汽車(chē)座椅主動(dòng)式頭枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全性探討

宋均思

摘 要：本文主要針對(duì)汽車(chē)座椅主動(dòng)式頭枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全性探討，首先闡述了汽車(chē)座椅主動(dòng)式頭枕的功能特點(diǎn)，其次闡述了汽車(chē)座椅主動(dòng)式頭枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后闡述了汽車(chē)座椅主動(dòng)式頭枕的安全性分析展開(kāi)研究。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)式頭枕;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);安全性分析;有限元

1 前言

為了確保汽車(chē)安全性符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，就應(yīng)當(dāng)通過(guò)對(duì)汽車(chē)座椅的研究，其中包含了對(duì)座椅頭枕安全性的研究，目前主動(dòng)式頭枕是一種全新的頭枕種類(lèi)，其能夠在遇到汽車(chē)事故期間起到良好的保護(hù)作用，可以對(duì)頸部安全進(jìn)行保護(hù)，但是從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看主動(dòng)式頭枕仍然存在著部分缺陷，也即是在遇到安全事故期間該頭枕會(huì)對(duì)駕駛者的頸部造成碰撞傷害，本文主要針對(duì)這一點(diǎn)展開(kāi)研究，深入探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以此提升安全性。

2 汽車(chē)座椅主動(dòng)式頭枕的功能特點(diǎn)

（1）頭枕本身?yè)碛忻烙^的外形，并且能夠抵御來(lái)自外部的沖擊力，具有良好的防彈性能和保護(hù)性能，其連接部件之間相對(duì)較為牢固，這樣在正常使用期間才能夠抵抗過(guò)量或一定量的振動(dòng)力度。

（2）頭枕自身?yè)碛辛己玫恼{(diào)節(jié)性，因其所具備的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能夠針對(duì)內(nèi)部的各個(gè)部件進(jìn)行調(diào)整，這樣才能隨時(shí)調(diào)整并固定頭枕主體。

（3）頭枕的主體材料選擇了能夠吸收沖擊力的泡沫性質(zhì)材料，這種材料能夠起到良好的緩沖作用，因此主動(dòng)式頭枕具有較強(qiáng)的緩沖功能，可以在實(shí)際應(yīng)用期間保護(hù)駕駛者的頭部安全和頸部安全，適當(dāng)吸收相關(guān)的沖擊力度。

（4）主動(dòng)式頭枕的座椅支持重復(fù)使用，相比較傳統(tǒng)的一次性頭枕能夠減少較多的維護(hù)成本，從這里也能夠得出主動(dòng)式頭枕的座椅具有重復(fù)使用的功能特點(diǎn)。

3 汽車(chē)座椅主動(dòng)式頭枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文通過(guò)研究分析認(rèn)為在進(jìn)行頭枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間應(yīng)當(dāng)采用分割創(chuàng)新原理來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，所謂的分割創(chuàng)新原理也即是將一個(gè)完整的物體分割為若干個(gè)部分，在這種情況下若干個(gè)部分的物體更容易拆卸，這樣能夠通過(guò)較為簡(jiǎn)單的組裝手段來(lái)重新獲取到一個(gè)完整的物體。在設(shè)計(jì)期間會(huì)將主動(dòng)式頭枕設(shè)備分割為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和觸發(fā)機(jī)構(gòu)，這兩個(gè)部分在沒(méi)有進(jìn)行觸發(fā)期間歸類(lèi)為連接狀態(tài)，但是在實(shí)際觸發(fā)期間又會(huì)呈現(xiàn)出分離狀態(tài)，這樣才能形成真正意義上的非聯(lián)動(dòng)式機(jī)構(gòu)，以此達(dá)成主動(dòng)式頭枕的大多數(shù)功能，也即是利用頭枕的結(jié)構(gòu)來(lái)完成對(duì)駕駛者的頭部保護(hù)，具體如圖1所示。

通過(guò)圖中的結(jié)構(gòu)能夠發(fā)現(xiàn)，其中座椅骨架為主要結(jié)構(gòu)組成，其中通過(guò)滑輪的部件來(lái)支撐各部門(mén)的組成，而主要是通過(guò)支撐板和支架通過(guò)焊接的方式連接到座椅骨架上，這樣才能確保座椅骨架的支撐效果。主要通過(guò)骨架當(dāng)中的通孔支架和滑軸來(lái)完成上半部分的支撐板構(gòu)成，利用滑軸的彈簧效果來(lái)進(jìn)行滑動(dòng)效果，在此期間的滑軌呈現(xiàn)出弧形結(jié)構(gòu)，并且利用螺栓將滑軌固定在支撐板上，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)掛鉤與支架的組合搭配來(lái)支持整體支撐板的運(yùn)動(dòng)工作。觸發(fā)部分的彈片呈現(xiàn)出弓形結(jié)構(gòu)，主要通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)掛鉤的部分來(lái)達(dá)成各部位之間的連接，轉(zhuǎn)動(dòng)掛鉤能夠利用彈片的形變來(lái)展開(kāi)繞支架運(yùn)動(dòng)，最終會(huì)導(dǎo)致彈片與滑軸的脫離，在沒(méi)有觸發(fā)期間轉(zhuǎn)動(dòng)掛鉤的上半部分會(huì)連接相關(guān)的滑軸鉤掛，在工作期間掛鉤與主動(dòng)脫離滑軸。

在主動(dòng)式頭枕還沒(méi)有設(shè)置為激活狀態(tài)期間，滑軸會(huì)停留在滑軌部分的最下端，頭枕通常會(huì)位于常規(guī)高度，并且其彈簧部位呈現(xiàn)出拉緊狀態(tài)，若是形成了追尾現(xiàn)象，在此期間駕駛者的腰部會(huì)受到?jīng)_擊力的影響而向后退，這時(shí)候就會(huì)觸碰并擠壓到觸發(fā)彈片，當(dāng)觸發(fā)彈片接收到相關(guān)的沖擊力度，這樣才能形成觸發(fā)彈片的工作狀態(tài)，促使轉(zhuǎn)動(dòng)掛鉤進(jìn)行相關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)工作，這種動(dòng)能可以讓掛鉤上面部分的滑軌脫離開(kāi)，這時(shí)頭枕、滑軸與頭枕支撐桿之間能夠形成一個(gè)完整的整體，從而形成相關(guān)的拉力來(lái)促使滑軌運(yùn)動(dòng)，在此期間滑軸會(huì)朝著后方進(jìn)行滑動(dòng)工作。綜上，最終會(huì)導(dǎo)致座椅骨架上方能夠形成杠桿作用并確保頭枕不會(huì)繼續(xù)向后彈，這樣能夠減少駕駛者頭部與頭枕之間所間隔的距離，從根本上對(duì)駕駛者的頭部進(jìn)行保護(hù)。聯(lián)動(dòng)式頭枕在駕駛者遇到安全事故期間會(huì)造成反復(fù)傷害，也即是駕駛者的頭部撞到頭枕上，而頭枕則會(huì)通過(guò)觸發(fā)彈片來(lái)判斷相關(guān)的運(yùn)動(dòng)方式，若是在此期間頭枕反復(fù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，駕駛者的頭部和頸部會(huì)經(jīng)受更大的碰撞力度，導(dǎo)致駕駛者的生命無(wú)法受到保障。在這種情況下主動(dòng)式頭枕所實(shí)施的頭枕保護(hù)效果就相對(duì)較好，并且不會(huì)出現(xiàn)以上情況，在使用期間能夠利用按壓的方式對(duì)頭枕進(jìn)行操作，這時(shí)頭枕內(nèi)部的滑軸和掛鉤會(huì)設(shè)置為連接狀態(tài)，這樣才能夠反復(fù)進(jìn)行使用，避免了浪費(fèi)的現(xiàn)象發(fā)生，本文結(jié)合以上的設(shè)計(jì)內(nèi)容，總結(jié)出相關(guān)的過(guò)程原理圖，具體如圖2所示。

4 汽車(chē)座椅主動(dòng)式頭枕的安全性分析

4.1 引言

該頭枕保護(hù)裝置的功能主要是對(duì)駕駛者的頭部與頸部起到良好的保護(hù)效果，也即是通過(guò)支撐的方式來(lái)抵消掉安全事故發(fā)生期間所產(chǎn)生的碰撞力度，在此期間會(huì)利用測(cè)試的方式對(duì)頭枕對(duì)駕駛者頸部的保護(hù)效果進(jìn)行測(cè)量，以此作為主要的衡量手段，在發(fā)生追尾事件階段頸部會(huì)依次接受向前運(yùn)動(dòng)、回收和彎曲這三種，若是頭枕無(wú)法有效對(duì)頸部起到保護(hù)效果就會(huì)對(duì)駕駛者自身的頸部造成安全隱患。國(guó)際方面的安全規(guī)章制度針對(duì)頭枕的抗阻力性能進(jìn)行了明確的規(guī)范，我國(guó)也根據(jù)這種情況制定了相關(guān)的前撞測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和后撞測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其中水平靠后的前撞實(shí)驗(yàn)和水平靠后的后撞實(shí)驗(yàn)取得了較為不錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并以該實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)座椅頭枕的架構(gòu)設(shè)計(jì)和安全性能進(jìn)行相關(guān)的規(guī)范，若是不符合標(biāo)準(zhǔn)則無(wú)法投入到應(yīng)用當(dāng)中。本文針對(duì)這種情況展開(kāi)研究，也即是通過(guò)對(duì)座椅頭枕安全性展開(kāi)分析，主要是通過(guò)仿真模擬的手段來(lái)進(jìn)行研究與分析，期間食用了有限元分析方法，并且以LS-DYNA充當(dāng)核心技術(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行求解。

LS-DYNA是國(guó)際方面較為常見(jiàn)的非線性動(dòng)力分析方式，其可以通過(guò)模擬的方式對(duì)現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中所存在的非線性問(wèn)題進(jìn)行求解，其精準(zhǔn)度相對(duì)較高，因此是較為經(jīng)典的有限元程序，該程序能夠針對(duì)大轉(zhuǎn)動(dòng)類(lèi)型的非線性問(wèn)題進(jìn)行求解，其中包含了一部分的顯式求解方式和Lagrange功能，并且能夠起到良好的動(dòng)力分析作用。而本文則將ANSYS軟件充當(dāng)關(guān)鍵手段，以LS-DYNA解算器充當(dāng)核心，繼而展開(kāi)相關(guān)的安全性分析。

4.2 頭枕前撞安全性分析

結(jié)合我國(guó)所指定的規(guī)章制度當(dāng)中可得出相關(guān)的前撞吸能功效，也即是說(shuō)應(yīng)當(dāng)以一個(gè)質(zhì)量參數(shù)為6.8kg、直徑參數(shù)為165mm的人體頭部模型來(lái)充當(dāng)測(cè)試所使用的模型，在進(jìn)行前撞期間需要確保兩者歸屬同一個(gè)水平面，通過(guò)水平向后的軌跡和方向來(lái)進(jìn)行相關(guān)的撞擊，在撞擊期間要維持6.69m/s的速度，具體如圖3所示。

制定了相關(guān)模型之后就應(yīng)當(dāng)進(jìn)行仿真，考慮到本次仿真歸類(lèi)為大變形模擬仿真，因此使用了ANSYS Workbench模塊來(lái)進(jìn)行仿真，此類(lèi)方法所針對(duì)的對(duì)象為頭枕，故而在仿真器件需要對(duì)座椅的下半部分消除掉，只針對(duì)上半?yún)^(qū)域的關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用UG軟件來(lái)構(gòu)建相關(guān)的頭部模型和頭枕模型，并且將完成制作的Parasolid格式文件導(dǎo)入到模塊當(dāng)中，以此充當(dāng)前處理，在該軟件的workbench當(dāng)中選取相關(guān)的顯示動(dòng)力學(xué)模塊，對(duì)頭部的模型進(jìn)行重新設(shè)置，要求設(shè)置為rigid剛性球體，并且考慮到本次仿真的內(nèi)容為座椅骨架，故而選擇與之相關(guān)的金屬類(lèi)型材料作為骨架，座椅頭枕要選擇與靜力分析相同的材料，具體的有限元模型如圖4所示。

通過(guò)相關(guān)的仿真操作后能夠?qū)δＰ瓦M(jìn)一步處理，并且最終獲取到前撞整體的應(yīng)力應(yīng)變信息，具體如圖5所示。

如圖的4個(gè)時(shí)刻得出，在碰撞的全階段，當(dāng)時(shí)間為4ms到7ms之間，頭枕所接受的應(yīng)力在不斷增長(zhǎng)，在時(shí)間為6ms的階段，因頭部模型與頭枕兩者間接觸面積的擴(kuò)大，與之相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力也在隨之減少，當(dāng)時(shí)間為7ms時(shí)能夠看出座椅骨架部分已經(jīng)出現(xiàn)了變形，但是在此期間缺失吸收了一定數(shù)量的碰撞力，由此可知，主動(dòng)式頭枕的安全性符合了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 頭枕后撞安全性分析

在進(jìn)行仿真器件將頭部模型進(jìn)行擺放，保持參數(shù)與前撞數(shù)據(jù)的向同性，要確保重量參數(shù)和直徑參數(shù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，方向則改變?yōu)橄蝾^枕的前后方進(jìn)行樁基，具體的有限元模型如圖6所示。

在完成有限元模型的構(gòu)建之后需要利用解算器對(duì)二進(jìn)制的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，最終以d3plot的文件格式導(dǎo)出并導(dǎo)出到Ls*Prepost處理器當(dāng)中，通過(guò)該處理器自身所具備的處理功能來(lái)進(jìn)行處理，通過(guò)仿真的功能實(shí)現(xiàn)對(duì)整體后撞流程所產(chǎn)生的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，具體總結(jié)如圖7所示。

如圖7能夠得出頭枕在仿真后撞期間所形成的接觸應(yīng)力、脫離應(yīng)力和碰撞應(yīng)力等，因頭部模型比較前撞而言能夠與頭枕之間分離較大的距離，在6ms階段才形成碰撞力，直到8ms階段，碰撞的應(yīng)力值達(dá)到上限，但是在此之后的應(yīng)力就會(huì)不斷縮小，由此可知，主動(dòng)式頭枕機(jī)械的后撞測(cè)試結(jié)果相對(duì)較為精準(zhǔn)，這代表在后撞測(cè)試期間座椅能夠減小相關(guān)的應(yīng)力，對(duì)碰撞應(yīng)力進(jìn)行抵消，這也代表了主動(dòng)式頭枕的安全性符合我國(guó)所指定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

本文通過(guò)仿真的方式對(duì)主動(dòng)式頭枕的安全性展開(kāi)分析，通過(guò)研究可得出，所謂的安全性也即是指在碰撞、脫離和接觸期間的應(yīng)力，而本文通過(guò)仿真軟件對(duì)頭部模型和頭枕模型采取相關(guān)的碰撞測(cè)試，所取得的結(jié)果相對(duì)較好，也即是頭部在頭枕的作用下應(yīng)力會(huì)逐漸減少。

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