岳国辉 吕宝锋 韩峰 陈现岭

（长城汽车股份有限公司技术中心；河北省汽车工程技术研究中心）

挥鞭伤是指在追尾碰撞事故中，乘员颈部由于产生类似于像挥鞭一样的运动而造成的损伤。它是交通事故中最常见的损伤之一，会造成保险和医疗等方面巨大的社会支出[1-2]。为尽量降低在追尾事故中对乘员（尤其是颈部）造成的损害，世界上各发达国家都先后将座椅鞭打试验引入其新车评价体系（NCAP）中[3-4]。2012年，中国C-NCAP也将鞭打试验正式引入评价规程[3，5]。在2015年7月执行的2015年版C-NCAP评价规程中，针对座椅鞭打试验进行了评价加严的提升，使得各车型座椅获得高分更加困难，尤其针对已量产座椅，需要重新基于新版规程进行评价及问题整改。基于此，文章对某款车型座椅防挥鞭伤性能的提升进行了研究。

1 挥鞭伤原理分析及法规对比

为便于对评价规程第3，4部分内容的理解，文章首先对追尾碰撞中座椅挥鞭伤原理进行说明。在追尾碰撞过程中假人头部运动大致可分为3个阶段[5]：

1）爬升阶段：车辆在遭受后撞时会突然加速向前移动，乘员由于惯性的作用，躯干会沿着座椅靠背向上移动，此时头部在前，躯干向后，头部则遭受由躯干传来的轴向力，其带来的伤害较其他阶段小。此时头与座椅头枕还没有接触，头部相对于躯干向后运动。影响爬升的原因主要有座椅靠背的设计形状、乘员的坐姿、座垫及靠背的初始角度，乘员与座垫及靠背间的摩擦因数等。

2）挥鞭阶段：在爬升现象出现后，若缺乏头枕或其位置不佳，此时躯干会被靠背向前推挤，但头部由于惯性并未向前，而是相对于躯干继续向后仰倒，此时会出现前面所分析的S形变化，头与躯干分别朝相反的方向移动，从而导致头与躯干间相对速度和加速度增大，让上下颈部承受相反方向的剪力。研究认为挥鞭伤来自于颈椎S形变化，人体受伤也主要发生在这一阶段。

3）回弹阶段：由于弹性座椅可以吸收一些躯干压缩产生的能量，在碰撞末期，座椅泡沫反弹，能量再传给乘员，使乘员加速回弹，在回弹阶段，头部向前运动，此时对人体有影响的是头部回弹速度。

目前普遍认为减少乘员头部与躯干的相对运动，是防挥鞭伤设计的重要出发点。防挥鞭伤设计主要是座椅的设计，尤其是座椅头枕的几何形状、位置、发泡硬度、靠背接触刚度及摩擦因数、靠背绕调角器的旋转刚度等都与防挥鞭伤性能息息相关[3]。

法规方面（为便于区分并简化名称，文中2012年版C-NCAP简写成2012版，2015年版C-NCAP简写成2015版），2015版针对鞭打试验项进行了加严评价升级，与2012版差异对比情况，如表1所示。主要变化内容有[6-7]：1）总分由2012版的插值计算方式变更为直接累加方式；2）上下颈部评价指标不再采用累加方法，而是采取最差结果法，得分难度变大；3）靠背张角罚分限值由 32°调整为 19°。

表1 2012版与2015版鞭打试验得分对比

通过法规对比分析发现，2015版鞭打试验评价变得更加严格，得分更加困难，基于2012版开发的座椅设计需要升级应对。

2 某座椅试验问题及原因分析

表2示出某款车型座椅在完成C-NCAP鞭打摸底试验后，分别按照2012版及2015版进行评价得分的对比情况。

表2 某车型座椅鞭打试验得分对比

如果只从整体得分情况看，该款座椅在2012版评价中总得分为3.63分，分数相对较高，但如果按照2015版评价，总得分则只能得到2.78分，整体得分相比2012版减少近1分，不能满足该车型基于2015版C-NCAP五星针对鞭打试验项3.5分的得分目标要求（公司内部目标要求）。

另外，从假人具体评价项得分情况分析，该款车型座椅鞭打试验得分较低主要有颈部伤害指数（NIC）值和上颈部扭矩（My）伤害值偏大2项问题。

文章将结合座椅静态测量数据及动态试验评价结果曲线分析，分别针对2项问题进行原因分析。

2.1 颈部伤害指数（NIC）偏大原因分析

NIC是枕骨铰链相对于胸部第1胸椎处（T1）的水平加速度和速度的相对值[7]，理论计算公式如下[7]（其中，T-HRC（end）为头部与头枕接触后分离时刻）。

式中：NIC，NICmax——颈部伤害指数、最大值，m2/s2；——第1胸椎左右侧加速度，m/s2；——第1胸椎、头部加速度，m/s2。

图1示出试验中NIC计算公式曲线示意。图1中红色曲线为NIC，由蓝色曲线与绿色曲线相加得到，蓝色曲线为加速度项绿色曲线为速度项由曲线分析结合理解计算可以得出，NIC主要由加速度项部分构成，速度项对其数值大小影响较小。

图1 颈部伤害指数（NIC）计算曲线

所以若要识别NIC偏大原因，则只需要分析加速度项部分曲线即可。

图2示出NIC计算公式中加速度项所涉及曲线，红色曲线为胸部加速度，蓝色曲线为头部加速度通过曲线T1减去头部曲线，则可以得到绿色曲线“胸部与头部加速度差值从图 2 中可以看出，由于头部与头枕接触开始时刻相对于胸部与座椅靠背接触开始时刻太晚，即头部与头枕间距太大，导致正向值在头部与头枕接触之前直接由胸部加速度构成，且数值为理论最大，进而导致NIC偏大。

图2 胸部与头部加速度曲线

经测量，在动态试验前，头部与头枕间距在70 mm左右，如图3所示，与理论分析结论相吻合，更能充分说明本试验中NIC偏大的主要原因为头部与头枕间距太大。

图3 动态试验前头部与头枕间距

2.2 上颈部扭矩（My）偏大原因分析

My的理论计算公式如下[7]。

式中：Myoc，Mymaxoc，Myupper——上颈部扭矩评价值、评价最大值、试验值，N·m；

Fxupper——上颈部剪切力试验值，N；

D——计算系数，D=0.017 78 m。

由于My正负方向上的伤害都需要评价，所以需要明确其正方向定义。图4示出My正方向定义示意。从定义可知，当下颚向前胸，即当头部相对颈部呈点头运动时，My为正值，反之为负。

图4 上颈部扭矩（My）正方向定义示意图

图5示出试验中My计算公式曲线示意。图5中绿色差值曲线为My结果评价用曲线，由红色曲线减去蓝色曲线得到，红色曲线为上颈部扭矩试验值曲线Myupper（t），蓝色曲线为颈部剪切力转化项DFxupper（t）。由曲线分析结合理解计算可以得出，整体DFxupper（t）较小，My评价结果主要由读取结果部分构成。所以若要识别My偏大原因，则只需要分析My实际读取结果曲线即可。

图5 上颈部扭矩（My）计算曲线

图6示出在动态试验中，当My达到峰值时刻头部相对颈部的运动趋势。结合图5可以看出，由于头部与头枕间距太大（如图3所示），且头枕发泡硬度较小，支撑力度不够（如图6所示，头部陷入头枕太多），导致出现了如文章第1部分中提及的头部由于惯性相对于躯干后仰太多，头部相对颈部点头运动趋势明显，呈现较为严重的S形变化，进而导致My偏大。

图6 上颈部扭矩（My）峰值时刻头部相对颈部的运动趋势示意图

3 问题整改及验证分析

通过试验问题分析，找到了本款座椅在鞭打试验中主要失分项NIC及My伤害值偏大的真正原因。

结合原因分析过程，针对NIC，可通过提前头部与头枕接触时刻从而降低胸部相对头部加速度正方向差值，并最终降低NIC的思路来实现，头部加速度波形优化概念方案效果曲线，如图7中蓝色虚线所示。

图7 头部相对胸部加速度优化方向示意图

结合原因分析过程，针对My，可通过提早头枕对于头部的支撑时刻，同时增加头枕发泡硬度，通过平衡My正负方向数值大小，进而最终降低My整体伤害的思路来实现，概念方案效果曲线，如图8中红色虚线所示。

为达到上述预期效果，同时降低试验费用和成本，缩短试验周期，需借用CAE仿真分析工具进行本座椅防挥鞭伤性能优化仿真分析，找到最合适的头部与头枕间距及头枕发泡硬度等关键参数。

为提升该仿真分析效率与精度，采取MADYMO假人模型与LS-DYNA座椅模型相耦合的方式进行分析。图9示出本次仿真分析与试验结果相关性做好之后动态分析过程示意，结合数据曲线对比，以确保仿真分析模型准确性及方案优化有效性。

图9 座椅防挥鞭伤仿真与试验相关性分析过程示意图

通过以头后间距及头枕发泡硬度为变量进行DOE优化分析后得出：

1）头部与头枕间距应由原状态降低到25 mm左右（不影响座椅头枕乘坐舒适性）；

2）头枕发泡硬度需在现有状态基础上增加约2.5倍（不影响座椅头枕乘坐舒适性）。

图10示出在最优参数状态下仿真分析过程示意，结合曲线数据及图10，得出在此状态下，可以保证头枕能够及时、有效地对头部起到支撑作用，进而降低NIC及My。

图10 最优参数状态下座椅防挥鞭伤仿真分析示意图

为验证仿真分析结论准确性，对该款座椅头枕样件进行试验验证。图11示出试验前静态测量状态，保证与仿真分析状态保持一致后进行动态试验。

图11 最优参数状态下头部与头枕间距示意图

基于仿真分析最优参数状态，试验后关键结果曲线对比，如图12～图14所示。

图12 优化后胸部与头部加速度曲线

图13 优化前后颈部伤害指数（NIC）对比曲线

图14 优化前后上颈部扭矩（My）对比曲线

从图12可以看出，通过提早头部与头枕接触时刻后，在降低头部加速度峰值的基础上，有效降低了胸部对头部的加速度差值。

从图13可以看出，在有效降低胸部对头部加速度差值后，成功实现了NIC的降低。

从图14可以看出，通过提早头部与头枕接触时刻，同时增加头枕发泡硬度，平衡了My正负方向数值大小，并最终降低了My整体伤害。

表3示出在最优参数状态下试验结果及得分评价。

从表3中可以看出，在针对头部与头枕间距及头枕发泡硬度进行优化后，在有效降低NIC及My的同时，所有评价项目基本都能得到满分；2015版总得分为3.95分，确保了该车型满足基于2015版C-NCAP五星针对鞭打试验项的得3.5分的目标要求。

4 结论

随着2015年版C-NCAP鞭打试验评价方法的实施，在2012年版基础上开发设计的部分座椅在防挥鞭伤性能方面需要进行提升，以获得与原来相当的分数。文章通过对某车型座椅鞭打试验结果中得分较低的关键影响指标进行深入分析，识别出问题真因所在，并借助仿真工具通过优化分析的方式识别出了适合本款座椅的头部与头枕间距及头枕发泡硬度等关键参数，通过试验验证后达到了预期效果，可为后续新开发座椅或其他有类似问题的已量产座椅提供设计或问题整改参考。

1）对于全新开发座椅，可考虑采用主动头枕结构，对于已量产普通座椅，则可考虑在不影响乘坐舒适性的基础上将头枕向靠近乘员头部的方向前移以优化设计，目的是在追尾碰撞过程中，使得头枕提早接触到乘员头后部，并起到有效支撑，尽量降低头部与胸部之间加速度差值，进而降低NIC；

2）提早头部与头枕接触时刻、同时适量增加头枕发泡硬度，通过平衡My正负方向数值大小的方式，可有效降低My伤害指标；

3）鞭打试验中所涉及到的各评价指标之间是有相互关联性的，尤其对于头部与头枕间距，头枕发泡硬度，及二者与座椅靠背（尤其是与T1加速度传感器位置直接相关的上背部）刚度等之间需要进行良好的匹配设计，才能取得良好效果。