正面偏置碰撞中座椅刚度低对假人小腿伤害的影响

商恩义

（浙江吉利汽车研究院有限公司 浙江省汽车安全技术研究重点实验室，杭州 311228）

正面偏置碰撞中座椅刚度低对假人小腿伤害的影响

商恩义

（浙江吉利汽车研究院有限公司 浙江省汽车安全技术研究重点实验室，杭州 311228）

为研究汽车座椅刚度对假人运动姿态、假人小腿伤害的影响，对某款左舵车正面偏置碰撞试验的数据和录像进行了分析，发现在碰撞过程中，当座椅刚度低导致假人产生下潜趋势时，将增加假人脚掌发生侧翻（内翻或外翻）的可能性，致使假人小腿下部TI值失分。结合该车座椅的台车试验结果，对座椅轨道结构和材料进行了优化。结果表明，提高座椅刚度后假人下潜趋势消失，假人脚掌不再发生侧翻，假人小腿下部的TI值降低了26%，达到标准要求。

主题词：汽车偏置碰撞试验座椅刚度小腿伤害

1　前言

在中国新车星级评价程序（China New Car Assessment Program，C-NCAP）和欧洲新车评价程序（Euro-New car assessment program，Euro-NCAP）中，都规定了64 km/h正面40%偏置碰撞试验［1，2］。目前，在偏置碰撞试验中，假人小腿是失分重点部位。对于假人小腿的失分，普遍认为与小腿与前方仪表板发生碰撞或脚踏板、搁脚板发生侵入有关，因此，解决小腿失分的方法通常是通过增加膝部气囊或提高车辆前端碰撞区域的刚度来减少防火墙部位的侵入。事实上，在碰撞过程中，假人各部位的伤害程度与假人运动姿态密切相关，即当假人发生下潜或产生下潜趋势时都将造成假人小腿伤害增加，而假人下潜的发生除与座椅骨架整体结构、座垫倾角有关外，也与座椅刚度低有关。基于此，本文结合某款左舵车（下称L车）在正面偏置碰撞试验中驾驶员假人（下称假人）右小腿下部伤害指标的优化过程，研究座椅刚度偏低对假人小腿伤害的影响。

2　L车偏置碰撞试验中假人小腿的伤害

在正面偏置碰撞试验中，通常通过假人小腿上部和小腿下部载荷传感器测量3个方向（x向、y向、z向）的力及x、y两个方向的弯矩，用以评价假人小腿上部和小腿下部所受到的伤害，其中，x向为前、后方向，向前为正；y向为左、右方向，向右为正；z向为上、下方向，向下为正。C-NCAP中对假人小腿伤害的评价是通过小腿轴向力Fz和小腿胫骨性能指标TI进行，其中，Fz对应的高性能指标和低性能指标分别为2 kN和8 kN；TI对应的高性能指标和低性能指标分别为0.4和1.3。L车在进行偏置碰撞试验后，假人右小腿上部的Fz和TI、右小腿下部的Fz均未失分，而假人右小腿下部的TI值为0.467，已经失分。为了获得满分，需要对失分的原因进行分析，对当前的约束系统结构进行优化。

2.1基于试验数据分析TI值过高原因

C-NCAP中TI按下式计算：

式中，Mr为合成弯矩，通过计算得到；（Mc）r为临界弯矩，取为225 N·m；Fz为假人小腿轴向力（受拉为正）［3］，可直接测量得到；（Fc）z为z向临界压缩力，取为35.9 kN；Mx为绕x轴弯矩（膝盖不动、脚踝向左为正）；My为绕y轴弯矩（膝盖位置向后、脚踝向前为正）。

依据式（1）和式（2）可得假人右小腿下部TI值，如图1所示，建立Mx与My的对比关系如图2所示。

由图1可看出，TI值偏高，这主要是由于Mr偏大导致的。由图2可看出，Mx与My相比，Mx基本为负，且绝对值最大值达到97.22 N·m，远大于My，因此可以确认，试验中造成假人右小腿下部TI值偏高的主要原因是小腿下部Mx偏高。

2.2试验中弯矩偏高的原因分析

弯矩的产生是假人小腿轴向力与脚掌支撑点存在偏差造成的，弯矩将随着假人小腿轴向力的变化和脚掌支撑点的改变而发生变化。当踏板的侵入力增加较快，且假人脚掌受力点从脚掌前方偏离小腿轴心较大时，假人脚掌相对小腿将发生背曲（脚背上翻），My将瞬间增大；当小腿的轴向力增加较快，脚掌支撑点向左或向右偏离小腿轴心较大，Mx绝对值升至较高时，假人脚掌相对小腿将发生侧翻（内翻或外翻）。假人脚掌发生侧翻后，假人小腿轴向压力Fz将瞬间减弱，Mx绝对值将得到瞬间缓解。但当侧翻达到假人脚踝的损伤容限（医学上脚踝的最大活动范围）［4］时，Mx绝对值将继续增大，且增大速度将更快。

因此，对于L车的正面偏置碰撞试验，依据图2中Mx绝对值较大及曲线在80～100 ms之间出现凹坑，可以初步确认碰撞过程中脚掌发生外翻，并且翻转达到了脚踝的损伤容限。

2.3脚踝状态分析

图2中，Mx的突变发生在75 ms时刻，最大值出现在102 ms时刻，截取75 ms时刻和102 ms时刻脚踝部位录像如图3所示。由图3b可看出，在102 ms时，假人右脚外翻明显。因此，可以确认假人右小腿下部TI超标是假人右脚在碰撞过程中发生严重外翻所致。

3　试验中座椅刚度低对假人小腿伤害的影响

对比图3a和图3b可看出，除假人右脚发生外翻外，同时以中央通道的左侧面为参照，坐垫前端下沿、座椅前后位置调节杆被下压明显，即在75～102 ms的碰撞过程中，座椅前端发生了严重变形，表明试验中座椅刚度偏低。

3.1台车试验中座椅刚度低对假人运动姿态的影响

标准GB 15083—2006《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》中规定了“对整个车体向前施加一个不小于20g的水平纵向减速度，持续时间为30 ms”的动态试验，并要求试验后的座椅骨架、座椅固定装置、调节装置、移位折叠装置或其锁止装置均不应失效，允许产生不会增加伤害程度的永久变形（包括断裂）且能承受规定载荷。该试验中L车的座椅已经通过了GB 15083—2006的试验检验，强度上符合要求。对于座椅生产厂家来说，当座椅满足GB 15083—2006的要求后便可供货，但是，标准GB 15083—2006只是从试验中座椅本身应具有的安全性方面考虑，规定了对座椅总成的强度要求和试验方法，并没有要求放置假人。而实际碰撞中，座椅刚度影响着乘员的运动姿态，因此，座椅的刚度对乘员伤害的影响不可忽略。

为了检验L车所配座椅的刚度，除遵循标准GB 15083—2006的试验要求外，在座椅上安放了TNO 10假人，并再次进行了动态冲击试验。试验后，截取了假人动作前和向前移动至最大位移时刻的录像，如图4所示。

由图4b可看出，碰撞后座椅滑轨尾端成弓形，前端下降明显，座椅滑轨由碰撞前的斜向上方变为整体接近水平。另外，坐垫前端下降，假人臀部下沉，膝盖上顶。由此表明，该座椅整体刚度偏低，尤其滑轨刚度较差，在碰撞中因滑轨发生弹性变形最终导致假人产生下潜趋势。

3.2L车正面偏置碰撞试验中假人下潜趋势判定

为分析L车正面偏置碰撞试验中假人的运动姿态，截取了试验中75 ms时刻和102 ms时刻录像，如图5所示。由图5可看出，相对门框上沿假人头部位置发生了变化，由此可以判定碰撞试验中假人虽然没有发生下潜，但下潜趋势明显。

3.3假人下潜（趋势）对小腿伤害的影响

在实车正面偏置碰撞试验中，由于假人右脚放在加速踏板上，碰撞中前、后基本不动，因此，当假人向前及向下运动时，假人大腿将产生推动小腿向前同时相对小腿上端向下的运动，此过程中假人大腿受拉，小腿因脚下不能移动而受压，即膝滑移（小腿相对大腿的滑移量）为正。随着碰撞的进行，当假人膝盖撞击到仪表板并沿仪表板向下挤时，假人大腿转向受压，假人小腿受到的压力越来越大，且假人膝部与仪表板之间的接触越来越不稳定，此时假人小腿将可能发生摆动，假人脚掌下的支撑点可能会发生左右转换。随着假人小腿轴向压力的不断增大及脚掌支撑点的不稳定，假人脚掌将可能发生翻转。

通过L车正面偏置碰撞试验过程中假人右腿的相关数据来分析假人下潜（趋势）对假人小腿伤害的影响。碰撞试验后假人右大腿和右小腿下部轴向力、膝滑移分别如图6和图7所示。

由图6可看出，假人小腿下部所受轴向压力在54 ms时开始增大，在64 ms时增速缓解；假人大腿所受轴向压力曲线在60～63 ms之间出现凹坑，64 ms后受拉强度逐渐减弱并转向受压。假人小腿下部轴向压力曲线和大腿轴向压力曲线在82～100 ms之间均出现了明显凹坑，即此期间假人大腿和小腿所受的轴向压力出现瞬间缓解。

由图7可看出，膝滑移在113 ms前一直为正值，且在约61～88 ms期间正向增速较快。在113 ms之后膝滑移为负，且最小负值仅为-0.6 mm，该现象表明，在碰撞过程中，假人小腿相对大腿没有向后移动，与仪表板相接触的腿部主要是膝部，且假人大腿与小腿存在对折现象。

根据假人右小腿下部的Mx曲线（图2）可知，在60 ms时，Mx开始正向增大；在74 ms时开始转向，并沿负向增速明显。Mx值正、负转换表明在小腿轴向压力作用下，假人右脚与加速踏板间的作用点不稳定，发生了切换。在82 ms时，Mx出现了第1个较大的负向尖峰。

综合上述分析可以确认，试验中假人右腿的碰撞过程为：在60 ms时，假人右腿膝部与仪表板发生接触，但接触不稳定；随着假人开始下潜（趋势），假人大腿对小腿的向前及向下挤压使小腿轴向压力急剧增大；在82 ms时，假人小腿轴向压力达到了1.7 kN，右脚掌开始外翻；假人右脚掌外翻过程中，假人右小腿下部所受到的伤害均得到缓解，但当翻转达到脚踝的损伤容限后，假人右小腿下部所受伤害均再次增大，在102 ms时Mx绝对值达到最大值97.22 N·m。分析碰撞过程中假人小腿胫骨性能指标TI值可知，在假人脚掌开始发生翻转的第82 ms时刻，TI为0.424；在假人脚掌翻转达到最大容限后的第102 ms时刻，TI为0.467，两时刻的TI都超过了高性能指标。即假人下潜将造成假人小腿Mx增大，当假人发生下潜时，无论假人脚掌是否发生翻转，都可能造成假人小腿失分。

4　座椅刚度的改进

由上述分析可知，假人小腿伤害失分是L车座椅刚度偏低所致，为保证假人小腿得分为满分，需要对当前约束系统进行优化。为提高座椅刚度，对座椅轨道的结构进行了适当改进，对轨道进行了加厚处理。优化后再次进行了台车试验，试验中假人向前运动至最大位移时刻的录像截屏如图8所示。

与图4b相比，图8中假人未出现下潜趋势，即改进后的座椅刚度得到了明显提升。将改进后的座椅安装至L车上后再次进行了正面偏置碰撞试验。图9～图11为座椅改进前、后两次试验中假人右大腿轴向力F′z、右小腿下部轴向力Fz和右小腿下部Mx的比较。

由图9～图11可看出，座椅刚度提升后，假人大腿轴向力在整个试验过程表现为受拉状态，即没有出现膝盖撞击仪表板并沿仪表板前表面向前、向下挤压产生压力的情况；假人小腿轴向力曲线波动减少，在接近80 ms时产生了一个明显的尖峰，且相对座椅改进前峰值增大明显，但对应时刻的Mx的绝对值却较小。该结果表明，在假人膝部与仪表板发生碰撞后，假人膝部与仪表板的接触比较稳定，且假人脚掌的支撑点集中在小腿轴心线上，因此不但假人脚掌未发生翻转，而且产生的Mx的绝对值也较小。

分析了座椅改进前、后两次试验中假人右小腿下部TI值的变化情况，如图12所示。由图12可看出，座椅改进后的TI最大值为0.345，相比改进前降低了0.122，且已低于高性能指标，不再扣分，达到了约束系统优化的目标。

5　结束语

为降低某款左舵车正面偏置碰撞试验中驾驶员假人右小腿下部伤害指标值，对L车座椅刚度对假人运动姿态的影响进行了研究，指出在偏置碰撞过程中，当座椅刚度不足时，假人可能产生下潜趋势，进而会造成小腿下部Mx增大，TI值超过C-NCAP中规定的高性能指标。为提高座椅刚度，对座椅轨道结构和轨道材料进行了改进，座椅改进后，假人小腿下部TI值比改进前降低了0.122，且低于高性能指标。

1中国新车评价规程（C-NCAP）.（2013-03-01）.http//www.c-ncap.org.

2European New Car Assessment Program（E-NCAP）.（2013-03-01）.http//www.euroncap.com.

3USA Society of Automotive Engineers（USA SAE）.SAE J211-1：Instrumentation for Impact Test-Part1-Electronic Instrumentation，REV.MAR95.USA SAE，2003.

4陈海斌，王正国，Albert I King等，汽车碰撞事故中下肢的损伤容限与机制.汽车安全与节能学报，2010，1（4）：253～259.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2016年6月1日。

Influence of Seat Rigidity on Dummy's Tibia Injuries in Frontal Offset Crash Test

Shang Enyi
（Zhejiang Geely Automobile Institute Co.，Ltd，Key Research Laboratory of Zhejiang Provincial Automobile Safety Technology，Hangzhou 311228）

To investigate the influences of the seat rigidity on dummy's movement posture and tibia injuries，we analyze the test data and the video of left-side drive vehicle in frontal offset impact test，and find that，dummy will tend to descend when the seat rigidity is lower that will increase the possibility of the sole side flexion（inner side or outer side），causing the TI lose points.Combined with sled test result of this vehicle seat，the seat rail structure and material are optimized.The results show that the dummy's descending trend disappears when the seat rigidity is increased，and no sole side flexion occurs，TI value of the dummy's tibia declines by 26%，and complies with requirement of standard.

Automotive，Offset impact test，Seat rigidity，Tibia injuries

U467.1+4

A

1000-3703（2016）10-0044-04