汽车碰撞安全基础 (14).pdf
第6讲：作为碰撞保护装置的汽车座椅1.汽车座椅的结构2.颈部挥鞭伤及影响因素3.座椅的功能和碰撞安全性要求4.防挥鞭伤的原理及保护装置5.座椅刚性和柔性对高速和低速尾撞保护的影响6.基于座椅滑动的尾撞乘员保护知识点分割、停顿点汽车座椅的结构-也待以后通过动画演示典型的前排座椅 座椅骨架（Seat frame）头枕（Headrest）椅背（Seat back）坐垫（Seat cushion）滑轨（Rails/tracks）后排座椅一般没有导轨Page 3椅垫和椅背内可包括与舒适性、安全性以及乘员感应相关的装置一些豪华车的后排椅背也可以调整倾角座椅骨架、坐盆、调角器、滑轨 滑轨：调整和固定座椅的前后位置 调角器：调整椅背倾角 舒适性：坐姿，椅背和坐垫刚度 安全性：椅背和调角器强度，头枕位置Page 4调角器Recliner安全带集成于座椅（ABTS-All Belt To Seat）ABTS 所有的安全带固定点都在座椅上安全带能更好地贴合乘员安全带路径不会随着座椅的滑动而变化 ABTS 座椅更重、更贵在前碰撞中，椅背需要承受安全带载荷 座椅轻量化期待将前排座椅从 2535 kg减重到1518 kg，将滑轨从 1.8 kg减重到 1.2 kg考虑5个座椅的重量占比和在整车中的减重效果Page 5知识点分割、停顿点颈部挥鞭伤及影响因素颈部挥鞭伤 Whiplash-associated disorders 颈部的突然扭曲造成的损伤 座椅和头枕对于减少挥鞭伤方面有着至关重要的作用Page 7美国挥鞭伤统计情况（数据来源：NASS 1992-2001）挥鞭伤更多出现在尾撞中挥鞭伤多发生在中、低速尾撞中(35 km/h)为什么?挥鞭伤的成本很高 尾撞事故死亡率很低（5%）尾撞事故受伤率很高（30%）典型损伤为颈部挥鞭伤大部分为轻微损伤（AIS1）70%Material Damage24%Personal Injury6%Security80+%WHIPLASHSource:UK Motor Insurance Costs(2006)24%Personal InjuryPersonal injuryCost to insurancePage 8 保险公司称挥鞭伤造成很大的社会损失美国每年 90亿美元（来源：NHTSA）英国汽车保险花费(2006)挥鞭伤的影响因素:乘员和头枕高度 乘员和头枕高度 乘员需要调整头枕到合适的高度 座椅的设计多基于欧美人的体型，在很多情况下并不适合中国人 性别 女性出现颈部损伤的风险是男性的2倍左右 55%的女性和38%男性会受到挥鞭伤带来的长期损伤困扰 男性颈部肌肉更加强壮 女性倾向于向前坐，离椅背远，头部和头枕之间的空隙更大Sources:Temming 1998;Krafft 1998;Lundell 1998Page 9 乘员位置 驾驶员倾向于靠前坐，离椅背远，更容易出现挥鞭伤 乘员倾向于更轻松的坐姿，靠在椅背上，头更接近头枕知识点分割、停顿点座椅的功能和碰撞安全性要求汽车座椅系统的基本功能是什么？舒适性和安全性 本课程主要涉及碰撞安全性 驾驶员坐姿对碰撞安全保护非常关键 乘坐舒适性不佳会加速驾驶员疲劳，从而影响安全性 座椅系统是汽车里成本相对比较高的组件之一汽车里有哪些大的部件成本比较高？Page 11驱动挥鞭伤研究的因素 政府强制性安全法规（FMVSS,ECE）汽车保险 保险公司要为挥鞭伤支付很高的赔偿 IIHS(Insurance Institute for Highway Safety)建立了头枕的分级体系 加拿大的保险公司为使用能够减少挥鞭伤头枕的汽车提供保险折扣 新车评价项目 2009 Euro-NCAP，成人的尾撞保护中挥鞭伤部分占4分，相比前碰撞保护16分，侧撞保护16分 China-NCAP 2012年开始增加尾撞颈部保护评价Page 12座椅台车尾撞试验评价与座椅安全相关的法规 美国 FMVSS 202（头枕），FMVSS 207（座椅）欧洲 ECE R17（座椅、固定点、头枕）中国（GB 11550，GB 15083）要求与 FMVSS 相似 要求例举固定要求：座椅在碰撞中不能移动椅背强度测试，规范调角器的强度FMVSS 207:373 NmECE R17:530 NmPage 13颈部挥鞭伤机理、评价指标和损伤容限 颈部挥鞭伤的机理尚不清楚 目前普遍认可的挥鞭伤发生原因：头部和上躯干相对运动过大或过快 防护设计目标:减少头部和上躯干之间的相对运动 有多种评价指标基于颈部速度、加速度、拉伸力、剪切力、弯矩、位移、转角、回弹速度、接触时间 Page 14知识点分割、停顿点防挥鞭伤的原理及保护装置基于座椅的防挥鞭伤保护的效果及存在的问题防挥鞭伤的实现方式防护设计目标:减少头部和上躯干之间的相对运动实现方式基于头枕支撑基于椅背转动基于坐垫运动Page 16基于头枕支撑Self-Inflating Head Restraint(SIHR)Autoliv 1999 尾撞时乘员惯性向后，将气体被从椅背中的大气袋挤到头枕中的小气袋，推动头枕向前伸出Self-aligning head restraint(自发式头枕)Saab(SAHR),Delphi,1996 尾撞中乘员向后的运动带动椅背中的杆系，推动头枕向前和向上运动 纯被动机械机构，所有能量均来自碰撞本身，不引入额外能量Page 17此设计有何问题?基于椅背转动Autoliv 1999 在座椅和滑轨之间安装有预压槽的金属片，使座椅以可控方式向后转动Whiplash Injury Prevention System seat WHIPS by Volvo and Autoliv,1998 尾撞中调角器铰链允许椅背向后转动 减小头部和躯干之间的相对运动 在颈部被拉伸太多之前，头枕能够为头部提供支撑Page 18尾撞下挥鞭伤的保护效果 VOLVO WHIPS 尾撞试验FMVSS 301，刚性碰撞壁 24 km/h碰撞，质量 1820 kgBioRID 假人，假人T1脊椎骨上测得的加速度Source:Lotta Jakobsson,1999Page 19 评价 Volvo and Saab 的座椅尾撞保护装置与同等的没有安装该装置的车相比，能够减少40%超过6个月的颈部损伤症状Source:Maria Krafft,2004目前尾撞颈部保护装置设计存在的短处 基于头枕支撑被动式 头枕位置调整过程的冲击可能会对头部本身造成伤害主动式 头枕频繁的调整可能会干扰乘员 基于椅背转动在高速尾撞中，乘员可能向后滑离座椅约束对调角器设计提出了更高的要求Page 20知识点分割、停顿点关于座椅刚性和柔性的争议关于刚性座椅和柔性座椅的讨论（Stiff seat vs.Yielding seat）柔性座椅（Yielding seat）通过椅背和调角器的变形，减少头胸之间的相对运动，控制颈部的拉伸 交通事故统计表明，在20世纪60到80年代间有出色表现 但在严重的尾撞中，可能会因为椅背过度的转动而对失去对乘员的约束，造成乘员滑出和严重的损伤 刚性座椅（Stiff seat）具有较高的座椅结构和调角器的刚度和强度 20世纪80到90年代出现，交通事故统计表明，增加座椅刚度增大了发生挥鞭伤的风险Page 22关于刚性座椅和柔性座椅长期存在的矛盾和争论 对于不常发生的严重追尾碰撞工况，椅背需要有足够的强度和刚度防止乘员向后滑出，脱离椅背和安全带的约束 对于经常发生的中、低强度的轻微尾撞，椅背需要一定的柔性以减少挥鞭伤的发生Page 23High Retention 座椅(HR seat)Viano 博士提出一种新型的刚柔相济的座椅，可在较宽范围里保护乘员1997-2002年间投入生产(Viano 2002)椅背骨架偏刚性，能够在高速尾撞中约束和保护乘员 椅背中间部分偏柔性，能够允许乘员向后陷入椅背，同时保持椅背基本不转动Stiff frameYielding perimeterPage 24对尾撞乘员保护有重要作用的座椅特性参数 椅背刚度 k(kN/m)(Seat Stiffness)决定乘员向后运动的难易程度阻力来自椅背中间软填充结构的变形和椅背骨架的转动 椅背骨架和调角器强度 j(o/kN)(Frame Strength)决定椅背向后转动的难易程度代表椅背的转动刚度，阻力来自调角器与法规要求的座椅限力 FL(kN)(Seat load Limit)等效Page 25j 和 k 的区别 单位 椅背骨架和调角器强度 j(o/kN)椅背刚度 k(kN/m)j x k(o/m)代表单位假人位移里椅背的转角Page 26Quasi-static Seat Test used by Dr.Viano in 1997 确定方法 通过假人对座椅加载，测量加载力、假人位移、椅背转角 位移包括椅背转角的贡献和椅背填充结构以及假人变形的贡献在尾撞保护中希望降低 j x k 在严重的尾撞事故中 低 j 值代表椅背转角小，调角器刚度大，可保持座椅对乘员的约束作用 在轻微的尾撞事故中 低 k 值代表座椅的柔性高，能够减缓对乘员上躯干的加速，降低头部和上躯干之间的相对运动，进而降低挥鞭伤的风险 刚柔相济的 HR 柔性座椅 低 j 值的高调角器刚度控制椅背向后转动的角度 低 k 值的柔性椅背变形区允许大的乘员向后位移量 通过低 jxk 值，解决柔性和刚性座椅的设计争论Page 27数值越小，椅背强度越大数值越大，座椅越硬2000sYielding,strong seats座椅特性的演变参考文献Viano DC.Seat Design Principles to Reduce Neck Injuries in Rear Impacts.Traffic Injury Prevention,9:552-560,2008.Viano DC.Resolving the Debate Between Rigid(Stiff)and Yielding Seats:Seat Performance Criteria for Rear Crash Safety.2003 SAE International.Viano DC.Influence of Seat Properties on Occupant Dynamic in Severe Rear Crashes.Traffic Injury Prevention,4(4),2003.Viano DC.Seat Properties Affecting Neck Responses in Rear Impacts:A Possible Reason Why Whiplash Has Increased.Traffic Injury Prevention,4(3):214-227,2003.Viano DC.Energy Transfer to an Occupant in Rear Crashes:Effect of Stiff and Yielding Seats.2003-01-0180,SAE,Warrendale,PA,2003.Viano DC.High Retention Seat Performance in Quasistatic Seat Tests.2003-01-0173,Society of Automotive Engineers,Warrendale,PA,2003 Viano DC.Effectiveness of High Retention Seats in Prevention Fatalities:Initial Trends.2003-01-1351,Society of Automotive Engineers,Warrendale,PA,2003 Douglas P.Romilly,Chris S.Skipper.Seat Structural Design Choices and the Effect on Occupant Injury Potential in Rear End Collisi-Page 28知识点分割、停顿点基于座椅滑动的尾撞乘员保护基于座椅滑动的尾撞乘员保护 在尾撞中，座椅在乘员惯性力的作用下向后滑动一段距离，此距离上的吸能机构耗散一部分碰撞能量 座椅和乘员向后滑动可减少头部和胸部之间的相对运动，降低颈部挥鞭伤的风险碰撞方向座椅滑动吸收碰撞能量Page 30基于座椅滑动的尾撞乘员保护装置的优势 被动的保护手段，不需要传感器检测 在座椅滑动中耗散碰撞能量 可拓展为自适应保护，设计可调的滑动阻力和滑动行程应对不同碰撞强度和乘员身材 允许座椅有较高强度和刚度，有利于高速尾撞保护 将椅背和调角器从尾撞保护的设计约束中解放出来降低设计难度，减少质量 可避开主动头枕可能伤害头部的问题Page 31Refs:Meng Luo,Qing Zhou.A vehicle seat design concept for reducing whiplash injury risk in low-speed rear impact.Int J of Crashworthiness,15(2010),293-311.周青 张晓伟.用于追尾碰撞的颈部保护的平动吸能座椅.中国专利 ZL 2010 1 02000843.8 知识点分割、停顿点自适应乘员约束系统
