【法规解读】汽车座椅主动式头枕与FMVSS202a低速后碰试验解析

2021-09-17 23:57:26·  来源:汽车座椅验证  
 
01、汽车座椅主动式头枕按照FMVSS202a的要求,制造商可以选择对头枕进行全尺寸校核和静态性能试验,也可以选择对头枕进行宽度校核与动态碰撞试验。但是一般来说
01、汽车座椅主动式头枕
按照FMVSS202a的要求,制造商可以选择对头枕进行全尺寸校核和静态性能试验,也可以选择对头枕进行宽度校核与动态碰撞试验。
但是一般来说制造商们会更偏向于选择前者,因为相对动态碰撞实验,静态实验条件简单,可控性好,实验更容易满足。
FMVSS202a之所以增加后碰实验的选项,主要有两个目的:
首先相对静态实验,动态碰撞实验更能反应实际事故中座椅的表现。

另外更重要的一点是,NHTSA认为主动式头枕(Active Headrestraint)可以最大限度地降低鞭打损伤风险,所以希望通过增加动态实验这一选项,引导和鼓励制造商去研发更好的主动式头枕。
那么什么是主动式头枕?
主动式头枕是指在碰撞发生时,头枕可以主动向前/向上移动,更快地接住乘员的头部,减小乘员颈部运动行程,从而保护乘员免遭鞭打伤。


早在1997年瑞典萨博SAAB汽车公司便开始采用主动式头枕。之后沃尔沃、B.B.A、丰田、日产、现代等公司也分别推出了自己的主动式头枕。不过这类头枕由于制作成本较高,所以目前多用于高配汽车上面。


主动式头枕从感应方式上主要可以分为两种,
一种是通过乘员的质量作用在座位靠背上启动防护装置,头枕自动向前、向上移动。这类头枕可以在丰田、现代的车上看到。
 
另一种是通过车载传感器来监测追尾事故的发生,第一时间向头枕发出向前、向上的指令(头枕内预压紧的弹簧突然释放)。这类头枕可以在宝马,奔驰的车上看到。
 
还有一种方案是沃尔沃的WHIPS鞭打保护系统(Whiplash Protection System),该系统的核心思路是在座椅靠背与坐盆之间增加一套连接机构,后碰发生时候,连接机构会推动靠背和头枕轻微上移前倾,随后座椅靠背角迅速增加,如此可以大大减少躯干与头部的相对运动。
 
因为主动式头枕的展开或者移动需要一定的行程,所以初始状态的头枕,并不一定能满足尺寸或静态测试的要求,另外静态实验也无法反映出主动式头枕的表现。综上所述安排一个动态实验就显得尤为必要。

02、FMVSS202a 低速后碰试验解析

碰撞假人
FMVSS202a要求使用HIII 50男性假人进行测试。
可能有人会问,既然是考察鞭打,为什么不用颈部更灵活的BioRID假人?即便采用HIII假人,为什么不用AM95或者AF05体型假人?


针对这些问题,NHTSA在该法规的背景介绍中提到,首先目前FMVSS体系引入的前后成年碰撞假人只有HIII50和HIII05假人,没有BioRID 或HIII95假人。另外AM50可以很好地涵盖AF05的风险,并且已有研究证明HIII50假人具备预测鞭打风险的能力,综述所述,HIII 50假人是当前最合适的选择。


不过可以肯定的是,随着法规体系的不断完善,采用更加精确的碰撞假人也是大势所趋。如最近的UN R17-10新增的动态后撞实验就开始要求采用BioRID II UN假人。(关于BioRID假人,HIII假人,AM95/50,AF05等假人相关知识,以后再做介绍)

滑车系统

该试验还需要一套核心设备,那就是滑轨碰撞模拟系统。

滑车用于搭载测试车身或零部件,通过碰撞模拟设备,使滑车按照设定的波形进行加速或减速运动,从而模拟实际的碰撞环境。


碰撞模拟设备一般分为加速型和减速型两种。加速型设备是通过自带的驱动和制动装置共同作用于滑车,使其进行加速运动,这种设备可以生复杂的波形,精度和可重复性更高。


减速型设备是通过设计好的吸能或阻尼装置迫使滑车进行减速运动,这种设备成本低,但是精度较差,仅用于模拟简单的波形。


数据采集记录系统:高速摄像机用于记录碰撞过程并捕捉标记点的位移,电测系统用于记录台车加速度和传感器输出曲线等。同时还需要灯光系统以配合高速摄像功能。


座椅调节
将座椅安装在试验滑车上;
座椅调高调整到最低位置;
座椅滑轨调整到中间位置,若中间位置无法锁止则往后调整到最近锁止位置;
座椅头枕调整到高度中间位置,如果中间位置无法锁止则将头枕降低到最近锁止位置。头枕水平方向调整到最后位置;
座椅靠背将Torso Angle调整到25°,如果25°无法锁止,则往后调整到最近能锁止的位置;


座椅安装好座椅之后,一般需要用SAE J826假人测量座椅的H点、靠背角和头后间隙以检查座椅状态;


假人摆放
确认座椅状态满足设计要求后,开始摆放HIII 50碰撞假人。假人的摆放以上一步HRMD测出的结果为依据。


H点目标值是SAE J826假人测出的H点(X方向不变,Z方向-6),允许偏差±12.7mm(0.5英寸)
骨盆角目标值是22.5°,允许偏差±2.5°
头部测量平台角度目标是0°,允许偏差±0.5°
膝盖中心距离和脚踝中心距离为200mm±10mm
手臂贴紧靠背发泡,手指放在大腿两侧的坐盆上


碰撞曲线
碰撞加速度曲线如下图,为半周期的正弦曲线,曲线的峰值为86m/s^2(8.8g), 时长88ms,速度17.3±0.6km/h。


碰撞开始时间为加速达到0.25 g的时刻。
评价基准
该动态实验有两项评价标准:
1. 假人头部相对躯干的转动角度不大于12°,这一项很好理解,即头部后仰的角度,研究表面当相对转动角度为12°时,发生鞭打概率为7.3%。选择该值可以较好地照顾到AM95同工况下的风险。


2. 假人头部加速度HIC15不大于500 ,这一项则是为了考察头枕吸能的效果,HIC15不大于500的要求与80g不长于3ms的要求类似,而采用HIC则可以更好的对标FMVSS208。


接下来简单介绍一下HIC15,

03

碰撞假人头部HIC 的起源与发展

关于HIC,还要从韦恩伤害曲线说起。在该曲线发布后,Gadd基于此提出了头部冲击剧烈程度指数(Severity Index, SI),该曲线将伤害值定义为加速度峰值和作用时间的乘积,


式中a为头部重心合加速度,T为加速度作用时间。
在发生正面碰撞的情况下,SI的脑震荡阈值为1000,不发生接触的情况下为1500。
为了适用于多种头部加速度波形,Versace利用任意时刻T1和T2之间的平均加速度定义了头部损伤指标(Head Injury Criterion, HIC)
在任意两个时间点T1和T2之间,平均加速度可以表示为


同时考虑到时间因素和头部的加权指数2.5,构建一个新的头部伤害指数


最终得到的HIC计算公式为:


NHTSA在1972年开始采用上式用于碰撞实验的假人伤害评价计算。


在公式确定之后,接下来最重要的工作就是确定接触时间的区域,起初NHTSA对∆t=t1-t2的时间区域长短规定是任意的。不过经验发现,比36ms更长的时间加速度并不会带来更大的伤害,因此选择了HIC36=1000作为头部加速度的耐受极限。
但是后来通过志愿者实验研究表明,实验对象承受了高于1000的HIC36冲击后,并没有出现头部损伤和脑组织损伤,因此认为HIC36高估了头部与安全气囊接触发生长时间撞击时的伤害风险。
如果缩短区间,更多的尖细加速度峰值会被纳入伤害计量中,会导致HIC值上升,有文献基于数百次NCAP实验数据观察,认为HIC15的700限值和HIC36的1000限值对长时间事件的评价没有严格区别,因此限值降低到700,但是HIC15的标准相对更加严格。
基于大量的事故调查和实验分析,发现HIC15达到500的耐受极限时,乘员头部有18.8%的概率造成AIS 2+等级的损伤。
以上便是关于汽车座椅安全头枕和FMVSS202a 低速后碰实验解析的全部内容。
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