碰撞工况下零重力姿态HybridⅢ50th型假人损伤及约束系统分析

作者:湖南赛孚汽车科技股份有限公司 浏览: 发表时间:2024-04-03 16:36:43

美国航空航天局(NASA)最早提出零重力姿态概念,它描述的是宇航员在零重力环境下展现出的一种特定身体姿势。将零重力概念引入汽车行业最早是在2006年,日产汽车公司公布一款配置两段式靠背来近似维持乘员身体处于零重力姿态的座椅。2022年第一款搭载零重力座椅的国产车问界M7问世,该座椅靠背可向后调节53°,倾角调节靠背和角度可调节腿托相互配合,使二排右侧乘员呈现近乎躺卧的乘坐姿态。此外,还有起亚嘉华、现代库斯途、智已LS7等国内外量产车型在副驾或者二排装车使用了零重力座椅[1-2]。尽管该类型座椅目前定义为停车状态使用,但越来越多的汽车为了乘员的舒适性装配零重力座椅,因此必须考虑该类型座椅在行车过程中使用的安全性能。


试验方法


本文以加速型模拟碰撞台车为依托,搭建二排零重力座椅负载HybridⅢ50th型假人在正面碰撞工况下的模拟碰撞试验,根据采集到的假人伤害数据分析研究不同座椅靠背角度和不同安全带约束系统对HybridⅢ50th型假人的保护效果。试验使用的台车模拟碰撞加速度波形来自于某款国产新能源汽车,按照中国新车评价规程(C-NCAP)进行正面100%重叠刚性壁障碰撞工况试验,车辆左B柱底部粘贴加速度传感器以采集碰撞加速度波形,将该波形稍作处理后输入到台车系统,经过台车的几次迭代,能够很好地复现出整车碰撞的加速度曲线。

从座椅靠背角度和约束系统2个方面来考察HybridⅢ50th假人所受的伤害情况。普通座椅正常坐姿时座椅靠背调节至25°左右,目前市场搭载的零重力座椅靠背可调节至55°左右,因此决定在靠背角度为25°、35°、40°、45°、50°、55°时分别使用三点式和四点式安全带进行模拟碰撞试验。

评价假人伤害的指标可参照C-NCAP中正面刚性壁障碰撞工况[3],主要有:头部合成加速度3ms过载量(Rcum.3ms)、头部伤害指数(HIC15)、颈部y向弯矩(My)、胸部压缩量、骨盆合成加速度、膝盖滑动位移和大腿力。


配备三点式安全带的假人伤害情况


肩部受力

不同座椅靠背角度试验下肩带力峰值和峰值出现的时刻(以下简称“出峰时刻”)见表1。



结合表1和高速摄像观察假人运动姿态分析不难发现,当假人坐姿逐渐后躺时,发生碰撞时假人肩部受到安全带约束作用的趋势虽然一致,但是作用的时间逐渐滞后,导致安全带对假人肩部作用力的出峰时刻从25°姿态时的89ms变成96ms,相应的肩带力峰值由5.13kN变成4.35kN。


头部伤害

不同座椅靠背角度试验下头部合成加速度如图1所示,其中g为重力加速度。当假人坐姿为25°、35°、40°时头部合成加速度经CFC1000滤波器滤波后只有1个峰值,而45°、50°、55°时曲线出现2个峰值的原因是在碰撞瞬间假人的身体受到安全带预紧作用被约束,假人头部由于惯性相对于躯干仍然是向前的运动状态,此时头部加速度合成曲线出现第1个峰值,反弹过程中假人头部撞到头枕产生第2个峰值。



由于45°~55°的试验假人头部存在二次碰撞,此时采集到的Rcum.3ms均超过极限值(80g),HIC15也均超过了极限值(700),因此从C-NCAP角度来讲,乘员在座椅靠背呈45°乘坐时发生碰撞对乘员身体伤害是巨大的。


颈部伤害

使用颈部弯矩My来表征假人颈部受到损伤的程度,25°坐姿试验得到的My为44.44N·m,55°坐姿试验得到的My为30.12N·m。根据C-NCAP进行评判,25°姿势假人颈部伤害大于36N·m,不处于高性能范围;55°姿势假人颈部伤害小于36N·m,处于高性能范围内。随着假人乘坐角度增大,假人颈部伤害总体上处于逐渐减小的趋势。


胸部损伤

25°~55°试验的胸部压缩变形量的曲线趋势基本一致,即先经历压缩峰值,再逐渐回弹。25°~55°得到的假人胸部压缩量均不处于C-NCAP的高性能状态区间,这是因为此碰撞工况只有安全带对假人进行约束,没有安全气囊对假人上肢的保护。


骨盆合成加速度

骨盆合成加速度在本项目的试验中可以配合高速摄像视频作为假人运动姿态的分析依据,由骨盆x、y、z向加速度合成。从试验结果可知25°时骨盆合成加速度在85ms时达到峰值(44.2g),55°时在91ms时达到峰值(41.6g)。安全带的腰带预紧力在正常坐姿时对骨盆作用部位比较正,骨盆受到腰带预紧约束力更大,而大角度坐姿时假人在碰撞瞬间由于腰带预紧力实际作用部位和设计位置存在偏移,假人臀部在坐垫上先向前滑移,再被预紧力约束。因此从峰值和总体趋势上看正常坐姿比大角度坐姿的骨盆伤害要大,出峰时刻也稍微提前。


大腿部位损伤

大腿部位评价指标包含膝盖滑动位移和大腿压缩力。2021版50km/h刚性壁正面碰撞(FRB)工况评判膝盖滑动位移的高性能指标和低性能指标分别是6mm和15mm。表2是不同座椅靠背角度试验下假人左右膝盖滑动位移量的试验数据。



由表2可知,25°~55°假人膝盖滑动位移量都低于6mm,均处于高性能指标范围。55°时假人膝盖滑动位移量整体上比正常坐姿25°时小一些,究其原因是正常坐姿碰撞时假人双脚被脚踏板支撑住,假人小腿受到支撑与膝盖出现相对运动,而大角度姿态下发生碰撞时假人小腿被腿托支撑,双脚悬空,腿部与膝盖相对滑移量较小。

不同座椅靠背角度试验得到的大腿力出峰时刻比较接近,55°时左右大腿力伤害比25°偏高一些。

综上,在乘坐配备三点式安全带的零重力座椅的汽车时,当汽车处于行驶状态时,座椅靠背不建议调节至40°以上,否则发生正面碰撞时可能会对乘客身体造成严重的伤害。

配备四点式安全带的假人伤害情况


为假人配备四点式安全带,在处于25°正常姿态和55°零重力姿态时分别进行伤害采集,结果见表3。



通过高速摄像观察到零重力姿势发生碰撞时在三点式安全带的约束下,假人向前滑移被安全带割脖子,导致对假人的锁骨和脊椎造成更大伤害。这说明传统的三点式安全带约束系统对零重力座椅乘员的保护具有很大的局限性。通过高速摄像可知,使用四点式安全带进行零重力坐姿试验时,假人的滑移量明显比三点式安全带少很多。由于测试使用的四点式安全带不配备预紧功能,因此在使用该款四点式安全带约束假人时尽量减少了一假人向前移动的空间,在25°和55°时采集到的假人各部位伤害同比三点式安全的要差一些。但可以看出在使用该款四点式安全带的前提下,2种坐姿假人各部位伤害对比趋势与三点式安全带测得的对比趋势接近。


结论


本文试验依托伺服液压加速型模拟碰撞台车搭载HybridⅢ50th型假人模拟零重力座椅在发生正面碰撞时对乘员造成的伤害。试验主要从不同座椅靠背角度和不同约束系统2个因素对假人伤害的影响进行开展。通过本文研究可得到如下结论:

(1) 使用三点式安全带进行25°~55°试验得到的假人各部位伤害中,正常乘坐姿态(25°)时的头部和大腿伤害低,而零重力乘坐姿态(55°)时颈部、胸部、膝部及骨盆损伤较小。

(2)  鉴于目前零重力座椅仍然配置的是传统的三点式安全带,不建议乘员在行车状态下将零重力座椅靠背角度调节至40°以上。

传统三点式安全带对零重力座椅乘客的保护效果有限,使用四点式安全带可以在一定程度上消除在碰撞时乘员向前的滑移。但是,本文使用的四点式安全带效果有限,后续有条件可使用配备预紧器的四点式安全带乃至六点式安全带继续研究其对乘员的保护效果,更新迭代零重力座椅的约束系统,让乘客在获得零重力座椅的舒适体验的同时受到更全面的保护。



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来源:AUTO内饰行家


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