為了研究座椅靠背轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì) BioＲID Ⅱ假人傷害值的影響，在座椅靠背和坐墊骨架連接金屬板上方開一個(gè)槽，增加座椅靠背下旋轉(zhuǎn)角度，并對(duì)增加座椅靠背轉(zhuǎn)動(dòng)角度前后進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明: 在相同的試驗(yàn)條件下，增加座椅靠背轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以降低假人頭部加速度、T1 加速度，降低上頸部力傳感器的及下頸部力傳感器曲線峰值; 增加座椅靠背的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)鞭打試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)的影響最大的是下頸部 Fz、頭部加速度和 T1 加速度; 下頸部 Fz峰值降低對(duì)假人整體得分貢獻(xiàn)最大達(dá)到了 54. 0%，頭部和 T1 加速度峰值降低對(duì)假人整體得分提升貢獻(xiàn)了 37. 8%。

關(guān)鍵詞：BioＲID Ⅱ假人傷害值; 座椅靠背; 轉(zhuǎn)動(dòng)角度

作者：崔新康，王鵬翔，李月明，張毅，商恩義

吉利汽車研究院 ( 寧波) 有限公司，

浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州

2021年C-NCAP增加了第二排兩側(cè)座椅鞭打試驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法[1],說明C-NCAP對(duì)于追尾事故給乘員造成的頸部傷害越來越受重視了?追尾事故損傷原理是碰撞中駕駛員和乘客的頭部和胸部之間的運(yùn)動(dòng)差異導(dǎo)致了相鄰頸椎間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[2]?對(duì)于追尾事故中乘員傷害的研究,目前大多數(shù)是利用仿真軟件來研究BioRIDⅡ假人頸部的傷害[3]?根據(jù)相關(guān)研究,目前降低假人頸部傷害值(NIC)的基本思路為:在不改變汽車座椅骨架的情況下,增加汽車座椅頭枕高度和減小假人頭部和汽車座椅頭枕之間的距離,讓假人頭部更早接觸座椅頭枕這樣可以減小頭部加速度和T1加速度的差值[4]?

一般情況下在鞭打試驗(yàn)開始后,首先假人在慣性力的作用下開始向后滑行,假人上軀干拖著頭部一起向后滑行?然后假人上軀干和汽車座椅靠背開始接觸,并持續(xù)不斷地?cái)D壓汽車座椅靠背,隨后BioRIDⅡ頭部開始擠壓頭枕?隨著假人上軀干進(jìn)一步擠壓汽車座椅靠背,頭部開始接觸頭枕?隨著假人背部進(jìn)一步擠壓座椅靠背,座椅靠背開始變形,座椅靠背角度逐步增加?隨著進(jìn)一步擠壓假人軀干向后移動(dòng)受阻,座椅背角增加逐步減緩?假人頭部開始向后旋轉(zhuǎn)?隨后假人開始反彈?在整個(gè)過程中BioRIDⅡ假人頭部受到的外力主要來自于汽車座椅頭枕,如果汽車座椅靠背骨架旋轉(zhuǎn)的角度不斷增加,可以把假人上軀干受力的時(shí)域延長(zhǎng),強(qiáng)度降低,這樣可以緩解頭部和胸部之間的運(yùn)動(dòng)差?同時(shí)座椅靠背在旋轉(zhuǎn)的過程中也會(huì)消耗部分能量,也會(huì)減少傳遞給假人的能量降低頭部和胸部之間的運(yùn)動(dòng)差?基于上述原因,本文利用假人滑臺(tái)鞭打試驗(yàn)研究座椅靠背增加旋轉(zhuǎn)角度對(duì)BIORIDⅡ假人傷害的影響?

BioＲID Ⅱ假人脊椎結(jié)構(gòu)

BioRIDⅡ假人脊椎結(jié)構(gòu)[5]主要由頸椎?胸椎?T1力傳感器?阻尼塊?底座?鋼索及其附件組成,如圖1所示?

BioRIDⅡ假人胸椎是由17塊椎骨通過銷子相連,每兩塊椎骨兩側(cè)都有鋼片(有弧形槽)通過螺栓和椎骨連接?頸部脊椎是由8塊頸椎骨用銷子串在一起,頸部左側(cè)由一根鋼索從前端穿繞過(8字形)阻尼塊到后端,鋼索用來調(diào)節(jié)頸部曲度?胸椎?T1力傳感器和頸椎通過銷子連接?同時(shí)T1力傳感器和胸椎兩側(cè)通過鋼片連接?

汽車座椅靠背和坐墊骨架連接結(jié)構(gòu)

汽車座椅在結(jié)構(gòu)上主要分為頭枕、靠背、坐墊及支架、滑軌、調(diào)角器、高度調(diào)節(jié)器、安全帶扣等模塊。座椅靠背骨架和坐墊骨架每側(cè)有一塊金屬板連接，座椅靠背的旋轉(zhuǎn)軸外部和金屬板上部焊在一起。座椅靠背角度調(diào)整手柄拉起時(shí)，座椅靠背可以繞著轉(zhuǎn)軸相對(duì)于金屬板旋轉(zhuǎn)，座椅靠背和金屬板是相對(duì)分離的。金屬板下部前后兩端各用一顆螺絲和座椅坐墊骨架連接在一起，具體如圖2所示。這樣座椅靠背和座椅坐墊就形成一個(gè)整體。

座椅靠背轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì) BioＲID Ⅱ假人的影響分析

試驗(yàn)方案

取兩組相同的汽車座椅:試驗(yàn)1汽車座椅不做任何處理;試驗(yàn)2汽車座椅靠背和坐墊骨架連接后端螺栓的金屬板上方開一個(gè)槽(槽的尺寸可根據(jù)不同座椅螺栓尺寸及座椅最大靠背角確定),目的是讓座椅靠背在受到BioRIDⅡ假人擠壓時(shí),當(dāng)擠壓力超過座椅靠背骨架和座椅坐墊骨架連接后端螺栓的摩擦力時(shí),座椅靠背可以繞著座椅骨架連接前端螺栓繼續(xù)旋轉(zhuǎn),消耗假人傳遞給座椅靠背的能量?試驗(yàn)1和試驗(yàn)2按照相同試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn),為了消除假人因素影響,兩組試驗(yàn)使用同一個(gè)假人?

試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

在28ms時(shí)假人上軀干和座椅靠背開始接觸,假人上軀干開始擠壓座椅靠背泡沫,T1加速度開始緩慢增加?在56ms時(shí)BioRIDⅡ假人頭部開始接觸汽車座椅頭枕,T1加速度和頭部加速度曲線斜率越來越大?在60ms座椅坐墊骨架開始產(chǎn)生變形,T1加速度和頭部加速度開始回落后又快速上升,如圖3和圖4所示?

由圖3和圖4可知,在78~150ms時(shí)間段,試驗(yàn)1和試驗(yàn)2頭部加速度曲線在78ms產(chǎn)生偏離,試驗(yàn)2的T1和頭部加速度曲線都明顯向下?但試驗(yàn)1的頭部加速度和T1加速度曲線繼續(xù)快速上升在82ms才開始回落?試驗(yàn)2頭部加速度曲線的第2個(gè)峰值84.0m/s2明顯低于試驗(yàn)1第2個(gè)峰值122.0m/s2,下降了31.0%;試驗(yàn)2T1的第2個(gè)峰值110.0m/s2明顯低于試驗(yàn)1第2個(gè)峰值134.0m/s2,下降了18.0%?在78ms時(shí)試驗(yàn)2中假人對(duì)座椅靠背的擠壓力已經(jīng)大于后端螺栓的摩擦力,座椅骨架連接后端螺栓在刻槽內(nèi)滑動(dòng),座椅靠背開始繞著座椅骨架連接前端螺栓旋轉(zhuǎn)?

座椅靠背旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)對(duì)比如圖5所示,由圖可以看出,在82ms座椅靠背骨架開始變形,座椅靠背角度快速增長(zhǎng)?在座椅靠背旋轉(zhuǎn)和變形的共同作用下,試驗(yàn)2在88ms時(shí)(波谷)的頭部加速度為8.8m/s2,比試驗(yàn)1的67.7m/s2下降了87.0%,T1加速度平均下降了50.0%?88~150ms隨著座椅骨架變形量越來越小,頭部加速度和T1加速度則快速上升?在110ms時(shí)試驗(yàn)1中假人加速度達(dá)到最大值195.0m/s2開始反彈,試驗(yàn)2假人頭部在120ms達(dá)到最大值189.0m/s2開始反彈?由于試驗(yàn)2中座椅靠背的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致在88ms之后試驗(yàn)1頭部加速度和T1加速度曲線產(chǎn)生了3~4ms的相位差?

BioＲID Ⅱ假人上頸部力 Fx、Fz對(duì)比如圖 6 所示。

由圖6可知,在56ms時(shí)刻BioRIDⅡ假人頭部接觸汽車座椅頭枕,上頸部產(chǎn)生負(fù)向剪切力Fx?試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的上頸部的Fx逐步增加?在78~120ms這個(gè)時(shí)間段:78ms時(shí)試驗(yàn)2的上頸部Fx曲線達(dá)到峰值81N并開始回落,是因?yàn)樵囼?yàn)2座椅靠背在78ms開始旋轉(zhuǎn)?變形?試驗(yàn)1的上頸部Fx達(dá)到峰值111N并開始回落是因為在82ms時(shí)座椅靠背骨架開始變形?試驗(yàn)2的上頸部Fx曲線峰值比試驗(yàn)1降低了27.0%?隨著座椅骨架變形逐步減小試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的上頸部Fx都逐步增加?在120~150ms試驗(yàn)1曲線斜率明顯大于試驗(yàn)2曲線斜率?這是因?yàn)樵囼?yàn)1假人上軀干在120ms開始反彈,上頸部Fx曲線開始回落?試驗(yàn)2在125ms反彈?由于試驗(yàn)1假人頭部反彈較快,所以曲線斜率較大?

由圖6還可以看出,在0~87ms試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的假人上頸部Fz曲線走勢(shì)幾乎一致?這是因?yàn)樵?~56ms這個(gè)時(shí)間段?坐墊傳遞給假人的力和假人頭部慣性力的作用下,頸部Fz表現(xiàn)為軸向壓力并逐步增加(頭向上,胸向下為正)?在56~87ms這個(gè)階段:在56ms頭后方下部開始接觸座椅頭枕,頭枕給假人頭部一個(gè)斜向上的力,Fz在逐步快速增長(zhǎng)?在87~110ms這個(gè)時(shí)間段:試驗(yàn)2上頸部Fz曲線峰值448N比試驗(yàn)1峰值364N降低了18.8%?因?yàn)樵谠囼?yàn)2中座椅靠背在87ms開始旋轉(zhuǎn),座椅靠背給假人上軀干的支撐力小于試驗(yàn)1(從假人T1加速度曲線可以看出),導(dǎo)致試驗(yàn)2假人頭部向后運(yùn)動(dòng)的速度小于試驗(yàn)1,假人頭部向后旋轉(zhuǎn)的速度小于試驗(yàn)1,在試驗(yàn)視頻中也得到了驗(yàn)證,如圖7所示?

由于假人頭部向后運(yùn)動(dòng)時(shí)擠壓頭枕?同時(shí)頭部向后旋轉(zhuǎn),頭部后仰角度的增加,頭部受力在Z向的分力越來越大?假人頭部受力分析如圖8和圖9所示,圖中Fh代表頭部所受合力,Fhx代表頸部X向剪切力,Fhz代表頸部Z向剪切力?因此試驗(yàn)1Fz的曲線數(shù)值明顯大于試驗(yàn)2?

在110~130ms這個(gè)時(shí)間段,試驗(yàn)2曲線值明顯大于試驗(yàn)1?這是由于在這個(gè)過程中試驗(yàn)1中頭部運(yùn)動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)的速度比試驗(yàn)2快?

BioＲID Ⅱ假人上頸部力矩對(duì)比如圖 10 所示。

由圖10可知,在0~78ms試驗(yàn)2和試驗(yàn)1假人上頸部My曲線比較一致,這是因?yàn)樵?~56ms這個(gè)階段:假人的慣性力讓假人上軀干相對(duì)于汽車座椅向后運(yùn)動(dòng),力由上軀干傳遞給假人頭部,頭部隨著假人上軀干一起向后運(yùn)動(dòng)彎曲My表現(xiàn)為正值并逐步增加?在60~65ms這個(gè)階段:由于座椅坐墊骨架變形,導(dǎo)致T1加速度回落,隨著T1加速度回落頸部My也開始回落?在65~75ms這個(gè)階段坐墊骨架變形基本完成,隨著T1加速度逐步增長(zhǎng),My也開始增長(zhǎng)?在75ms假人頭部開始向后旋轉(zhuǎn),如圖7所示,My開始回落?在78~110ms這個(gè)時(shí)間段,試驗(yàn)2曲線峰值-3.91N比試驗(yàn)1峰值-7.91N降低了50.6%?這是因?yàn)樵?8ms時(shí)試驗(yàn)2的座椅靠背開始繞著座椅骨架連接前端螺栓旋轉(zhuǎn),給假人上軀干的支撐力小于試驗(yàn)1,導(dǎo)致試驗(yàn)1假人頭部旋轉(zhuǎn)速度比試驗(yàn)2快,向后旋轉(zhuǎn)角度大?所以試驗(yàn)1的My大于試驗(yàn)2的My?假人上頸部My在125~150ms試驗(yàn)2曲線的峰值7.83N·m比試驗(yàn)1峰值12.442N·m降低了37.1%?這是因?yàn)樵?/span>驗(yàn)1和試驗(yàn)2假人頭部都在110ms開始向前旋轉(zhuǎn),試驗(yàn)1在118ms開始了反彈?試驗(yàn)2在125ms反彈?由于試驗(yàn)1假人頭部反彈早?旋轉(zhuǎn)速度和反彈速度快,向前旋轉(zhuǎn)角度大?所以試驗(yàn)1My曲線的峰值明顯大于試驗(yàn)2?

BioRIDⅡ假人下頸部Fx和Fz對(duì)比如圖11所示?由圖可知,Fx在0~150ms試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的曲線走勢(shì)幾乎一致?這是因?yàn)閮纱卧囼?yàn)滑臺(tái)的速度基本一致,使用的是同一個(gè)假人?在這個(gè)時(shí)間假人頭部和頸部的旋轉(zhuǎn)主要發(fā)生在T1力傳感器以上部位,胸部脊椎發(fā)生旋轉(zhuǎn)較小?所以假人下頸部T1剪切力Fx基本接近?在78~130ms產(chǎn)生微小差異的原因和上頸部Fx產(chǎn)生偏差的原因一致?

由圖11可知,試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中BioRIDⅡ假人下頸部Fz和上頸部Fz在0~87ms的曲線走勢(shì)幾乎一致?在87~110ms這個(gè)階段下頸部Fz在試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中產(chǎn)生差異的原因也和上頸部Fz相同?試驗(yàn)2曲線峰值253N比試驗(yàn)1峰值385N降低了52.2%?

BioRIDⅡ假人下頸部力矩對(duì)比如圖12所示?假人下部My在0~160ms試驗(yàn)2曲線和試驗(yàn)1曲線走勢(shì)基本一致?這是因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)間假人頭部和頸部的旋轉(zhuǎn)主要發(fā)生在T1力傳感器以上部位,胸部脊椎發(fā)生旋轉(zhuǎn)較小?

試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)對(duì)比

鞭打試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果見表 1。

通過表1可以得到:

(1)BioRIDⅡ假人頸部傷害值:試驗(yàn)1試驗(yàn)值為15.837m2/s2,得分1.288;試驗(yàn)2試驗(yàn)值為14.617m2/s2,得分1.398?試驗(yàn)2頸部傷害值得分比試驗(yàn)1高0.11分,提升了8.5%?

(2)BioRIDⅡ假人上頸部:試驗(yàn)1的上頸部My為12.442,超出了高性能限值,扣0.024分?試驗(yàn)2的上頸部力傳感器曲線值均比試驗(yàn)1小?試驗(yàn)1得分1.476,試驗(yàn)2得分1.5分?試驗(yàn)2得分比試驗(yàn)1高0.024分,提升了1.6%?

(3)BioRIDⅡ假人下頸部:試驗(yàn)1的下頸部Fz為385N,超出了高性能限值257N,扣0.157分,扣分較多;試驗(yàn)2的下頸部Fz253.2N比高性能限值低,未扣分?試驗(yàn)1下頸部得分1.343,試驗(yàn)2得分1.5?試驗(yàn)2下頸部載荷得分比試驗(yàn)1高0.157分,提升了11.7%?

(4)試驗(yàn)2的總分4.398比試驗(yàn)1總分4.107高0.291分,提升了7.1%?其中下頸部載荷得分的提升0.157分貢獻(xiàn)最大,達(dá)到了54.0%;頸部傷害值得分的提升0.11分,貢獻(xiàn)了37.8%?

結(jié)論

本文利用座椅靠背增加旋轉(zhuǎn)角度對(duì)BIORIDⅡ假人傷害的影響進(jìn)行了研究,指出增加座椅靠背的轉(zhuǎn)動(dòng)和BIORIDⅡ假人各個(gè)傳感器曲線變化的關(guān)系?結(jié)果表明:

(1)增加座椅靠背轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以使假人頭部和T1加速度曲線第2個(gè)峰值下降?同時(shí)也使BIORIDⅡ假人上頸部的Fx?Fz?My曲線峰值下降,下頸部Fz正向峰值下降?

(2)對(duì)假人評(píng)分結(jié)果影響最大的是下頸部Fz?頭部加速度?T1加速度?

(3)增加座椅靠背的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)鞭打試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)的影響?下頸部Fz峰值的降低使得分大幅提升,提升了11.7%;頭部和T1加速度峰值降低使頸部傷害值得分提升了8.5%?增加座椅靠背的轉(zhuǎn)動(dòng)使鞭打試驗(yàn)總得分提升了7.1%?研究結(jié)果對(duì)汽車座椅開發(fā)過程如何降低鞭打試驗(yàn)假人傷害值指出了方向?

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