汽車座椅可靠性測試方法

杜天強(qiáng) 杜長江 王培中 田澤洋

（中國汽車技術(shù)研究中心）

汽車座椅作為關(guān)鍵和重要的被動安全部件，不僅要承載乘客，而且還在碰撞事故中肩負(fù)著保護(hù)乘客安全的作用[1]。一直以來世界各國都對座椅采取強(qiáng)制認(rèn)證或強(qiáng)制試驗的方式進(jìn)行監(jiān)管，如歐洲EEC、ECE、美國FMVSS及中國GB等各國法規(guī)使用動態(tài)及靜態(tài)結(jié)合的方式，對座椅在碰撞事故中對乘客保護(hù)的效果進(jìn)行強(qiáng)制評價和要求[2]。對于座椅舒適性和可靠性的評價，各國法規(guī)并未強(qiáng)制要求，而由于其涉及到的關(guān)鍵零部件較多，諸如頭枕、調(diào)角器、滑軌、靠背、座墊、扶手、腰托及高度調(diào)節(jié)器等，并沒有比較統(tǒng)一的測試規(guī)范和評價標(biāo)準(zhǔn)。文章將結(jié)合座椅的結(jié)構(gòu)組成，對各個部件的可靠性評價方法和測試指標(biāo)進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 座椅總成可靠性評價方法

座椅是汽車上一個重要的減振元件，其乘坐舒適性與駕駛員的操作便利性及乘員的乘坐體驗緊密相關(guān)。常見的總成可靠性評價主要包括模擬人員進(jìn)出座椅試驗、顛簸蠕動試驗[3]、振動特性試驗及身體壓力分布[4]等。

1.1 模擬人員進(jìn)出座椅試驗

該試驗主要使用帶面套的三維假人模型對座椅總成進(jìn)行面料耐磨性測試，模擬人體進(jìn)出汽車的使用工況，試驗后的座椅面套不應(yīng)出現(xiàn)斷裂、結(jié)團(tuán)、脫散和漏底，不允許出現(xiàn)損傷，縫線不允許斷裂等。

由于不同整車的空間不同，實際乘客進(jìn)出車門時的動作軌跡是有差異的，因此不同車型可能規(guī)定了不同的三維假人模型運(yùn)動軌跡，從而更真實地評價使用可靠性。目前，也有一個比較通用的動作軌跡供測試使用，試驗時把座椅總成固定在模擬人體進(jìn)出試驗臺上，利用一個44.5 kg三維假人模型制造的壓頭開展試驗。試驗流程如下：1）壓頭水平滑入座椅并陷入座墊邊翼和靠背邊翼各約25 mm，壓頭旋轉(zhuǎn)30°使壓頭后部內(nèi)側(cè)先進(jìn)入；2）壓頭繼續(xù)進(jìn)入直至壓頭中心線與座椅中心線對齊；3）壓頭蠕動使其在座椅內(nèi)平穩(wěn)；4）壓頭陷入座椅直至載荷為445 N；5）壓頭以30°，445 N載荷蠕動靠背；6）壓頭以445 N載荷停留在座椅直到一半移出座椅；7）一旦壓頭一半移出座椅，它就隨座墊邊翼而滑動。一般要求座椅至少能承受1.5萬次模擬人員進(jìn)出循環(huán)，如圖1所示。

1.2 顛簸蠕動耐久試驗

汽車顛簸蠕動耐久測試是模擬汽車在行駛過程產(chǎn)生一定的上下振動，同時乘客臀部會在座墊上有左右晃動的動作，將這2種運(yùn)動結(jié)合起來評價對座椅來說是比較苛刻和嚴(yán)格的考核，但對座椅在實際情況中的使用可靠性卻非常有意義；對于靠背，同樣有在行駛中上下振動的同時承受人體后背壓力的使用工況。試驗時，樣品固定在顛簸蠕動試驗機(jī)上，調(diào)整樣品使其H點(diǎn)中心線與模擬假臀或假背中心線對齊，按循環(huán)次數(shù)要求進(jìn)行振動試驗，如表1所示。顛簸幅度（峰至峰）為30 mm。試驗后，樣件應(yīng)無異常情況，座椅骨架無裂縫，泡沫無變形，面料和襯墊無破損，H點(diǎn)最大變動在額定范圍內(nèi)（一般要求±15 mm）。顛簸蠕動耐久試驗裝置，如圖2所示。

表1 顛簸蠕動耐久試驗測試要求

1.3 振動特性試驗

振動試驗主要包括振動耐久性、隨機(jī)振動特性和頻響特性等，可以非常直接地評估座椅的耐振可靠性，同時座椅的頻響特性能反映座椅對汽車道路振動的屏蔽效果，更好地反映座椅的乘坐舒適感。振動耐久性是給座椅產(chǎn)品一定的持續(xù)振動環(huán)境，可在座椅上放置帶有導(dǎo)向裝置的假臀模型，考核座椅經(jīng)長時間振動耐久后的變化情況；隨機(jī)振動試驗則是力求真實化模擬實際乘坐狀況，對乘坐舒適感進(jìn)行評估[5]，試驗一般在6自由度振動臺上進(jìn)行，輸入汽車實際運(yùn)行時的隨機(jī)振動波形進(jìn)行控制，進(jìn)一步分析乘坐舒適性和座椅的各種性能；進(jìn)行頻率響應(yīng)試驗時，將座椅安裝在振動臺上，將人體假臀模型放到座椅上，給座椅一定的振動激勵，從而獲得座椅的共振頻率、振動傳導(dǎo)率及振動衰減率等特性，評價座椅對振動傳遞的吸收能力，試驗曲線，如圖3所示。

2 座椅其他部件可靠性評價

2.1 座椅頭枕

2.1.1 頭枕操作耐久試驗

將座椅靠背總成和夾具固定，座椅頭枕以最低位置為起始點(diǎn)，將其從最低位置移動到最高位置，然后再移回最低位置，以上操作為1個循環(huán)過程，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，一般進(jìn)行5 000次的循環(huán)試驗，試驗后必須能夠保持在可調(diào)位置。

2.1.2 頭枕折疊耐久試驗

對于具有折疊功能的座椅頭枕，考核其折疊功能可靠性。將頭枕從折疊位置移動到最上部位置，然后釋放頭枕，使其回到折疊位置，并保持5 s。按照描述的過程循環(huán)試驗1萬次，檢查頭枕功能。

2.2 座椅骨架

座椅骨架是座椅的核心，強(qiáng)度的主要承載件，其可靠性也直接決定著座椅的使用壽命和舒適性。座椅骨架可靠性試驗主要有前后載荷耐久和橫向載荷耐久試驗。

2.2.1 骨架前后載荷耐久試驗

將座椅骨架總成固定在試驗臺上，在靠背頂部中心處，以H點(diǎn)為載荷軸線，施加一個水平向后或者垂直于座椅軀干線方向的載荷，載荷一般為0～1 kN，頻率為15～30次/min，一般循環(huán)4萬次。試驗結(jié)束后，座椅骨架總成不允許出現(xiàn)裂縫。還有相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求對座椅骨架進(jìn)行左/右后45°方向的交替載荷耐久試驗，模擬乘客靠背在座椅上左右摩擦晃動時骨架所承受的載荷。試驗需要利用專門的夾具輔助進(jìn)行，保證加載力的作用方向成45°。試驗后，測量骨架的變形量，檢查異響和裂縫。

2.2.2 骨架橫向載荷耐久試驗

將座椅骨架調(diào)整到設(shè)計基準(zhǔn)位置，在座椅靠背骨架兩側(cè)交替施加一定的載荷（力或力矩），載荷作用線可以重合或者具有一定的距離，載荷頻率為15～30次/min，一般循環(huán)4萬次。試驗后，座椅骨架不得出現(xiàn)裂縫或破壞。

2.3 座椅調(diào)角器

調(diào)角器安裝在汽車座椅上，是實現(xiàn)座椅靠背角度調(diào)節(jié)的裝置。該裝置一般由椅背聯(lián)接板、椅座聯(lián)接板、核心件、手輪或調(diào)節(jié)手柄及回復(fù)彈簧等部分組成。根據(jù)功能一般分為手柄操縱和旋鈕操縱，電動座椅上為電動調(diào)節(jié)。

2.3.1 手柄操縱座椅調(diào)角器

將模擬靠背骨架總成固定在一個剛性夾具上并調(diào)整至第1齒位置，按照“第1齒位置→最后位置→設(shè)計位置→最前位置→第1齒位置”的循環(huán)過程，每個位置均要有鎖止和解鎖步驟，完成1萬次循環(huán)，調(diào)角器應(yīng)該滿足功能要求，同時考核調(diào)角器的間隙量變化及調(diào)節(jié)力矩變化等指標(biāo)。

2.3.2 旋鈕操縱座椅調(diào)角器

通過旋鈕調(diào)整靠背到前后止點(diǎn)，在每個止點(diǎn)處停留3 s，調(diào)整速度是“1個循環(huán)/min”。旋鈕式調(diào)角器操作可靠性也可按手柄式的動作過程進(jìn)行評價，規(guī)定不同的動作過程。試驗后，對比試驗前后的調(diào)整力矩和功能變化。

2.3.3 電動式座椅調(diào)角器

電動式調(diào)角器是使用電機(jī)代替了手動式的手柄和旋鈕，電機(jī)帶有自鎖功能。電動式調(diào)角器一般按照手柄式的動作過程，規(guī)定了如手柄式的4個特征位置，并規(guī)定停留時間，一般需進(jìn)行1萬次操作。試驗后，對比試驗前后電機(jī)電流、電阻、調(diào)角器速率及功能變化。

2.4 座椅滑軌

滑軌是座椅總成中改變座椅前后位置的機(jī)構(gòu)，其可靠耐久性評價主要包括滑軌調(diào)節(jié)耐久和交變載荷強(qiáng)度耐久試驗。

2.4.1 滑軌調(diào)節(jié)耐久試驗

將滑軌安裝在座椅上（或模擬實際座椅的安裝夾具），固定滑軌下安裝孔，在座椅上施加一定載荷（75～100kg），然后調(diào)整滑軌至最后位置，頻率為5～10次/min，按照如下程序循環(huán)規(guī)定次數(shù)：1）在最后位置將滑軌解鎖；2）向前滑動至最前位置鎖止；3）在最前位置解鎖；4）由最前位置滑動至最后位置鎖止。除常溫之外，通常還需要在-20，-40，80℃等不同溫度工況下分別進(jìn)行循環(huán)耐久試驗，每種工況間隔一定時間。試驗后，滑軌應(yīng)工作正常，且不應(yīng)出現(xiàn)零件明顯變形和異常響聲。

2.4.2 滑軌交變載荷強(qiáng)度耐久試驗

滑軌處于最后位置并鎖止，在剛性的模擬靠背骨架上相對于H點(diǎn)以15～30次/min的頻率，按照以下程序往復(fù)運(yùn)動1.5萬次或規(guī)定次數(shù)：1）向前加載至規(guī)定值，卸載至0；2）向后加載至規(guī)定值，卸載至0。試驗后，滑軌必須工作正常，且無機(jī)械損傷和明顯變形。

2.5 座椅座墊

2.5.1 座墊疲勞耐久試驗

利用一定質(zhì)量的臀部模塊或加載模型，通過氣動、液壓加載裝置或振動臺，對座墊施加周期性的連續(xù)變化載荷，加載位置可以選擇座墊上的任何可能區(qū)域，加載頻率根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求[6]（高低頻均有），開展疲勞耐久試驗，如圖4所示。試驗后，座墊的最大永久變形量需要位于規(guī)定范圍內(nèi)，不得出現(xiàn)破壞。

2.5.2 座墊沖擊可靠性試驗

把座椅水平安裝好，利用一個75 kg的額定載荷假臀模塊從一定高度（40 mm）落下，對座椅座墊進(jìn)行跌落試驗；或者用一個袋子形狀75 kg的重物從40 mm高度落下，沖擊點(diǎn)在距離座墊前端100 mm的中間位置。上述過程按照標(biāo)準(zhǔn)要求[7]進(jìn)行一定次數(shù)的循環(huán)。試驗后，測量座墊的下陷量，檢查座墊的破壞和磨損情況。

2.6 座椅靠背

2.6.1 靠背疲勞耐久試驗

利用一個假背模型或加載模塊，對座椅靠背施加一定的載荷，試驗可以采用氣壓或液壓作動缸進(jìn)行，也可以將座椅靠背安裝在振動臺上，并施加配重載荷進(jìn)行，如圖5所示。載荷為10～70 kg，頻率和加載次數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[6]。試驗后，靠背不得出現(xiàn)破壞或嚴(yán)重?fù)p壞。

2.6.2 靠背調(diào)節(jié)耐久試驗

關(guān)于靠背調(diào)節(jié)耐久試驗的規(guī)定大致都是從某個規(guī)定角度位置調(diào)整至另外一個角度位置，1個或多個位置停留后，回至初始位置，完成一個循環(huán)。規(guī)定角度可以是相對座椅設(shè)計位置向前或向后10°或20°，也可以是座椅靠背鎖止機(jī)構(gòu)中的一個擋位，還可以是座椅靠背的最前和最后位置。有時候，還會利用到鎖止機(jī)構(gòu)的自動返回功能。針對不同形式的座椅（普通座椅、折疊座椅、分體座椅及翻轉(zhuǎn)座椅等），一個耐久循環(huán)過程的動作會有所不同。

2.7 座椅腰托

將一個裝配有腰部支撐機(jī)構(gòu)的座椅固定在測試平臺上，使用75 kg假人模型使腰托承受類似實際的負(fù)荷，調(diào)節(jié)腰托裝置進(jìn)行全行程內(nèi)的往復(fù)動作耐久，通常要進(jìn)行5 000次全行程操作耐久。對電動機(jī)構(gòu)來說，通常要求在極限位置且電機(jī)通電狀態(tài)下最少持續(xù)2 s，以考核其使用可靠性。試驗后，對腰托手柄操作力矩、腰托的調(diào)節(jié)功能、工作噪聲及電機(jī)的電特性指標(biāo)進(jìn)行檢查[5]。

2.8 座椅扶手

汽車座椅的扶手主要用來輔助駕乘人員放松手臂以及放置水杯等小件常用物品，在實際使用中也是動作非常頻繁，扶手的可靠性主要通過操作耐久性和加載可靠性來考核。

2.8.1 靠背調(diào)節(jié)耐久試驗

將座椅靠背總成和夾具固定，以座椅扶手閉合位置為起始點(diǎn)，把扶手從閉合位置打開到工作位置，再把扶手從工作位置關(guān)閉到閉合位置，動作循環(huán)至少1萬次。如果有一個鎖止裝置，在循環(huán)過程中要改變開關(guān)的開閉；如果扶手有垂直或水平固定裝置，在扶手末端向內(nèi)位置施加一定的載荷，并按照規(guī)定頻率和次數(shù)進(jìn)行耐久試驗。

2.8.2 扶手加載可靠性試驗

此項主要模擬行車中扶手在工作狀態(tài)下，駕乘人員手臂壓迫扶手時的承載可靠性。將座椅靠背總成和夾具固定，扶手處于工作狀態(tài)，使用圓柱形加載模塊在其工作位置施加規(guī)定的循環(huán)載荷，如50～150 N，進(jìn)行8 000次的正弦波耐久測試。試驗后需評價扶手的變形量、操作力矩及調(diào)節(jié)功能等。

2.9 座椅高度調(diào)節(jié)器

一般駕駛員座椅都具有高度調(diào)節(jié)功能，分為機(jī)械式手動調(diào)整和電動式調(diào)整，機(jī)械式需要反復(fù)動作進(jìn)行高低調(diào)節(jié)，電動式可點(diǎn)動開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗時，需要在座椅座墊上添加一定的配重（如假臀模塊或三維H點(diǎn)假人），將座椅從最低位置調(diào)節(jié)到設(shè)計位置，停頓1 s后調(diào)節(jié)至最高位置，再返向調(diào)節(jié)至設(shè)計位置，停頓1 s，回到最低位置為1個循環(huán)，一般進(jìn)行3 000次的調(diào)節(jié)疲勞測試。試驗后，檢查高度調(diào)節(jié)器的功能及手柄操作力等。

2.10 座椅地圖袋

座椅地圖袋一般位于座椅靠背后，呈口袋狀，用于裝地圖、書籍或較薄的文件等，是一種既方便又人性化的設(shè)計，其耐久測試主要分為連續(xù)載荷耐久和固定載荷耐久。

連續(xù)載荷耐久主要是沿水平向后方向?qū)Φ貓D袋施加0～50 N的載荷，頻率為30次/min，進(jìn)行3 000次循環(huán)，試驗后，地圖袋不得破壞，且變形不得大于20 mm；固定載荷耐久則是對地圖袋施加垂直方向30 N的固定載荷，持續(xù)72 h后，檢查地圖袋的狀況和破壞程度。

3 結(jié)論

汽車座椅在滿足國內(nèi)外法規(guī)（如：ECE、EEC、GB及FMVSS等）對座椅和頭枕的安全性要求之外，還有更多的內(nèi)容是要評價其使用可靠性和駕乘舒適度，保證實際使用中各部件功能的正常發(fā)揮。

文章結(jié)合經(jīng)驗，對座椅總成關(guān)鍵部件的主要可靠性評價方法進(jìn)行了總結(jié)和概括，涉及到振動耐久、操作耐久、磨損耐久及疲勞耐久等方面，通過對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和測試方法的研究和總結(jié)，希望能夠為座椅總成的優(yōu)化設(shè)計提供參考，并能夠?qū)ψ慰偝傻氖孢m可靠性評價提供指導(dǎo)，同時也完善了目前座椅部件測試評價方面要求不全面的現(xiàn)狀。期待今后生產(chǎn)越來越好、越來越科學(xué)的座椅產(chǎn)品，給駕乘人員帶來更大的安全保障和舒適體驗。