基于鞭打工况的后排乘员颈部损伤研究

李金柱，任鹏飞，石兴博，崔东

（1.中国汽车技术研究中心有限公司，天津300300；2.中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津300300）

0 引言

后面碰撞是各类事故中最不容易致死的事故类型，但是其造成的伤害概率却是最高的。汽车后面碰撞一旦发生，由于惯性，驾驶员的头部保持原来位置或移动缓慢，而驾驶员身体却会跟随车辆一起向前运动，这样驾驶员颈部便会受到伤害，俗称鞭打伤害[1-2]。挥鞭伤害是交通事故中最为严重的次要性伤害，其并发症多、潜伏期长，不仅伤者会遭受巨大痛苦，还会带来较大的财产损失。2012年，为使鞭打的风险降到最低，鞭打试验正式加入到C-NCAP，并于2018年对鞭打试验的评定标准进行了提升。

目前对于前排座椅的鞭打损伤研究较多[3-5]，国内外对于后排座椅颈部损伤的研究还相对匮乏，E-NCAP对于后排座椅鞭打损伤的评价也只是对静态测量做了规定，无法与人体颈部损伤建立直接的联系。目前大家对于后排座椅乘员颈部损伤的重视度不够，随着国内后排乘坐率的提高，尤其出租车，以及后碰概率的增加，后排鞭打防护的研究有着重要意义。另外，仿真分析相比于试验研究具有成本低效率高的优势，而且已经在汽车行业领域得到了广泛认可，所以借助CAE来研究后排乘员的颈部损伤情况，可以防止时间和成本的浪费[6]，另外通过仿真结果可以更加细致地研究假人姿态的运动情况，分析问题产生的原因。

本文结合E-NCAP[7]后排座椅鞭打静态评价流程和C-NCAP[8]（2018版）动态鞭打试验评价规程和评分原则对5把后排座椅颈部损伤进行研究，旨在研究目前后排座椅对于颈部的保护情况，以及后排座椅静态评价和动态评价之间的关联，为后续在后排座椅的开发过程中，能够提高厂家对后排座椅乘员颈部保护的意识，以及对于后排座椅的开发设计提供参考作用。

1 后排座椅乘员颈部损伤评价方法

目前国内C-NCAP只有针对主驾座椅的颈部损伤评价方法，对于后排座椅的颈部损伤还未公布相关的法规，而E-NCAP介绍了后排座椅颈部损伤静态评价方法。本文参考E-NCAP和C-NCAP相关的评价内容对后排座椅乘员颈部损伤进行研究评价[9-11]。

1.1 E-NCAP后排鞭打静态评价流程和评分原则

E-NCAP后排座椅鞭打评价主要对座椅进行静态测量[12]，主要有以下评价项目：头枕有效高度Heff，包括最高位置和最差位置（需满足头枕最低使用高度要求）；头枕间隙∆CPX，包括中间位置和最差位置（需满足头枕最低使用高度要求）；头枕非使用位置评价，包括头枕自动复位评价；头枕转动角度评价；HPM躯干角变化量评价；头枕下缘高度HLE和头枕下缘厚度S。因篇幅有限具体测量方法不再做单独介绍，具体参考E-NCAP后排座椅鞭打评价流程。只有当Heff满足要求后，在进行其他参数的评定，对于非使用位置评价，只需要满足其中一项就可以得分，总分为4分，换算成乘员保护得分为0.5分。具体评分细则如表1所示。

表1 E-NCAP后排座椅鞭打静态评分原则

本文选择5款后排座椅作为研究对象，分别按照ENCAP后排座椅鞭打静态评价流程进行测量。图1所示为座椅A静态测量示意图，其余4把座椅分别命名为B、C、D、E，如图2所示，测量方法与座椅A相同，不再重复展示。

图1 座椅A静态测量

图2 其余4把座椅造型

1.2 C-NCAP鞭打试验评价规程和评分原则

C-NCAP采用颈部伤害指数NIC、上颈部剪切力FX+、上颈部拉力FZ+、上颈部扭矩My，下颈部剪切力FX+、下颈部拉力FZ+和下颈部扭矩My这7项评分指标，以及对座椅靠背最大动态张角、头枕干涉头部空间、座椅滑轨动态位移的3项罚分项。具体的总体评分原则如表2所示。

表2 C-NCAP鞭打试验总体评分原则

E-NCAP和C-NCAP中对于颈部损伤的评价内容虽然不同，但却有一定的联系。E-NCAP静态评价中头枕有效高度Heff和头枕间隙∆CPX，是和头部接触位置有关，而头枕的接触位置会影响乘员的颈部受力情况，对颈部造成不同程度的伤害。

2 后排座椅鞭打C-NCAP仿真结果及分析

后排座椅参考前排座椅先进行头部间隙测量和头枕相对高度测量，然后再按照法规要求进行加载和评价，头枕静态测量示意图如图3所示。

图3 头枕静态测量示意图

测量结果如表3所示，可以发现，除了座椅E，其余4把座椅的头部间隙，与前排座椅相比，数值都较大，参考前排座椅鞭打分析经验，头部间隙过大，会导致头枕接触时间变长，头枕接触不稳定，不利于鞭打防护，接下来参考C-NCAP动态评价流程对5把座椅进行鞭打动态仿真分析。

表3 后排座椅静态测量结果

由于目前缺少后排动态鞭打实验结果，无法对仿真模型进行验证，本文参考主驾鞭打建模处理方法，图4所示对比了某主驾座椅仿真和试验中头部加速度曲线，曲线整体趋势、峰值出现时刻和大小都比较吻合，对于后排模型的搭建具有较高的参考意义。

图4 主驾座椅鞭打试验与仿真头部加速度对比

通过图5～7可以发现座椅A、B、C、D头部加速度和胸部加速度上升时间差异较大，且加速度上升速度较快，说明头部和胸部运动出现了偏差，且靠背和头枕没有起到明显的缓冲作用，导致座椅NIC值较高。通过图8～11可以看出5把座椅中假人颈部上剪切力FX较小，没有超过高性能值。而座椅A和座椅D，则下颈部剪切力FX、上颈部拉力FZ、下颈部拉力FZ峰值都比较大。特别是座椅D的上颈部拉力峰值已经超过低性能值，该座椅鞭打防护存在较为严重的问题，一旦出现事故，会对乘员颈部造成严重的伤害。通过图12、图13可以看出5把座椅的假人颈部弯矩值较小，没有明显的失分。

图5 头部加速度

图6 胸部加速度

图7 颈部伤害值NIC

图8 上颈部剪切力FX+

图12 上颈部扭矩My

图13 下颈部扭矩My

图9 下颈部剪切力FX+

图10 上颈部拉力FZ+

图11 下颈部拉力FZ+

针对座椅A和座椅D部分伤害值比较大的问题，对头部运动进行分析。根据图14头部与头枕接触后，头枕泡沫太薄，头部没有足够的缓冲空间，且在头部向后运动的过程中，头枕刚度不足，头枕有一个向后转动的过程，此时头枕对头部施加了一个相反的弯矩，由于头部还处于往后摆的过程，虽然此时对于上颈部剪切力有利，但势必会增加上颈部拉力的伤害值。通过图15可以看出，假人头部与座椅D头枕接触后，随着头部的后移与头枕杆发生接触，导致头部加速度急剧上升，最终导致颈部NIC伤害值较大。这些问题说明部分厂家为了节约成本和车内空间所限，而忽略了对后排乘员颈部保护的考虑。

图14 座椅A头部受力分析示意图

图15 座椅D头部与头枕杆接触示意图

3 后排鞭打静态和动态评价结果

对于5把后排座椅都没有头枕自动复位和头枕转动的功能，对于非使用位置，只对头枕下缘高度HLE和头枕下缘厚度S进行评价。座椅A、B由于只有两个卡齿位置，且在最低卡齿位置不满足UN-ECER17-08要求，所以只对最高位置进行测评。通过表4可以看出5把后排座椅都满足Heff的测量指标，对于ΔCPXLIMIT只有座椅E满足要求，说明座椅头枕相对于点H普遍靠后，不利于头枕支撑。对于头枕下缘高度HLE没有座椅满足要求，对于头枕下缘厚度S则只有座椅E满足要求，说明5把座椅的舒适性相对较差。

表4 后排座椅静态评价结果

通过表5后排座椅的动态评价结果发现，5把座椅的上颈部剪切力得分普遍较高，而NIC、上颈部拉力得分普遍较差，且差距较大，最差的得到0分。下颈部剪切力和拉力得分较分散，既有伤害值小的，也有比较大的。

虽然A、B、C、D四把座椅E-NCAP静态评价和CNCAP动态评价结果都比较差，但动态评价结果指标有好有坏。说明E-NCAP静态评价可以初步判断后排座椅的乘员颈部损伤情况，但无法反映乘员颈部损伤的具体问题，还需要参考C-NCAP动态评价结果，从而对后排座椅进行有效地设计及优化。

4 结束语

本文基于E-NCAP后排座椅鞭打评价流程对5把后排座椅进行静态评价，利用有限元的方法建立该座椅的鞭打仿真模型，根据C-NCAP鞭打试验评价规程和评分原则对其进行鞭打试验的仿真分析，探究目前后排座椅的鞭打防护程度，以及E-NCAP静态评价与C-NCAP动态评价之间的关系，结论如下。

（1）静态和动态评价有一定的相关性，A、B、C、D四把座椅，静态和动态评测结果都比较差，而E座椅静态和动态评判结果都较好。

（2）静态评价失分的主要测评项为∆CPX和非使用位置的评价，动态评价失分的主要原因为NIC和上颈部拉力伤害值较大。

（3）通过静态和动态分析结果发现E-NCAP静态指标可以一定程度上反映鞭打防护情况，但无法反映鞭打防护的具体问题，还需要结合C-NCAP动态评价。

本文的研究可以提高厂家对于后排座椅鞭打防护的意识，为后续汽车被动安全的完善起到一定的参考意义。