基于鞭打性能的座椅靠背型面优化方法

摘要：为降低追尾时的挥鞭伤危害，提出一种座椅靠背型面优化方法，论述该方法对头后间隙的影响机制。基于该方法对某款座椅的鞭打性能进行优化，根据CNCAP规程进行试验验证。结果表明：该方法对座椅造型的影响程度较小，优化目标与试验结果吻合较好，假人颈部伤害值降低16.6%，上颈部载荷与下颈部载荷显著降低。

关键词：汽车安全；颈部损伤；鞭打试验；汽车座椅

中图分类号：TH162文献标志码：B文章编号：1671-5276（2024）06-0155-05

Abstract：To reduce the damage of whiplash injury in low speed rear-end collision， an optimization method of seat back modeling surface is proposed and its influencing mechanism on headback clearance is discussed. Based on the method， the whiplash performance of a certain seat is optimized and verified through experiments according to CNCAP procedure. The results show that the proposed method has less influence on seat modeling， the optimization objective is in good agreement with the experiment results， and the injury value of dummy neck decreases by 16.6%，a significant reduction for both upper neck load and lower neck load.

Keywords：vehicle safety；neck injury；whiplash test；vehicle seat

0引言

在汽车交通事故中，追尾事故约占30%［1-2］，其中乘员颈部受到伤害的几率可达70%以上［3］。追尾事故中，乘员头部的运动相对于躯干存在滞后性，颈部先受到拉伸然后加速甩向前方，由此产生的颈部伤害称为挥鞭伤［4-6］。挥鞭伤表现为颈椎骨骼损伤及颈部软组织挫伤，并发症多、潜伏期长，可能对乘员造成永久伤害。为降低挥鞭伤的危害，CNACP将低速后碰撞颈部保护试验（简称鞭打试验）作为汽车安全的重要评价项目。

汽车座椅结构对挥鞭伤具有显著影响。郑祖丹等［7］采用正交试验方法研究了头后间隙、头枕高度、泡沫刚度及调角器刚度对挥鞭伤的灵敏度，结果表明头后间隙对颈部损伤影响较大。商恩义等［8］提出一种低速追尾头部受力分析方法，并结合鞭打试验对座椅结构进行了优化。陈长亮等［9］采用CAE方法对某款电动座椅鞭打性能进行了分析，表明靠背刚度、靠背转动刚度、头枕刚度、头枕转动刚度、头枕位置等均对挥鞭伤产生显著影响。张绍伟等［10］结合CAE及深度学习长短期记忆网络，构建了一种基于座椅结构特性的挥鞭伤预测神经网络架构。

正确合理的座椅设计是降低挥鞭伤危害的有效途径。由于座椅为软硬材料耦合的复杂系统，且结构同时影响舒适性、静态强度、动态强度等指标，在设计阶段提高座椅的鞭打性能仍是一个难点。本文提出一种座椅靠背型面优化方法改善座椅头后间隙，并采用CNCAP鞭打试验进行验证，为提高座椅鞭打性能提供一种有效的途径。

1CNCAP鞭打试验

1.1试验程序

CNCAP试验规则［11］中，鞭打试验分为静态测量与动态碰撞两部分。静态测量中，将座椅调节至规定的位置，采用SAE J826假人和ICBC HRMD头模测量座椅的H点及头后间隙，假人躯干角规定为25°。动态碰撞中，将座椅固定在滑车上，安装BioRID Ⅱ假人，以一定的加速度波形发射滑车，通过BioRID Ⅱ假人上的传感器采集人体受力情况。其中，BioRID Ⅱ假人的H点及头后间隙与静态测量结果的换算关系如下：BioRID Ⅱ假人H点x向前移20mm，允许±5mm的偏差；头后间隙增加15mm，允许±2mm的偏差；躯干角规定为26.5°。

1.2评价规则

前排座椅鞭打试验评分标准如表1所示，满分为5.0分。评价指标分为3组，分别为颈部伤害值NIC、上颈部载荷、下颈部载荷，满分分别为2.0分、1.5分、1.5分。其中，颈部伤害值NIC为无单位量纲值，反映颈椎流体腔内流体流变压力梯度对颈部软组织造成的伤害［12］，上、下颈部载荷Fx+、Fz+、颈部转距My反映关节错位、韧带损伤及骨折等对颈部造成的伤害［13-14］。NIC值的计算方式如下：

式中：aT1x为假人T1胸椎加速度；aHx为假人头部枕骨加速度。

2靠背型面优化方法

2.1优化方法

现有研究表明，头后间隙对座椅鞭打性能有显著影响［15］。随着头后间隙的减小，假人头部与座椅的接触时间减小，头部与胸部间相对运动的程度降低，NIC值、颈部剪切力Fx、颈部转矩My减低，座椅鞭打性能显著提高。设计上一般采用主动式安全头枕或增大头枕厚度减小头后间隙；然而前者成本较高，后者对座椅造型影响较大。本文提出一种座椅靠背型面优化方法，通过调节靠背腰部型面减小头后间隙，在不增加成本的情况下降低了对座椅造型的影响。

如图1（a）所示，某座椅H点为O0，躯干角为θ0，头后间隙为LH0。将座椅靠背向前转动，若忽略座椅靠背对假人的支撑作用，假人姿态保持不变，则头后间隙减小至LH1，如图1（b）所示。实际上，由于座椅靠背对假人的支撑作用，假人姿态发生改变，躯干角减小至θ1，H点在x方向前移Δx至O1，头后间隙变为LH2，如图1（c）所示。其中：

式中：L0为H点至假人头部距离；LB表示座椅靠背的支撑作用。由以上讨论，对H点为O0，躯干角为θ0，头后间隙为LH0的座椅，通过旋转靠背位置并降低靠背对假人的支撑作用LB，则可在H点及躯干角不变的情况下将头后间隙减小至LH1。

图1座椅头后间隙与靠背关系

座椅靠背结构一般如图2所示，包含靠背骨架、发泡、面套及头枕。靠背骨架为框架式金属结构，中间位置为弹簧钢丝。发泡为聚氨酯，装配在靠背骨架外侧。面套为仿皮聚氯乙烯，包覆在发泡上。头枕通过内嵌的金属导杆固定在靠背骨架上。当靠背骨架刚度一定时，座椅靠背对假人的支撑作用主要受发泡影响。一般采用渗透率γ反映发泡对假人的支撑程度。

如图3（a）所示：建立坐标系，以座椅H点为原点，以躯干角方向为x轴方向，则渗透率γ可表示为

式中：Ld为假人中心位置陷入靠背的距离；Lm为靠背型面中心位置距骨架的距离。

对于H点为O0，躯干角为θ0，头后间隙为LH0的座椅，座椅靠背型面优化方法如下。

1）建立图3（a）所示坐标系，计算渗透率γ0。

2）保持假人姿态不变，转动座椅靠背，将头后间隙调节至优化目标值LH1。

3）根据渗透率γ0，针对转动后的座椅靠背建立靠背型面优化基准线l。如图4所示，座椅中间截面上，Ls为SAE J826假人靠背曲线，Lp为靠背发泡截止线，则

4）根据型面优化基准线l及侧翼造型线扫掠型面并调整光顺，得到优化后的靠背型面如图5所示。

5）校核优化后渗透率γ1，控制γ1相对于γ0的偏差在±2.5%以内。

采用以上方法优化后的靠背型面，假人渗透率与优化前基本一致，可以认为优化前后座椅靠背对假人的支撑作用相同，H点及躯干角保持不变。

2.2优化实例

某前排驾驶员座椅参数如表2所示。建立头后间隙优化目标值为5mm，采用以上方法对靠背型面进行优化，优化前后假人渗透率如图6所示。优化前后，座椅靠背型面位置最大偏差为4.6mm。因此，相较于直接加厚头枕，采用靠背型面优化方法可显著降低对座椅造型的影响程度。

3改善效果验证

对靠背型面优化前后的座椅，根据CNCAP管理规则进行鞭打试验，试验现场如图7所示。

静态测量结果如表3所示，靠背型面优化后，头后间隙实测值与目标值吻合较好。动态碰撞结果如表4所示。靠背型面优化后，颈部伤害值NIC得分提高20.8%。优化前后NIC值、头部枕骨加速度aHx、T1胸椎加速度aT1x如图8所示。在63ms时，NIC值曲线达到峰值，优化后aHx较优化前提高1.78g，降低了假人头部与胸部间相对运动的剧烈程度，NIC值降低16.6%。优化前后上颈部载荷及下颈部载荷得分均为1.5分。优化后，假人上颈部拉力、下颈部剪切力、下颈部拉力及下颈部转矩分别降低20.6%、38.3%、17.5%、49.7%，这是由于头后间隙减小，假人头部更早与座椅接触，头部向后甩动的程度减缓导致的。

4结语

本文提出了一种座椅靠背型面优化方法，通过优化座椅靠背型面降低了座椅头后间隙，提高了座椅的鞭打性能且对座椅造型影响较小。针对某款座椅，采用CNCAP鞭打试验并对该优化方法进行验证。结果表明：头后间隙优化值与实测值吻合较好；优化后假人NIC值得分提高，上颈部拉力、下颈部剪切力、下颈部拉力及下颈部转矩均有显著降低。

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收稿日期：20230424

第一作者简介：降皓鉴（1991—），男，河北邯郸人，工程师，硕士，研究方向为汽车内饰及智能化座舱设计，jianghaojian@163.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.031