在希邁商務(wù)咨詢（上海）有限公司主辦的第三屆中國國際汽車座椅峰會暨展覽2021的汽車座椅舒適性論壇上，上汽大眾的座椅研發(fā)工程師李宗以“乘員頸部傷害評價與鞭打試驗分析”為主題發(fā)表了精彩演講。



鞭打試驗的發(fā)展

在這里，我展示一下我們在鞭打試驗方面的一些研究和理解，一個是為什么要做鞭打試驗，鞭打試驗到底是在研究什么，我們?nèi)绾稳シ治霰薮蛟囼?，鞭打試驗未來的發(fā)展方向和趨勢是什么，我們從這些角度給大家做一個分享。

作為座椅行業(yè)的人，很多人都聽過鞭打試驗，它來源于NCAP體系，最早在美國建立并在歐洲和日本已經(jīng)有了很多年的發(fā)展。我們可以看到，在這個體系中，包括中國的C-NCAP等，幾乎全部都包含鞭打試驗，每個體系里幾乎都會對鞭打試驗進(jìn)行考察，特別是在中國，C-NCAP第一次進(jìn)入中國的時候就設(shè)立了這個試驗，而且這個試驗也越來越嚴(yán)苛。

我們看一下為什么這個試驗要這樣做。要理解鞭打試驗首先要了解到底追尾碰撞或低速追尾碰撞時發(fā)生了什么。低速追尾碰撞時乘員的動作大概有六個，剛開始人和頭部一起向后移動，然后當(dāng)靠背壓縮到極限以后，頭會向后運動，再向回運動，頸部以上的運動類似于甩鞭的動作。



為什么現(xiàn)在大家這么重視這個試驗?zāi)兀咳毡窘煌ò踩珔f(xié)會做過交通安全事故致死致傷的統(tǒng)計，發(fā)生致死的交通事故中有49.1%都是前撞事故，一般情況下前面正面發(fā)生碰撞時，碰撞的速度和能量更大，更容易造成致死；致傷事故中有43.5%都是由追尾碰撞造成的，也就是說追尾是造成受傷的主要原因。

另外，歐洲也做了交通事故受傷實際醫(yī)療費用的統(tǒng)計，在追尾過程中造成的鞭打傷害占到了交通事故總醫(yī)療支出的40%左右，其中英國更高達(dá)了76%。雖然這個事故可能碰撞的速度不大，但是它造成的后期醫(yī)療和社會負(fù)擔(dān)非常大。

德國對追尾碰撞速度的統(tǒng)計分析表明，在25公里每小時以下的追尾碰撞達(dá)到93%以上，所以鞭打試驗研究的都是20公里，國外還有18公里、16公里的速度。

國內(nèi)有兩個體系，C-NCAP體系從2015年開始只做司機(jī)側(cè)座椅鞭打試驗，試驗曲線是16公里每小時，鞭打試驗設(shè)置的總分只有4分。2018年進(jìn)行C-NCAP 2018升級時，鞭打試驗進(jìn)行了第一次改變，速度從原來的16公里每小時變成了20公里每小時。根據(jù)我們上面的統(tǒng)計可以看到，它實際上把交通事故所涵蓋的覆蓋面擴(kuò)大了，20公里每小時基本上包含了90%追尾碰撞的實際情況。



雖然速度提升了4公里，但能量卻提升了50%，而且這是全球范圍內(nèi)最強(qiáng)的曲線。而到了C-NCAP 2021，也就是去年年底發(fā)布的最新一版，C-NCAP體系再一次走到了世界前列，首次對后排座椅進(jìn)行了鞭打動態(tài)試驗，以往歐洲只有靜態(tài)評價，沒有動態(tài)試驗。為什么C-NCAP會增加后排試驗?zāi)兀窟@是有一定理論依據(jù)的。

基于中國交通事故協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在所有交通事故中，事故車中副駕駛坐人的情況有44.7%，而后排左側(cè)坐人的概率26%，右側(cè)25%，后排兩側(cè)坐人的概率也非常大。所以從C-NCAP體系角度講，后排動態(tài)試驗也是有必要的，另一方面，歐洲只做靜態(tài)測量，但靜態(tài)測量和動態(tài)的結(jié)果之間并不是線性關(guān)系，所以動態(tài)試驗更加科學(xué)可靠，這也是增加后排試驗的原因。

除了C-NCAP，國內(nèi)第二個汽車安全評價體系是CIASI，它比C-NCAP起步要晚一些，前幾年剛剛起步。2018年底，CIASI 1.0正式發(fā)布，其評價分成靜態(tài)評價和動態(tài)評價，完全拷貝美國IASI體系，包括接觸時間和胸部加速度，還有頸部力。CIASI 2.0對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了進(jìn)一步修正，歷次標(biāo)準(zhǔn)升級都進(jìn)行了大幅度的提升。頸部力從原來的750低頸部區(qū)域降到了492，這相當(dāng)于要求高了將近50%，所以都有非常大的提升。另外增加了一個NIC指標(biāo)，以前是不測NIC的，從2.0開始，明年CIASI正式采用后，也會評價NIC的高低。



乘員頸部傷害評價

我們研究的頸椎傷害一方面是外面可見的骨骼部分，再一方面是骨骼內(nèi)部脊髓和神經(jīng)根結(jié)構(gòu)，中間的脊髓連接大腦，再通過神經(jīng)根連接到身體的各個部位。頸椎在實際交通事故中受力情況一是彎曲，就是扭矩，二是壓縮、拉伸，還有一個橫向扭轉(zhuǎn)及剪切力，需要進(jìn)行實際試驗來評價。



先講NCAP體系，它比CIASI體系更早，最早建立標(biāo)準(zhǔn)時拿了31把座椅進(jìn)行試驗，采集31把座椅實際數(shù)值和傷害值，把這些值從低到高排序，最好的座椅5%滿分，最差的30%，它這一項就是零分，如果總分是最差的5%，就取消所有成績，指標(biāo)的選取方法是按照行業(yè)水平來選的，就是劃一個百分比，相當(dāng)于以前高考的標(biāo)準(zhǔn)分一樣。



另外一種選擇方式是以日本的J-NCAP體系為代表，以人體的耐受程度進(jìn)行評價，它是基于WAD2+傷害等級5%的風(fēng)險值進(jìn)行設(shè)定，相當(dāng)于功能紊亂相關(guān)的鞭打傷害。其指標(biāo)一個是NIC頸部傷害指數(shù)，然后是上頸部所受到的X方向剪切力、Z方向的拉力以及點頭的扭矩MY，下頸部也一樣。

按照WAD2+指數(shù)劃分，小于340就是好的，大于330就是不好的，最早的研究來源于臨床診斷，發(fā)生了多大的交通事故，人受到了什么樣的傷害；再一類是志愿者試驗，一些科學(xué)家在滑車上面用加速度采集實際頸部的感受。其局限性在于沒有辦法做16公里、20公里比較高風(fēng)險的試驗，畢竟志愿者不能真的做到不可逆轉(zhuǎn)的傷害。還有一種是尸體試驗，包含后來的假人試驗、動物試驗及FEA，基于這些采集數(shù)據(jù)，制定出了J-NCAP評價方案。C-NCAP第一版的體系就是采用了日本的J-NCAP。

我們看一下這幾個力，其中有一個NIC頸部傷害指數(shù)，它是基于生物學(xué)理論演化而來的。人體的脊椎中是脊髓，脊髓連著神經(jīng)根，神經(jīng)根和脊髓中有神經(jīng)質(zhì)，在脊椎發(fā)生鞭打運動時，會產(chǎn)生壓力差，相當(dāng)于上下端加速度不同時，其中的液體會產(chǎn)生一個壓力梯度，這個壓力梯度會對神經(jīng)造成損傷，出現(xiàn)頸部疼痛及神經(jīng)紊亂，也可能造成神經(jīng)損傷。



在試驗前、試驗中、試驗后，頭和頸部的姿態(tài)保持不變，這是最理想狀態(tài)。BIO Rid假人頸部結(jié)構(gòu)完全仿真模擬人體實際結(jié)構(gòu)，包括T1的加速度、頭部的力采集非常明確，都是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

第二個體系是C-IASI，有點類似于歐美的方法，它是按照行業(yè)水平進(jìn)行劃分，前百分之多少是滿分，后百分之多少是不好的，按照這個理論，其流程分成靜態(tài)評價和動態(tài)評價，靜態(tài)評價首先要把座椅調(diào)到最后最低位置，測頭部后段到頭枕的距離以及頭頂?shù)筋^部頂端的高度。



鞭打試驗的影響因子

以NCAP體系為例，用石川圖進(jìn)行分析，相當(dāng)于生產(chǎn)中的產(chǎn)品質(zhì)量分析，在實驗失效分析時也可以用到。

比如NIC頸部傷害指數(shù)和頭、頭枕的接觸時間，頭和頭枕接觸時間內(nèi)的最大值是由頸部加速度和頭部加速度的差造成的，直接影響因素是頭部加速度和頸部加速度。影響頭部加速度曲線的因素一個是加速度是什么時候開始提升的；第二是加速度提升的是快還是慢；第三是加速度提升的穩(wěn)不穩(wěn)定？這就是加速度的等級。



加速度起始時間影響頭和頭枕之間的最大距離，頭和頭枕接觸到加速度才起來，按照慣性，頭一直處于零加速度；在實際碰撞過程中，速度很大，頭枕盒的泡沫結(jié)構(gòu)一下子就壓下去了，實際上頭枕盒A面的形狀是什么樣也有關(guān)系。

關(guān)于靠背傾角結(jié)構(gòu)，后排座椅有一種直接靠背鎖在側(cè)面的，這相當(dāng)于靠背是三點固定的，在整個碰撞過程中，頭枕相對于車身剛開始接觸時是相對穩(wěn)定的。另一種是前排座椅，它是靠兩邊的調(diào)角器固定，剛開始碰撞身體和靠背接觸時，能量給了靠背，靠背會繞著調(diào)角器向后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，頭其實是在追頭枕，直到碰到頭枕加速度才會起來，所以靠背結(jié)構(gòu)也會影響頭部加速度起始的早晚。另外，頭枕A表面的形狀、頭枕的高度，包括連續(xù)調(diào)角器還是非連續(xù)調(diào)角器都有影響。

總結(jié)與展望

最后展望一下未來可能的趨勢，試驗標(biāo)準(zhǔn)和試驗方法到底會有什么樣的變化。C-NCAP很有可能的變化方向是，以前是前排座椅、后排座椅分別進(jìn)行試驗，將來可能是前排和后排試驗，前排和后排座椅放在車身里一起滑出去，相當(dāng)于直接裝到車身中一起作為滑車同時評價。另外，以前NCAP體系只評判裝車比最大的配置，以后對于其他配置是不是會進(jìn)行評價呢？這個在討論之中，具體形式是抽取主機(jī)廠車型進(jìn)行試驗，其他配置是不是要進(jìn)行評價和打分，主機(jī)廠到底是自愿送檢還是會基于FEA的結(jié)果給消費者提供參考報告，具體形式還在討論之中。

C-IASI將來也有一個方向，因為現(xiàn)在已經(jīng)加入了NIC，頸部力標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)了，目前C-IASI還是用的16公里每小時曲線，它也在討論是否會把曲線進(jìn)一步加大，這也是一個方向，有可能會考慮高能量曲線，因為C-IASI實驗室現(xiàn)在是官方實驗室，所以這也是一種可能性。另一方面，它也在探討是不是會加入副駕座椅的評價和后排座椅的評價。

以上的分析都是在我們進(jìn)行試驗以后，對實際問題進(jìn)行分析以及到底如何去優(yōu)化的思路。將來如何提前感知或提前為這些新的標(biāo)準(zhǔn)做準(zhǔn)備，一方面需要提前做一些標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)判，包括一些提前的閾值，看看在可能的方向上我們的產(chǎn)品會有什么樣的結(jié)果，是否需要提前進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化。

另一方面，在有些高端車型上，還有一些走在前面的自主車型上也在逐漸采用主動頭枕等主動安全配置，因為頭和頭枕之間的間距會對結(jié)果造成直接影響，間距小了結(jié)果會好，間距大了舒適性會好，主動頭枕相當(dāng)于增大了投入，但是能夠更好地保證兩者之間的關(guān)系，這也是一個可能的工作方法，這方面需要各家主機(jī)廠和各家座椅廠家共同探討。