轎車碰撞中新型前排安全座椅對后排乘員保護效果的研究*

洪 亮，葛如海

(江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮江 212013)

2016189

轎車碰撞中新型前排安全座椅對后排乘員保護效果的研究*

洪 亮，葛如海

(江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮江 212013)

為實現對后排乘員的保護，提出了一種新型汽車前排安全座椅。建立了某型轎車后排乘員約束系統仿真模型，并進行仿真。結果表明：在正面碰撞中，新型前排安全座椅扭簧的最佳剛度為10N·m/(°)，此時，后排女性乘員的頭部傷害指標HIC15、胸部3ms合成加速度T3ms和組合傷害概率Pcip分別比原前排座椅下降了24.4%，6.80%和48.3%；男性乘員的頭部傷害指標HIC36，髖部合成加速度a和Pcip分別下降了56.0%，10.4%和86.0%。此外在正面偏置碰撞中，新型前排座椅同樣能為后排乘員提供較好的保護：當扭簧剛度為10N·m/(°)時，后排女性乘員的HIC15，T3ms和Pcip分別下降了23.7%，5.16%和29.3%；男性乘員的HIC36，T3ms和Pcip分別下降了43.0%，17.3%和79.2%。

正面碰撞；正面偏置碰撞；新型汽車前排安全座椅；后排乘員保護

前言

通常，轎車后排乘員不像前排乘員那樣擁有安全帶預緊器、載荷限制器和安全氣囊等高級乘員約束系統的保護，且后排空間相對狹小，導致在碰撞事故中后排乘員的安全往往得不到有效保障[1-3]，因此有必要提高后排乘員安全性。

汽車座椅是汽車乘員約束系統中最主要的部件之一[4]，主要由坐墊、靠背和頭枕組成，坐墊約束乘員的向下運動，靠背約束乘員的向后運動，頭枕約束乘員頭部的向后運動。目前汽車座椅對乘員的保護研究主要集中在座椅對自身乘員的保護上：例如正面碰撞中增大座椅坐墊與地板間的夾角能夠有效降低乘員頭部與胸部的傷害，并能防止乘員“下潛”現象的發生[5]；座椅自動調節裝置能夠根據碰撞傳感器的信號，調節座椅至縱向最后位置，使乘員遠離轉向盤和儀表板等車內部件[6]；追尾碰撞中主動頭枕、WHIPS座椅和合理設置座椅靠背與頭枕的泡沫材料剛度能有效抑制頸部“揮鞭”傷害[7-10]。然而目前汽車座椅對非自身乘員的保護研究很少。

實際上，座椅會對非自身乘員造成傷害：例如由于轎車后排空間相對狹小，在正面與正面偏置碰撞中后排乘員頭部易與前排座椅發生二次碰撞，造成后排乘員傷害。為減輕此種傷害，本文中提出了新型汽車前排安全座椅的設計(專利號：201410044747.7)。

1 新型汽車前排安全座椅的組成與工作原理

圖1 新型汽車前排安全座椅的組成

新型汽車前排安全座椅主要由座椅頭枕、頭枕導桿、靠背骨架、U形頭枕導套、縱板、扭簧、橫桿等組成，如圖1所示。最上端為頭枕，頭枕下方為頭枕導桿、U形導套；U形導套包括兩端的豎直桿和中間的水平桿；頭枕導桿可插入兩端的豎直桿中，用于調節頭枕高度；U形導套的水平桿下方固定有兩縱板；固定在靠背骨架上的一橫桿穿過縱板中的圓孔而與之形成轉動鏈接，即縱板可繞橫桿轉動；縱板間設有一扭簧，套裝于橫桿上，其自由長度略大于兩縱板間的距離，使扭簧在軸向有一定的壓縮量。扭簧的一端卡在橫桿上，另一端卡在縱板的小孔中。當頭枕帶動U形導套和縱板一起向前轉動時，扭簧將產生反扭矩。

新型前排安全座椅的工作原理是：在轎車正面與正面偏置碰撞中，后排乘員頭部在慣性力的作用下撞擊該座椅頭枕時，頭枕、頭枕導桿、U形導套和縱板作為一體繞靠背骨架上的橫桿向前轉動一定角度，使扭簧產生扭轉彈性變形和反扭力矩，從而吸收碰撞能量，有效減輕后排乘員受到的傷害。當碰撞結束后，后排乘員在安全帶的拉力作用下向后移動，縱板失去后排乘員頭部撞擊力的作用，不再給扭簧施加扭力；此時扭簧恢復原有狀態，帶動縱板，連同U形導套、導桿和頭枕恢復原始位置，頭枕正常保護前排乘員頭頸部安全。

2 正面碰撞后排女性乘員約束系統仿真模型的建立與驗證

按照2012/2015版中國新車評價規范(C-NCAP)對某型轎車進行實車正面100%重疊剛性壁障碰撞(即正面碰撞)試驗。試驗前，前排駕駛員位置放置Hybrid Ⅲ第50百分位男性假人，后排左側位置放置Hybrid Ⅲ第5百分位女性假人。試驗過程中，后排女性假人只受三點式安全帶約束。

圖2 正面碰撞后排女性乘員約束系統仿真模型

以該型轎車相關尺寸和性能參數為依據，采用碰撞仿真軟件MADYMO建立了正面碰撞后排女性乘員約束系統仿真模型[11]，如圖2所示。具體步驟為：①建立包括地板剛體模型、前排與后排座椅有限元模型的車內環境模型。根據2012/2015版C-NCAP中實車正面碰撞試驗的相關規定，將兩側前排座椅置于其縱向行程中，最接近中間位置處。此時，兩側前排座椅靠背與頭枕導桿，頭枕導桿與頭枕間的鏈接方式均為固定鏈接；②調入MADYMO軟件中自帶的Hybrid Ⅲ第5百分位女性橢球假人模型，并將其定位在后排左側座椅上；③建立包括卷收器、錨點、帶扣和織帶的三點式安全帶模型，并對女性假人模型進行安全帶預定位；④定義女性假人模型各部位與車內環境模型、安全帶模型的接觸；⑤基于試驗測得的數據，定義各運動鉸的剛度和前、后排座椅模型各部分的接觸剛度。至此，完成仿真模型的建立，仿真模型中后排約束系統與實車試驗中一致。由于在實車正面碰撞試驗中，B柱的變形量較小，B柱減速度能真實反映出作用于假人身上的加速度，因此在仿真計算中，將車體左側B柱減速度反向施加至假人模型上，用于模擬試驗中假人的運動與傷害情況。

所建立的仿真模型須經實車正面碰撞試驗的驗證。試驗中測得的后排假人各部位傷害響應曲線與仿真計算獲得的后排假人傷害響應曲線的對比如圖3所示。由圖可見，試驗與仿真得到的后排假人各傷害響應曲線之間很好吻合，說明仿真模型能夠較好地體現車輛的真實特性，因此可將此仿真模型作為基本模型進行深入研究。

圖3 試驗與仿真中假人傷害響應的對比

3 正面碰撞中新型前排安全座椅對后排女性乘員保護效果的分析

在所建立的仿真模型中，將前排左側座椅靠背與頭枕導桿間的原固定鏈接改為轉動鉸鏈接，設置轉動鉸位于圖1中扭簧的位置，用于模擬新型前排安全座椅中扭簧的作用。并進一步分析在正面碰撞中，4種扭簧(轉動鉸)轉動剛度對后排女性乘員傷害的影響，結果如表1和圖4所示。

表1 在正面碰撞中4種扭簧轉動剛度對后排女性乘員傷害的影響

圖4 在正面碰撞中4種扭簧轉動剛度對后排女性乘員傷害的影響

表1中Pcip表示乘員受到重傷(危及生命)的概率[12]，其表達式為

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為頭部傷害指標；T3ms為胸部3ms合成加速度。

由表1可見，隨著新型前排安全座椅扭簧的轉動剛度逐漸降低，女性乘員頭部傷害指標HIC15、胸部3ms合成加速度T3ms和組合損傷概率Pcip逐漸降低，胸部壓縮量與髖部合成加速度變化不大。當新型前排座椅扭簧的轉動剛度為10N·m/(°)時，繼續減小轉動剛度已不再顯著改善頭部和胸部損傷值，并且太小的剛度值容易引起汽車正常行駛中頭枕誤動，不利于其自身乘員的乘坐舒適性。因此確定扭簧的最佳轉動剛度為10N·m/(°)，此時相比于原座椅，女性乘員的HIC15，T3ms和Pcip分別由948.07降至716.71，376.20m/s2降至350.59m/s2，15.7%降至8.11%，各自的下降幅度為24.4%，6.80%和48.3%。

此外，當新型前排安全座椅扭簧的轉動剛度為40，20，10和5N·m/(°)時，在后排女性乘員頭部撞擊力的作用下，相對于垂直方向，頭枕導桿(該導桿與頭枕固定鏈接)的最大前傾角度分別約為2°，6°，15°，25°。

新型前排安全座椅對后排女性乘員的保護過程如圖5所示。在碰撞發生初始，后排女性乘員在碰撞慣性力的作用下，向前沖撞；在碰撞發生75ms時，前排頭枕在女性乘員頭部撞擊力的作用下，連同頭枕導桿開始繞扭簧向前轉動，此后頭枕持續受到頭部撞擊力的作用，繼續向前轉動，從而吸收碰撞能量，減少乘員傷害；在碰撞發生90ms時，女性乘員在安全帶約束力的作用下，開始向后移動，此時頭枕失去女性乘員頭部撞擊力的作用；頭枕導桿、頭枕開始繞扭簧向后轉動，最終恢復原始位置，頭枕正常保護前排乘員頭頸部安全。

圖5 新型前排安全座椅對后排女性乘員保護的時間序列圖

4 正面碰撞中新型前排安全座椅對后排男性乘員保護效果的分析

在我國，男性乘員坐在轎車后排的幾率等同于女性乘員，因此有必要研究新型前排安全座椅對男性乘員的保護作用。在上述正面碰撞仿真模型的基礎上，將后排女性假人模型替換為Hybrid Ⅲ第50百分位男性橢球假人模型，并將兩側前排座椅調至其縱向行程中的最前位置，從而建立了正面碰撞后排男性乘員約束系統仿真模型，如圖6所示。

將該仿真模型中前排左側座椅靠背與頭枕導桿間的原固定鏈接改為轉動鉸鏈接，設置轉動鉸位于圖1中扭簧的位置，以分析新型前排安全座椅的4種扭簧轉動剛度對后排男性乘員傷害的影響，結果如表2和圖7所示。

圖6 正面碰撞后排男性乘員約束系統仿真模型

表2 在正面碰撞中4種扭簧轉動剛度對后排男性乘員傷害的影響

圖7 在正面碰撞中4種扭簧轉動剛度對后排男性乘員傷害的影響

由表2可知，隨著新型前排安全座椅扭簧轉動剛度的減小，男性乘員頭部傷害指標HIC36、髖部合成加速度a和組合傷害概率Pcip都呈現下降趨勢，其他傷害值變化不大。與女性乘員的仿真結果相同，當新型前排座椅扭簧的轉動剛度為10N·m/(°)時，繼續減小轉動剛度已不再顯著改善男性乘員的損傷值，同樣，太小的轉動剛度容易引起汽車正常行駛中頭枕誤動，不利于自身乘員的乘坐舒適性。相比于原座椅，當新型前排座椅扭簧的轉動剛度為10N·m/(°)時，男性乘員的HIC36由2 037.40降至895.93，髖部合成加速度a由397.88m/s2降至356.64m/s2，組合傷害概率Pcip由92.2%降至12.9%，下降幅度分別為56.0%，10.4%和86.0%。

此外，當新型前排安全座椅扭簧的轉動剛度為40，20，10和5N·m/(°)時，在后排男性乘員頭部撞擊力的作用下，相對于垂直方向，頭枕導桿(該導桿與頭枕固定鏈接)的最大前傾角度分別約為5°，10°，20°，30°。

5 正面偏置碰撞中新型前排安全座椅對后排乘員保護效果的分析

為驗證新型前排安全座椅對后排乘員的普遍保護效果，以下分析在正面40%重疊可變形壁障碰撞(即正面偏置碰撞)中，相比于原前排座椅，當新型前排安全座椅扭簧的轉動剛度為10N·m/(°)時，后排男性和女性乘員的傷害變化情況。

5.1 新型前排安全座椅對后排女性乘員傷害的影響

將正面偏置碰撞試驗載荷施加至后排女性乘員約束系統仿真模型中。同時將前排左側座椅靠背與頭枕導桿間的原固定鏈接改為轉動鉸鏈接，轉動鉸位于圖1中扭簧的位置，并設置轉動鉸的轉動剛度為10N·m/(°)，用于分析在正面偏置碰撞中，相比于原座椅，后排女性乘員的傷害變化情況，結果如表3和圖8所示。

表3 在正面偏置碰撞中后排女

圖8 在正面偏置碰撞中新型前排安全座椅對后排女性乘員的保護效果

由表3可知，相比于原座椅，當新型前排安全座椅扭簧的轉動剛度為10N·m/(°)時，后排女性乘員的HIC15下降了23.7%，T3ms下降了5.16%，組合傷害概率Pcip下降了29.3%，其他傷害值變化不明顯。

此外，當新型前排安全座椅扭簧的轉動剛度為10N·m/(°)時，在后排女性乘員頭部撞擊力的作用下，相對于垂直方向，頭枕導桿(該導桿與頭枕固定鏈接)的最大前傾角度約為10°。

5.2 新型前排安全座椅對后排男性乘員傷害的影響

將正面偏置碰撞試驗載荷施加至后排男性乘員約束系統仿真模型中，將前排左側座椅靠背與頭枕導桿間的原固定鏈接改為轉動鉸鏈接，用于分析在正面偏置碰撞中，相比于原座椅，當新型前排安全座椅扭簧的轉動剛度為10N·m/(°)時，后排男性乘員的傷害變化情況，結果如表4和圖9所示。

表4 在正面偏置碰撞中后排男

圖9 在正面偏置碰撞中新型前排安全座椅對后排男性乘員的保護效果

由表4可知，相比于原座椅，當新型前排座椅扭簧的轉動剛度為10N·m/(°)時，后排男性乘員的HIC36下降了43.0%，T3ms下降了17.3%，組合傷害概率Pcip下降了79.2%，其他傷害值變化不顯著。

此外，當新型前排安全座椅扭簧的轉動剛度為10N·m/(°)時，在后排男性乘員頭部撞擊力的作用下，相對于垂直方向，頭枕導桿(該導桿與頭枕固定鏈接)的最大前傾角度約為15°。

6 結論

為減輕在正面與正面偏置碰撞中，前排座椅對后排乘員造成的傷害，本文中提出了新型汽車前排安全座椅的設計。

仿真分析表明，在正面碰撞中，隨著新型前排安全座椅扭簧的轉動剛度逐漸降低，后排女性乘員的頭部傷害指標HIC15、胸部3ms合成加速度T3ms和組合損傷概率Pcip逐漸降低；后排男性乘員的頭部傷害指標HIC36、髖部合成加速度a和組合傷害概率Pcip逐漸降低。綜合考慮前排乘員的乘坐舒適性與后排乘員的安全性，最終確定新型前排安全座椅扭簧的最佳轉動剛度為10N·m/(°)。此時相比于原前排座椅，后排女性乘員的HIC15，T3ms和Pcip分別下降了24.4%，6.80%和48.3%；后排男性乘員的HIC36，a和Pcip分別下降了56.0%，10.4%和86.0%。

在正面偏置碰撞中，相比于原前排座椅，當新型前排安全座椅扭簧的轉動剛度為10N·m/(°)時，后排女性乘員的HIC15下降了23.7%，T3ms下降了5.16%，組合傷害概率Pcip下降了29.3%；后排男性乘員的HIC36下降了43.0%，T3ms下降了17.3%，組

合傷害概率Pcip下降了79.2%。

綜上所述，在正面碰撞與正面偏置碰撞中，新型前排安全座椅都能為后排男性和女性乘員提供較好的保護。

[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] 張曉龍,朱海濤,呂恒緒.在正面碰撞試驗中前后排假人頭部傷害對比分析[J].交通與安全,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,臧綾,王浩濤,等.汽車座椅坐墊傾角對正面碰撞乘員保護影響分析[J].機械工程學報,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

*吉林大學汽車動態模擬國家重點實驗室開放基金(20091106)資助。

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