基于汽車(chē)座椅及頭枕新規(guī)的試驗(yàn)研究與改進(jìn)措施

李巖 許繼藝 李劼

摘? 要：本文對(duì)汽車(chē)座椅及頭枕新舊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，以某乘用車(chē)座椅及頭枕為分析對(duì)象，按照國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局、中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)新發(fā)布的國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)研究。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析了其有關(guān)影響因素，提出了對(duì)應(yīng)改進(jìn)方案，在此基礎(chǔ)上對(duì)新方案進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。以期為工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果分析上提供參考。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)座椅及頭枕;強(qiáng)制性試驗(yàn);影響因素;改進(jìn)方案

中圖分類號(hào)：U463.83+6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2020）03-0000-00

0 引言

汽車(chē)座椅作為乘員約束系統(tǒng)的重要組成部分，其在保證乘員安全性和舒適性方面具有重要作用[1]。隨著汽車(chē)技術(shù)的飛速發(fā)展和人們對(duì)汽車(chē)性能要求的不斷提高，對(duì)汽車(chē)座椅的要求也在不斷提高。座椅及頭枕承擔(dān)著為乘員提供舒適的乘坐環(huán)境、支撐乘員重心的作用，同時(shí)在車(chē)輛發(fā)生事故時(shí)，能避免乘員受到傷害或?qū)档阶畹?。因此，汽?chē)座椅及頭枕性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到車(chē)內(nèi)乘員在發(fā)生碰撞等事故時(shí)的人身安全[2]。因此，汽車(chē)座椅及頭枕性能一直是國(guó)家要求的強(qiáng)制性檢驗(yàn)項(xiàng)目，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外都建立了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)來(lái)保證其穩(wěn)定性和安全性，如現(xiàn)行的主要有ECE R17和GB 15083。

1 國(guó)內(nèi)新舊標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)對(duì)比

GB 15083-2006《汽車(chē)座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》為現(xiàn)行有效的國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。新法規(guī)GB 15083-2019《汽車(chē)座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》于2019年10月14日發(fā)布，將于2020年7月1日正式實(shí)施。

與GB 15083-2006比較，2019新版標(biāo)準(zhǔn)最大的不同是座椅固定裝置、調(diào)節(jié)裝置、鎖止裝置以及移位裝置強(qiáng)度項(xiàng)目以前采用靜態(tài)試驗(yàn)/動(dòng)態(tài)試驗(yàn)二選一的方法，現(xiàn)在必須使用動(dòng)態(tài)試驗(yàn)來(lái)考核。主要原因是靜態(tài)試驗(yàn)存在以下弊端：一是靜態(tài)試驗(yàn)的加載只能在座椅的質(zhì)心高度加載一個(gè)相當(dāng)于座椅自身重量20倍的力，而非座椅整體受力。二是由于座椅形狀不規(guī)則、質(zhì)量分布不均，質(zhì)心測(cè)量的誤差被放大，且使用剛性金屬桿還是柔性拉帶對(duì)其進(jìn)行加載也一直存在著爭(zhēng)議。三是加載速度受當(dāng)前設(shè)備情況限制，普遍采用4～6 s加載至設(shè)定值，這與實(shí)際的普通碰撞時(shí)間（約200 ms）相差甚遠(yuǎn)。由此可見(jiàn)，靜態(tài)試驗(yàn)中座椅的受力情況和失效形式都會(huì)與實(shí)際情況有所不同，從而影響產(chǎn)品工程師的判斷。因此動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的全面推行是一種必然。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證及改進(jìn)

依據(jù)2019版標(biāo)準(zhǔn)，以某中低端乘用車(chē)前排座椅為研究對(duì)象，針對(duì)座椅固定裝置、調(diào)節(jié)裝置、鎖止裝置以及移位折疊裝置的強(qiáng)度試驗(yàn)（動(dòng)態(tài)試驗(yàn)）、頭枕性能試驗(yàn)要求、頭枕吸能性試驗(yàn)這三大主要安全性檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)主要是檢測(cè)座椅是否滿足強(qiáng)度要求，即在發(fā)生碰撞時(shí)能夠保證其與安全帶等約束系統(tǒng)一起保護(hù)乘員安全;頭枕性能試驗(yàn)主要考核車(chē)輛在碰撞事故中，座椅頭枕及靠背能否經(jīng)受沖擊載荷，以及能否對(duì)乘員頸椎、腰部起到很好的保護(hù)作用[6];頭枕吸能性試驗(yàn)主要考察車(chē)輛碰撞過(guò)程中乘員頭部在撞擊到頭枕的瞬間，頭枕對(duì)撞擊能量吸收的效果，以及頭枕在受到?jīng)_擊載荷后，頭枕的變形破壞情況[7]。

2.1試驗(yàn)

第1次試驗(yàn)結(jié)果曲線如下圖所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的前向試驗(yàn)（見(jiàn)圖1）后座椅骨架、固定裝置未失效，但靠背調(diào)節(jié)裝置失效，靠背鎖緊裝置松脫;在頭枕性能試驗(yàn)中加載至806.3 N（未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的890 N）時(shí)頭枕機(jī)構(gòu)失效無(wú)法繼續(xù)加載（見(jiàn)圖3），這兩項(xiàng)試驗(yàn)未通過(guò)。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的后向試驗(yàn)（見(jiàn)圖2）以及頭枕吸能性試驗(yàn)（見(jiàn)圖4、圖5）均合格。

頭型最大后移量45.6 mm，頭枕及其固定裝置加載至806.3 N。

2.2 分析整改

2.2.1 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的前向試驗(yàn)失效情況分析

現(xiàn)場(chǎng)拆解失效座椅，座椅骨架整體變形較小且不存在母材破損開(kāi)裂或焊縫撕裂等框架結(jié)構(gòu)失效的情況、滑軌也未發(fā)生損壞。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，調(diào)角器強(qiáng)度不足導(dǎo)致試驗(yàn)失效的可能性較大。進(jìn)一步拆解調(diào)角器，檢查鎖齒板，發(fā)現(xiàn)并不存在整齒或半齒被切斷的現(xiàn)象，但鎖齒板、齒輪圈嚙合齒、固定座的凸臺(tái)端部有明顯劃痕，顯示失效模式更接近于調(diào)角器被主動(dòng)解鎖后的跳齒現(xiàn)象而非鎖齒板強(qiáng)度不足導(dǎo)致的滑齒狀態(tài)。正向碰撞過(guò)程中調(diào)角器的瞬間跳齒，使得靠背向前轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)生碰撞時(shí)靠背向前傾倒，增大了乘員受傷害的風(fēng)險(xiǎn)。該調(diào)角器結(jié)構(gòu)如圖6所示。當(dāng)需要調(diào)整角度時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪軸3帶動(dòng)凸輪6轉(zhuǎn)動(dòng)，使鎖齒板5同內(nèi)齒輪圈2脫離嚙合，調(diào)整靠背角度。調(diào)整完成后凸輪軸3在彈性墊圈7的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)凸輪6，使鎖齒板5同內(nèi)齒輪圈2嚙合。根據(jù)調(diào)角器的工作原理可知，零件制造誤差、裝配誤差或鎖齒板和固定座凸臺(tái)的高度差都會(huì)造成齒板和內(nèi)齒圈嚙合部位應(yīng)力較大而發(fā)生塑性變形。

零件制造誤差或裝配誤差可以通過(guò)改善工藝解決，鎖齒板和固定座凸臺(tái)的高度差問(wèn)題可以通過(guò)改變零件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。因此，通過(guò)以下方式進(jìn)行整改：增加鎖齒板的厚度使其同固定座凸臺(tái)等高，減小鎖齒板的翻轉(zhuǎn)，使其受力更加均勻，從而避免局部應(yīng)力過(guò)大的現(xiàn)象。

2.2.2 頭枕性能試驗(yàn)失效情況分析

現(xiàn)場(chǎng)拆解失效汽車(chē)座椅和頭枕發(fā)現(xiàn)，座椅靠背內(nèi)的頭枕導(dǎo)管開(kāi)裂，接縫強(qiáng)度稍差，焊接接觸面小、焊接接縫面積不夠，發(fā)生碰撞時(shí)頭枕失效可能增加乘員頸部損傷風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這種情況，通過(guò)以下方式進(jìn)行整改：將現(xiàn)有背框焊接頭枕導(dǎo)管處，進(jìn)行拍扁5 mm處理，目的是增加焊接的接觸面積，由原來(lái)的頭枕導(dǎo)管和背框線接觸改為面接觸，并對(duì)焊接工藝進(jìn)行調(diào)整，如圖7所示。

2.3 整改后驗(yàn)證試驗(yàn)

整改后的汽車(chē)座椅及頭枕再次進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果均合格，曲線如圖8～圖12所示。

從整改后的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，本次整改在生產(chǎn)成本增加不多的情況下，座椅靠背調(diào)角器及頭枕固定裝置強(qiáng)度均有明顯改善，所有試驗(yàn)結(jié)果均滿足新法規(guī)要求，整改有效。

3 結(jié)語(yǔ)

目前針對(duì)汽車(chē)座椅及頭枕的國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)目的在于考察座椅及頭枕在車(chē)輛碰撞過(guò)程中受到人體沖擊時(shí)，對(duì)乘員的保護(hù)效果，這是評(píng)價(jià)汽車(chē)座椅及頭枕安全性能的最基本要求[8]。本文通過(guò)某乘用車(chē)汽車(chē)座椅及頭枕進(jìn)行試驗(yàn)，分析了該汽車(chē)座椅及頭枕的失效形式，設(shè)計(jì)了改進(jìn)方法并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)其他企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及質(zhì)量改善有著積極的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]鐘柳華，孟正華，練朝春.汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)與制造[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2015.

[2]趙波，范平清，沈濤.轎車(chē)座椅主動(dòng)式頭枕吸能性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（3）：115-117.

[3]GB15083-2006，汽車(chē)座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法[S].

[4]GB11550-2009，汽車(chē)座椅頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法[S].

[5]GB15083-2019，汽車(chē)座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法[S].

[6]付奇.基于有限元方法的汽車(chē)座椅靜強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2004.

[7]段昀輝.汽車(chē)座椅靜強(qiáng)度改進(jìn)設(shè)計(jì)及頭枕安全性分析[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2004.

[8]吳瑜.汽車(chē)駕駛員座椅強(qiáng)度及安全性分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

收稿日期：2020-02-12

作者簡(jiǎn)介：李巖（1981—），女，湖北宜都人，碩士研究生，工程師，研究方向：汽車(chē)座椅系統(tǒng)測(cè)試評(píng)價(jià)。