干和汽車座椅靠背開始接觸，并持續(xù)不斷地?cái)D壓汽車座椅靠背，隨后BioRID Ⅱ頭部開始擠壓頭枕。隨著假人上軀干進(jìn)一步擠壓汽車座椅靠背，頭部開始接觸頭枕。隨著假人背部進(jìn)一步擠壓座椅靠背，座椅靠背開始變形，座椅靠背角度逐步增加。隨著進(jìn)一步擠壓假人軀干向后移動(dòng)受阻，座椅背角增加逐步減緩。假人頭部開始向后旋轉(zhuǎn)。隨后假人開始反彈。在整個(gè)過程中BioRID Ⅱ假人頭部受到的外力主要來自于汽車座椅頭枕，如果汽車座椅靠背骨架旋轉(zhuǎn)的角度不斷增加，可以把假人上軀干受力的時(shí)域延長(zhǎng)，強(qiáng)度降低，這樣可以緩解頭部和胸部之間的運(yùn)動(dòng)差。同時(shí)座椅靠背在旋轉(zhuǎn)的過程中也會(huì)消耗部分能量，也會(huì)減少傳遞給假人的能量降低頭部和胸部之間的運(yùn)動(dòng)差?；谏鲜鲈?，本文利用假人滑臺(tái)鞭打試驗(yàn)研究座椅靠背增加旋轉(zhuǎn)角度對(duì)BIORID Ⅱ假人傷害的影響。

1 BioRID Ⅱ假人脊椎結(jié)構(gòu)

BioRID Ⅱ假人脊椎結(jié)構(gòu)主要由頸椎、胸椎、T1力傳感器、阻尼塊、底座、鋼索及其附件組成，如圖1所示。

圖1 BioRID Ⅱ假人脊椎結(jié)構(gòu)

BioRID Ⅱ假人胸椎是由17塊椎骨通過銷子相連，每?jī)蓧K椎骨兩側(cè)都有鋼片(有弧形槽)通過螺栓和椎骨連接。頸部脊椎是由8塊頸椎骨用銷子串在一起，頸部左側(cè)由一根鋼索從前端穿繞過(8字形)阻尼塊到后端，鋼索用來調(diào)節(jié)頸部曲度。胸椎、T1力傳感器和頸椎通過銷子連接。同時(shí)T1力傳感器和胸椎兩側(cè)通過鋼片連接。

2 汽車座椅靠背和坐墊骨架連接結(jié)構(gòu)

汽車座椅在結(jié)構(gòu)上主要分為頭枕、靠背、坐墊及支架、滑軌、調(diào)角器、高度調(diào)節(jié)器、安全帶扣等模塊。座椅靠背骨架和坐墊骨架每側(cè)有一塊金屬板連接，座椅靠背的旋轉(zhuǎn)軸外部和金屬板上部焊在一起。座椅靠背角度調(diào)整手柄拉起時(shí)，座椅靠背可以繞著轉(zhuǎn)軸相對(duì)于金屬板旋轉(zhuǎn)，座椅靠背和金屬板是相對(duì)分離的。金屬板下部前后兩端各用一顆螺絲和座椅坐墊骨架連接在一起，具體如圖2所示。這樣座椅靠背和座椅坐墊就形成一個(gè)整體。

圖2 座椅靠背和坐墊骨架連接結(jié)構(gòu)

3 座椅靠背轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)BioRID Ⅱ假人的影響分析

3.1 試驗(yàn)方案

取兩組相同的汽車座椅：試驗(yàn)1汽車座椅不做任何處理;試驗(yàn)2汽車座椅靠背和坐墊骨架連接后端螺栓的金屬板上方開一個(gè)槽(槽的尺寸可根據(jù)不同座椅螺栓尺寸及座椅最大靠背角確定),目的是讓座椅靠背在受到BioRID Ⅱ假人擠壓時(shí)，當(dāng)擠壓力超過座椅靠背骨架和座椅坐墊骨架連接后端螺栓的摩擦力時(shí)，座椅靠背可以繞著座椅骨架連接前端螺栓繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，消耗假人傳遞給座椅靠背的能量。試驗(yàn)1和試驗(yàn)2按照相同試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，為了消除假人因素影響，兩組試驗(yàn)使用同一個(gè)假人。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

在28 ms時(shí)假人上軀干和座椅靠背開始接觸，假人上軀干開始擠壓座椅靠背泡沫，T1加速度開始緩慢增加。在56 ms時(shí)BioRID Ⅱ假人頭部開始接觸汽車座椅頭枕，T1加速度和頭部加速度曲線斜率越來越大。在60 ms座椅坐墊骨架開始產(chǎn)生變形，T1加速度和頭部加速度開始回落后又快速上升，如圖3和圖4所示。

圖3 頭部加速度對(duì)比

圖4 T1加速度對(duì)比

由圖3和圖4可知，在78～150 ms時(shí)間段，試驗(yàn)1和試驗(yàn)2頭部加速度曲線在78 ms產(chǎn)生偏離，試驗(yàn)2的T1和頭部加速度曲線都明顯向下。但試驗(yàn)1的頭部加速度和T1加速度曲線繼續(xù)快速上升在82 ms才開始回落。試驗(yàn)2頭部加速度曲線的第2個(gè)峰值84.0 m/s明顯低于試驗(yàn)1第2個(gè)峰值122.0 m/s，下降了31.0%;試驗(yàn)2 T1的第2個(gè)峰值110.0 m/s明顯低于試驗(yàn)1第2個(gè)峰值134.0 m/s，下降了18.0%。在78 ms時(shí)試驗(yàn)2中假人對(duì)座椅靠背的擠壓力已經(jīng)大于后端螺栓的摩擦力，座椅骨架連接后端螺栓在刻槽內(nèi)滑動(dòng)，座椅靠背開始繞著座椅骨架連接前端螺栓旋轉(zhuǎn)。

座椅靠背旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)對(duì)比如圖5所示，由圖可以看出，在82 ms座椅靠背骨架開始變形，座椅靠背角度快速增長(zhǎng)。在座椅靠背旋轉(zhuǎn)和變形的共同作用下，試驗(yàn)2在88 ms時(shí)(波谷)的頭部加速度為8.8 m/s，比試驗(yàn)1的67.7 m/s下降了87.0%，T1加速度平均下降了50.0%。88～150 ms隨著座椅骨架變形量越來越小，頭部加速度和T1加速度則快速上升。在110 ms時(shí)試驗(yàn)1中假人加速度達(dá)到最大值195.0 m/s開始反彈，試驗(yàn)2假人頭部在120 ms達(dá)到最大值189.0 m/s開始反彈。由于試驗(yàn)2中座椅靠背的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致在88 ms之后試驗(yàn)1頭部加速度和T1加速度曲線產(chǎn)生了3～4 ms的相位差。

圖5 座椅靠背旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)對(duì)比

BioRID Ⅱ假人上頸部力、對(duì)比如圖6所示。

圖6 BioRID Ⅱ假人上頸部力Fx、Fz對(duì)比

由圖6可知，在56 ms時(shí)刻BioRID Ⅱ假人頭部接觸汽車座椅頭枕，上頸部產(chǎn)生負(fù)向剪切力。試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的上頸部的逐步增加。在78～120 ms 這個(gè)時(shí)間段：78 ms時(shí)試驗(yàn)2的上頸部曲線達(dá)到峰值81 N并開始回落，是因?yàn)樵囼?yàn)2座椅靠背在78 ms開始旋轉(zhuǎn)、變形。試驗(yàn)1的上頸部達(dá)到峰值111 N并開始回落是因?yàn)樵?2 ms時(shí)座椅靠背骨架開始變形。試驗(yàn)2的上頸部曲線峰值比試驗(yàn)1降低了27.0%。隨著座椅骨架變形逐步減小試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的上頸部都逐步增加。在120～150 ms 試驗(yàn)1曲線斜率明顯大于試驗(yàn)2曲線斜率。這是因?yàn)樵囼?yàn)1假人上軀干在120 ms開始反彈，上頸部曲線開始回落。試驗(yàn)2在125 ms反彈。由于試驗(yàn)1假人頭部反彈較快，所以曲線斜率較大。

由圖6還可以看出，在0～87 ms試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的假人上頸部曲線走勢(shì)幾乎一致。這是因?yàn)樵?～56 ms這個(gè)時(shí)間段。坐墊傳遞給假人的力和假人頭部慣性力的作用下，頸部表現(xiàn)為軸向壓力并逐步增加(頭向上，胸向下為正)。在56～87 ms這個(gè)階段：在56 ms頭后方下部開始接觸座椅頭枕，頭枕給假人頭部一個(gè)斜向上的力，在逐步快速增長(zhǎng)。在87～110 ms這個(gè)時(shí)間段：試驗(yàn)2上頸部曲線峰值448 N比試驗(yàn)1峰值364 N降低了18.8%。因?yàn)樵谠囼?yàn)2中座椅靠背在87 ms開始旋轉(zhuǎn)，座椅靠背給假人上軀干的支撐力小于試驗(yàn)1(從假人T1加速度曲線可以看出)，導(dǎo)致試驗(yàn)2假人頭部向后運(yùn)動(dòng)的速度小于試驗(yàn)1，假人頭部向后旋轉(zhuǎn)的速度小于試驗(yàn)1，在試驗(yàn)視頻中也得到了驗(yàn)證，如圖7所示。

圖7 假人頭部旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)對(duì)比

由于假人頭部向后運(yùn)動(dòng)時(shí)擠壓頭枕。同時(shí)頭部向后旋轉(zhuǎn)，頭部后仰角度的增加，頭部受力在向的分力越來越大。假人頭部受力分析如圖8和圖9所示，圖中代表頭部所受合力，h代表頸部向剪切力，h代表頸部向剪切力。因此試驗(yàn)1的曲線數(shù)值明顯大于試驗(yàn)2。

圖8 在87 ms時(shí)假人頭部受力分析

圖9 在125 ms時(shí)假人頭部受力分析

在110～130 ms這個(gè)時(shí)間段，試驗(yàn)2曲線值明顯大于試驗(yàn)1。這是由于在這個(gè)過程中試驗(yàn)1中頭部運(yùn)動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)的速度比試驗(yàn)2快。

BioRID Ⅱ假人上頸部力矩對(duì)比如圖10所示。

圖10 BioRID Ⅱ假人上頸部力矩對(duì)比

由圖10可知，在0～78 ms試驗(yàn)2和試驗(yàn)1假人上頸部曲線比較一致，這是因?yàn)樵?～56 ms這個(gè)階段：假人的慣性力讓假人上軀干相對(duì)于汽車座椅向后運(yùn)動(dòng)，力由上軀干傳遞給假人頭部，頭部隨著假人上軀干一起向后運(yùn)動(dòng)彎曲表現(xiàn)為正值并逐步增加。在60～65 ms這個(gè)階段：由于座椅坐墊骨架變形，導(dǎo)致T1加速度回落，隨著T1加速度回落頸部也開始回落。在65～75 ms這個(gè)階段坐墊骨架變形基本完成，隨著T1加速度逐步增長(zhǎng)，也開始增長(zhǎng)。在75 ms假人頭部開始向后旋轉(zhuǎn)，如圖7所示，開始回落。在78～110 ms這個(gè)時(shí)間段，試驗(yàn)2曲線峰值-3.91 N比試驗(yàn)1峰值-7.91 N降低了50.6%。這是因?yàn)樵?8 ms時(shí)試驗(yàn)2的座椅靠背開始繞著座椅骨架連接前端螺栓旋轉(zhuǎn)，給假人上軀干的支撐力小于試驗(yàn)1，導(dǎo)致試驗(yàn)1假人頭部旋轉(zhuǎn)速度比試驗(yàn)2快，向后旋轉(zhuǎn)角度大。所以試驗(yàn)1的大于試驗(yàn)2的。假人上頸部在125～150 ms試驗(yàn)2曲線的峰值7.83 N·m比試驗(yàn)1峰值12.442 N·m降低了37.1%。這是因?yàn)樵囼?yàn)1和試驗(yàn)2假人頭部都在110 ms開始向前旋轉(zhuǎn)，試驗(yàn)1在118 ms開始了反彈。試驗(yàn)2在125 ms反彈。由于試驗(yàn)1假人頭部反彈早、旋轉(zhuǎn)速度和反彈速度快，向前旋轉(zhuǎn)角度大。所以試驗(yàn)1曲線的峰值明顯大于試驗(yàn)2。

BioRID Ⅱ假人下頸部和對(duì)比如圖11所示。由圖可知，在0～150 ms試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的曲線走勢(shì)幾乎一致。這是因?yàn)閮纱卧囼?yàn)滑臺(tái)的速度基本一致，使用的是同一個(gè)假人。在這個(gè)時(shí)間假人頭部和頸部的旋轉(zhuǎn)主要發(fā)生在T1力傳感器以上部位，胸部脊椎發(fā)生旋轉(zhuǎn)較小。所以假人下頸部T1剪切力基本接近。在78～130 ms產(chǎn)生微小差異的原因和上頸部產(chǎn)生偏差的原因一致。

圖11 BioRID Ⅱ假人下頸部Fx和Fz對(duì)比

由圖11可知，試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中BioRID Ⅱ假人下頸部和上頸部在0～87 ms的曲線走勢(shì)幾乎一致。在87～110 ms這個(gè)階段下頸部在試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中產(chǎn)生差異的原因也和上頸部相同。試驗(yàn)2曲線峰值253 N比試驗(yàn)1峰值385 N降低了52.2%。

BioRID Ⅱ假人下頸部力矩對(duì)比如圖12所示。假人下部在0～160 ms試驗(yàn)2曲線和試驗(yàn)1曲線走勢(shì)基本一致。這是因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)間假人頭部和頸部的旋轉(zhuǎn)主要發(fā)生在T1力傳感器以上部位，胸部脊椎發(fā)生旋轉(zhuǎn)較小。

圖12 BioRID Ⅱ假人下頸部力矩對(duì)比

3.3 試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)對(duì)比

鞭打試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 鞭打試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

通過表1可以得到：

(1)BioRID Ⅱ假人頸部傷害值：試驗(yàn)1試驗(yàn)值為15.837 m/s，得分1.288;試驗(yàn)2試驗(yàn)值為14.617 m/s，得分1.398。試驗(yàn)2頸部傷害值得分比試驗(yàn)1高0.11分，提升了8.5%。

(2)BioRID Ⅱ假人上頸部：試驗(yàn)1的上頸部為12.442，超出了高性能限值，扣0.024分。試驗(yàn)2的上頸部力傳感器曲線值均比試驗(yàn)1小。試驗(yàn)1得分1.476,試驗(yàn)2得分1.5分。試驗(yàn)2得分比試驗(yàn)1高0.024分，提升了1.6%。

(3)BioRID Ⅱ假人下頸部：試驗(yàn)1的下頸部為385 N，超出了高性能限值257 N，扣0.157分，扣分較多;試驗(yàn)2的下頸部253.2 N比高性能限值低，未扣分。試驗(yàn)1下頸部得分1.343，試驗(yàn)2得分1.5。試驗(yàn)2下頸部載荷得分比試驗(yàn)1高0.157分，提升了11.7%。

(4)試驗(yàn)2的總分4.398比試驗(yàn)1總分4.107高0.291分，提升了7.1%。其中下頸部載荷得分的提升0.157分貢獻(xiàn)最大，達(dá)到了54.0%;頸部傷害值得分的提升0.11分,貢獻(xiàn)了37.8%。

4 結(jié)論

本文利用座椅靠背增加旋轉(zhuǎn)角度對(duì)BIORID Ⅱ假人傷害的影響進(jìn)行了研究，指出增加座椅靠背的轉(zhuǎn)動(dòng)和BIORID Ⅱ假人各個(gè)傳感器曲線變化的關(guān)系。結(jié)果表明：

(1)增加座椅靠背轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以使假人頭部和T1加速度曲線第2個(gè)峰值下降。同時(shí)也使BIORID Ⅱ假人上頸部的、、曲線峰值下降,下頸部正向峰值下降。

(2)對(duì)假人評(píng)分結(jié)果影響最大的是下頸部、頭部加速度、T1加速度。

(3)增加座椅靠背的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)鞭打試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)的影響。下頸部峰值的降低使得分大幅提升，提升了11.7%;頭部和T1加速度峰值降低使頸部傷害值得分提升了8.5%。增加座椅靠背的轉(zhuǎn)動(dòng)使鞭打試驗(yàn)總得分提升了7.1%。研究結(jié)果對(duì)汽車座椅開發(fā)過程如何降低鞭打試驗(yàn)假人傷害值指出了方向。