C-NCAP正面碰撞后排女性假人颈部损伤研究

罗覃月，凡沙沙，吕俊成，林智桂，贾丽刚

(上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西柳州 545007)



C-NCAP正面碰撞后排女性假人颈部损伤研究

罗覃月，凡沙沙，吕俊成，林智桂，贾丽刚

(上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西柳州 545007)

摘要：通过对后排女性假人的运动过程建立简化模型、进行动力学理论分析，发现引起后排颈部伤害的根本原因有两点：第一，头部与胸部之间的运动不同步；第二，头、胸部与骨盆的运动不同步。将理论分析与试验数据相结合,找到影响假人运动姿态的主要因素是安全带的限力等级。通过优化安全带的限力值可达到降低颈部损伤的效果。

关键词：正面碰撞；颈部伤害；受力分析

0引言

多年来，各车型的被动安全性约束装置开发都聚焦在前排驾驶员和乘员，安全带、溃缩式转向柱管及安全气囊等这些安全性配置将在碰撞过程中对前排乘员进行有效保护。随着汽车安全技术的发展，人们开始注意后排乘员的安全性问题。而我国车辆后排座位的使用率相当高，其中女性和儿童占有相当的比例。因此在正面碰撞试验中，C-NCAP评价体系加入了对后排放置女性假人的评价。车辆后排约束系统往往没有前排那样完善，通常只有安全带没有气囊，这就增加了伤害的可能性。2012年版C-NCAP实施以来，后排女性假人的得分普遍不高，尤其颈部，反映了当前对后排女性乘员的保护意识薄弱，约束系统作用效果不佳。因此作者重点对后排女性假人颈部伤害的原因进行分析。

1后排女性假人颈部损伤现状

C-NCAP要求在正面碰撞50 km/h、100%FRB和64 km/h、40%ODB 2种工况下，分别评价假人的头部、颈部、胸部伤害值。第二排女性假人头部若在向前移动过程中未与车辆零部件发生二次碰撞，则头部直接得分。因此文中主要研究头部未发生二次碰撞的情况下颈部的伤害，此时颈部评价指标为颈部张力Fz。

查看2015版C-NCAP实施以来的试验车型，后排得分情况如表1所示。

从这7款车试验后的图片得知，后排假人在向前移动过程中均未与前排座椅、B柱等零部件发生二次碰撞。因此，正碰中头部直接获得0.8分，颈部考察张力Fz；偏置碰中头颈部只考察颈部张力Fz。从表1中的试验数据不难发现：除3款五星车外，其余参评车颈部得分均为0分；且3款五星车后排颈部得分率依次为55.0%，47.5%，40.8%，均不理想。

2后排女性假人颈部损伤理论研究

在正面碰撞过程中，车体与假人的初始速度为v0，在100%正面碰撞中v0=13.89 m/s，在40%偏置碰撞中v0=17.78 m/s。以某车型100%正面碰撞采集到的数据为例，如图1所示，图中4条曲线分别为车体、假人头部、胸部、骨盆的水平速度随时间的变化。在0～20 ms期间，车体开始减速后，假人的头部、胸部、骨盆由于惯性将维持初始速度继续向前运动，由于假人和安全带存在初始间隙，此时安全带还未发挥作用，在水平方向上假人只受到与坐垫的摩擦力，因此假人的速度并无大的变化；随后在肩带力、腰带力、座椅约束力3种外力作用下，假人各部位的速度开始下降。

为便于分析假人颈部的受力，对假人的运动过程建立简化模型。

如图3所示,将假人的上躯干简化为头部(Head)、胸部(Chest)、骨盆(Pelvis)3个部分。骨盆与胸部之间的相互作用力为Fpc,胸部与头部之间的相互作用力为Fch,那么颈部伸张力Fz即为胸部对头部的拉力Fch_z。对假人各部位受力分解如下：

(1)骨盆受到座椅约束力、腰带力及Fpc作用；

(2)胸部受到肩带力，及Fpc、Fch作用；

(3)头部在不发生二次碰撞的情况下，无任何外力作用，仅受到Fch作用。

图4为试验用的假人,假人各部分构成和图3一致。

根据牛顿第二定律，得出关于假人颈部伸张力Fz及剪切力Fx的如下关系式：

Fz=Fch_z=mheadahead_z

(1)

Fx=Fch_x=mheadahead_x

(2)

将假人上躯干的运动简化为两部分：(1)头部绕胸部的圆周运动,向心加速度为a1_z，旋转半径为r1；(2)头部、胸部共同绕骨盆的圆周运动, 提供头部作圆周运动的向心加速度为a2_z，旋转半径为r2，提供胸部作圆周运动的向心加速度为a3_z，旋转半径为r3。由此可得如下关系式：

ahead_z=a1_z+a2_z

头部与胸部共同绕骨盆作圆周运动时，有如下关系式：

a2_z=r2·ω2， a3_z=r3·ω2， a3_z=achest_z

故：

由上述关系式，可得出如下结果：

通过5th女性假人的结构及传感器位置，可粗略估算出1/r1=6,r2/r3=1.5。

因此:

ahead_z=6×(vhead_x-1.5·vchest_x)2+1.5×achest_z

(3)

5th女性假人头型质量为3.443 kg,可得出颈部张力Fz:

Fz=3.443×[6×(vhead_x-1.5×vchest_x)2+1.5×achest_z]

(4)

3基于试验的后排女性假人颈部损伤研究

3.1试验中假人颈部伤害值

通过2款车型在100%正碰和40%偏置碰中、后排女性假人的颈部损伤情况来验证上述理论分析的结果。车型一后排配置为普通三点式安全带，肩带力为7 kN。车型二后排配置为带限力功能的安全带，肩带力为3.5 kN。如图5、图6所示，曲线1为试验中后排女性假人颈部张力传感器输出的Fz；曲线2为利用头部加速度、胸部加速度及理论研究中的公式计算得到的Fz。试验中头部均未与前排座椅、B柱等零部件发生二次碰撞。

由于假人的结构较复杂，在碰撞过程中的运动也较复杂，文中第二部分关于颈部张力Fz的理论公式是简化了假人结构及运动后得到，因此并不能完全代表假人颈部的伤害情况。但是从试验数据中可以看出，两者具有较好的同步性与相关性。

3.2颈部伤害值影响因素分析

Fz=3.443×[6×(vhead_x-1.5×vchest_x)2+1.5×achest_z]

从上述公式及其推导过程可以看出，影响颈部张力Fz的主要因素有2点：第一，是头部与胸部之间的运动不同步；第二，是头、胸部与骨盆的运动不同步。而2个影响因素对Fz的权重则与后排安全带的配置有直接关系。

车型一后排配置普通三点式安全带，肩带力为7 kN。如图7和图8所示，通过车型一100%正碰和40%偏置碰的视频可以看出：由于肩带力高，安全带对胸部的约束作用力大，假人胸部与骨盆的相对运动小，但是头部与胸部的相对运动大。因此，该车型的试验中，头部与胸部之间的运动不同步是影响颈部张力Fz的主要因素。

图7车型一100%正面碰撞视频截图

图8车型一40%正面偏置碰撞视频截图

车型二后排配置带限力功能的安全带，肩带力为3.5 kN。如图9和图10所示，通过车型二100%正碰和40%偏置碰的视频可以看出：由于肩带力低，安全带对胸部的约束作用力小，假人胸部绕骨盆的旋转幅度较大，头部绕胸部的旋转幅度小。因此，该车型的试验中，头、胸部与骨盆的运动不同步是影响颈部张力Fz的主要因素。

在车型二的基础上将后排安全带肩带力提升至4.0 kN。如图11和图12所示，通过100%正碰和40%偏置碰的视频可以看出：安全带对胸部的约束作用力有所提升，假人胸部绕骨盆的旋转幅度变小，头部绕胸部的旋转幅度变大。

图9车型二,100%正面碰撞视频截图

图10车型二,40%正面偏置碰撞视频截图

图11肩带力4.0 kN,100%正面碰撞视频截图

图12肩带力4.0 kN,40%偏置碰撞视频截图

3.3试验结论

通过车型一与车型二的试验视频可知，肩带力太高或太低会得到2种截然不同的假人运动姿态，颈部Fz的主要影响因素也各不相同。若要降低假人颈部张力Fz，需要优化安全带的限力等级，达到同时减少头部、胸部、骨盆三者间相对运动的目的。表2列出了3组试验中后排假人颈部伤害值的对比，从试验结果可知：普通安全带与低限力安全带颈部伤害值均不理想，车型二在优化了限力等级后，在正碰及偏置碰中颈部得分均得到提升。

4结论

通过对正面碰撞过程中后排女性假人的运动进行简化及分解，得到颈部的受力主要与两方面因素有关。结合后排安全带的不同配置及实车试验数据进行分析，得出以下结论：

(1)正面碰撞中后排颈部伤害的根本原因有2点：第一是头部与胸部之间的运动不同步；第二是头、胸部与骨盆的运动不同步。

(2)后排安全带的限力等级不同，会造成假人的运动姿态不同，颈部伤害值不同。优化安全带的限力等级，在头、胸部的相对运动及头胸部与骨盆的相对运动之间取得平衡，可以达

到降低颈部伤害值Fz的目的。

参考文献:

【1】孙振东,刘玉光.汽车正面碰撞试验中后排乘员伤害特性的研究[J].汽车工程,2011,33(8):664-668.

【2】商恩义,张君媛,杨斌,等.正面碰撞试验中假人头部及胸部受力分析方法的研究与应用[J].汽车技术,2010(10):18-21.

【3】张绍卫,杜亮,刘意.正面碰撞第二排女性假人伤害影响因素研究[J].上海汽车,2012(2):58-62.

【4】商恩义,张凯,陈现岭,等.正面碰撞试验中后排女性假人颈部伤害研究[J].汽车技术,2014(11):49-54.

Research on the Rear-row Female Dummy’s Neck Injury in the C-NCAP Frontal Impact Test

LUO Qinyue, FAN Shasha, LV Juncheng, LIN Zhigui, JIA Ligang

(SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd.,Liuzhou Guangxi 545007,China)

Keywords:Frontal impact; Neck injury; Force analysis

Abstract:Through establishing the movement simplified model of rear-row female dummy and making kinetic theory analysis, it was found that there were two root causes for neck injuries of rear-row female dummy, the first was the movement between the head and the chest was not synchronized; the second was the head, chest and pelvis movement was not synchronized. Combining the theoretical analysis with the experimental data,it was found the major factors affecting the posture was the seat belt force limiters grade. By optimizing the value of the seat belt force limiter, neck injuries can be reduced.

收稿日期：2016-02-18

作者简介：罗覃月(1984—)，女，硕士，工程师，主要研究方向为汽车被动安全研究。E-mail：pmfxiatian@163.com。

中图分类号:U461.91

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)05-011-05