正面碰撞后期驾驶员复位后颈部运动与伤害的研究*

洪 亮，葛如海

(江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013)



2015116

正面碰撞后期驾驶员复位后颈部运动与伤害的研究*

洪 亮，葛如海

(江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013)

针对目前国内外对正面碰撞后期，驾驶员在安全气囊反弹力与安全带约束力作用下，向后复位运动，其腰部与座椅靠背接触后的颈部伤害研究很少的现状，进行了驾驶员上、下颈部运动状态研究，并分析座椅特征参数对颈部伤害的影响。为此以某型轿车乘员室相关尺寸和性能参数为依据，采用碰撞仿真软件MADYMO建立了驾驶员约束系统仿真模型，并进行仿真与试验验证。结果表明：减小座椅头枕刚度，可降低上颈部伸张弯矩峰值；减小靠背上部刚度与靠背倾角调节器转动刚度，可显著降低上、下颈部伸张弯矩峰值和颈部伤害指标Nkm与Nij；增加头枕前倾角，可大幅降低下颈部伸张弯矩峰值，但过大的头枕前倾角会增大颈部伤害指标。

正面碰撞；驾驶员；回程复位；颈部伤害；低速后碰撞

前言

随着汽车安全研究的不断深入，人们对正面碰撞的关注不再只停留在乘员头部、胸部、腹部和大腿的保护上，对颈部伤害的重视程度越来越高。颈部分上颈部和下颈部，上颈部一般指C1至C2，下颈部指C3至C7。

文献[1]中通过分析正面碰撞试验中，假人头、颈部的运动状态，指出碰撞初期头部向前转动滞后于颈部向前转动，导致上颈部首先承受伸张弯矩，之后才开始向前弯曲运动。

文献[2]中基于正面碰撞仿真模型，研究上颈部伸张伤害产生的原因，并分析了座椅防下潜结构、转向管柱压溃特性、安全气囊泄气孔直径、拉带长度和安全带限力等级对上颈部伸张伤害的影响。

文献[3]中通过建立正面碰撞仿真模型，分析了安全气囊气袋排气孔直径、气袋直径、织物渗透率和气体发生器质量流量等参数对离位女性假人颈部弯矩、剪切力与轴向力的影响。

文献[4]和文献[5]中通过对正撞试验中假人运动情况的分析，发现安全带约束导致向前运动的乘员头部与胸部发生相对运动，引起头部与胸部间产生约束作用，而对乘员颈部造成伤害。指出合理匹配安全带和安全气囊性能参数可显著降低颈部伤害。

文献[6]中基于正面碰撞事故数据，分析了碰撞波形对乘员颈部长期、中期伤害的影响，并指出安装性能良好的安全带预紧器与载荷限制器能够显著降低颈部AIS1伤害。

文献[7]中通过分析一例低速正面碰撞死亡事故，指出未佩戴安全带的副驾驶乘员在碰撞中身体易向前飞出，导致头部撞击风窗玻璃，和颈部瞬间向后过度伸张，造成乘员因颈部骨折死亡。

在正面碰撞中，乘员的运动过程大致可分为以下3个阶段：

第1阶段 乘员在惯性力的作用下向前运动，其间安全带与安全气囊共同为其提供保护，之后受安全气囊反弹力与安全带约束力作用，乘员向后复位运动，直至腰部与座椅靠背接触；

第2阶段 乘员腰部与靠背接触后，头部、胸部继续向后运动，直至头部与头枕接触；

第3阶段 头部与头枕接触后，在头枕与靠背反弹力的作用下，头部和胸部相对于座椅向前反弹，安全带对胸部进行二次约束。

以上文献对颈部伤害的研究集中于正面碰撞第1阶段，而国内外对第2和第3阶段颈部伤害的研究很少。因此，本文中着重分析这两个阶段中驾驶员上、下颈部的运动状态，和座椅特性对上、下颈部伤害的影响。

1 仿真模型的建立与验证

为实现研究目标，以某型轿车乘员区域相关尺寸和性能参数为依据，采用碰撞仿真软件MADYMO建立驾驶员约束系统仿真模型。具体步骤为：

(1) 建立车内环境模型，主要包括地板、防火墙、仪表板、加速踏板、搁脚板、风窗玻璃和座椅等；

(2) 建立转向系统模型，包括仪表板固定横梁、转向柱托架、倾角调整机构、压溃式转向柱和转向盘等；

(3) 建立安全气囊模型，包括气囊网格模型的建立、气囊折叠、安装和气囊相关特性的定义等；

(4) 调入MADYMO软件中自带的Hybrid Ⅲ男性第50百分位椭球假人模型，并将其定位在驾驶员座椅上；

(5) 建立三点式安全带模型，主要包括安全带卷收器、高度调节器、固定锚点、带扣点、预紧器和限力器，并对男性假人模型进行安全带预定位；

(6) 定义各个部件的特性和载荷等，如加速度场、刚度特性等；

(7) 定义假人模型与转向系统模型、安全气囊模型、座椅、地板、加速踏板与搁脚板的接触，以及转向系统模型与安全气囊模型的接触。

所建立的仿真模型需要真实车辆碰撞试验进行可靠性验证。表1列出了试验测得的假人伤害指标与仿真计算结果的对比。图1为碰撞试验中假人伤害响应与MADYMO模型中假人伤害响应的对比。图中坐标定义为X沿汽车纵轴方向，向前为正；Z沿铅垂方向，向上为正；Y按右手定则确定。

表1 试验与仿真假人伤害指标的对比

由图1可见，仿真得到的假人各伤害响应曲线与试验曲线吻合较好；由表1可知，虽然仿真计算得到的假人各关键伤害指标与试验结果存在一定误差，但误差均小于10%，因此该仿真模型可作为基本模型进行深入研究[8]。

2 颈部伤害指标

2.1 枕骨绕Y轴弯矩Myoc

Myoc=My-0.01778×Fx

式中：My为上颈部绕Y轴弯矩；Fx为上颈部的剪切力。

2.2 颈部伤害值Nkm

式中：Mint与Fint分别为Myoc与Fx的临界值，Fint取值为845N，上颈部在伸展和弯曲状态下，Mint取值分别为47.5和88.1N·m。Nkm的极限值为1[9]。

2.3 颈部伤害值Nij

式中：Fz为上颈部的轴向力；Myc与Fzc分别为Myoc与Fz的临界值。当Fz为拉力时，Fzc取值为4 287N；当Fz为压力时，Fzc取值为3 880N；当上颈部为伸展状态时，Myc取值为67N·m；当上颈部为弯曲状态时，Myc取值为155N·m。Nij的极限值为1[10]。

3 驾驶员复位后颈部运动状态与伤害分析

以所建立的仿真模型作为分析对象，研究正面碰撞中驾驶员向后复位，腰部与座椅靠背接触后，驾驶员上、下颈部的运动情况，并分析头枕刚度、靠背上部刚度、靠背下部刚度、靠背倾角调节器转动刚度和头枕前倾角度对上颈部伸张弯矩峰值Mupper、下颈部伸张弯矩峰值Mlower和颈部伤害值Nkm与Nij的影响。

3.1 颈部运动状态

将MADYMO仿真模型计算生成的kn3文件与injury文件导入Hyperworks后处理软件中，分别得到整个碰撞过程的CAE动画与上、下颈部绕Y轴弯矩的时间历程曲线，如图2和图3所示。由CAE动画和颈部弯矩时间历程可见：

0-175ms：以驾驶员向前运动为起点，驾驶员在安全气囊反弹力与安全带拉力作用下，向后复位运动，腰部与座椅靠背接触为终点；

175-200ms：以驾驶员腰部与靠背接触为起点，头部与头枕接触为终点；上颈部绕Y轴弯矩为正值，下颈部绕Y轴弯矩为负值，即上颈部处于向前弯曲状态而下颈部处于向后伸展状态，颈部呈现S形；

200-275ms：头部与头枕接触后，210ms时在头枕反弹力的作用下，头部质心开始相对头枕向前平移，但头部仍相对胸部向后旋转，此后胸部相对靠背向前反弹，其间上颈部由向前弯曲状态转变为向后伸展状态，而下颈部仍然为向后伸展状态，颈部呈现C形，上、下颈部伸张弯矩峰值分别发生在225与205ms；

275-300ms：275ms时头部开始相对胸部向前旋转，上颈部、下颈部由向后伸展状态变为向前弯曲状态，颈部呈现倒C形。

3.2 头枕刚度对颈部伤害的影响

座椅头枕刚度决定了头部与头枕接触力的大小及头枕的吸能能力。为分析头枕刚度对驾驶员上、下颈部伤害的影响，以原头枕刚度值±10%、±20%、±30%、±40%的一组数值，代入仿真模型计算，结果如表2所示。

从表2看出，随着头枕刚度的减小，上颈部伸张弯矩峰值Mupper有下降的趋势，而Nkm、Nij与下颈部伸张弯矩峰值Mlower无显著变化。减小头枕刚度，即头枕变软后，能够增强头枕的吸能能力，降低头部质心向前反弹的速度，从而缓和了上颈部向后伸张的程度，减轻上颈部伤害。

3.3 靠背上部刚度对颈部伤害的影响

表3为不同靠背上部刚度值对驾驶员颈部伤害影响的计算结果。由表3可知，随着靠背上部刚度减小至原值的60%，上、下颈部伸张弯矩峰值、Nkm和Nij分别降低30.78%、21.95%、30.34%和29.27%。其原因是减小靠背上部刚度，使胸部更容易向后运动,缓和了头部相对胸部向后运动的趋势，导致下颈部伸张弯矩峰值下降；同理在头部反弹过程中，胸部处于靠后的位置，使头部相对于胸部向后转动的角度变小，导致上颈部伸张弯矩峰值、Nkm和Nij明显减小。

表2 头枕刚度对颈部伤害的影响

表3 靠背上部刚度对颈部伤害的影响

3.4 靠背下部刚度对颈部伤害的影响

表4为靠背下部刚度对驾驶员颈部伤害的影响。从表4看出，靠背下部刚度对驾驶员颈部伤害

表4 靠背下部刚度对颈部伤害的影响

无明显影响。

3.5 靠背倾角调节器转动刚度对颈部伤害的影响

靠背倾角调节器转动刚度对驾驶员颈部伤害的影响如表5所示。当转动刚度减小至原值的60%时，Mupper、Nkm、Nij与Mlower分别降低33.30%、22.47%、36.59%以及26.02%，表明减小倾角调节器转动刚度有利于保护驾驶员颈部。其原因是减小该转动刚度，增大了驾驶员腰部与靠背接触后躯干的向后转动，有助于减少头部相对胸部的向后运动，从而显著降低了下颈部伸张弯矩；同时躯干向后转动虽延迟了头部与头枕的接触时间，但降低了头部与头枕的接触力，从而缓和了头部的向前反弹运动，使上颈部伤害值下降。

表5 靠背倾角调节器转动刚度对颈部伤害的影响

3.6 头枕前倾角度对颈部伤害的影响

为分析头枕前倾对驾驶员上、下颈部伤害的影响，将头枕导杆向前倾斜5°、10°、15°与20°，带入仿真模型进行计算，其计算结果如表6所示。

表6 头枕前倾角度对颈部伤害的影响

由表6可知，当头枕向前倾斜15°时，Mupper降至最低，向前倾斜10°时，Nkm与Nij分别减小至最小值0.77和0.36。随着头枕向前倾斜角度由0°增至20°时，Mlower由124.28N·m降至64.14N·m，降低了48.39%，其下降幅度大于其他情况。

头枕向前倾斜能显著减少头部相对于胸部的向后转动，导致下颈部伸张弯矩明显下降。

但头枕向前倾斜过多会引起上颈部剪切力与轴向力增加，如图4和图5所示，导致Nij、Nkm峰值发生时间早于上颈部伸张弯矩峰值时间，且Nij、Nkm显著增大，给驾驶员上颈部造成严重伤害。因此应合理选择头枕前倾角。

4 讨论

国内外对低速后碰撞中驾驶员颈部挥鞭伤害的研究已经比较成熟。众多研究结果显示：当头枕刚度较高，靠背上部刚度较低(或靠背上部凹陷程度较大)，靠背下部刚度较高，靠背倾角调节器转动刚度较低，头枕适当前倾时，驾驶员受到颈部挥鞭伤害的几率较低，或程度较小[11-18]。

正面碰撞中驾驶员回程复位后颈部伤害与低速后碰撞中驾驶员颈部挥鞭伤害的区别在于：头枕刚度对两种碰撞中上颈部伤害的影响恰恰相反，靠背下部刚度对后碰撞中驾驶员颈部伤害有影响，而对正面碰撞中驾驶员颈部伤害无显著影响。

因此，进一步研究须综合考虑在两种碰撞形式下，座椅特征参数对驾驶员颈部伤害的影响，使两种碰撞中颈部伤害值都降至理想范围内。

5 结论

(1) 当前正面碰撞后期颈部伤害的研究很少，有必要进行深入研究。

(2) 仿真结果表明，靠背上部刚度与靠背倾角调节器转动刚度对上颈部伸张弯矩峰值Mupper、Nkm与Nij影响最大，头枕刚度次之；减小靠背上部刚度与倾角调节器转动刚度可显著降低Mupper、Nkm与Nij；头枕前倾角度对下颈部伸张弯矩峰值Mlower影响最大，靠背上部刚度与靠背倾角调节器转动刚度次之；增大头枕前倾角度可大幅降低Mlower，但前倾角度过大，会导致Nij、Nkm增大；靠背下部刚度对颈部伤害值影响不大。

(3) 比较了座椅特征参数对正面碰撞中驾驶员回程复位后颈部伤害与低速后碰撞中驾驶员颈部挥鞭伤害的影响差异，指出应兼顾正面碰撞与低速后碰撞，研究座椅对驾驶员颈部的综合保护效果，使颈部伤害值在这两种碰撞中都降至理想范围内。

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A Research on Neck Movement and Injury After Driver Backsto Seat in the Later Stage of Frontal Crash

Hong Liang & Ge Ruhai

SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013

In view of the present situation of the lack of research on the neck injury in the later stage of crash process after driver backs to seat with his waist pressing against seat back under the actions of air bag reaction force and the constraint force of seat belt, the movement states of driver’s upper and lower necks is studied to analyze the effects of seat parameters on neck injuries. To this end, based on the related dimension of passenger compartment and performance parameters of a car, a simulation model for the constraint system of driver is built with crash simulation software MADYMO and a simulation is conducted and verified by tests. The results indicate that the peak stretch bending moment of upper neck decreases with the reduction of headrest stiffness while decreasing the stiffness of upper seat back and the rotational stiffness of seatback recliner can significantly reduce the peak stretch bending moments of both upper and lower neck and neck injury indicatorsNkmandNij. Reasonably increasing the forward inclination of headrest can greatly reduce the peak stretch bending moment of lower neck, but over doing may lead to the increase of neck injury indicators.

frontal crash; driver; back to seat; neck injury; low speed rear collision

*江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXLX12_0631)和汽车智能乘员约束系统控制策略研究项目(20091106)资助。

原稿收到日期为2013年11月6日，修改稿收到日期为2014年1月28日。