移動行李對座椅沖擊試驗結(jié)果的影響因素分析

曹 飛

（重慶車輛檢測研究院 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122）

1 引言

隨著我國交通事業(yè)和汽車工業(yè)的發(fā)展，乘用車大量進入家庭，給人們的出行帶來很多的方便，但交通事故的高頻率也讓社會越來越關(guān)注汽車的安全問題，汽車交通事故造成了大量的人員傷亡及財產(chǎn)損失。其中，汽車碰撞安全問題成為人們關(guān)注的重點。

汽車座椅作為整車的重要部件，首先是作為車輛乘員的承載工具，為乘員提供舒適的乘坐條件；同時，座椅也是汽車的一個重要安全系統(tǒng)，其承受著汽車運動過程中的各種作用力，特別是在發(fā)生碰撞事故的時候，其需要承受巨大沖擊以保護乘員的安全。在汽車碰撞中，座椅作為減少乘員損傷的安全部件，它起著決定性的保護作用。

乘用車后部行李廂在方便人們出行攜帶行李物品時，其結(jié)構(gòu)在汽車后部碰撞時也發(fā)揮有效的緩沖作用。但在汽車發(fā)生前部碰撞時，行李廂中的未固定物品可能會因碰撞沖擊侵入車廂內(nèi)，對乘員造成傷害[1-2]。因此，乘用車后排座椅系統(tǒng)的另一個重要安全作用就是要具備足夠的強度，以阻擋后部未固定行李物品在汽車碰撞時進入乘員區(qū)。

我國汽車強制性標(biāo)準(zhǔn)GB15083-2006《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》增加了附錄F《行李位移乘客防護裝置的試驗方法》[3]，其目的就是考核在車輛碰撞過程中行李廂內(nèi)未固定行李向前運動沖擊后排座椅靠背，從而測試座椅系統(tǒng)阻擋行李沖擊的安全強度。該標(biāo)準(zhǔn)要求試驗過程中移動行李的擺放位置和臺車減速度時間函數(shù)限定區(qū)域分別如圖1和圖2所示。

下面就汽車后部行李廂中未固定（移動）行李對后排座椅沖擊試驗結(jié)果的影響因素進行分析，以期改進結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高碰撞安全性。

2 試驗結(jié)果影響因素分析及驗證

國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心進行了移動行李沖擊座椅試驗百余次。從這些試驗中發(fā)現(xiàn)，對同樣的座椅結(jié)構(gòu)在不同的工況下進行試驗，其最終的性能將會不同。所以一般來說，只要該座椅結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境發(fā)生了改變，必須通過試驗或其它手段來檢驗其是否滿足要求。常見的試驗結(jié)果不確性定因素有：臺車試驗加載曲線波形；行李塊與座椅靠背的距離；靠背鎖的位置；地板與座椅靠背翻轉(zhuǎn)軸相對高度的影響；車身結(jié)構(gòu)的影響；行李廂底板摩擦力的影響。

2.1 臺車試驗加載曲線波形的影響

GB15083-2006規(guī)定，碰撞試驗時行李塊的初始速度為50km/h±1km/h，并指定了具體的時間函數(shù)曲線區(qū)間，即規(guī)定了測試臺車試驗時減速度需在如圖2指定的兩個梯形曲線所包含區(qū)域內(nèi)。但是單就減速度峰值一個指標(biāo)而言，滿足法規(guī)要求的曲線有無窮多個。區(qū)間下限對應(yīng)減峰值速度減速度為20g，而區(qū)間上限，即最嚴格的情況是最大加速度為28g。減速度曲線峰值不同，試驗中座椅系統(tǒng)承受的沖擊力就不同，必將或多或少地直接影響到座椅沖擊試驗的最終試驗結(jié)果。

這里依據(jù)GB15083-2006要求，生成峰值減速度分別為20g、24g、28g的3條臺車試驗減速度曲線，如圖3所示，并利用這3條曲線作為邊界條件分別進行行李塊撞擊仿真分析，以比較其對座椅沖擊試驗的影響。行李塊距離座椅靠背為200mm，通過有限元仿真分析，得到靠背受到的來自于行李塊的撞擊力如表1所示[4-7]。從表1可以看出，在相同的撞擊初速度下，隨著加速度曲線峰值的增加，座椅靠背受到的沖擊力和靠背下橫管最大變形量也相應(yīng)增大。由此可見，在座椅初始設(shè)計階段，最好選擇標(biāo)準(zhǔn)中最嚴酷的減速度工況來指導(dǎo)座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計。

表1 不同減速度下撞擊力分析結(jié)果

2.2 行李塊與座椅靠背距離的影響

GB150832006規(guī)定，行李塊的擺放位置依據(jù)車型實際使用空間而定，行李塊與座椅靠背的距離從0mm到200mm變化。所以不同的行李塊水平位置也同樣會影響到最終行李塊對座椅靠背的沖擊力。

將0～200mm區(qū)域劃取3個位置點，分別為100mm、150mm、200mm。采用相同的減速度曲線，通過對行李塊在相同減速度曲線不同擺放位置的模型進行有限元仿真，得到靠背受到行李塊的沖擊力的結(jié)果曲線如圖4所示。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，行李塊初始位置與靠背最近點之間的間距越大，撞擊時刻越靠后，峰值也越大。

2.3 靠背鎖位置的影響

對于整體式靠背，靠背鎖的位置對其影響很小，只要靠背鎖在發(fā)生撞擊的時候不脫開，靠背最終向前的變形量基本上都能滿足法規(guī)要求。

對于分體式40%和60%型座椅，靠背鎖的位置和結(jié)構(gòu)對撞擊結(jié)果影響非常大。圖5為靠背鎖在座椅兩側(cè)和接近中間位置的曲線，從中可以發(fā)現(xiàn)，靠背鎖越接近行李撞擊區(qū)域、越接近靠背上部中心，就越容易通過撞擊試驗。

2.4 座椅靠背翻轉(zhuǎn)軸相對高度的影響

從圖6可以看出，靠背翻轉(zhuǎn)軸與車身地板的相對高度不同，將導(dǎo)致行李塊相對于靠背的撞擊位置產(chǎn)生差異。對于后排座椅靠背來講，抵抗后部行李塊撞擊力是由靠背鎖和翻轉(zhuǎn)軸共同分擔(dān)的，翻轉(zhuǎn)軸相對地板的垂直高度越大，也意味著撞擊點到翻轉(zhuǎn)軸的距離越小。根據(jù)杠桿原理，相同力的情況下，力臂越小，力矩越小，將導(dǎo)致其由于碰撞引起的變形也將越小，同時也越容易通過標(biāo)準(zhǔn)要求[8]。

2.5 車身地板結(jié)構(gòu)的影響

圖7是比較常見的后排座椅后部的車身地板結(jié)構(gòu)。由于地板形狀的不同將導(dǎo)致靠背與地板連接的翻轉(zhuǎn)軸支架受力方式發(fā)生改變[9-10]。以圖7中結(jié)構(gòu)A與結(jié)構(gòu)B為例，結(jié)構(gòu)A中翻轉(zhuǎn)軸支架在受到后部撞擊時以彎曲變形為主，這就要求其有一定的抗彎曲能力以使其在受到撞擊分力的作用下不發(fā)生撕裂破壞的同時保證靠背整體水平向前的位移量滿足試驗要求。而對于圖中結(jié)構(gòu)B而言，翻轉(zhuǎn)軸支架主要以軸向拉伸變形為主。對于一個懸臂梁在遠離固定點的端部施加同樣力值的外力作用下，拉伸變形要遠小于彎曲變形。對于同樣一個結(jié)構(gòu)，抗拉伸的能力要原高于抗彎曲的能力。由此可見，結(jié)構(gòu)B的座椅固定件不容易脫開，更容易通過標(biāo)準(zhǔn)要求，但座椅靠背的受力可能會增大。廠家可根據(jù)車身的不同結(jié)構(gòu)，設(shè)計成類似結(jié)構(gòu)B的連接固定件。

2.6 行李廂底板摩擦力的影響

針對不同的白車身，行李廂底板的材質(zhì)也可能不同，即可能存在不同大小的摩擦系數(shù)，因此，在發(fā)生撞擊時，行李塊與底板間的摩擦力也不同。通過計算能量的損失來判斷地板摩擦力對移動行李沖擊試驗的影響。行李塊在與座椅靠背發(fā)生撞擊前有一個200mm的自由滑行距離，當(dāng)取摩擦系數(shù)為0.3時，由單個行李塊因摩擦所損失的最大動能Ws=F.S=18kg×9.8 N/kg×0.3×0.2m=10.584 J；當(dāng)取摩擦系數(shù)為0.7時，則由單個行李塊因摩擦所損失的最大動能為Ws=F.S=18kg×9.8 N/kg×0.7×0.2m=24.696J。可見，試驗中行李塊沖擊座椅的能量損失隨摩擦系數(shù)的不同而不同，其大小與摩擦系數(shù)成正比。當(dāng)摩擦系數(shù)較大時，沖擊能量損失較大，更有利于試驗結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。但分析得知，總的初始動能為W0=1/2mv2=1/2×18kg×（13.9m/s）2=1736J。當(dāng)摩擦系數(shù)為0.3～0.7時，摩擦做功所占沖擊能量損失所占比例僅為0.6%～1.4%。由此可見，摩擦力的存在所導(dǎo)致的行李塊損失的動能比較小，其對靠背在碰撞過程中的性能產(chǎn)生影響可以不作為主要因素。

3 結(jié)束語

針對乘用車后部行李廂中未固定行李在汽車碰撞時，會因碰撞沖擊的原因可能侵入車廂內(nèi)的情況，對標(biāo)準(zhǔn)GB150832006試驗中對影響行李塊撞擊座椅靠背試驗結(jié)果的6個主要因素進行分析，可以看出，試驗時臺車減速度曲線峰值不同，試驗中座椅系統(tǒng)承受的沖擊力就不同；在同樣都滿足試驗條件的減速度區(qū)間范圍內(nèi)，產(chǎn)品工程師應(yīng)按照最大減速度值進行產(chǎn)品的開發(fā)驗證，以便更好滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。分體式座椅靠背鎖的位置和結(jié)構(gòu)對撞擊結(jié)果影響比較大，靠背鎖的位置設(shè)計至關(guān)重要。而同樣的座椅靠背結(jié)構(gòu)在使用到不同車型上的安裝布置工況發(fā)生改變時，其在撞擊試驗中表現(xiàn)出來的性能將產(chǎn)生差異，如后部行李廂縱向空間大小、靠背翻轉(zhuǎn)軸與車身地板的相對高度、座椅與車身地板的連接結(jié)構(gòu)及行李廂底板的材質(zhì)等因素的不同，都將影響試驗結(jié)果的不同。而產(chǎn)品工程師在設(shè)計一款新的座椅靠背結(jié)構(gòu)時，往往需要參考現(xiàn)有某種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)進行相關(guān)的更改，以滿足成本、裝配、功能等設(shè)計要求。此時，需要產(chǎn)品工程師在結(jié)構(gòu)設(shè)計初期就要對座椅的使用工況進行一定的了解。只有這樣，才能夠提前通過結(jié)果預(yù)判來避免一些設(shè)計缺陷的發(fā)生。

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