增加座椅靠背转动角度对BioRID Ⅱ假人伤害值的影响研究

崔新康，王鹏翔，李月明，张毅,商恩义

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

0 引言

2021年C-NCAP增加了第二排两侧座椅鞭打试验及评价方法，说明C-NCAP对于追尾事故给乘员造成的颈部伤害越来越受重视了。追尾事故损伤原理是碰撞中驾驶员和乘客的头部和胸部之间的运动差异导致了相邻颈椎间的相对运动。对于追尾事故中乘员伤害的研究，目前大多数是利用仿真软件来研究BioRID Ⅱ假人颈部的伤害。根据相关研究，目前降低假人颈部伤害值(NIC)的基本思路为：在不改变汽车座椅骨架的情况下，增加汽车座椅头枕高度和减小假人头部和汽车座椅头枕之间的距离，让假人头部更早接触座椅头枕这样可以减小头部加速度和T1加速度的差值。

一般情况下在鞭打试验开始后，首先假人在惯性力的作用下开始向后滑行，假人上躯干拖着头部一起向后滑行。然后假人上躯干和汽车座椅靠背开始接触，并持续不断地挤压汽车座椅靠背，随后BioRID Ⅱ头部开始挤压头枕。随着假人上躯干进一步挤压汽车座椅靠背，头部开始接触头枕。随着假人背部进一步挤压座椅靠背，座椅靠背开始变形，座椅靠背角度逐步增加。随着进一步挤压假人躯干向后移动受阻，座椅背角增加逐步减缓。假人头部开始向后旋转。随后假人开始反弹。在整个过程中BioRID Ⅱ假人头部受到的外力主要来自于汽车座椅头枕，如果汽车座椅靠背骨架旋转的角度不断增加，可以把假人上躯干受力的时域延长，强度降低，这样可以缓解头部和胸部之间的运动差。同时座椅靠背在旋转的过程中也会消耗部分能量，也会减少传递给假人的能量降低头部和胸部之间的运动差。基于上述原因，本文利用假人滑台鞭打试验研究座椅靠背增加旋转角度对BIORID Ⅱ假人伤害的影响。

1 BioRID Ⅱ假人脊椎结构

BioRID Ⅱ假人脊椎结构主要由颈椎、胸椎、T1力传感器、阻尼块、底座、钢索及其附件组成，如图1所示。

图1 BioRID Ⅱ假人脊椎结构

BioRID Ⅱ假人胸椎是由17块椎骨通过销子相连，每两块椎骨两侧都有钢片(有弧形槽)通过螺栓和椎骨连接。颈部脊椎是由8块颈椎骨用销子串在一起，颈部左侧由一根钢索从前端穿绕过(8字形)阻尼块到后端，钢索用来调节颈部曲度。胸椎、T1力传感器和颈椎通过销子连接。同时T1力传感器和胸椎两侧通过钢片连接。

2 汽车座椅靠背和坐垫骨架连接结构

汽车座椅在结构上主要分为头枕、靠背、坐垫及支架、滑轨、调角器、高度调节器、安全带扣等模块。座椅靠背骨架和坐垫骨架每侧有一块金属板连接，座椅靠背的旋转轴外部和金属板上部焊在一起。座椅靠背角度调整手柄拉起时，座椅靠背可以绕着转轴相对于金属板旋转，座椅靠背和金属板是相对分离的。金属板下部前后两端各用一颗螺丝和座椅坐垫骨架连接在一起，具体如图2所示。这样座椅靠背和座椅坐垫就形成一个整体。

图2 座椅靠背和坐垫骨架连接结构

3 座椅靠背转动对BioRID Ⅱ假人的影响分析

3.1 试验方案

取两组相同的汽车座椅：试验1汽车座椅不做任何处理;试验2汽车座椅靠背和坐垫骨架连接后端螺栓的金属板上方开一个槽(槽的尺寸可根据不同座椅螺栓尺寸及座椅最大靠背角确定),目的是让座椅靠背在受到BioRID Ⅱ假人挤压时，当挤压力超过座椅靠背骨架和座椅坐垫骨架连接后端螺栓的摩擦力时，座椅靠背可以绕着座椅骨架连接前端螺栓继续旋转，消耗假人传递给座椅靠背的能量。试验1和试验2按照相同试验方法进行试验，为了消除假人因素影响，两组试验使用同一个假人。

3.2 试验数据对比分析

在28 ms时假人上躯干和座椅靠背开始接触，假人上躯干开始挤压座椅靠背泡沫，T1加速度开始缓慢增加。在56 ms时BioRID Ⅱ假人头部开始接触汽车座椅头枕，T1加速度和头部加速度曲线斜率越来越大。在60 ms座椅坐垫骨架开始产生变形，T1加速度和头部加速度开始回落后又快速上升，如图3和图4所示。

图3 头部加速度对比

图4 T1加速度对比

由图3和图4可知，在78～150 ms时间段，试验1和试验2头部加速度曲线在78 ms产生偏离，试验2的T1和头部加速度曲线都明显向下。但试验1的头部加速度和T1加速度曲线继续快速上升在82 ms才开始回落。试验2头部加速度曲线的第2个峰值84.0 m/s明显低于试验1第2个峰值122.0 m/s，下降了31.0%;试验2 T1的第2个峰值110.0 m/s明显低于试验1第2个峰值134.0 m/s，下降了18.0%。在78 ms时试验2中假人对座椅靠背的挤压力已经大于后端螺栓的摩擦力，座椅骨架连接后端螺栓在刻槽内滑动，座椅靠背开始绕着座椅骨架连接前端螺栓旋转。

座椅靠背旋转试验对比如图5所示，由图可以看出，在82 ms座椅靠背骨架开始变形，座椅靠背角度快速增长。在座椅靠背旋转和变形的共同作用下，试验2在88 ms时(波谷)的头部加速度为8.8 m/s，比试验1的67.7 m/s下降了87.0%，T1加速度平均下降了50.0%。88～150 ms随着座椅骨架变形量越来越小，头部加速度和T1加速度则快速上升。在110 ms时试验1中假人加速度达到最大值195.0 m/s开始反弹，试验2假人头部在120 ms达到最大值189.0 m/s开始反弹。由于试验2中座椅靠背的旋转导致在88 ms之后试验1头部加速度和T1加速度曲线产生了3～4 ms的相位差。

图5 座椅靠背旋转试验对比

BioRID Ⅱ假人上颈部力、对比如图6所示。

图6 BioRID Ⅱ假人上颈部力Fx、Fz对比

由图6可知，在56 ms时刻BioRID Ⅱ假人头部接触汽车座椅头枕，上颈部产生负向剪切力。试验1和试验2的上颈部的逐步增加。在78～120 ms 这个时间段：78 ms时试验2的上颈部曲线达到峰值81 N并开始回落，是因为试验2座椅靠背在78 ms开始旋转、变形。试验1的上颈部达到峰值111 N并开始回落是因为在82 ms时座椅靠背骨架开始变形。试验2的上颈部曲线峰值比试验1降低了27.0%。随着座椅骨架变形逐步减小试验1和试验2的上颈部都逐步增加。在120～150 ms 试验1曲线斜率明显大于试验2曲线斜率。这是因为试验1假人上躯干在120 ms开始反弹，上颈部曲线开始回落。试验2在125 ms反弹。由于试验1假人头部反弹较快，所以曲线斜率较大。

由图6还可以看出，在0～87 ms试验1和试验2的假人上颈部曲线走势几乎一致。这是因为在0～56 ms这个时间段。坐垫传递给假人的力和假人头部惯性力的作用下，颈部表现为轴向压力并逐步增加(头向上，胸向下为正)。在56～87 ms这个阶段：在56 ms头后方下部开始接触座椅头枕，头枕给假人头部一个斜向上的力，在逐步快速增长。在87～110 ms这个时间段：试验2上颈部曲线峰值448 N比试验1峰值364 N降低了18.8%。因为在试验2中座椅靠背在87 ms开始旋转，座椅靠背给假人上躯干的支撑力小于试验1(从假人T1加速度曲线可以看出)，导致试验2假人头部向后运动的速度小于试验1，假人头部向后旋转的速度小于试验1，在试验视频中也得到了验证，如图7所示。

图7 假人头部旋转试验对比

由于假人头部向后运动时挤压头枕。同时头部向后旋转，头部后仰角度的增加，头部受力在向的分力越来越大。假人头部受力分析如图8和图9所示，图中代表头部所受合力，h代表颈部向剪切力，h代表颈部向剪切力。因此试验1的曲线数值明显大于试验2。

图8 在87 ms时假人头部受力分析

图9 在125 ms时假人头部受力分析

在110～130 ms这个时间段，试验2曲线值明显大于试验1。这是由于在这个过程中试验1中头部运动速度和旋转的速度比试验2快。

BioRID Ⅱ假人上颈部力矩对比如图10所示。

图10 BioRID Ⅱ假人上颈部力矩对比

由图10可知，在0～78 ms试验2和试验1假人上颈部曲线比较一致，这是因为在0～56 ms这个阶段：假人的惯性力让假人上躯干相对于汽车座椅向后运动，力由上躯干传递给假人头部，头部随着假人上躯干一起向后运动弯曲表现为正值并逐步增加。在60～65 ms这个阶段：由于座椅坐垫骨架变形，导致T1加速度回落，随着T1加速度回落颈部也开始回落。在65～75 ms这个阶段坐垫骨架变形基本完成，随着T1加速度逐步增长，也开始增长。在75 ms假人头部开始向后旋转，如图7所示，开始回落。在78～110 ms这个时间段，试验2曲线峰值-3.91 N比试验1峰值-7.91 N降低了50.6%。这是因为在78 ms时试验2的座椅靠背开始绕着座椅骨架连接前端螺栓旋转，给假人上躯干的支撑力小于试验1，导致试验1假人头部旋转速度比试验2快，向后旋转角度大。所以试验1的大于试验2的。假人上颈部在125～150 ms试验2曲线的峰值7.83 N·m比试验1峰值12.442 N·m降低了37.1%。这是因为试验1和试验2假人头部都在110 ms开始向前旋转，试验1在118 ms开始了反弹。试验2在125 ms反弹。由于试验1假人头部反弹早、旋转速度和反弹速度快，向前旋转角度大。所以试验1曲线的峰值明显大于试验2。

BioRID Ⅱ假人下颈部和对比如图11所示。由图可知，在0～150 ms试验1和试验2的曲线走势几乎一致。这是因为两次试验滑台的速度基本一致，使用的是同一个假人。在这个时间假人头部和颈部的旋转主要发生在T1力传感器以上部位，胸部脊椎发生旋转较小。所以假人下颈部T1剪切力基本接近。在78～130 ms产生微小差异的原因和上颈部产生偏差的原因一致。

图11 BioRID Ⅱ假人下颈部Fx和Fz对比

由图11可知，试验1和试验2中BioRID Ⅱ假人下颈部和上颈部在0～87 ms的曲线走势几乎一致。在87～110 ms这个阶段下颈部在试验1和试验2中产生差异的原因也和上颈部相同。试验2曲线峰值253 N比试验1峰值385 N降低了52.2%。

BioRID Ⅱ假人下颈部力矩对比如图12所示。假人下部在0～160 ms试验2曲线和试验1曲线走势基本一致。这是因为在这个时间假人头部和颈部的旋转主要发生在T1力传感器以上部位，胸部脊椎发生旋转较小。

图12 BioRID Ⅱ假人下颈部力矩对比

3.3 试验结果评价对比

鞭打试验对比结果见表1。

表1 鞭打试验对比结果

通过表1可以得到：

(1)BioRID Ⅱ假人颈部伤害值：试验1试验值为15.837 m/s，得分1.288;试验2试验值为14.617 m/s，得分1.398。试验2颈部伤害值得分比试验1高0.11分，提升了8.5%。

(2)BioRID Ⅱ假人上颈部：试验1的上颈部为12.442，超出了高性能限值，扣0.024分。试验2的上颈部力传感器曲线值均比试验1小。试验1得分1.476,试验2得分1.5分。试验2得分比试验1高0.024分，提升了1.6%。

(3)BioRID Ⅱ假人下颈部：试验1的下颈部为385 N，超出了高性能限值257 N，扣0.157分，扣分较多;试验2的下颈部253.2 N比高性能限值低，未扣分。试验1下颈部得分1.343，试验2得分1.5。试验2下颈部载荷得分比试验1高0.157分，提升了11.7%。

(4)试验2的总分4.398比试验1总分4.107高0.291分，提升了7.1%。其中下颈部载荷得分的提升0.157分贡献最大，达到了54.0%;颈部伤害值得分的提升0.11分,贡献了37.8%。

4 结论

本文利用座椅靠背增加旋转角度对BIORID Ⅱ假人伤害的影响进行了研究，指出增加座椅靠背的转动和BIORID Ⅱ假人各个传感器曲线变化的关系。结果表明：

(1)增加座椅靠背转动角度可以使假人头部和T1加速度曲线第2个峰值下降。同时也使BIORID Ⅱ假人上颈部的、、曲线峰值下降,下颈部正向峰值下降。

(2)对假人评分结果影响最大的是下颈部、头部加速度、T1加速度。

(3)增加座椅靠背的转动对鞭打试验结果评价的影响。下颈部峰值的降低使得分大幅提升，提升了11.7%;头部和T1加速度峰值降低使颈部伤害值得分提升了8.5%。增加座椅靠背的转动使鞭打试验总得分提升了7.1%。研究结果对汽车座椅开发过程如何降低鞭打试验假人伤害值指出了方向。