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[复合材料] 轿车座椅头枕鞭打性能研究

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发表于 2015-5-30 11:03:22 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本文详细阐述了汽车座椅头枕鞭打试验的背景以及国内外对于汽车座椅安全性研究的发展。介绍了美国FMVSS202a、IIHS以及欧洲Euro NCAP的试验要求,并且针对这些试验具体说明了座椅头枕的设计要点,以及靠背骨架和金属零部件无侵入限制要求。
        汽车座椅是将乘员与车身联系起来的重要的内饰零部件,其性能直接影响整车的安全性。座椅的结构分为头枕、靠背、座垫、座椅总成与车身链接的固定部件,本文主要介绍头枕的安全性设计。
        座椅头枕的作用是:首先,当后撞发生时,座椅头枕是用于限制成年乘员头部相对于其躯干的后移,减轻在发生碰撞事故中颈椎受到的伤害程度;其次提供乘员颈椎和头部依靠,提升舒适性。所以头枕的核心机构、内部骨架、轮廓尺寸以及与座椅骨架的连接方式的设计就要充分考虑安全性,同时兼顾舒适性要求。
        座椅头枕的研究现状
        国外各大汽车厂商以及保险公司对座椅头枕安全设计的研究开始于20世纪50年代,研究发现汽车在后撞过程中,乘员头部会在惯性力的作用下迅速后仰,超出颈部正常的活动范围,导致颈部软组织受损(特别是韧带、肌腱和肌肉),即头部鞭打(Whiplash)。头部鞭打绝大多数发生在车速高于15km/h的事故中。很多人因头部鞭打造成的脖子、肩膀和背部疼痛、眩晕、头痛及恶心等症状会持续长达6个月以上,其中前8周会导致乘员丧失部分身体机能。根据美国公路安全保险协会(IIHS)1999年的统计,在车辆遭受到撞击时约有26%的伤者有颈部扭伤的情形,因而花费的保险理赔几乎占所有身体伤害理赔金额的66%,每年支付的理赔金额高达70亿美元以上。而座椅头枕能够在后撞过程中为乘员头部提供支撑,限制或减小乘员头部的甩动量,同时减小颈部受到的剪切力和力矩,能够减少甚至避免颈部的伤害。于是许多国家针对于防止头部鞭打制定了座椅头枕的系统的法规和标准,例如IIHS、FMVSS 202a、Euro-NCAP和K-NCAP等。
        许多国外的汽车厂商和流行病专家的研究表明,传统的被动式头枕只能在20%程度上减小颈部的伤害,因为大多数的乘员没有将头枕调节到减小头部鞭打伤害的合适位置,部分乘员虽然将头枕在高度方向和距离颈部的尺寸上都将头枕调节到了适中位置,但是撞车过程中乘员身体的移动以及乘员和座椅靠背之间的相对关系还是会导致乘员骨盆向上、胸椎挺直及躯干被座椅靠背顶出,最终造成头枕和乘员头部的相对距离变大,颈部受到伤害。所以主动式头枕的设计应运而生,在汽车后撞过程中乘员在惯性作用下在座椅靠背上施加力从而激发主动式头枕,头枕向前方弹出,有效和及时地对乘员头部和颈部提供支撑。
        国内自主开发厂商对于座椅头枕安全性的研究起步较晚,还只停留在仅仅满足国家法规要求上,国家法规在2010年前没有将头部鞭打性能列入考核要求。
       

轿车座椅头枕鞭打性能研究

轿车座椅头枕鞭打性能研究

        座椅头枕的鞭打性能要求
        国外与座椅头枕鞭打性能相关的法律法规有IIHS、FMVSS202a以及各国新车碰撞性能US-NCAP、Euro-NCAP、KNCAP等,国内对于头枕的鞭打性能研究起步较晚,2012年国家颁布了C-NCAP的管理规则,其中将座椅头枕的鞭打试验性能列为车辆C-NCAP 5星级评价的加分选项之一,同时将鞭打试验性能列为车辆5+星级评价的必选项。
        国内外对乘员头枕鞭打性能的要求类似,都是采用静态尺寸测量和动态台车试验的方式,评估汽车低速后撞过程中乘员颈椎和头部受到的伤害程度。
        静态测量是利用假人模型模拟乘员正常乘坐,测量出假人头部到头枕轮廓的水平距离和假人头顶到头枕顶端的垂直距离(见图1)。IIHS、NCAP对于静态尺寸都有要求,合理的静态尺寸是鞭打试验通过的前提和保证。
        动态台车试验是模拟低速后撞工况,测量假人头部与头枕的接触时间和接触瞬间假人头部角度、颈部所受剪切力和力矩等,通过公式计算评估乘员受到的伤害程度。IIHS、NCAP中对于乘员头部与头枕的接触时间、颈部所受剪切力和力矩,以及最终计算的伤害指数都有类似的最高限值的要求。同时对于碰撞过程中的座椅靠背最大动态张角也有限制要求(见图2)。
        座椅头枕设计的要点
        为了满足鞭打试验的要求,头枕的设计必须关注机构设计、强度、外形尺寸和头枕到乘员头部的间隙设计。另外,头枕的设计还需要满足乘员舒适性的需求,所以设计参数需要平衡安全性和舒适性的要求。
        例如,头枕到乘员头部的间隙设计,安全性要求头枕到乘员头部距离足够小,能够保证在车辆后撞的早期提供最有效的头部和颈部支撑;但是舒适性要求该距离不能过小,否则会导致乘员乘坐时头部后移或者转动受限,给乘员很大的压抑感,主动式头枕的独特设计便成功解决了头枕到头部距离的安全性和舒适性的矛盾要求。
       

轿车座椅头枕鞭打性能研究

轿车座椅头枕鞭打性能研究

        1. 头枕的选型
        头枕按安全形式可分为主动式和非主动式。非主动式头枕就是传统的头枕在使用过程中无自主调节帮助减小头枕到乘员头部的距离。主动式头枕在非撞车的正常使用工况下,能够保持与乘员头部足够大的距离,提供给乘员头部活动的空间,但在车辆后撞过程中,可以根据信号或者机械机构触发促使头枕内部核心骨架往前推动头枕(见图3),有效的减小头枕和乘员头部的距离,以便在头颈猛烈后摆之前,托住乘客的头颈,防止或降低受伤的可能。
        主动式头枕能够在保证舒适性要求的前提下,有效地提高头部鞭打试验的结果。以某项目的试验结果为例(见图4),非撞车状态主动式头枕和非主动式头枕与假人头部的距离一致,假人头部颈部均处于静止松弛状态;当发生后撞80ms时,主动式头枕核心件触发,头枕前移有效托起假人头部,确保假人颈椎无冲击变形,而非主动式头枕由于和假人头部接触面积有限、支撑不充分,假人颈部有轻微扭转;发生后撞120ms时,主动式头枕核心件完全展开,保证了假人头部颈部无剪切和扭转,非主动式头枕则无法有效撑起假人头部,假人头部后仰严重,颈部受到很大剪切力,导致伤害指数超过法规要求。可见,在保证座椅A面相同,头枕与乘员头部距离满足舒适性要求的前提下,主动式头枕在后撞过程中触发,向前运动托住假人头部,可靠地有效地减小颈部后仰的剪切力,头部和颈部的伤害程度极低;非主动式头枕则无法为假人头部提供托举,致使假人头部急速后仰,颈部遭受很大的剪切力。
        主动式头枕按照触发方式分为两种:机械触发式和电子触发式。由于电子触发式主动头枕受限于SDM的信号输入以及需要头枕具备ECU单元,并且触发后需要专业人士复位,价格偏高,所以国内外主机厂多采用机械式主动头枕(见表1)。
       

轿车座椅头枕鞭打性能研究

轿车座椅头枕鞭打性能研究

        2. 头枕的尺寸
        座椅头枕鞭打性能设定了头枕静态测量尺寸的要求,因为头枕的尺寸是动态试验通过的前提和保证(见表2)。
        首先,头枕的高度设计要确保身材高的乘员头部质心低于头枕上边缘,这样才能为绝大多数乘员提供有效的头部支撑。在车辆后撞过程中,乘员和座椅靠背都会绕调角器固定点向后旋转,需要避免由于头枕设计过低导致乘员头部沿头枕上边缘后仰,乘员头部没有得到有效支撑,最终导致颈部损伤。其次,头枕距离乘员头部的位置要足够近,能够保证在后撞早期头枕能够接触乘员头部,防止乘员头部和躯干的相对运动过大,造成颈部伤害。最后,头枕的宽度要保证能够给乘员提供舒适的侧向支撑。
        3. 头枕的刚度和强度
        鞭打试验是对整个座椅系统的考核,所以设计过程中不仅要考虑到头枕骨架的强度和刚度,也要充分考虑到头枕和座椅靠背骨架的连接方式,以及座椅骨架的刚度和强度。由于无法拆分试验过程中座椅上不同零部件的负载,也无法通过模拟分析方法相对准确计算出座椅上不同零部件的负载,所以至今为止没有与鞭打试验等效的零部件的静态强度和动态强度要求。各个主机厂对头枕骨架、靠背和坐垫骨架的强度和刚度要求基本遵照国内外法律法规要求的头枕静强度、头枕冲击载荷和前、后、侧向和偏置撞车骨架级试验要求。
       

轿车座椅头枕鞭打性能研究

轿车座椅头枕鞭打性能研究

        图5  某项目骨架无侵入限制的检查过程和结果

        4. 座椅骨架和金属零部件无侵入限制
        头部鞭打试验是模拟整车低速后撞的工况设置的,试验过程中假人和座椅有沿车头前后方向的相对位移,即假人在惯性力作用下向后运动,背部会陷入座椅中。整椅设计过程中要充分考虑保证假人能够侵入座椅靠背中,此时假人头部与头枕能够充分接触,假人头部被头枕有效地支撑和托起,设计过程要检查座椅靠背总成的内部布置,避免假人背部过早被座椅靠背骨架和内部金属零部件阻碍和限制相对运动,导致假人的姿态改变,假人头部和头枕之间相对距离过大,假人头部受到过大的剪切力和力矩造成伤害。图5所示为某项目中早期骨架无侵入限制的检查过程和结果,方法为假人R点与座椅R点对齐,即将假人放置在正常乘坐位置,沿车头反方向移动假人一定量,检查假人是否侵入座椅骨架和金属零部件中。
        图片黄色圈中处假人和座椅骨架干涉,即骨架会抑制假人侵入,判定该设计头部鞭打试验失效风险很大需要整改。大量试验证明骨架的设计中要保证碰撞过程中假人侵入量大于60~70mm。
        总结
        座椅头枕的鞭打试验实际上是对座椅整体性能的考核,首先是座椅头枕机构和安全形式的选择,如果选择主动式头枕则有利于安全性能的提升,但对于主动式头枕还需要考虑主动式头枕的激发速度和可靠性;其次是头枕的尺寸、刚度和强度设计要满足要求;最后是整个座椅的骨架、座椅靠背和头枕的连接方式要足够强健,座椅靠背骨架和金属零部件在碰撞过程中对于乘员的身体后移无过多的限制侵入作用从而间接导致头枕和乘员头部的距离增加。
        主动式头枕越来越成为各大汽车厂商标榜自己产品安全性能的卖点。由于鞭打台车试验的投入较大,周期长,不利于深入研究失效原因,所以各国汽车厂商和座椅零部件公司都在研究如何使用FEA模拟分析或者静态和冲击试验的方式来先期研究座椅的设计性能,减少台车试验的数量,这已经成为座椅安全设计的一个研究课题。
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