基于2021版和2015版C-NCAP的某驾驶员座椅鞭打试验对比分析及改进

李勋 李永刚 王庭槐 曾强 刘宏达

摘  要：通过对比2015版和2021版C-NCAP鞭打试验评价规程和评分原则，总结了两个版本之间的异同点。搭载BioRID II假人模型对同一批次的某驾驶员座椅分别进行2015版和2021版C-NCAP鞭打试验，并对比了在不同版本评价规程下试验后假人颈部的伤害情况，找出失分的主要因素，为厂家进行驾驶员座椅设计提供了相对应的改进措施，以提高某驾驶员座椅在2021版C-NCAP鞭打试验部分的得分。

关键词：鞭打试验;C-NCAP;座椅;颈部伤害

中图分类号：U467      文献标识码：A      文章编号：1005-2550（2021）01-0075-07

Abstract： According to summarizing the differences and similarities of the C-NCAP 2021 and C-NCAP 2015 whiplash test assessment rules and scoring principles， this paper used the BioRID II dummy model to study the whiplash test of the same batch driver's seat， compared with the neck injury of the C-NCAP 2021 and C-NCAP 2015. The research found out the main factors of losing points and provided the improvement measures for the driver s seat design of manufacturers in order to improve the whiplash test scores of driver s seat based on C-NCAP 2021.

Key Words： Whiplash Test ; C -ncap; Seat; Neck Injury

1    引言

近年来，我国汽车行业发展迅速，汽车保有量持续上升。据统计，2019年底全国私人轿车保有量13701万辆，同比增加1112万辆[1]，这给城市交通带来巨大压力，道路交通事故也随之不断上升。我国道路交通事故死亡人数居高不下，连续数年居于世界首位[2]。其中，最为常见的交通事故便是追尾碰撞事故，汽车追尾造成的死亡人数虽然在所有交通事故中占比小，但是因追尾受傷的人数却占很高的比例，追尾事故所引起的颈部损伤占比达到30%左右，且这一比例中的5%是致命性的[3]。在车辆发生追尾的过程中，受到后车撞击的影响，前车驾乘人员的躯干加速向前运动，但头部因惯性作用会相对滞后，导致前车驾乘人员头部向后转动而造成颈部受伤，这类受伤的方式称为“挥鞭伤”（Whiplash Injury）[4]。挥鞭伤是道路交通事故中最为严重的次要性伤害，这种损伤将引起多种且持续时间较长的病症[5]，为了降低这种受伤的风险，C-NCAP在2012版中正式导入了鞭打试验。随后陆续出台了更为严格的2015版C-NCAP、2018版C-NCAP和2021版C-NCAP鞭打试验规程，2021版鞭打试验较2018版仅增加了第二排鞭打试验，其他试验方法均保持不变。2021版鞭打试验中的波形速度和波形脉宽较2015版均有提升，分数也由4分提高到5分。本文对比分析了同一批次驾驶员座椅在2021版和2015版鞭打试验下假人的颈部损伤情况，找出了失分的主要因素，并对座椅结构进行了改进，改进后座椅的鞭打性能得到显著提升，为汽车座椅企业的座椅耐撞性设计改进提供参考。

2    2021版C-NCAP和2015版C-NCAP鞭打试验评价规程对比

按照试验要求将座椅、BioRID II型假人、安全带固定在加速台车上以模拟追尾碰撞过程，试验后通过测量假人的颈部伤害指标来对座椅的鞭打性能进行评价。2015版和2021版鞭打试验总体评分表如表1所示，主要变化在于鞭打试验的总分由4分提高到5分，其中上颈部和下颈部得分分别增加0.5分，NIC得分不变，座椅靠背动态张角从19°放宽至25.5°。

对比2015版和2021版鞭打试验加速度波形曲线，主要有以下两点变化：第一，针对波形脉宽而言，2021版中鞭打试验的加速度波形脉宽为170ms，相对于2015版鞭打试验要求的150ms，波形脉宽增加了20ms;第二，针对波形速度和波形持续时间而言，2021版中鞭打试验的速度变化量应控制在△V=20.0km/h±1.0km/h，波形持续时间为△T =103ms±3ms[6]，相对于2015版鞭打试验要求控制在△V=15.65km/h±0.8km/h，波形持续时间为△T=91ms±3ms[7]，速度增加了4.35 km/h，波形持续时间增加了12ms。可以看出，2021版鞭打试验速度提升，持续时间增加，这就意味着鞭打试验的碰撞能量也提高了。鞭打试验得分比重增加，试验条件更加苛刻，这将对汽车座椅的鞭打性能设计提出更高的要求。

3    2021版C-NCAP和2015版C-NCAP鞭打试验结果分析

3.1   座椅一致性确定

本次比对试验选用的座椅为同批次产品以保证试验结果的一致性。经静态测量后，从表2中可知，座椅H点、假人骨盆角、头顶角、头后间隙、头枕高度的偏差均在误差范围内，满足比对试验的一致性要求。

3.2   假人伤害指标计算

假人颈部伤害评价指标主要分为颈部伤害指数NIC、上颈部载荷（Fx、Fz、My）和下颈部载荷（Fx、Fz、My）三大类，其中，颈部伤害指数NIC计算公式如式1所示：

下颈部扭矩My计算公式如式5所示：

3.3   试验结果对比

按照2015版和2021版C-NCAP的试验要求分别进行鞭打试验，如图1所示。试验后假人颈部的各伤害指标对比如图2—图4所示。从图中可以看出，假人颈部各伤害指标（2021版）的试验值均超过2015版假人颈部各伤害指标。

假人颈部各伤害指标评分表如表3所示。2015版C-NCAP鞭打试验得分为3.03分（总分为4分），在NIC和上颈部扭矩My这两项分别扣掉0.47分和0.5分;2021版C-NCAP鞭打试验得分为2.8分（总分为5分），NIC、上颈部扭矩My、下颈部Fx分别扣掉0.74分、1.21分、0.25分，该座椅在2021版试验总分增加的情况下，得分却比2015版还要低，可以看出，鞭打试验失分主要在NIC和上颈部扭矩My这两项上。

4    座椅设计改进分析

為提高2021版鞭打试验的得分，需找出NIC和上颈部扭矩My的影响因素，才能提出改进措施。下面主要分析NIC、上颈部扭矩My的影响因素，从而提出对应的改进措施，以减少失分。

4.1   NIC的影响因素及改进

NIC由头部和胸部T1加速度决定，分为两个分量：头胸相对加速度、头胸相对速度，如图5所示。NIC峰值为16.15，峰值出现在73ms，该时刻头胸相对加速度为14.19，头胸相对速度为1.86。NIC值由假人头胸相对加速度决定，降低头胸相对加速度是减少NIC值最有效的方法。从图6中可以看出，假人头部、胸部加速度的变化趋势基本相同，胸部加速度呈上下波动趋势，而头部加速度在80ms处呈直线上升，到120ms达到最大，呈单峰形式。在试验开始后，由于惯性假人相对于座椅向后运动，胸部最先接触到靠背，开始挤压靠背中的泡沫材料，胸部加速度随着泡沫材料的挤压变形缓慢上升，直到无法发生形变后，与座椅刚性接触，胸部加速度迅速上升，中间有所回落，到73ms后，座椅靠背无法抵御外力作用发生变形导致靠背张角急剧增加，此时假人胸部加速度迅速回落。在73ms处，头部与头枕仍未接触，头部加速度基本为0，此时的头胸部相对加速度达到最大值，NIC值也在此时达到峰值。

可以通过以下途径降低NIC值：第一，增加头枕刚度，以增加头部加速度;第二，合理设计靠背泡沫材料、靠背骨架的刚度，以减少胸部加速度;第三，设计合适的头后间隙，让假人头部提前接触头枕，尽早产生头部加速度，从而使头、胸相对加速度减少，一般头后间隙控制在20mm—40mm，能够在NIC值上减少失分。

4.2   上颈部扭矩My的影响因素

如图7所示，在试验过程中，座椅靠背张角在120 ms时达到峰值后座椅靠背保持不变，头和头枕继续往后运动，在130ms上颈部扭矩到达峰值后靠背角逐渐变小，这意味着座椅开始回弹，上颈部扭矩也随之减小。在座椅靠背保持不变后，由于头枕和靠背上部刚度太弱，导致头部继续向后运动，造成颈部过度伸张和弯曲，上颈部扭矩增大从而影响了上颈部扭矩的得分。

可通过以下途径减少上颈部扭矩的失分：第一，增加头枕或者靠背上部的刚度，这样可以有效降低座椅变形对假人颈部弯曲所造成的影响;第二，合理设计头枕高度，抑制头部过快向后旋转，可有效降低上颈部扭矩。

4.3   某座椅鞭打性能的改进

对座椅头枕弯折杆的弯曲角度进行调整，通过减小弯曲角度以降低头后间隙，改进后的座椅头枕如图8所示，经过静态测量后，从表4中可以看出，头枕间隙由原来的49mm减少为31mm，假人头部将更快与头枕接触，从而有效降低颈部伤害指标，提升座椅的鞭打性能。

对改进后的座椅按照2021版C-NCAP的试验要求进行鞭打试验，如图9所示。改进前后假人颈部的各伤害指标对比如图10—图12所示。从表5可以看出，改进后假人颈部NIC值得分、上颈部得分、下颈部得分均较改进前有所提升。进一步分析可知，由于头后间隙的减少，头与头枕接触时刻由 83ms提前到51.70ms，头部加速度提前产生，使得头、胸相对加速度减少，NIC值也由16.15降低为13.50，得分由1.26上升为1.50分。同时，上颈部My由34.60N.m降低为30.90N，得分由0.29分增加为0.49分，下颈部得分由1.25提升为1.50分，总分由2.80增加到3.49，改进效果明显。通过合理设计座椅头枕的结构有效提升了该座椅鞭打试验性能。

5    总结

本文对比分析了2015版和2021版C-NCAP版鞭打试验评价规程和评分规则的区别，并对同一批次的驾驶员座椅分别进行两个版本的鞭打比对试验。通过试验结果对比，分析了鞭打试验中主要扣分项NIC以及上颈部My的影响因素，提出了改进措施，并对座椅头枕结构进行了改进，从而提升了假人颈部各伤害指标的得分，改善了该座椅的鞭打性能，这也为汽车座椅企业进一步提升座椅鞭打性能提供了工程实践经验和设计参考方向。

参考文献：

[1]国家统计局.中华人民共和国2019年国民经济和社会发展统计公报[ R] .2019.

[2]张维刚，何文，钟志华.车辆乘员碰撞安全保护技术[M].湖南：湖南大学出版社.2007.

[3]商博，乔维高.汽车追尾碰撞中乘员颈部伤害的影响因素分析[J].上海汽车.2009.01.

[4]赵建新.汽车座椅开发中鞭打性能的改善研究[J].机电信息.2017（21）：109-112.

[5]杨振亮.大型客车追尾碰撞中乘员颈部安全性的影响因素研究[D].长安大学.2010.

[6]中国汽车技术研究中心.C—NCAP管理规则[M] .天津：中国汽车技术研究中心，2021.

[7] 中国汽车技术研究中心.C—NCAP管理规则[M] .天津：中国汽车技术研究中心，2015.