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摘要：追尾事故在汽车交通事故中占有很高比例，通过鞭打试验对追尾事故进行研究，提升汽车座椅安全性，降低驾乘人员在追尾事故中受到的伤害。本文通过介绍汽车座椅鞭打试验的发展、试验评分和试验方法以及鞭打改善的措施，让读者知晓汽车座椅鞭打试验。
Abstract： Rear-end collisions account for a high proportion of automobile traffic accidents. This paper studies the rear-end collisions through whiplash test. In order to improve the safety of car seats and reduce the injuries of drivers and passengers in the rear-end collisions. This paper introduces the development of whiplash test， test score， test method and improvement measures of whiplash test to let readers know about whiplash test of car seats.
关键词：汽车座椅;鞭打试验;C-NCAP;鞭打提升
Key words： car seats;whiplash test;C-NCAP;whiplash improvement
中图分类号：U471.21 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）14-0198-02
0 引言
我国汽车行业伴随着我国经济的快速提升而飞速发展，在2020年我国汽车产量2522.5万辆，汽车销售量2531.1萬辆，汽车年产销量连续12年位居全球汽车行业第一。此外，查询我国交通管理局最新消息，在2020年我国机动车保有量已达3.72亿辆，这其中汽车保有量是2.81亿辆。同时，我国汽车驾驶员达4.18亿人，在2020年新领证驾驶员2231万人[1]。
汽车在给我们提供方便和驾驶快乐的同时，出现的交通事故也同样带来了许多伤害。在汽车交通事故中追尾事故有着较高的发生概率，虽然追尾事故造成的死亡人数比例较小，但因其受伤的人数却占有很高的比例，并且受伤后很难痊愈[2]。在发生追尾交通事故时，被追尾的汽车会因较大的加速度而向前移动，驾乘人员的躯干此时会随着座椅继续向前。因为惯性作用的原因，驾乘人员的头部会出现滞后，这种躯干和头部运动的错位会使得驾乘人员颈部遭受非常大的拉伸力，驾乘人员头部如同“鞭梢”被颈部甩向躯干后方，发生的这种现象我们称为“挥鞭效应”[3]。挥鞭效应会对颈部造成伤害且不易痊愈，其产生的伤害已成为最严重的交通事故次要伤害之一。
1 鞭打试验评分
1.1 鞭打试验发展
自1979年美国启用NCAP评价体系开始，汽车消费者们逐渐开始关注并去了解汽车安全性[4]。为了降低“挥鞭伤”对颈部造成的伤害，中国汽车技术研究中心于2006年正式发布了第一版C-NCAP。并且在2012年版本中正式增加了“鞭打试验”。此后，C-NCAP进行了多次更新和完善，推出了2015年版和2018年版。目前使用的C-NCAP（2018年版）在2018年7月1日正式实施。
此外《C-NCAP管理规则（2021年版）》已经在2020年8月25日正式发布，将在2022年1月1日正式实施，2021年版首次增加了第二排鞭打试验要求，进一步关注全车驾乘人员颈部安全。C-NCAP增加“鞭打试验”评价项目，促使汽车企业关注驾乘人员在追尾事故中受到的伤害，重视驾乘人员颈部安全，进一步改进汽车座椅安全设计，提升整车安全性。
1.2 鞭打试验评分标准
在2021年版中，座椅鞭打试验满分为5分。评价分数通过安装在试验假人身上传感器测得的鞭打试验伤害指数进行评价。试验假人传感器测量数据有以下三组：第一组是传感器测量的假人头部和胸部加速度值计算出的颈部伤害指数（NIC），该组满分为2分;第二组是假人上颈部的载荷（FX+/FZ+）和扭矩（MY），该组满分1.5分;第三组是假人下颈部的载荷（FX+/FZ+）和扭矩（MY），该组满分1.5分。鞭打试验评分同时设定三组罚分项：第一组是座椅靠背最大动态张角不满足要求，扣2分;第二组是头枕干涉头部空间不满足要求，扣2分;第三组是座椅滑轨动态位移不满足要求，扣5分。鞭打试验最终得分的最低分是0分，无负分。在2021版的C-NCAP中新增加第二排座椅鞭打试验，评分方式与驾驶座评分一致，最终得分需要乘以0.4，因此第二排鞭打试验满分为2分。
颈部伤害值（NIC）是根据试验假人头部加速度和胸部T1加速度计算得出，其中高性能限值：8m2/s2;低性能限值：30m2/s2。上颈部载荷包含上颈部剪切力FX+、上颈部拉力FZ+，其中上颈部剪切力Fx+高性能限值：340N;低性能限值：730N;上颈部拉力Fz+高性能限值：475N;低性能限值：1130N;上颈部扭矩MY高性能限值：12N.m;低性能限值：40N.m。下颈部载荷包含下颈部剪切力FX+、下颈部拉力FZ+，其中下颈部剪切力FX+高性能限值：340N;低性能限值：730N;下颈部拉力FZ+高性能限值：257N;低性能限值：1480N;上颈部扭矩MY高性能限值：12N.m;低性能限值：40N.m。鞭打试验评分基于以上7个评价指标，试验标准中的高性能限值和低性能限值，分别得分是满分和0分。如果这个7个评价指标试验测得的数值位于高、低性能之间，则需要使用线性插值计算进行得分换算，并且所有的得分均需要保留三位小数。 座椅靠背动态张角是通过试验影像进行评价，在试验过程中靠背张角最大变化量需要小于25.5°，否则进行罚分。头枕干涉头部空间是通过调节测量座椅进行评价，不允许出现座椅头枕与HRMD干涉情况，否则进行罚分。座椅滑轨动态位移同时试验影像进行评价，在动态试验过程中，要求滑轨位移最大值小于20mm，否则进行罚分。
2 鞭打试验方法
2.1 鞭打试验设置
根据2021年版鞭打试验方法，将驾驶员座椅和相关约束装置模拟原车，固定安装在试验移动滑车上，其中，试验移动滑车以特定的加速度波形进行发射，其速度变化范围是20.0±1.0km/h，模拟汽车追尾交通事故。在试验座椅上摆放BioRID Ⅱ型试验假人，通过假人身上的传感器测量其颈部伤害指标的数值大小，用以确定驾乘人员颈部被汽车座椅头枕的保护情况[5]。此外，第二排座椅的鞭打试验方法同前排座椅试验方法，第二排左右侧位置随机选取放置BioRID Ⅱ型假人，测量试验过程中假人颈部伤害情况，如图1鞭打试验示意。
2.2 试验座椅状态
鞭打试验使用的座椅，是由C-NCAP管理中心从被试验汽车品牌的汽车经销商处进行采购，然后在现场从购买的实车上拆下。试验座椅到达实验室后，需对试验座椅的外观、型号和基本参数确认后，进行拍照记录留存。
对于前后可以调节座椅，试验座椅前后调节至中间位置，如果不能调节到前后的中间位置，则需要向后调节到接近中间位置的锁止位置。对于上下可以调节座椅，要求座椅调节到上下中间位置，如果不能调节到上下的中间位置，则需向下调节到接近中间位置的锁止位置。座椅靠背调节需到满足HPM装置躯干角25±1°的范围内。头枕高度调节至中间位置，如果中间位置无锁止位置且向上10mm无锁止位置，则需向下調节到下一锁止位置。
2.3 试验滑车试验波形
《C-NCAP管理规则（2021年版）》要求加速度波形应准确的控制在0ms至170ms的时间范围内，以满足试验要求。其中试验滑车的速度变化量应控制在ΔV=20.0±1.0km/h，试验滑车波形持续时间为ΔT=103±3ms。其中加速度波形的速度2021版与2018版一致，均为20.0±1.0km/h。相比2015版15.65±0.8km/h进行了提升，难度提高，这样的速度能够覆盖到追尾事故中70%的伤害概率。表1加速度波形对比可以看出，最新的鞭打试验，座椅试验的速度提高，持续的时间加长。表明鞭打试验的要求更加严格，试验难度加大，对汽车座椅的安全性设计提出了更加严格的要求。
3 鞭打试验改善措施
明确鞭打的评分标准，在保证试验座椅不罚分的情况下，提高鞭打得分即需要改善NIC、上颈部载荷（FX+/FZ+）和扭矩（MY）以及下颈部载荷（FX+/FZ+）和扭矩（MY）这7项伤害指标试验分值。改善措施主要有减小鞭打位置假人头部和头枕的X向距离，加快头部的接触时间，改善NIC、使头枕高于假人头部，改善颈部上拉力、增加假人的穿透性，改善NIC、增加头枕与靠背的刚度，改善颈部上拉力和NIC值。目前座椅上采用的主动式头枕，就是利用了鞭打试验研究成果，该头枕可以在发生追尾事故时，在躯干与靠背的接触过程中，头枕能够自动向前与驾乘人员头部接触，减小头部和头枕的X向距离和接触时间，达到保护颈部的效果。较小的头后间隙头枕设计，但间隙过小会使得驾乘人员有顶头的不适感，如果兼顾舒适性，一般推荐鞭打位置头枕间25～35mm。
4 结束语
随着鞭打试验标准不断提高，通过了解鞭打试验的评分机制和试验方法，研究改善鞭打得分的措施，为汽车座椅的安全性设计提供思路，降低因追尾事故对驾乘人员颈部造成的伤害，使汽车座椅起到更好的驾乘人员保护作用，使汽车更加安全。
参考文献：
[1]中华人民共和国公安部，政府信息公开[EB/OL].https：//app.mps.gov.cn/gdnps/pc/content.jsp？id=7647257. 2021-01-07.
[2]李瑞生.某汽车座椅鞭打性能的研究与优化[D].吉林：吉林大学，2016.
[3]孙岚颖.某轿车座椅鞭打试验性能研究及改进[J].汽车零部件，2013（4）：56-57，70.
[4]C-NCAP管理规则（2021年版）[S].天津：中国汽车技术研究中心，2021.
[5]党雪，芒方锐，谢书港.等.某驾驶员座椅鞭打性能分析及优化[J].机电工程，2015（2）：190-195.
Abstract： Rear-end collisions account for a high proportion of automobile traffic accidents. This paper studies the rear-end collisions through whiplash test. In order to improve the safety of car seats and reduce the injuries of drivers and passengers in the rear-end collisions. This paper introduces the development of whiplash test， test score， test method and improvement measures of whiplash test to let readers know about whiplash test of car seats.
关键词：汽车座椅;鞭打试验;C-NCAP;鞭打提升
Key words： car seats;whiplash test;C-NCAP;whiplash improvement
中图分类号：U471.21 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）14-0198-02
0 引言
我国汽车行业伴随着我国经济的快速提升而飞速发展，在2020年我国汽车产量2522.5万辆，汽车销售量2531.1萬辆，汽车年产销量连续12年位居全球汽车行业第一。此外，查询我国交通管理局最新消息，在2020年我国机动车保有量已达3.72亿辆，这其中汽车保有量是2.81亿辆。同时，我国汽车驾驶员达4.18亿人，在2020年新领证驾驶员2231万人[1]。
汽车在给我们提供方便和驾驶快乐的同时，出现的交通事故也同样带来了许多伤害。在汽车交通事故中追尾事故有着较高的发生概率，虽然追尾事故造成的死亡人数比例较小，但因其受伤的人数却占有很高的比例，并且受伤后很难痊愈[2]。在发生追尾交通事故时，被追尾的汽车会因较大的加速度而向前移动，驾乘人员的躯干此时会随着座椅继续向前。因为惯性作用的原因，驾乘人员的头部会出现滞后，这种躯干和头部运动的错位会使得驾乘人员颈部遭受非常大的拉伸力，驾乘人员头部如同“鞭梢”被颈部甩向躯干后方，发生的这种现象我们称为“挥鞭效应”[3]。挥鞭效应会对颈部造成伤害且不易痊愈，其产生的伤害已成为最严重的交通事故次要伤害之一。
1 鞭打试验评分
1.1 鞭打试验发展
自1979年美国启用NCAP评价体系开始，汽车消费者们逐渐开始关注并去了解汽车安全性[4]。为了降低“挥鞭伤”对颈部造成的伤害，中国汽车技术研究中心于2006年正式发布了第一版C-NCAP。并且在2012年版本中正式增加了“鞭打试验”。此后，C-NCAP进行了多次更新和完善，推出了2015年版和2018年版。目前使用的C-NCAP（2018年版）在2018年7月1日正式实施。
此外《C-NCAP管理规则（2021年版）》已经在2020年8月25日正式发布，将在2022年1月1日正式实施，2021年版首次增加了第二排鞭打试验要求，进一步关注全车驾乘人员颈部安全。C-NCAP增加“鞭打试验”评价项目，促使汽车企业关注驾乘人员在追尾事故中受到的伤害，重视驾乘人员颈部安全，进一步改进汽车座椅安全设计，提升整车安全性。
1.2 鞭打试验评分标准
在2021年版中，座椅鞭打试验满分为5分。评价分数通过安装在试验假人身上传感器测得的鞭打试验伤害指数进行评价。试验假人传感器测量数据有以下三组：第一组是传感器测量的假人头部和胸部加速度值计算出的颈部伤害指数（NIC），该组满分为2分;第二组是假人上颈部的载荷（FX+/FZ+）和扭矩（MY），该组满分1.5分;第三组是假人下颈部的载荷（FX+/FZ+）和扭矩（MY），该组满分1.5分。鞭打试验评分同时设定三组罚分项：第一组是座椅靠背最大动态张角不满足要求，扣2分;第二组是头枕干涉头部空间不满足要求，扣2分;第三组是座椅滑轨动态位移不满足要求，扣5分。鞭打试验最终得分的最低分是0分，无负分。在2021版的C-NCAP中新增加第二排座椅鞭打试验，评分方式与驾驶座评分一致，最终得分需要乘以0.4，因此第二排鞭打试验满分为2分。
颈部伤害值（NIC）是根据试验假人头部加速度和胸部T1加速度计算得出，其中高性能限值：8m2/s2;低性能限值：30m2/s2。上颈部载荷包含上颈部剪切力FX+、上颈部拉力FZ+，其中上颈部剪切力Fx+高性能限值：340N;低性能限值：730N;上颈部拉力Fz+高性能限值：475N;低性能限值：1130N;上颈部扭矩MY高性能限值：12N.m;低性能限值：40N.m。下颈部载荷包含下颈部剪切力FX+、下颈部拉力FZ+，其中下颈部剪切力FX+高性能限值：340N;低性能限值：730N;下颈部拉力FZ+高性能限值：257N;低性能限值：1480N;上颈部扭矩MY高性能限值：12N.m;低性能限值：40N.m。鞭打试验评分基于以上7个评价指标，试验标准中的高性能限值和低性能限值，分别得分是满分和0分。如果这个7个评价指标试验测得的数值位于高、低性能之间，则需要使用线性插值计算进行得分换算，并且所有的得分均需要保留三位小数。 座椅靠背动态张角是通过试验影像进行评价，在试验过程中靠背张角最大变化量需要小于25.5°，否则进行罚分。头枕干涉头部空间是通过调节测量座椅进行评价，不允许出现座椅头枕与HRMD干涉情况，否则进行罚分。座椅滑轨动态位移同时试验影像进行评价，在动态试验过程中，要求滑轨位移最大值小于20mm，否则进行罚分。
2 鞭打试验方法
2.1 鞭打试验设置
根据2021年版鞭打试验方法，将驾驶员座椅和相关约束装置模拟原车，固定安装在试验移动滑车上，其中，试验移动滑车以特定的加速度波形进行发射，其速度变化范围是20.0±1.0km/h，模拟汽车追尾交通事故。在试验座椅上摆放BioRID Ⅱ型试验假人，通过假人身上的传感器测量其颈部伤害指标的数值大小，用以确定驾乘人员颈部被汽车座椅头枕的保护情况[5]。此外，第二排座椅的鞭打试验方法同前排座椅试验方法，第二排左右侧位置随机选取放置BioRID Ⅱ型假人，测量试验过程中假人颈部伤害情况，如图1鞭打试验示意。
2.2 试验座椅状态
鞭打试验使用的座椅，是由C-NCAP管理中心从被试验汽车品牌的汽车经销商处进行采购，然后在现场从购买的实车上拆下。试验座椅到达实验室后，需对试验座椅的外观、型号和基本参数确认后，进行拍照记录留存。
对于前后可以调节座椅，试验座椅前后调节至中间位置，如果不能调节到前后的中间位置，则需要向后调节到接近中间位置的锁止位置。对于上下可以调节座椅，要求座椅调节到上下中间位置，如果不能调节到上下的中间位置，则需向下调节到接近中间位置的锁止位置。座椅靠背调节需到满足HPM装置躯干角25±1°的范围内。头枕高度调节至中间位置，如果中间位置无锁止位置且向上10mm无锁止位置，则需向下調节到下一锁止位置。
2.3 试验滑车试验波形
《C-NCAP管理规则（2021年版）》要求加速度波形应准确的控制在0ms至170ms的时间范围内，以满足试验要求。其中试验滑车的速度变化量应控制在ΔV=20.0±1.0km/h，试验滑车波形持续时间为ΔT=103±3ms。其中加速度波形的速度2021版与2018版一致，均为20.0±1.0km/h。相比2015版15.65±0.8km/h进行了提升，难度提高，这样的速度能够覆盖到追尾事故中70%的伤害概率。表1加速度波形对比可以看出，最新的鞭打试验，座椅试验的速度提高，持续的时间加长。表明鞭打试验的要求更加严格，试验难度加大，对汽车座椅的安全性设计提出了更加严格的要求。
3 鞭打试验改善措施
明确鞭打的评分标准，在保证试验座椅不罚分的情况下，提高鞭打得分即需要改善NIC、上颈部载荷（FX+/FZ+）和扭矩（MY）以及下颈部载荷（FX+/FZ+）和扭矩（MY）这7项伤害指标试验分值。改善措施主要有减小鞭打位置假人头部和头枕的X向距离，加快头部的接触时间，改善NIC、使头枕高于假人头部，改善颈部上拉力、增加假人的穿透性，改善NIC、增加头枕与靠背的刚度，改善颈部上拉力和NIC值。目前座椅上采用的主动式头枕，就是利用了鞭打试验研究成果，该头枕可以在发生追尾事故时，在躯干与靠背的接触过程中，头枕能够自动向前与驾乘人员头部接触，减小头部和头枕的X向距离和接触时间，达到保护颈部的效果。较小的头后间隙头枕设计，但间隙过小会使得驾乘人员有顶头的不适感，如果兼顾舒适性，一般推荐鞭打位置头枕间25～35mm。
4 结束语
随着鞭打试验标准不断提高，通过了解鞭打试验的评分机制和试验方法，研究改善鞭打得分的措施，为汽车座椅的安全性设计提供思路，降低因追尾事故对驾乘人员颈部造成的伤害，使汽车座椅起到更好的驾乘人员保护作用，使汽车更加安全。
参考文献：
[1]中华人民共和国公安部，政府信息公开[EB/OL].https：//app.mps.gov.cn/gdnps/pc/content.jsp？id=7647257. 2021-01-07.
[2]李瑞生.某汽车座椅鞭打性能的研究与优化[D].吉林：吉林大学，2016.
[3]孙岚颖.某轿车座椅鞭打试验性能研究及改进[J].汽车零部件，2013（4）：56-57，70.
[4]C-NCAP管理规则（2021年版）[S].天津：中国汽车技术研究中心，2021.
[5]党雪，芒方锐，谢书港.等.某驾驶员座椅鞭打性能分析及优化[J].机电工程，2015（2）：190-195.