长城某SUV座椅防挥鞭伤性能改进

吕宝锋，韩 峰

（长城汽车股份有限公司技术中心 河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000）

长城某SUV座椅防挥鞭伤性能改进

吕宝锋，韩 峰

（长城汽车股份有限公司技术中心 河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000）

针对某SUV座椅鞭打摸底试验成绩较差的情况，通过对试验数据进行分析，明确影响座椅鞭打性能的主要因素有：头后间隙和头枕高度。对座椅设计不足之处进行优化改进，经试验验证座椅改进效果符合预期。

鞭打；C-NCAP；头后间隙；头枕高度

1 挥鞭伤介绍

汽车被追尾时，被撞的汽车以一定的加速度向前运动，乘员躯干随座椅向前运动，而头部由于惯性作用产生滞后，运动的错位使颈部受到极大的拉伸，随后头部像“鞭梢”一样，被颈部带动快速甩向前方，这种现象被称为“挥鞭效应”，由此产生的颈部损伤被称为“挥鞭伤”（Whiplash Associated Disorders）。2012年C-NCAP评价体系中正式加入了鞭打试验及评价方法［1］，2015年鞭打评价方法进行了升级。

鞭打试验在2015年版C-NCAP总体得分中所占分值为4分。评分原则依据假人安装的传感器测量所受的伤害指数进行，假人测量数据包括2组：一组通过头部加速度、胸部加速度计算出NIC（颈部伤害指数）；另一组为颈部载荷和扭矩，具体评分原则见表1，其中上、下颈部得分取3个指标中最差得分，总分4分。

表1 鞭打试验总体评分原则

2 摸底试验结果

长城某款车座椅初始鞭打成绩如表2所示，最终成绩1.20分，跟预期目标分值差别较大，不满足性能要求。主要失分项为NIC、上颈部拉力、上颈部弯矩、下颈部剪切力。

表2 某车型座椅鞭打成绩

3 数据分析

3.1 NIC分析

颈部伤害值NIC是枕骨铰链相对于T1的水平加速度和速度的相对值。

相对加速度

NIC计算过程表明：该指标主要与T1加速度和头部x方向加速度有关。对摸底试验NIC计算过程进行推导。其中，Ax-T1代表胸部T1平均加速度，Ax-head代表头部x方向加速度，A-rel代表相对加速度，Vx-rel代表相对速度。推导过程如图1、图2所示。

图1 加速度曲线

图2 NIC曲线

图2 中可看出：NIC在106 ms时达到最大值24.4，超标较多，得0.5分，失1.5分。通过曲线分析NIC构成，可以看出：相对加速度占较大比重，对NIC直接影响较大；此外，根据NIC计算公式，相对速度是由相对加速度积分而来，也受相对加速度间接影响。因此，降低NIC值，必须降低相对加速度。

图1中，Ax-T1在48 ms左右开始产生并缓慢上升，而Ax-head在105 ms左右产生，远晚于Ax-T1，并且产生后急剧上升。随着头部加速度的急剧上升，相对加速度急剧下降直至转向，NIC也随之降低。

上述分析表明，NIC值的大小与头枕接触时刻密切相关。头枕接触时刻越早，在Ax-T1刚产生时Ax-head随之产生，可以迅速缓解Ax-T1的增大趋势，使相对加速度Ax-rel在值不大时，便开始降低直至反向，实现降低NIC正向幅值。因此，在优化NIC伤害时，应尽可能提早头枕接触时刻，即减小头后的间隙。

3.2 颈部载荷分析

对于假人头部，在碰撞过程中将存在惯性力、头枕施加的外力、上颈部施加的约束内力。分别用Fx、Fux、Fix表示假人头部x方向的所受外力、约束内力、取反惯性力，应用达朗贝尔原理［2］，有

所以， 有

同理，分别用Fz、Fuz、Fiz表示假人头部z方向的所受外力、约束内力、取反惯性力，则有

Ax、Az、Fux、Fuz在试验过程中可采集得到，依据公式（8）和（9），可计算出试验过程中假人头部x和z方向所受到的外力。对于y方向受力，由于后碰撞试验，其值较低则不予考虑。根据上述原理，对假人头部受力计算如下：试验中采集的假人头部加速度如图3所示，假人上颈部剪切力及拉力如图4所示。

图3 头部加速度曲线

图4 上颈部受力曲线

依据公式（7）计算出Fix，公式（8）计算出Fx。Fx、Fux、Fix之间关系如图5a所示；同理，处理出Fz、Fuz、Fiz之间关系如图5b所示。

图5 头部x向和z向受力曲线

从图5a看出，假人头部x方向受力为正，即头枕对头部作用力向前，峰值1 170 N左右；图5b中可看出z方向受力为负，即头枕对假人头部作用力向上，600 N左右；头枕对头部作用合力为1 315 N左右，方向斜向上。截取假人头部受力最大时录像，并将头枕作用力在图中标示出来，如图6所示。Fx与Fux作用效果相同，共同促进头部沿x方向向前运动，所以，Fx增大将有利于Fux的降低；Fz与Fuz的作用效果相反，Fz作用效果使头向上运动，Fuz的作用效果是阻止头部向上运动，所以F z越大，Fuz也越大。因此，要减小上颈部受力，就要增大合力F在x方向分力，减小合力F在z方向分力。合力F和水平面夹角的大小跟头枕与头部接触位置有关，即与头枕高度有关。头枕高度越小，头枕接触头部位置越靠头部上部，合力在x方向分力Fx就越大，z方向分力Fz就越小，上颈部剪切力和拉力都会减小。因此，要减小上颈部剪切力和拉力，就要减小头枕高度。

图6 头部受力示意图

合力F的作用效果为给上颈部正向弯矩My，弯矩的大小与合力F的大小有关，合力越小，弯矩也小。合力的大小与头枕碰撞强度有关，头枕接触时刻越早，头枕碰撞强度越低，合力F就越小。因此，优化上颈部弯矩My，就要提早头枕接触时刻，即减小头后间隙。

4 改进方案

根据前述分析，对该座椅的优化方向为减小头后间隙和头枕高度，提早头枕接触时刻和增高头枕接触位置。据此制定优化方案如下。

1）靠背骨架增高 座椅调角器以下部分不变，靠背骨架增高50 mm，靠背发泡也随之增高。

2）靠背发泡及头枕发泡优化 优化座椅靠背发泡形状，靠背发泡腰托处内收24 mm，头枕发泡形状重新设计，头枕更前倾。座椅优化前后对比如图7所示。

图7 座椅优化前后对比

经过上述优化后，对座椅进行静态测量，头后间隙由原来的114 mm降低为67 mm，头枕高度由47 mm降低为0 mm。重新进行动态试验，试验结果如表3所示，最终得分3.02分，达到预期整改效果，座椅优化成功。

5 总结

通过对某SUV座椅数据的分析及优化过程的阐述，得出如下结论。

1）头后间隙和头枕高度是座椅静态测量的2个重要参数，直接影响头枕接触时刻和头枕支撑位置。

2）头后间隙越小越有利于头枕接触时刻提前，头枕高度越小越有利于头枕支撑位置靠上，均有利于降低颈部伤害值，提高鞭打得分。

表3 优化后座椅鞭打成绩

3）座椅靠背发泡及头枕发泡会影响头后间隙及头枕高度。本文中座椅的优化思路和方案为后续座椅设计和改进提供了参考。

［1］ 中国汽车技术研究中心（天津）.中国新车评价规则（C-NCAP）［Z］.2009.

［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.

Performance Improvement of Seat Whip Wound Protection on a Great Wall SUV

LV Bao-feng， HAN Feng
（R&D Center of Great Wall Motor Co.， Ltd.， Automotive Engineering Technical Center of HeBei， Baoding 071000， China）

Based on the situation that a Great Wall SUV model performed badly in seat whipping test， the test data is analyzed， and major influencing factors are identified as the head-seat distance and the pillow height. Then the seat design is improved， and verified to be effective.

whip； C-NCAP； head-seat distance； pillow height

U463.6

A

1003-8639（2017）12-0077-03

2017-02-21

吕宝锋（1986-），男，山东莱芜人，助理工程师，从事汽车碰撞安全CAE分析工作。

（编辑 凌 波）