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[复合材料] 汽车追尾碰撞中座椅头枕控制方法的研究

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发表于 2015-9-3 06:24:37 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本文通过调查汽车追尾碰撞的事故数据,分析了追尾碰撞对头部及颈部带来的严重损伤,然后通过使用主动式头枕、增大头枕高度和减小头枕Backset/Height值等控制方法,有效地降低了汽车追尾碰撞对人体的伤害。
        公安部交管局发布的数据显示,近期全国高速公路交通事故总体平稳,事故起数、死亡人数、受伤人数和直接财产损失同比都有所下降,但高速公路较以上交通事故仍在高位徘徊。其中,追尾碰撞事故仍是高速公路典型事故形态,占事故总数的71.1%。
        当一辆车被追尾时,车辆会加速向前,同时车座施压推动乘客的身体往前,头部却因惯性而滞后,这种滞后将持续到颈部加速甩向前方,最多能承受90°弯曲的头颈,在瞬间便会受到创伤,追尾碰撞中头部运动过程如图1所示。在短时间内,当汽车加速与减速的力量全部挤压到脆弱的颈部时,即使车速只有10 km/h,驾驶者也有受伤的危险。因此,在追尾事故中颈部受伤者所占比例非常高,而多数是由于在事故发生的一刹那未能得到汽车头枕的有效的保护所致。
       

汽车追尾碰撞中座椅头枕控制方法的研究

汽车追尾碰撞中座椅头枕控制方法的研究

        图1  追尾碰撞头部运动过程

        汽车座椅头枕定义及其相关标准
        汽车座椅头枕是用于限制成年乘员头部相对于其躯干后移,以减轻在发生碰撞事故时颈椎可能受到的伤害程度的装置,属于被动安全领域。联合国欧洲经济委员会(ECE)、美国、日本和澳大利亚等发达国家已经就座椅头枕的安全性能制定了一系列技术法规和标准,如ECE R17-《关于车辆座椅、座椅固定装置以及头枕认证的统一规定》、ECE R25-《关于头枕(不论其是否与座椅连成一体)认证的统一规定》和GMW-XXXXX-《头枕系统性能试验》等。
        而早在2009年,欧洲NCAP就已将汽车座椅及头枕碰撞的结果纳入新的碰撞试验评价标准中。其中,座椅及头枕评价被列入成人保护项进行评分。
        目前,我国也已将汽车座椅头枕的安全性能列入整车性能的必检项目之一,并制定了国家强制性标准GB11550-1995《汽车座椅头枕强度要求和试验方法》、GB15083-1994《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》,当前,已分别更新至2009版和2006版。
        汽车追尾碰撞中座椅头枕的控制方法研究
        座椅头枕的安全性能的好坏直接关系到追尾碰撞事故中车内人员的人身安全。在汽车追尾碰撞事故中,人的颈部会极度甩动,对于安全性能优异的头枕,可以确保在最短时间内有效地托住头部,避免颈部过度拉伸。通过使用主动式头枕、增大头枕高度和减小头枕Backset/Height值等控制方法,可有效地降低汽车追尾碰撞对人体的伤害。
        1. 使用主动式头枕
        主动式头枕是一种机械系统,它由上方的衬垫支撑,通过一条连杆连接至座椅靠背内的压力板。当汽车遭后方碰撞时,乘客的身体由于受到撞击力的作用撞向靠背,推动机械式触发器进行工作,确保在头颈猛烈晃动之前,托住乘客的头颈,避免乘员受伤(原理见图2)。同时,主动式头枕的另一项优点是在使用完成后,它会自动回位,无须进行维修或更换。
       

汽车追尾碰撞中座椅头枕控制方法的研究

汽车追尾碰撞中座椅头枕控制方法的研究

        图2  主动式头枕工作原理

        据调查,配备主动式头枕时,可降低75%由追尾碰撞所造成的颈椎伤害。目前,主动式头枕只应用在一些高档轿车/SUV中,成本很高,对座椅骨架的要求也更高,所以大部分汽车厂家都未能配备主动式头枕,尚停留在被动式头枕或独立式头枕的层次上。
        2. 增大头枕高度
        生活中,很少驾乘者能够做到正确地使用头枕。他们在上车之后,多数只调节一下后视镜及座椅的前后位置,而没有根据自己身高及头部所在位置去主动调节头枕的高度。事实上,汽车座椅头枕是很重要的安全装置,头枕高度是否能与驾乘者身高完全匹配,直接决定了发生追尾碰撞时,头枕能否有效地托住头部,以减轻瞬间剪切力对人颈椎的伤害。
       

汽车追尾碰撞中座椅头枕控制方法的研究

汽车追尾碰撞中座椅头枕控制方法的研究

        头枕高度是指从R点到切线S的距离h,(R点是指假人躯干与大腿的相交中心点,理论上与H点一致,切线S是沿头枕表面做与大腿曲线平行的线,如图3所示)。对于高度可调的头枕,前、后排座椅高度要求值见表1,其中枕用部分高度必须≥100mm。当头枕角度相同时,随着头枕的高度增加,头部和头枕的接触部位由颅底变化到头的后上部,头枕对头部的反作用力由向前逐渐变化到向上,使上颈部的轴向力随着头枕高度的增加而减小。在发生追尾碰撞且当乘员的头部位于较低的头枕位置时,头部会沿座椅向上滑动使头部越过头枕的顶部,导致头部向后转动的角度增大。而增高的头枕可以有效阻止这种趋势,从而减小剪切力,减少对颈部的损害。因此,驾乘者在上车后,需要根据自己的身高调节头枕高度,确保头枕能够更好地保护自己。此方法无其他成本,只需养成良好的驾车习惯,是保护头部的最简单有效的办法。
       

汽车追尾碰撞中座椅头枕控制方法的研究

汽车追尾碰撞中座椅头枕控制方法的研究

        图3  头枕高度示意

        3. 控制头枕Backset/Height值
        一些乘员为了追求更舒服的坐姿,习惯将座椅靠背向后调,这导致了人体背部的过度倾斜。此外,人眼视线为了能快速辨识前方路况,头部必然会往前伸,这时头部和头枕间的距离就会增大,当发生碰撞时,车辆急剧减速,头枕无法起到保护头部的作用。
        为确保人体跟头枕的相对安全位置,这里需要对头枕的Backset/Height值进行合理控制。头枕的Backset值是指头后部和头枕的水平最短距离,用B表示;头枕的Height值是指头顶部和头枕的垂直最短距离,用H表示。以头顶所在位置为水平线,以头后部为垂直线,两线交叉点为原点,头枕Backset/Height值示意图及推荐值如见图4及表2所示。
       

汽车追尾碰撞中座椅头枕控制方法的研究

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        图4  头枕Backset/Height值示意

        因此,根据头枕Backset值评判原则,乘员不能过度后调座椅靠背,应保持头枕Backset值和Height值均在绿色区域内。调整时,应与人眼视线平行,能看到头枕上表面,且头部能比较舒服地靠在头枕上为最佳调节位置,这样可使头枕能更有效地保护头部。此方法操作简单,手握半拳竖直放置在头后部即可比较容易地检查头枕Backset值,也是保护头部的简单有效的方法。
       

汽车追尾碰撞中座椅头枕控制方法的研究

汽车追尾碰撞中座椅头枕控制方法的研究

        总结
        本研究中,详细分析了提高主动式头枕使用率、增大头枕高度及控制头枕Backset/Height值三种方法在车辆追尾事故中的应用,并对其进行了对比。结果表明,适当增加头枕高度和控制Backset/Height值是有效保护头部的简单有效的方法,可大大降低汽车追尾碰撞对颈部的损伤。
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