Euro-NCAP追尾碰撞中颈部挥鞭伤试验方法研究

顾海明，李世成，杨运生

(中国汽车技术研究中心 天津 300300)

0 引 言

挥鞭伤是交通事故中较为严重与持久的伤害之一，常发生在汽车追尾碰撞中。在车辆发生追尾时，乘员躯干随座椅向前加速，而头部因惯性作用相对滞后，因此头部与躯干形成了相对运动，反映在颈部即导致颈部关节发生错位。[1]根据国内外相关统计，美国每年有大约 180万起追尾碰撞事故，其中有28%造成颈部伤害；在日本，大约有 35%的追尾碰撞事故造成颈部伤害，[2]给个人生命财产和社会经济带来了巨大的损失。2002年，欧洲率先成立了追尾碰撞中颈部挥鞭伤(鞭打试验)研究小组开展相关研究。经过 6年的发展，2008年，Euro-NCAP将汽车追尾碰撞颈部损伤评价列入法规，2009年又提高了其比重。2013年，Euro-NCAP再度对挥鞭伤试验进行了更新，增加了对后排座椅的考核。

本文从追尾碰撞中颈部损伤产生机理、鞭打试验评价体系构成、试验波形、评价指标等方面入手，详细研究分析了Euro-NCAP挥鞭伤试验，并对新增加的后排座椅考核方法进行了重点解读。

1 追尾碰撞中颈部挥鞭伤产生机理

在追尾碰撞中，人体的头部和颈部会发生急剧伸展和弯曲，使颈部组织承受过大的应力而出现损伤，进而导致颈部疼痛甚至脑震荡现象的发生。由于颈部的运动过程类似于软鞭鞭头抽打的动作，因此得名鞭打试验。整个追尾碰撞的过程中，乘员经历了躯干率先向前运动、头部由于惯性滞后向前运动以及回弹运动3个过程，[3]如图1所示。

图1 追尾碰撞中乘员运动的3个阶段Fig.1 3 stages of a passenger’s movement during a rearend collision

图2 汽车座椅鞭打试验Fig.2 Whiplash test in an automobile seat

针对上述损伤机理，挥鞭伤试验即对追尾碰撞过程进行再现，再现的过程中，采集假人头颈部的伤害指标，进一步转化为对汽车座椅安全性能的考核，如图2所示。

2 试验评价体系的构成

在 Euro-NCAP评价体系中，鞭打试验评价主要包括两部分，即前排座椅的静态评价及动态试验、后排座椅的静态评价。其中，座椅静态评价主要对头后间隙和头枕高度等进行测量评分，而动态试验则采用滑车试验，将座椅及约束系统按照原车结构，固定在滑台之上。滑车以指定的加速度波形发射，模拟追尾过程。试验中使用 BioRID-Ⅱ假人，测量在碰撞过程中的颈部损伤。[4]前排座椅评价占据 2分，后排座椅评价占据1分。

3 试验方法

3.1 前排座椅静态测量

在进行前排座椅的静态测量时，首先将头枕放置在中位，然后放置HPM(H点测量)装置及HRMD(头枕测量)装置，测得此时的 Backset(头后间隙)及 Height(高度)，相当于对座椅的几何参数进行量化评价，如图3所示。

图3 使用HRMD装置进行前排座椅静态测量Fig.3 Static measurement of front seat with a HRMD device

其次，Euro-NCAP考虑到驾驶员的安全意识问题，即驾驶员往往将调节头枕位置忽略，故法规要求在 worse case，即头枕放置在最低位置时，测量 Backset及 Height，且该项所占分数与中位相同，原始分各占1分。

3.2 前排座椅动态评价

座椅的动态评价，即将主驾座椅与约束系统按照原车结构，布置在移动滑车上，滑车按照一定的加速度波形发射，用以模拟追尾碰撞，在座椅上放置BioRID-Ⅱ假人并采集假人伤害值，如图4所示。

图4 驾驶员座椅动态鞭打试验Fig.4 Dynamic whiplash test for driver seat

概括法规要求，动态试验采用高、中、低 3种强度波形，低强度和高强度波形为梯形波，而中强度波形为三角波，3种强度波形加速度峰值分别为 5,g、10,g、7.5,g。相比较而言，中强度三角波变化较为急剧，峰值较高，攀升速度快，[5]因此一款座椅往往在中强度波形时的失分比高强度多。

在选定波形进行试验前，首先要进行座椅位置调整及假人的定位。对座椅位置的要求可以归纳为：座椅滑轨置中，座椅高度置中，倾角放置于最接近水平的位置，头枕高度置中，靠背角尽可能接近 25,°。假人定位主要依靠以下几项关键数据：骨盆角 26.5,°±2.5,°，H 点相对 HPM 前移 20,mm，头后间隙为静态测量值加15,mm，双膝间距200,mm。

试验后进行 BioRID-Ⅱ假人的伤害值采集，主要采集NIC、Nkm、头部回弹速度、上颈部剪切力、拉力、转矩、下颈部剪切力、拉力、T1加速度或头枕接触时间，共计 6项，每项满分为 0.5分。通过对多款座椅的统计分析，Euro-NCAP将 5%位置的数值作为高性能限值，70%位置数值作为低性能限值，95%位置数值作为极限值，[6]伤害值小于高性能限值可以获得满分，大于低性能限值得 0分，若超过极限值，则所有得分全部取消。

这样，动态评价得分为 9分，与静态测量 2分相加，共计满分 11分，按照线性插值的方式折算为 2分，计入鞭打试验总分。

3.3 后排座椅静态评价

在 2013版 Euro-NCAP标准中，新增了对于后排座椅的静态评价。这主要是因为目前许多车辆后排头枕可以收起，如果后排乘员没有及时调节头枕，一旦发生追尾碰撞将十分危险。新版标准对后排座椅尺寸进行了约束，规定其必须符合合理的座椅结构设计，还会对后排乘员造成一定的不适感，以提醒其及时调整头枕高度。本文重点对后排座椅静态评价方法进行分析。

标准对于后排座椅共规定了 3项测量内容，分别是Effective Height(有效高度)、Backset(头后间隙)及 Non-use Position(非使用位置)。对 3项内容进行逐项打分，分别为：有效高度 1.5分，头枕中位头后间隙 1分，worse case头后间隙0.5分，非使用位置1分。

3.3.1 Effective Height测量

首先调节后排座椅，要求与主驾座椅相同(若可调)。然后安装HPM及HRMD装置，HPM装置的定位与前排座椅定位过程完全一致，故不再赘述。完成后记录 H点坐标，横纵坐标分别标记为HPM X及HPM Z。

图5 Effective Height示意图Fig.5 Schematic diagram of Effective Height

根据Z向坐标CP Z寻找到假人头部与头枕的接触点，继而通过该点坐标计算得到头枕交叉点IP的坐标，最终通过IP点坐标计算得到有效高度，如图 5所示，计算公式见式 1～4。法规要求头枕处于最低位置时，有效高度不小于 720,mm；处于最高位置时，不小于770,mm。

3.3.2 Backset测量

Backset的测量需要将 ΔCP X与(Δ CP X)LIMIT作比较，若小于极限值，则可以得分，头枕中位状态下可得 1分，worse case下可得0.5分，其计算方式如式5所示：

3.3.3 Non-use Position评价

①若头枕为可自动回位头枕，则由假人试坐，启动汽车，观察头枕是否可以从非使用位置自动回位到使用位置。若可以，该项测试合格。②进行 60,°转角测量。该项测量即测量在非使用状态和使用状态时头枕平面的角度，两者差距须在60,°以上，以引起乘坐人的注意。③使用 HPM 装置分别测量使用状态和非使用状态下的躯干角，两者差距必须在 10,°以上，目的也是通过感官提醒乘坐人员注意。④进行不适度的测量，这里将不适度通过两个参数进行定义，HLE及头枕厚度 S。在非使用状态下，HLE即为头枕最低点到 H点在躯干线方向上的投影长度。要求 HLE在 250～460,mm 之间，厚度 S必须在40,mm以上，如图6所示，HLE计算方法见式6。

图6 不适度几何测量Fig.6 Geometric measurement of immoderation

若上述几项内容全部满足，则非使用位置评价可以得到1分。这样后排座椅满分共计 4分，按照线性插值的方法折算为1分，计入鞭打试验总分。

4 结 论

针对 Euro-NCAP追尾碰撞试验，从试验体系构成、试验波形选择、评价指标以及后排座椅的静态评价方法等方面入手，全面分析研究了挥鞭伤试验方法，对其中的关键数据和关键步骤进行了详细解读，包括靠背角测量、骨盆角设置、头枕位置放置等，对 Euro-NCAP试验在中国的开展具有一定的指导作用。

纵观挥鞭伤试验的发展历史，欧洲一直走在世界前列，包括前期事故数据的搜集分析、试验方法的选取、指标限值的确定等。2013年，Euro-NCAP也率先考虑到后排座椅的安全性能，并试探性地将后排座椅的设计参数纳入到试验评分之中，一方面提醒后排乘员及时调整头枕的位置，另一方面也敦促企业提高对后排座椅设计的重视程度。我国也于 2012年开展了追尾碰撞的相关试验，但发展相对缓慢，通过对Euro-NCAP最新内容的跟踪研究，有助于我国相关汽车安全标准的改进与完善。■

［1］C-NCAP鞭打试验初定标准探讨[C]// The 8th Int.Forum of Automotive Traffic Safety(INFATS)，2010：395-398.

［2］商博，乔维高.汽车追尾碰撞中乘员颈部伤害的影响因素分析[J].上海汽车，2009(1)：44-46.

［3］Thunnissen J，Wismans J，Ewing C L，et al.Human volunteer head-neck response in frontal flexion：a new analysis[R].SAE Technical Paper，1995，1995-11-01.

［4］Euro NCAP.Assessment protocol-adult occupant protection：European new car assessment programme(Euro NCAP)，Version 6.0 [S].Europe：Euro NCAP，July 2013.

［5］娄磊，杨运生，张晓龙.鞭打试验在欧洲、日本与中国[J].交通标准化，2010(18)：37-41.

［6］Van Ratingen M，Ellway J，Avery M，et al.The Euro NCAP Whiplash Test[C]//21st International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles，2009.