基于追尾碰撞的汽車座椅座靠連接運動機構(gòu)設(shè)計

孫琳琳，孔繁森，厙軍威

（1.吉林大學 機械科學與工程學院，長春130022；2.吉林大學 汽車工程學院，長春130022）

0 引 言

汽車發(fā)生追尾碰撞時，座椅是保護駕乘人員免受傷害的重要部件。因此，座椅結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計是汽車乘駕安全性中一個必須要解決的課題［1－2］。澳大利亞Sjaan Koppel等人針對兒童座椅對座墊結(jié)構(gòu)安全性做了研究［3］。波蘭 Marek等人從乘坐舒適性角度研究了座椅靠背與座墊對人體坐姿的影響［4］。瑞典Denis Alves Coelho等人研究了座椅靠背調(diào)節(jié)機構(gòu)對人體H點的位置的影響［5］。此外，近幾年國外有很多專家學者針對座椅靠背座墊調(diào)節(jié)機制對乘坐舒適性、安全性的影響做了大量的研究工作［6－8］。

目前研發(fā)出的座椅靠背角度與座墊角度調(diào)節(jié)機構(gòu)有很多種，例如行星齒輪式調(diào)節(jié)機構(gòu)［9］和凸輪軸式調(diào)節(jié)機構(gòu)［10］。

本文主要針對靠背角度與座墊角度的調(diào)節(jié)，運用四連桿瞬心原理創(chuàng)新性地設(shè)計出一套新的座椅座靠連接運動機構(gòu)，并且使用有限元模擬方法對該機構(gòu)的重要設(shè)計參數(shù)進行了優(yōu)化。最終通過相關(guān)試驗驗證了該機構(gòu)槽口間隙應(yīng)為0.3 mm，導向槽的設(shè)計角度必須要大于22°等設(shè)計參數(shù)的合理性。

1 基于四連桿瞬心原理的座椅座靠連接運動機構(gòu)設(shè)計

1.1 四連桿瞬心原理

四連桿瞬心其實就是指四連桿的速度瞬心，如圖1所示。速度瞬心是指在平面上作相對運動的兩構(gòu)件瞬時相對速度為零的重合點，或者說絕對速度相等的重合點，故瞬心可定義為兩構(gòu)件上的瞬時等速重合點。

圖1 四連桿速度瞬心簡易圖Fig.1 Velocity instantaneous center of double-link

四連桿速度瞬心計算公式可參照圖2［11］。圖中ABCD為四連桿運動機構(gòu)的鉸接點，其瞬心為O。以A點為參考點建立坐標系，設(shè)O點的坐標為（x，y），根據(jù)幾何關(guān)系有：

聯(lián)立式（1）（2）得到：

式中：

1.2 座椅座靠連接運動機構(gòu)設(shè)計

座椅座靠連接運動機構(gòu)是指連接座椅座墊與靠背的一種執(zhí)行機構(gòu)，其主要作用是調(diào)節(jié)與保持座墊角度和靠背角度［7］。圖3中黃色部分為靠背骨架，粉色部分為座墊骨架，灰色部分即為連接機構(gòu)區(qū)域。

圖2 四連桿機構(gòu)Fig.2 double-link mechanism

圖3 座椅骨架示意圖Fig.3 The seat frame

圖4 座靠連接機構(gòu)初步設(shè)計圖Fig.4 The preli minary design of ABCS

本文根據(jù)四連桿瞬心原理對座椅座靠連接機構(gòu)進行了如圖4所示的初步設(shè)計。AD桿為固定不動的機架，AB桿、BC桿、CD桿均可動。AB′桿、BC′桿、CD′桿分別表示四連桿機構(gòu)運動到不同位置時的情況。四連桿機構(gòu)布置到座椅上需要考慮以下情況：由于STO空間的限制，整體不能向前布置；C點的布置不能與高調(diào)桿干涉；C點的運動終止位置不能移出靠背STO過遠；B點初始位置不能過于向前；B點在向后運動過程中不能與高調(diào)桿干涉；D點應(yīng)與調(diào)角器結(jié)構(gòu)之間保證足夠大的間隙。

根據(jù)四連桿運動的基本原理和上述的相關(guān)要求，本文將整個設(shè)計過程參數(shù)化，最終實現(xiàn)如圖5所示的參數(shù)化約束。

圖5 最終實現(xiàn)的參數(shù)化約束Fig.5 Final parametric constraints

根據(jù)最終的參數(shù)化約束，輔以連接運動機構(gòu)設(shè)計的相關(guān)知識，本文開發(fā)出了如圖6所示的座椅、座靠連接運動機構(gòu)。

2 重要設(shè)計參數(shù)仿真及優(yōu)化

從圖5的最終機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖可以看出，該機構(gòu)的運動與執(zhí)行特性主要取決于兩個槽口的設(shè)計參數(shù)。因此座椅座靠連接運動機構(gòu)的設(shè)計參數(shù)可以歸結(jié)為如圖7所示的兩個槽口的設(shè)計參數(shù)。兩個槽口中左側(cè)的稱為導向槽，右側(cè)的稱為調(diào)整槽。

槽口設(shè)計參數(shù)主要包括槽口間隙、滾子與槽口以及銷與滾子的摩擦因數(shù)、槽口的設(shè)計角度、槽口的設(shè)計曲率、導向槽與調(diào)整槽的夾角五項。

2.1 有限元模型的建立

座椅模型的搭建主要考慮到后期所用的有限元分析軟件LS-DYNA。本文建立如圖8所示的座椅骨架模型和軟墊模型。二者之間采用彈簧連接，以模擬軟墊在各個方向上的自由度，某些相關(guān)細節(jié)做具體處理。整個座椅模型包括12 948個節(jié)點，12 053個單元，這12 053個單元中，有4056個體單元和7997個殼單元。

圖6 座椅、座靠連接運動機構(gòu)開發(fā)流程圖Fig.6 The developing flow chart of ABCS

圖7 機構(gòu)簡化示意圖Fig.7 The si mplified schematic diagram

本文使用的有限元分析軟件為LS-DYNA，并且按照相關(guān)法規(guī)要求給予一個17.3 k m／h的追尾碰撞速度。最終的追尾碰撞模型如圖9所示。

2.2 槽口間隙

槽口間隙是指槽口內(nèi)安裝的運動機構(gòu)與槽口的單側(cè)間隙。槽口間隙的大小直接影響槽口的受力情況，因此對槽口間隙大小做有限元分析也是非常必要的。

圖8 搭建好的有限元模型Fig.8 Finite element model

圖9 最終的追尾碰撞模型Fig.9 Rear-end collision model

本文分別探討了槽口間隙為0.1 mm和0.3 mm兩種情況。二者的槽口受力情況如圖10所示。當槽口間隙為0.1 mm時，左側(cè)運動機構(gòu)在70 ms時運動到位，右側(cè)為運動到位；當槽口間隙為0.3 mm時，左側(cè)運動機構(gòu)65 ms運動到位，右側(cè)為運動到位。兩種情況下最大受力均發(fā)生在導向槽下表面，前者最大受力為13 000 N，后者最大受力為11 800 N。對比二者得出當槽口間隙從0.1 mm增加到0.3 mm時，運動機構(gòu)的運動速度加快，槽口均為單側(cè)受力且最大受力減小。因此0.3 mm的槽口間隙更適合該運動機構(gòu)。

2.3 滾子與槽口間及銷與滾子間的摩擦因數(shù)

雙槽口機構(gòu)的運動依靠的是安裝在槽口內(nèi)的滾子的滾動，滾子又是依靠銷得以滾動的，因此滾子與槽口的運動裝配關(guān)系與銷與滾子的運動裝配關(guān)系得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)就是摩擦力。這兩個摩擦力的大小會直接影響運動機構(gòu)能否正常運動以及槽口上下表面反力的大小。本文首先試探性地選取滾子與槽口的摩擦因數(shù)為0.3，銷與滾子的摩擦因數(shù)為0.1，得出槽口受力情況如圖11所示。從受力圖中可以看出，運動機構(gòu)幾乎沒有什么運動。這說明滾子與槽口的摩擦因數(shù)對機構(gòu)的運動起到很重要的作用，且所選參數(shù)過大。接下來按照一定規(guī)律遞減這兩個摩擦因數(shù)進行分析。當滾子與槽口的摩擦因數(shù)調(diào)整為0.1，銷與滾子的摩擦因數(shù)調(diào)整為0.05時，分析得出：座椅左側(cè)運動機構(gòu)在65 ms運動到位，右側(cè)運動機構(gòu)在70 ms時運動到位。此外分析發(fā)現(xiàn)銷與滾子之間的摩擦因數(shù)必須小于0.05，方可使?jié)L子產(chǎn)生滾動。

2.4 槽口的設(shè)計角度

槽口的設(shè)計角度是指槽口與水平方向所成的角度。槽口設(shè)計角度直接影響機構(gòu)走完行程的時間、槽口保持受力為零的時間以及槽口到位時受力的大小。

通過有限元分析得出如表1所示的結(jié)果。表1中角度列中的負號代表逆時針角度，正號代表順時針角度；第二列和第四列中的“／”號前后分別表示座椅兩側(cè)的運動機構(gòu)。從表1中可以看出，槽口的基準設(shè)計角度最好能接近或者等于順時針10°。

表1 槽口設(shè)計角度分析結(jié)果Table 1 The result of notch angle

2.5 其他參數(shù)設(shè)計

除上述詳細分析的三項設(shè)計參數(shù)外，槽口的設(shè)計曲率和導向槽與調(diào)整槽的夾角也對該機構(gòu)設(shè)計成敗起著至關(guān)重要的作用。

槽口的設(shè)計曲率就是槽口幾何形狀的曲率特性。可以想到，槽口的曲率會影響滾子在槽口內(nèi)的運動軌跡，從而影響機構(gòu)的運動軌跡。本文通過對比研究不等曲率槽口和等曲率槽口兩種情況發(fā)現(xiàn)：等曲率槽口減少了運動機構(gòu)走完行程所需的時間，因此更加有利于本文所設(shè)計的機構(gòu)。

前面的分析雖然確定了槽口的基準設(shè)計角度，即為順時針10°。這個參數(shù)可以作為調(diào)整槽的角度的設(shè)計參數(shù)，而導向槽的設(shè)計角度一般要大于調(diào)整槽的設(shè)計角度，因此就會產(chǎn)生如圖12所示的導向槽與調(diào)整槽的夾角。根據(jù)分析研究發(fā)現(xiàn)，這個夾角必須大于12°。進而可以得出導向槽的設(shè)計角度必須要大于22°。

圖10 不同槽口間隙時槽口的受力分析結(jié)果Fig.10 Stress analysis results for different notch clearance

圖11 槽口的受力情況Fig.11 The force situation

圖12 導向槽與調(diào)整槽的夾角Fig.12 The angle bet ween guide notch and adjust notch

3 基于優(yōu)化參數(shù)的試驗驗證

3.1 試驗簡介

座椅靠背角度設(shè)計正確與否，直接影響到乘員的乘坐安全性和舒適性。由于每個人的人體形態(tài)都不盡相同，所以座椅靠背角度和形狀的設(shè)計就具有一定的難度。根據(jù)人體數(shù)?？梢缘玫礁呖勘匙蔚膮?shù)：靠背傾角范圍取為105°～115°；高靠背座椅的高度應(yīng)達到肩部，可取為530～560 mm，寬度為480 mm，坐墊傾斜角為6°～7°。

座墊下潛是汽車發(fā)生碰撞時的一種正常現(xiàn)象，當汽車發(fā)生追尾碰撞時，汽車剛性框架在推力的作用下向前運動，座椅和人體則由于慣性保持以前的狀態(tài)，車體就會與人體和座椅產(chǎn)生一個如圖13所示的夾角。這種慣性力會使座墊后端骨架向下變形，發(fā)生座墊后端下沉的現(xiàn)象。

根據(jù)NCAP新車評價標準，整車或者座椅生產(chǎn)商都會對座椅靠背角度變化和座墊防止人體下潛做相關(guān)實驗。

3.2 試驗準備

試驗之前，首先要在臺架上搭建好如圖14所示的實驗?zāi)Ｐ停窗鸭偃四Ｐ鸵哉_的坐姿安放在調(diào)好角度的座椅上，再給撞擊臺車一個合理的撞擊波形。本次試驗所用的座椅就安裝了根據(jù)前文得到的優(yōu)化參數(shù)設(shè)計的座椅座靠連接運動機構(gòu)。試驗分兩次進行。

圖13 追尾碰撞時座墊下潛試驗座椅姿態(tài)Fig.13 Seating gesture of seat cushion descend test when rear-end collision occurs

圖14 搭建好的試驗?zāi)Ｐ虵ig.14 Constr ucted test model

第一次試驗時的試驗條件大致有五項：第一為導向槽與調(diào)整槽的夾角為零；第二為座椅擺放位置（高度中間位置，前后中間位置），頭枕也是中間位置；第三為撞擊波形，采用的是F MVSS202 A的17.3 k m／h－8g；第四為固定形式，本次試驗地腳未固定；第五為除了四連桿運動機構(gòu)外，座椅靠背增加觸發(fā)塊。

第二次試驗的試驗條件在第一次試驗的基礎(chǔ)上有兩處改動：導向槽與調(diào)整槽的夾角為12°；靠背下橫梁增加了一個加強梁，如圖15所示。試驗數(shù)據(jù)采集使用的是拍照圖片測量法。

3.3 試驗結(jié)果

（1）第一次試驗

座椅座靠連接運動機構(gòu)沒有發(fā)生運動。座椅靠背偏轉(zhuǎn)角度為22.23°，具體變化情況如圖16所示；座墊下潛量為5.42，具體變化情況如圖17所示。此外座椅靠背下橫梁嚴重變形，如圖18所示；且運動機構(gòu)和座椅安全帶支架產(chǎn)生干涉，如圖19所示。

（2）第二次試驗

圖15 靠背下橫梁加強梁位置Fig.15 Reinforced beam location of lower beam

圖16 第一次試驗座椅靠背角度變化結(jié)果Fig.16 Angle change results of seat back

圖17 第一次試驗座墊下潛量變化結(jié)果Fig.17 Descend change results of seat cushion

圖18 座椅下橫梁嚴重變形圖Fig.18 Severe defor mation figure for seat lower beam

通過修改第一次試驗的試驗條件，第二次試驗座椅座靠連接運動機構(gòu)運動正常，只是左右略有不同步，有待進一步研究解決。座椅靠背偏轉(zhuǎn)角度為12.21°，具體變化情況如圖20所示；座墊下潛量為3.32 mm，具體變化情況如圖21所示。

圖19 運動機構(gòu)和座椅安全帶支架干涉Fig.19 The intervention figure of motion mechanism and the seat belt stent

圖20 第二次試驗座椅靠背角度變化結(jié)果Fig.20 Angle change results of seat back

圖21 第二次試驗座墊下潛量變化結(jié)果Fig.21 Descend change results of seat cushion

4 結(jié) 論

（1）運用四連桿轉(zhuǎn)動瞬心原理設(shè)計的座椅座靠連接運動機構(gòu)是可行的，并且在汽車發(fā)生追尾碰撞時有效地控制靠背偏轉(zhuǎn)角度和座墊下潛量，從而對駕乘人員起到保護作用。

（2）本文給出的所設(shè)計的座椅座靠連接運動機構(gòu)選用的具體參數(shù)為：槽口間隙為0.3 mm；采用等曲率槽口；滾子與槽口、銷與滾子的摩擦因數(shù)分別為0.1和0.05，調(diào)整槽的設(shè)計角度為順時針10°，導向槽的設(shè)計角度必須大于22°。

（3）試驗中座椅座靠連接運動機構(gòu)運動正常，只是左右略有不同步，有待進一步研究解決。

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