正面碰撞试验中坐垫刚度均匀性对乘员伤害影响研究

商恩义 刘卫国 周大永 韩刚

（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）

正面碰撞试验中坐垫刚度均匀性对乘员伤害影响研究

商恩义 刘卫国 周大永 韩刚

（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）

为提高汽车座椅坐垫的安全性，对坐垫刚度前后一致和前高后低的两款座椅进行了台车试验研究，结果表明，坐垫刚度前高后低将会造成乘员骨盆发生“二次碰撞”，导致乘员的胸部加速度幅值和压缩变形量增高，颈部张力增大，同时带来安全气囊触底风险，最终造成乘员上半身的伤害相应加重。因此在选配座椅时，应尽可能选择坐垫前、后刚度接近的座椅。

1 前言

汽车座椅是汽车中将乘员与车身联系在一起的重要内饰部件,它直接影响到整车的舒适性和安全性[1]，因此，座椅的设计除了要满足法规对乘员身体压力分布、振动特性、刚度和强度等性能要求，还要使座椅的结构、刚度及坐垫倾角等设计实现最优化，以期在汽车发生碰撞时能够有效缓解乘员受到的冲击伤害。相关研究表明[2，3]，增大座椅坐垫倾角可以减轻乘员头部和胸部的损伤值，但为了保证乘坐舒适性，坐垫与汽车驾驶区地面的夹角不应偏大。此种情况下，为了提高座椅在碰撞过程中对乘员的约束作用，通常将座椅骨架设计成盆式结构，且将坐垫前、后刚度设计成前高后低，该结构虽然在碰撞中加大了对乘员骨盆的约束作用，但改变了人体通常的运动姿态，可能会对乘员身体局部带来更严重的伤害。针对上述问题，本文通过试验对坐垫刚度前、后均匀性差异对乘员伤害的影响进行了研究。

2 坐垫刚度分析

目前，坐垫刚度曲线通常按照QC/T 55—93《汽车座椅动态舒适性试验方法》中对静刚度检验要求的规定，并结合实际工况进行测量，即实际测量中用正面碰撞试验用HybridⅢ50th假人臀部块替代标准中规定的坐垫加载板，如图1所示。试验中，将下压作用力直接加载在假人骨盆中间部位[4]。

因试验车型所选配座椅为盆式座椅（见图2），其前端和后端的刚度差别较大，因此研究中将选取座椅前、后两个位置进行静刚度测量。根据图1，先将坐垫和靠背按照整车试验状态调节好，然后放上假人臀部块并对臀部块的位置进行调节。调节假人臀部块时，先左右调节使假人臀部块的左右中截面与坐垫前后方向的中截面重合，随后前后移动假人臀部块，当假人臀部H点[5]与座椅下加强横梁在前后方向上相对应时，将该位置确定为前测量位置；当假人臀部后侧边缘与座椅靠背刚刚接触时，将该位置确定为后测量位置。

试验加载速度为2.5 mm/s，加载方式为：加载到25 mm时释放；加载到75 mm时释放；加载到150 mm时释放，记录该过程中的力和位移曲线，并分析载荷为500 N时坐垫下陷量对应值δ，然后通过式（1）计算出加载刚度ks。

每个测量点重复测试3次，取其平均值记作座椅在该点区域的刚度并用于后续分析。

3 台车试验研究

试验样车为正在开发的A级车，初步选定驾驶员侧座椅为盆式结构、坐垫倾角均为14°的A、B两款，A坐垫前、后刚度分别为23.2 N/mm和13.3 N/mm，前端刚度是后端的1.7倍，差别较大；B坐垫前、后刚度为27.4 N/mm和24.2 N/mm，基本一致。为了确定最有利于驾驶员侧乘员保护的一款座椅，对A、B两款座椅分别进行了台车试验。为确保试验结果能够真实地反映不同产品之间存在的性能差异，两次台车试验由同一组试验人员按同一标准进行操作，并使用同一条减速度曲线、同一假人、相同的安全带和安全气囊配置。

对于试验数据，依据SAE J211做如下规定：假人x向加速度为前、后方向，向前为正；y向加速度为左、右方向，向右为正；z向加速度为上、下方向，向下为正。假人颈部x向剪切力Fx，头向后胸向前为正；颈部z向张力Fz，受拉为正[6]。

3.1 骨盆数据分析

假人骨盆加速度传感器位于骨盆后端腰椎下方位置。假人骨盆x向加速度曲线反映了安全带腰带和坐垫对假人x向的约束作用，以及可能出现的大腿膝部撞击到仪表板产生的阻力。骨盆z向加速度的变化反映了假人腰椎对假人臀部的上提作用，而腰椎提臀的幅度与安全带腰带的作用力和坐垫刚度大小密不可分，因假人在前冲过程中，当受到腰带的约束作用后，将在上下方向上寻找突破点，当座椅刚度过低时，假人臀部将产生下潜运动，此时臀部上提、胸部前扑的运动将被减弱，骨盆z向加速度偏低；当座椅刚度偏高时，假人的臀部将向前上方运动，向前运动减速加快，整个假人的动能将转向假人胸部，假人胸部前扑速度将加快，提臀幅度将加大，骨盆z向加速度幅值将偏大。

坐垫刚度变化对假人最直接的影响就是对假人胸部前扑及提臀幅度的影响，表现为假人骨盆加速度的变化，且以z向加速度的变化为主。

两款座椅台车试验后，假人骨盆x向和z向加速度曲线如图3所示，其中，为了使z向加速度曲线能够直观地反映假人臀部上提情况，z向加速度进行了取反处理。

由图3可看出，对于x向加速度，在约55 ms时刻，A座椅试验时x向加速度增幅突然加快，而B座椅试验时增幅过程相对平缓。在整个碰撞过程中，两次试验的x向加速度最大幅值基本相等，但A座椅试验达到最大幅值时刻为73 ms，B座椅试验为103 ms，A座椅试验比B座椅试验提前了约30 ms。对于z向加速度，在约70 ms时，A座椅试验中z向加速度增幅发生突变，相对第2次试验不但达到最大幅值时刻提前了30 ms，而且加速度幅值也提高了10g。

两次试验中骨盆加速度曲线产生差异的原因为，在假人向前运动过程中，腰带将尽力将假人臀部约束在座椅上，当坐垫刚度前、后相对均匀时，随着安全带腰带作用的增强，假人骨盆x向和z向加速度绝对值都将均匀增加，直至臀部平稳回弹、胸部前扑达到最大值，但此过程中胸部前扑幅度较小，变化不剧烈，所以z向加速度幅值较低。当坐垫刚度前高后低或大腿膝部撞击到仪表板时，骨盆x向的加速度将产生急剧增强的突变，该突变将导致假人将胸部提臀前扑速度加快，使假人骨盆z向加速度也产生突变，而此突变强度通常很大，常与x向加速度的幅值几乎相等。但需要强调的是，在预紧限力式安全带作用下，因大腿撞击对骨盆加速度产生影响的情况已很少出现，一旦x向加速度有突变产生，通常只有坐垫刚度发生改变。通过对比两次试验结果可知，假人骨盆加速度的差异是坐垫前、后刚度存在均匀性差异造成的。鉴于A座椅试验中，当骨盆撞击到前端刚度较高部位时加速度曲线产生了明显的突变，好似再次发生了撞击，则将车体碰撞称为“一次碰撞”，将座椅刚度差异造成的骨盆碰撞强度增强过程可称为“二次碰撞”。

上述分析表明，在碰撞过程中，人体由于惯性继续前冲，进而将受到安全带等约束系统的约束。在所有承受约束的部位中，臀部的承载能力最强，而座椅坐垫刚度前高后低恰恰能增强座椅对乘员臀部的约束作用，进而实现对整个乘员的约束。因此，坐垫刚度前高后低在约束系统开发过程中可以考虑采用。

3.2 胸部伤害影响分析

两款座椅台车试验后，胸部x向加速度曲线如图4所示，胸部压缩变形量D曲线如图5所示。

图4中，在约55 ms时，两次试验中胸部x向加速度曲线下降幅度均明显增大，即该时刻后安全带作用效果明显增强。由于安全带作用力为被动力，安全带作用效果增强表明假人胸部前扑明显加快。其中，A座椅试验中曲线下降幅度更明显，可以确认A座椅试验中坐垫前端刚度突然增大对假人胸部形成了冲击。

图5中，由于A座椅试验中假人相对B座椅试验的前扑速度过快，导致安全带对胸部的压缩速度上升加快，同时，在安全气囊作用阶段，A座椅试验中假人胸部与气囊的接触更早且挤压强度更大。最终，A座椅试验中假人胸部压缩变形量最大值达到33.6 mm，而B座椅试验中最大值仅是30.3 mm，A座椅试验中最大胸部压缩变形量比B座椅试验中高11%。该结果表明，如果该车型采用A座椅，胸部压缩变形量的增加将对后续安全气囊的优化提出更高要求。

3.3 颈部伤害影响分析

两款座椅台车试验后，颈部受力情况如图6所示。

由图6a可看出，在约65 ms前后，两款座椅台车试验中假人与安全气囊发生接触，颈部剪切力Fx变化趋势发生转折，其中，A座椅试验中Fx转折斜率和幅值变化均大于B座椅试验，即头部与安全气囊完全接触后，A座椅试验中假人头部撞击速度偏高。

由图6b可看出，A座椅试验中颈部张力Fz幅值达到2.3 kN，B座椅试验中为1.55 kN，A座椅试验中Fz幅值是B座椅试验中的1.5倍。C-NCAP中规定的颈部张力Fz高性能指标为2.7 kN，A座椅试验中Fz幅值与之很接近，已经对假人颈部造成一定伤害，且存在扣分风险。

3.4 假人头部伤害影响分析

两款座椅台车试验后，假人头部合成加速度对比如图7所示。

图7中，A座椅试验中假人头部合成加速度幅值明显高于B座椅试验，A座椅试验中假人头部性能指标HIC=803（91～124 ms），而B座椅试验中HIC=181（90～126 ms）。C-NCAP中规定假人头部伤害评价指标HIC的高性能限值为650，低性能限值为1 000，即HIC值低于650时为满分，超过1 000时为零分。B座椅试验中假人头部伤害较好，但A座椅试验中假人头部将扣掉近一半分数。

在C-NCAP中，头部HIC计算式[7]如下：

式中，ar为头部x、y、z3个方向合成加速度，t2-t1≤36 ms。

式（2）表明，头部HIC的大小与t2-t1间最大平均加速度密切相关，而A座椅试验中，在91～124 ms内ar维持在高值，即平均加速度值将较高，这是其HIC偏高的主要原因。

A座椅试验中假人头部x、y、z3个方向加速度如图8所示。

图8中，头部z向加速度幅值最高达44g，远高于通常的20g，是合成加速度值偏高的主要原因之一；另外，从头部x向加速度曲线可以初步判断，碰撞发生后第108 ms时头部安全气囊发生触底，即碰撞后期头部透过气囊与转向盘发生碰撞。该触底碰撞导致头部x向和z向加速度继续增高并持续保值。

在整个碰撞过程中，假人头部除了受到安全气囊的作用力外，还将受到颈部的约束作用，即安全气囊和颈部共同作用下产生头部加速度，因此，颈部力和头部产生加速度的合力之间有着必然联系。HybridⅢ50th假人头部质量为4.54 kg，用假人头部质量分别乘以头部x向和z向加速度，可以求得假人头部x向和z向合力。建立颈部力与头部合力间关系如图9[8，9]所示。

图9中，颈部z向张力和头部z向合力比较接近，表明虽然A座椅试验中假人头部z向加速度很大，但主要是由颈部张力作用产生。

分析安全气囊的作用，将头部x向合力与颈部x向剪切力、头部z向合力与颈部Fz分别取差值，求得安全气囊对假人头部x向和z向的作用力，如图10所示。

图10中，在碰撞发生后第108 ms时，安全气囊对假人头部x向和z向的作用力均发生增强突变，可以进一步确认此时安全气囊触底[10]。从安全气囊触底前A座椅试验中安全气囊x向作用力下降斜率较大可以确认，在头部撞上安全气囊时安全气囊的气量较足、刚度较大，但后期还是触底，表明安全气囊作用有效时间短，且头部撞击速度高。对于A座椅试验中安全气囊对假人头部z向作用力，其为负值，表明气囊对头部z向作用方向向上，即A座椅试验中假人臀部回弹较快，对头部产生回拉作用，导致面部与安全气囊表面接触面间产生相对滑动，此滑动增大了颈部张力，降低了安全气囊的保护效果。

4 结束语

本文对正面碰撞试验时汽车座椅坐垫刚度均匀性对乘员伤害的影响进行了研究，通过台车试验结果表明，在约束系统开发过程中，坐垫刚度前高后低有利于对乘员的约束，但当坐垫前、后刚度均匀性相差较大时，将对骨盆造成“二次碰撞”，骨盆的二次碰撞将造成骨盆降速过快，乘员上半身前扑动作加强，进而造成乘员上半身的伤害相应加重。因此，在选配座椅时，应尽可能选择坐垫前、后刚度接近的座椅。

1 张金换,杜汇良,马春生等.汽车碰撞安全性设计.北京：清华大学出版社,2010.

2 葛如海,臧绫,王浩涛等.汽车坐垫倾角对正面碰撞乘员保护影响分析.机械工程学报,2009,45（11）：230～234

3 商恩义.正面全宽碰撞试验中假人胸部损伤研究.汽车科技,2012（3）：18～21.

4 国家发展和改革委员会.汽车座椅动态舒适性试验方法.QC/T55-1993.北京：中国标准出版社，1993.

5 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).User's Manual for the 50thPercentile Male HybridⅢTest Dummy，Version 1998.USA SAE,1998.

6 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).SAE J211-1：Instrumentation for Impact Test-Part1-Electron⁃ic Instrumentation,REV.MAR95.USA SAE,2003.

7 中国汽车技术研究中心（天津）.C-NCAP管理规则（2012年版）.（2013-06-20）.http//www.c-ncap.org.

8 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.汽车技术,2010（10）：18～21.

9 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).J2052：Test Device Head Contact Duration Analysis.USA SAE, 1997.

10 Adult occupant protection rating：Frontal Impact-Driver &Passenger.http//www.euroncap.com：2～14.

（责任编辑 文 楫）

修改稿收到日期为2016年12月10日。

Research on the Influence of the Occupant’Injuries by Seat Cushion Stiffness Uniformity in the Frontal Impact

Shang Enyi,Liu Weiguo,Zhou Dayong,Han Gang
（Geely Automobile Research Institute,Zhejiang Key Laboratory of Automobile Safety Technology,Hangzhou 311228）

To improve safety of vehicle seat cushion,sled experimental research on two types of seat was conducted, one with equal cushion stiffness on the front and rear seats,the other with higher cushion stiffness on the front seat and lower cushion stiffness on the rear seat.The results showed that the seat with higher cushion stiffness on the front seat and lower cushion stiffness on the rear seat easily cause“secondary impact”to passenger’s pelvis,leading to increase of passenger’s thorax acceleration amplitude and compression deformation,as well as increase of neck strain,meanwhile it also brings about the risk of air bag grounding,ultimately causing aggravation of injury of the passenger’s upper body.Therefore when matching seat,seats with similar stiffness on the front and rear cushion should be choosed.

Frontal impact,Seat cushion stiffness,Uniformity

正面碰撞 坐垫刚度 均匀性

U467.1+4

A

1000-3703（2017）07-0054-05