增加座椅靠背转动角度对 BioＲID Ⅱ假人伤害值的影响研究

为了研究座椅靠背转动对 BioＲID Ⅱ假人伤害值的影响，在座椅靠背和坐垫骨架连接金属板上方开一个槽，增加座椅靠

背下旋转角度，并对增加座椅靠背转动角度前后进行了对比试验。结果表明: 在相同的试验条件下，增加座椅靠背转动角度可以

(资料图片)

降低假人头部加速度、T1 加速度，降低上颈部力传感器的及下颈部力传感器曲线峰值; 增加座椅靠背的转动对鞭打试验结果评价

的影响最大的是下颈部 Fz、头部加速度和 T1 加速度; 下颈部 Fz峰值降低对假人整体得分贡献最大达到了 54. 0%，头部和 T1 加速

度峰值降低对假人整体得分提升贡献了 37. 8%。

关键词：BioＲID Ⅱ假人伤害值; 座椅靠背; 转动角度

作者：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

2021年C-NCAP增加了第二排两侧座椅鞭打试验及

评价方法[1],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[2]｡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BioRIDⅡ假人颈

部的伤害[3]｡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[4]｡

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BioRIDⅡ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BioRIDⅡ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BIORIDⅡ假人伤害的影响｡

BioＲID Ⅱ假人脊椎结构

BioRIDⅡ假人脊椎结构[5]

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｡

BioRIDⅡ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｡

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。

座椅靠背转动对 BioＲID Ⅱ假人的影响分析

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

BioRIDⅡ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｡

试验数据对比分析

在28ms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56ms时BioRIDⅡ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｡

由图3和图4可知,在78~150ms时间段,试验1

和试验2头部加速度曲线在78ms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82ms才开始回落｡

试验2头部加速度曲线的第2个峰值84.0m/s2

明显低于

试验1第2个峰值122.0m/s2,下降了31.0%;试验2

T1的第2个峰值110.0m/s2

明显低于试验1第2个峰值

134.0m/s2,下降了18.0%｡在78ms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82ms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88ms时(波谷)的头部加速度为8.8m/s2,比试验

1的67.7m/s2

下降了87.0%,T1加速度平均下降了

50.0%｡88~150ms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110ms时试验1

中假人加速度达到最大值195.0m/s2

开始反弹,试验2

假人头部在120ms达到最大值189.0m/s2

开始反弹｡由

于试验2中座椅靠背的旋转导致在88ms之后试验1头

部加速度和T1加速度曲线产生了3~4ms的相位差｡

BioＲID Ⅱ假人上颈部力 Fx、Fz对比如图 6 所示。

由图6可知,在56ms时刻BioRIDⅡ假人头部接触

汽车座椅头枕,上颈部产生负向剪切力Fx｡试验1和试

验2的上颈部的Fx逐步增加｡在78~120ms这个时间

段:78ms时试验2的上颈部Fx曲线达到峰值81N并开

始回落,是因为试验2座椅靠背在78ms开始旋转､变形｡试验1的上颈部Fx达到峰值111N并开始回落是因

为在82ms时座椅靠背骨架开始变形｡试验2的上颈部

Fx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Fx都逐步增加｡在

120~150ms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120ms开始反弹,上颈部

Fx曲线开始回落｡试验2在125ms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0~87ms试验1和试验2的

假人上颈部Fz曲线走势几乎一致｡这是因为在0~56ms

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Fz表现为轴向压力并逐步增加(头向上,

胸向下为正)｡在56~87ms这个阶段:在56ms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,Fz在逐步快速增长｡在87~110ms这个时间段:试验2上颈部Fz曲线峰值448N比试验1峰值364N降低

了18.8%｡因为在试验2中座椅靠背在87ms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｡

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Z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Fh代表头

部所受合力,Fhx代表颈部X向剪切力,Fhz代表颈部Z向

剪切力｡因此试验1Fz的曲线数值明显大于试验2｡

在110~130ms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。

由图10可知,在0~78ms试验2和试验1假人上颈

部My曲线比较一致,这是因为在0~56ms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My表现为正值并逐步增加｡在60~65ms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My也开始回落｡在65~75ms这

个阶段坐垫骨架变形基本完成,随着T1加速度逐步增

长,My也开始增长｡在75ms假人头部开始向后旋转,

如图7所示,My开始回落｡在78~110ms这个时间段,

试验2曲线峰值-3.91N比试验1峰值-7.91N降低了

50.6%｡这是因为在78ms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My大于试验2的My｡

假人上颈部My在125~150ms试验2曲线的峰值7.83N·m比试验1峰值12.442N·m降低了37.1%｡这是因为试

验1和试验2假人头部都在110ms开始向前旋转,试验1在118ms开始了反弹｡试验2在125ms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1My曲线的峰值明显大于试验2｡

BioRIDⅡ假人下颈部Fx和Fz对比如图11所示｡

由图可知,Fx在0~150ms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Fx基本接近｡在78~130ms产生微小差异的原因和上颈部Fx产生偏

差的原因一致｡

由图11可知,试验1和试验2中BioRIDⅡ假人下

颈部Fz和上颈部Fz在0~87ms的曲线走势几乎一致｡在

87~110ms这个阶段下颈部Fz在试验1和试验2中产生

差异的原因也和上颈部Fz相同｡试验2曲线峰值253N

比试验1峰值385N降低了52.2%｡

BioRIDⅡ假人下颈部力矩对比如图12所示｡假人

下部My在0~160ms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｡

试验结果评价对比

鞭打试验对比结果见表 1。

通过表1可以得到:

(1)BioRIDⅡ假人颈部伤害值:试验1试验值为

15.837m2

/s2,得分1.288;试验2试验值为14.617m2

/s2,

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)BioRIDⅡ假人上颈部:试验1的上颈部My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)BioRIDⅡ假人下颈部:试验1的下颈部Fz为

385N,超出了高性能限值257N,扣0.157分,扣分较

多;试验2的下颈部Fz253.2N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%｡

结论

本文利用座椅靠背增加旋转角度对BIORIDⅡ假人

伤害的影响进行了研究,指出增加座椅靠背的转动和

BIORIDⅡ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BIORIDⅡ假人

上颈部的Fx､Fz､My曲线峰值下降,下颈部Fz正向峰值

下降｡

(2)对假人评分结果影响最大的是下颈部Fz､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Fz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｡

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标签： 座椅靠背 汽车座椅 加速度曲线