洪 亮，葛如海

(江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013)

2016189

轿车碰撞中新型前排安全座椅对后排乘员保护效果的研究*

洪 亮，葛如海

(江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013)

为实现对后排乘员的保护，提出了一种新型汽车前排安全座椅。建立了某型轿车后排乘员约束系统仿真模型，并进行仿真。结果表明：在正面碰撞中，新型前排安全座椅扭簧的最佳刚度为10N·m/(°)，此时，后排女性乘员的头部伤害指标HIC15、胸部3ms合成加速度T3ms和组合伤害概率Pcip分别比原前排座椅下降了24.4%，6.80%和48.3%；男性乘员的头部伤害指标HIC36，髋部合成加速度a和Pcip分别下降了56.0%，10.4%和86.0%。此外在正面偏置碰撞中，新型前排座椅同样能为后排乘员提供较好的保护：当扭簧刚度为10N·m/(°)时，后排女性乘员的HIC15，T3ms和Pcip分别下降了23.7%，5.16%和29.3%；男性乘员的HIC36，T3ms和Pcip分别下降了43.0%，17.3%和79.2%。

正面碰撞；正面偏置碰撞；新型汽车前排安全座椅；后排乘员保护

前言

通常，轿车后排乘员不像前排乘员那样拥有安全带预紧器、载荷限制器和安全气囊等高级乘员约束系统的保护，且后排空间相对狭小，导致在碰撞事故中后排乘员的安全往往得不到有效保障[1-3]，因此有必要提高后排乘员安全性。

汽车座椅是汽车乘员约束系统中最主要的部件之一[4]，主要由坐垫、靠背和头枕组成，坐垫约束乘员的向下运动，靠背约束乘员的向后运动，头枕约束乘员头部的向后运动。目前汽车座椅对乘员的保护研究主要集中在座椅对自身乘员的保护上：例如正面碰撞中增大座椅坐垫与地板间的夹角能够有效降低乘员头部与胸部的伤害，并能防止乘员“下潜”现象的发生[5]；座椅自动调节装置能够根据碰撞传感器的信号，调节座椅至纵向最后位置，使乘员远离转向盘和仪表板等车内部件[6]；追尾碰撞中主动头枕、WHIPS座椅和合理设置座椅靠背与头枕的泡沫材料刚度能有效抑制颈部“挥鞭”伤害[7-10]。然而目前汽车座椅对非自身乘员的保护研究很少。

实际上，座椅会对非自身乘员造成伤害：例如由于轿车后排空间相对狭小，在正面与正面偏置碰撞中后排乘员头部易与前排座椅发生二次碰撞，造成后排乘员伤害。为减轻此种伤害，本文中提出了新型汽车前排安全座椅的设计(专利号：201410044747.7)。

1 新型汽车前排安全座椅的组成与工作原理

图1 新型汽车前排安全座椅的组成

新型汽车前排安全座椅主要由座椅头枕、头枕导杆、靠背骨架、U形头枕导套、纵板、扭簧、横杆等组成，如图1所示。最上端为头枕，头枕下方为头枕导杆、U形导套；U形导套包括两端的竖直杆和中间的水平杆；头枕导杆可插入两端的竖直杆中，用于调节头枕高度；U形导套的水平杆下方固定有两纵板；固定在靠背骨架上的一横杆穿过纵板中的圆孔而与之形成转动链接，即纵板可绕横杆转动；纵板间设有一扭簧，套装于横杆上，其自由长度略大于两纵板间的距离，使扭簧在轴向有一定的压缩量。扭簧的一端卡在横杆上，另一端卡在纵板的小孔中。当头枕带动U形导套和纵板一起向前转动时，扭簧将产生反扭矩。

新型前排安全座椅的工作原理是：在轿车正面与正面偏置碰撞中，后排乘员头部在惯性力的作用下撞击该座椅头枕时，头枕、头枕导杆、U形导套和纵板作为一体绕靠背骨架上的横杆向前转动一定角度，使扭簧产生扭转弹性变形和反扭力矩，从而吸收碰撞能量，有效减轻后排乘员受到的伤害。当碰撞结束后，后排乘员在安全带的拉力作用下向后移动，纵板失去后排乘员头部撞击力的作用，不再给扭簧施加扭力；此时扭簧恢复原有状态，带动纵板，连同U形导套、导杆和头枕恢复原始位置，头枕正常保护前排乘员头颈部安全。

2 正面碰撞后排女性乘员约束系统仿真模型的建立与验证

按照2012/2015版中国新车评价规范(C-NCAP)对某型轿车进行实车正面100%重叠刚性壁障碰撞(即正面碰撞)试验。试验前，前排驾驶员位置放置Hybrid Ⅲ第50百分位男性假人，后排左侧位置放置Hybrid Ⅲ第5百分位女性假人。试验过程中，后排女性假人只受三点式安全带约束。

图2 正面碰撞后排女性乘员约束系统仿真模型

以该型轿车相关尺寸和性能参数为依据，采用碰撞仿真软件MADYMO建立了正面碰撞后排女性乘员约束系统仿真模型[11]，如图2所示。具体步骤为：①建立包括地板刚体模型、前排与后排座椅有限元模型的车内环境模型。根据2012/2015版C-NCAP中实车正面碰撞试验的相关规定，将两侧前排座椅置于其纵向行程中，最接近中间位置处。此时，两侧前排座椅靠背与头枕导杆，头枕导杆与头枕间的链接方式均为固定链接；②调入MADYMO软件中自带的Hybrid Ⅲ第5百分位女性椭球假人模型，并将其定位在后排左侧座椅上；③建立包括卷收器、锚点、带扣和织带的三点式安全带模型，并对女性假人模型进行安全带预定位；④定义女性假人模型各部位与车内环境模型、安全带模型的接触；⑤基于试验测得的数据，定义各运动铰的刚度和前、后排座椅模型各部分的接触刚度。至此，完成仿真模型的建立，仿真模型中后排约束系统与实车试验中一致。由于在实车正面碰撞试验中，B柱的变形量较小，B柱减速度能真实反映出作用于假人身上的加速度，因此在仿真计算中，将车体左侧B柱减速度反向施加至假人模型上，用于模拟试验中假人的运动与伤害情况。

所建立的仿真模型须经实车正面碰撞试验的验证。试验中测得的后排假人各部位伤害响应曲线与仿真计算获得的后排假人伤害响应曲线的对比如图3所示。由图可见，试验与仿真得到的后排假人各伤害响应曲线之间很好吻合，说明仿真模型能够较好地体现车辆的真实特性，因此可将此仿真模型作为基本模型进行深入研究。

图3 试验与仿真中假人伤害响应的对比

3 正面碰撞中新型前排安全座椅对后排女性乘员保护效果的分析

在所建立的仿真模型中，将前排左侧座椅靠背与头枕导杆间的原固定链接改为转动铰链接，设置转动铰位于图1中扭簧的位置，用于模拟新型前排安全座椅中扭簧的作用。并进一步分析在正面碰撞中，4种扭簧(转动铰)转动刚度对后排女性乘员伤害的影响，结果如表1和图4所示。

表1 在正面碰撞中4种扭簧转动刚度对后排女性乘员伤害的影响

图4 在正面碰撞中4种扭簧转动刚度对后排女性乘员伤害的影响

表1中Pcip表示乘员受到重伤(危及生命)的概率[12]，其表达式为

Pcip=[(1+e(5.02-0.00351×HIC))-1+(1+

e(5.55-0.0693×T3ms/9.81))-1-(1+e(5.02-0.00351×HIC))-1×(1+

e(5.55-0.0693×T3ms/9.81))-1]×100%

式中：HIC为头部伤害指标；T3ms为胸部3ms合成加速度。

由表1可见，随着新型前排安全座椅扭簧的转动刚度逐渐降低，女性乘员头部伤害指标HIC15、胸部3ms合成加速度T3ms和组合损伤概率Pcip逐渐降低，胸部压缩量与髋部合成加速度变化不大。当新型前排座椅扭簧的转动刚度为10N·m/(°)时，继续减小转动刚度已不再显著改善头部和胸部损伤值，并且太小的刚度值容易引起汽车正常行驶中头枕误动，不利于其自身乘员的乘坐舒适性。因此确定扭簧的最佳转动刚度为10N·m/(°)，此时相比于原座椅，女性乘员的HIC15，T3ms和Pcip分别由948.07降至716.71，376.20m/s2降至350.59m/s2，15.7%降至8.11%，各自的下降幅度为24.4%，6.80%和48.3%。

此外，当新型前排安全座椅扭簧的转动刚度为40，20，10和5N·m/(°)时，在后排女性乘员头部撞击力的作用下，相对于垂直方向，头枕导杆(该导杆与头枕固定链接)的最大前倾角度分别约为2°，6°，15°，25°。

新型前排安全座椅对后排女性乘员的保护过程如图5所示。在碰撞发生初始，后排女性乘员在碰撞惯性力的作用下，向前冲撞；在碰撞发生75ms时，前排头枕在女性乘员头部撞击力的作用下，连同头枕导杆开始绕扭簧向前转动，此后头枕持续受到头部撞击力的作用，继续向前转动，从而吸收碰撞能量，减少乘员伤害；在碰撞发生90ms时，女性乘员在安全带约束力的作用下，开始向后移动，此时头枕失去女性乘员头部撞击力的作用；头枕导杆、头枕开始绕扭簧向后转动，最终恢复原始位置，头枕正常保护前排乘员头颈部安全。

图5 新型前排安全座椅对后排女性乘员保护的时间序列图

4 正面碰撞中新型前排安全座椅对后排男性乘员保护效果的分析

在我国，男性乘员坐在轿车后排的几率等同于女性乘员，因此有必要研究新型前排安全座椅对男性乘员的保护作用。在上述正面碰撞仿真模型的基础上，将后排女性假人模型替换为Hybrid Ⅲ第50百分位男性椭球假人模型，并将两侧前排座椅调至其纵向行程中的最前位置，从而建立了正面碰撞后排男性乘员约束系统仿真模型，如图6所示。

将该仿真模型中前排左侧座椅靠背与头枕导杆间的原固定链接改为转动铰链接，设置转动铰位于图1中扭簧的位置，以分析新型前排安全座椅的4种扭簧转动刚度对后排男性乘员伤害的影响，结果如表2和图7所示。

图6 正面碰撞后排男性乘员约束系统仿真模型

表2 在正面碰撞中4种扭簧转动刚度对后排男性乘员伤害的影响

图7 在正面碰撞中4种扭簧转动刚度对后排男性乘员伤害的影响

由表2可知，随着新型前排安全座椅扭簧转动刚度的减小，男性乘员头部伤害指标HIC36、髋部合成加速度a和组合伤害概率Pcip都呈现下降趋势，其他伤害值变化不大。与女性乘员的仿真结果相同，当新型前排座椅扭簧的转动刚度为10N·m/(°)时，继续减小转动刚度已不再显著改善男性乘员的损伤值，同样，太小的转动刚度容易引起汽车正常行驶中头枕误动，不利于自身乘员的乘坐舒适性。相比于原座椅，当新型前排座椅扭簧的转动刚度为10N·m/(°)时，男性乘员的HIC36由2 037.40降至895.93，髋部合成加速度a由397.88m/s2降至356.64m/s2，组合伤害概率Pcip由92.2%降至12.9%，下降幅度分别为56.0%，10.4%和86.0%。

此外，当新型前排安全座椅扭簧的转动刚度为40，20，10和5N·m/(°)时，在后排男性乘员头部撞击力的作用下，相对于垂直方向，头枕导杆(该导杆与头枕固定链接)的最大前倾角度分别约为5°，10°，20°，30°。

5 正面偏置碰撞中新型前排安全座椅对后排乘员保护效果的分析

为验证新型前排安全座椅对后排乘员的普遍保护效果，以下分析在正面40%重叠可变形壁障碰撞(即正面偏置碰撞)中，相比于原前排座椅，当新型前排安全座椅扭簧的转动刚度为10N·m/(°)时，后排男性和女性乘员的伤害变化情况。

5.1 新型前排安全座椅对后排女性乘员伤害的影响

将正面偏置碰撞试验载荷施加至后排女性乘员约束系统仿真模型中。同时将前排左侧座椅靠背与头枕导杆间的原固定链接改为转动铰链接，转动铰位于图1中扭簧的位置，并设置转动铰的转动刚度为10N·m/(°)，用于分析在正面偏置碰撞中，相比于原座椅，后排女性乘员的伤害变化情况，结果如表3和图8所示。

表3 在正面偏置碰撞中后排女

图8 在正面偏置碰撞中新型前排安全座椅对后排女性乘员的保护效果

由表3可知，相比于原座椅，当新型前排安全座椅扭簧的转动刚度为10N·m/(°)时，后排女性乘员的HIC15下降了23.7%，T3ms下降了5.16%，组合伤害概率Pcip下降了29.3%，其他伤害值变化不明显。

此外，当新型前排安全座椅扭簧的转动刚度为10N·m/(°)时，在后排女性乘员头部撞击力的作用下，相对于垂直方向，头枕导杆(该导杆与头枕固定链接)的最大前倾角度约为10°。

5.2 新型前排安全座椅对后排男性乘员伤害的影响

将正面偏置碰撞试验载荷施加至后排男性乘员约束系统仿真模型中，将前排左侧座椅靠背与头枕导杆间的原固定链接改为转动铰链接，用于分析在正面偏置碰撞中，相比于原座椅，当新型前排安全座椅扭簧的转动刚度为10N·m/(°)时，后排男性乘员的伤害变化情况，结果如表4和图9所示。

表4 在正面偏置碰撞中后排男

图9 在正面偏置碰撞中新型前排安全座椅对后排男性乘员的保护效果

由表4可知，相比于原座椅，当新型前排座椅扭簧的转动刚度为10N·m/(°)时，后排男性乘员的HIC36下降了43.0%，T3ms下降了17.3%，组合伤害概率Pcip下降了79.2%，其他伤害值变化不显著。

此外，当新型前排安全座椅扭簧的转动刚度为10N·m/(°)时，在后排男性乘员头部撞击力的作用下，相对于垂直方向，头枕导杆(该导杆与头枕固定链接)的最大前倾角度约为15°。

6 结论

为减轻在正面与正面偏置碰撞中，前排座椅对后排乘员造成的伤害，本文中提出了新型汽车前排安全座椅的设计。

仿真分析表明，在正面碰撞中，随着新型前排安全座椅扭簧的转动刚度逐渐降低，后排女性乘员的头部伤害指标HIC15、胸部3ms合成加速度T3ms和组合损伤概率Pcip逐渐降低；后排男性乘员的头部伤害指标HIC36、髋部合成加速度a和组合伤害概率Pcip逐渐降低。综合考虑前排乘员的乘坐舒适性与后排乘员的安全性，最终确定新型前排安全座椅扭簧的最佳转动刚度为10N·m/(°)。此时相比于原前排座椅，后排女性乘员的HIC15，T3ms和Pcip分别下降了24.4%，6.80%和48.3%；后排男性乘员的HIC36，a和Pcip分别下降了56.0%，10.4%和86.0%。

在正面偏置碰撞中，相比于原前排座椅，当新型前排安全座椅扭簧的转动刚度为10N·m/(°)时，后排女性乘员的HIC15下降了23.7%，T3ms下降了5.16%，组合伤害概率Pcip下降了29.3%；后排男性乘员的HIC36下降了43.0%，T3ms下降了17.3%，组

合伤害概率Pcip下降了79.2%。

综上所述，在正面碰撞与正面偏置碰撞中，新型前排安全座椅都能为后排男性和女性乘员提供较好的保护。

[1] SAHRAEI E, DIGGES K, MARZOUGUI D. Reduced protection for belted occupants in rear seats relative to front seats of new model year vehicles[J]. Annals of Advances in Automotive Medicine,2010,54:149-158.

[2] KENT R, FORMAN J, PARENT D P, et al. Rear seat occupant protection in frontal crashes and its feasibility[C]. The 20th Enhanced Safety of Vehicles Conference, June 18-21,2007, Lyon, France: Paper Number 07-0386.

[3] 张晓龙,朱海涛,吕恒绪.在正面碰撞试验中前后排假人头部伤害对比分析[J].交通与安全,2008(4):70 -73.

[4] RASHIDY M, DESHPANDE B, MORRIS R, et al. Analytical evaluation of an advanced integrated safety seat design in frontal, rear, side, and rollover crashes[C]. SAE Paper 2001-06-0017.

[5] 葛如海,臧绫,王浩涛,等.汽车座椅坐垫倾角对正面碰撞乘员保护影响分析[J].机械工程学报,2009,45(11):230-234.

[6] PACK R, KOOPMANN J, YU H, et al. Pre-crash sensing countermeasures and benefits[C]. SAE Paper 2005-05-0202.

[7] FIELDING M, MULLINS J, NAHAVANDI S, et al. Intelligent headrest[C]. IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, Hawaii, USA,2005:1240-1245.

[8] SEKIZUKA M. Seat designs for whiplash injury lessening[C]. The 16th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, Windsor, Ontario, Paper Number 98-S7-O-06.

[9] HUI CHANG J, YOUNG EUN K. A study on the influence of the seat and head restraint foam stiffnesses on neck injury in low speed offset rear impacts[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing,2009,10(2):105-110.

[10] SKIPPER C. Seat structural design choices and the effect on occupant injury potential in rear end collisions[D]. Vancouver: University of British Columbia,2005.

[11] MADYMO theory manual[G]. Version 6.2.2. TNO Road-Vehicle Research Institute, June 2005.

[12] NEWSTEAD S, CAMERON M. Correlation of results from the new car assessment program with real crash data[R]. Victoria, Australia: MUARC,1997.

A Research on the Protection Effects of New Front SafetySeat for Rear-row Occupant in Car Collision

Hong Liang & Ge Ruhai

SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013

For protecting rear-row occupant, a new type of front-row safety seat is proposed. A model for the restraint system for rear-row occupant of a car is built and a simulation is conducted. The results show that in frontal collision, the optimum stiffness of torsion spring in new front safety seat is 10N·m/(°), and with that spring, the head injury criterion HIC15, the thorax 3ms resultant acceleration T3ms and the combined injury probability Pcip of rear-row female occupant are 24.4%, 6.80% and 48.3% lower than those in original front seat respectively; while the head injury criterion HIC36, the pelvis resultant acceleration a and the combined injury probability Pcip of rear-row male occupant are 56.0%, 10.4% and 86.0% lower respectively. In addition, in frontal offset collision, the new front seat can also provide rear-row occupant with better protection: when the torsion spring with a stiffness of 10N·m/(°) is used, the HIC15, T3ms and Pcip of rear-row female occupant are 23.7%, 5.16% and 29.5% lower respectively; while the HIC36, T3ms and Pcip of rear-row male occupant are 43.0%, 17.3% and 79.2% lower respectively, compared with those in original front seat.

frontal collision; frontal offset collision; new type of front safety seat; rear-row occupant protection

*吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室开放基金(20091106)资助。

原稿收到日期为2015年7月22日，修改稿收到日期为2015年11月25日。