基于碰撞安全的駕駛員座椅滑軌行程設(shè)計

趙愛霞

在新車設(shè)計初期階段，整車總布置設(shè)計會根據(jù)整車關(guān)鍵尺寸及關(guān)鍵零部件的設(shè)計調(diào)整約束條件，以實現(xiàn)整車性能指標。碰撞安全作為關(guān)鍵性能指標，會對整車總布置提出更高的要求。闡述了在前期總布置設(shè)計過程中，駕駛員座椅作為乘客艙布置的關(guān)鍵部件，其滑軌行程設(shè)計對于碰撞安全的重要性。表明了座椅行程設(shè)計對于安全控制策略的影響，并給出了滑軌行程設(shè)計的基本原則及關(guān)鍵控制要素。整車;總布置;座椅滑軌行程;碰撞安全

0 前言

前排座椅試驗位置“H”點位于中間位置或最接近于中間位置的鎖止位置，并處于廠家規(guī)定的高度位置?！癏”點位于中間位置或最接近于中間位置的鎖止位置，高度處于中間位置。“H”點位于中間位置或最接近于中間位置的鎖止位置，并處于規(guī)定的高度位置。將測得的數(shù)據(jù)輸入到相應(yīng)的《CMM數(shù)據(jù)表》，根據(jù)計算出的數(shù)據(jù)進行最終定位?！癏”點處于95%男性座椅位置，與最前位置的中間位置。如果在這個位置不能被鎖定，就移到中點后第一個鎖止位置。座椅高度處于最低位置?！癏”點位于中間位置或最接近于中間位置的鎖止位置，高度處于最低位置。

我國的汽車事故傷亡率位居世界前列，這不僅與駕駛員的安全意識和駕駛技術(shù)有關(guān)，而且與汽車自身的安全性有很大關(guān)系。在項目初期，技術(shù)人員已制定碰撞安全目標及實現(xiàn)策略，并對整車總布置工程師提出明確要求，如碰撞饋縮空間、乘員生存空間等。而這些約束條件對于整車尺寸及空間開發(fā)效率有重大影響，如果在項目前期有性能指標的集成遺漏，將導(dǎo)致項目后期整車開發(fā)的重大更改甚至無法實現(xiàn)其性能目標。

在整車開發(fā)預(yù)研階段，整車總布置須根據(jù)整車關(guān)鍵尺寸及關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出約束條件，通過精益化的物理集成實現(xiàn)整車性能指標。乘員艙總布置首要啟動的工作是乘員布置。乘員布置的核心是駕駛員R點位置[1]、座椅滑軌行程，以及確定二者之間的關(guān)系。在前期總布置設(shè)計過程中，本文明確了駕駛員座椅作為乘客艙布置的關(guān)鍵部件，其滑軌行程設(shè)計對于碰撞安全的重要性，給出了滑軌行程設(shè)計的基本原則及關(guān)鍵控制因素，在整車物理空間上協(xié)助碰撞安全的實現(xiàn)。

1 碰撞安全法規(guī)要求

世界各國的法規(guī)要求碰撞假人在試驗車輛上的擺放位置是不盡相同的。歐盟新車安全評估程序（Euro NCAP）相對各國國標如GB11551、FMVSS及ECE R94更加嚴格。對于同一款車輛，碰撞假人周邊環(huán)境是一致的，但碰撞假人所處的位置不同，試驗結(jié)果也不盡相同。假人越靠后，對應(yīng)的傷害值越小，相應(yīng)的碰撞得分越高，星級也越高?；趯σ陨显瓌t的共同認知，碰撞安全在整車總布置前期對于駕駛員R點及座椅的滑軌行程設(shè)計均提出了約束條件[2-5]。表1為世界各國碰撞安全法規(guī)要求的對比，其中相關(guān)測試要求將在下文進行詳細論述。

2 乘員艙布置

汽車設(shè)計的主要目的是載人移動，所以乘員的舒適性是汽車開發(fā)的主要性能目標。乘員位置及乘員周邊零部件的布置簡稱為“乘員艙布置”，其核心作用主要包括乘員位置及坐姿確定、整車的空間開發(fā)、乘員操作舒適性開發(fā)，以及乘員周邊關(guān)鍵零部件的布置。駕駛員R點位置為乘員重心位置，其坐姿的確定是乘員艙布置的基礎(chǔ)。乘員布置使用SAE J826標準定義的二維假人模板[6]。圖1和圖2為駕駛員座位的座椅布置過程的示意圖。確定駕駛員座椅位置的具體方法如下述步驟確定。

（1）確定假人模板腳部的位置及姿態(tài)。如圖1所示，首先建立以踵點、踏點的交點為原點的初始坐標系，初步定義駕駛員坐高H30值，建立坐高平面，然后根據(jù)SAE J4004[7]標準定義的踏板角公式，確定駕駛員踏板角角度，在初始坐標系內(nèi)鎖定踵點及踏點。

（2）鎖定踝角A46及假人R點位置。如圖2所示，參照SAE J1517駕駛員乘坐位置標準公式[8]，確定各百分位駕駛員乘坐舒適曲線。H30坐高平面與95%駕駛員乘坐舒適曲線相交的點即可確定為SAE95%駕駛員人體模型R點。依據(jù)SAE J826標準規(guī)定，踝角位置A46為87 °，鎖定膝點位置。此時駕駛員假人模板各部分肢體硬點鎖定，靠背角位置A40一般選用25 °，也可根據(jù)開發(fā)車型的特點，坐姿高低，選用其他靠背角度，調(diào)整范圍一般為20～30 °。因此，駕駛員的坐高、踵點、踏點、踝角、膝角、軀干角和靠背角均完成初始定義，駕駛員坐姿及R點位置可以確定。

3 碰撞安全對乘客艙布置的要求

圖3為國標碰撞模擬分析碰撞假人擺放示意圖?；隈{駛員位置及坐姿的鎖定，設(shè)計座椅滑軌行程，保障碰撞后乘員的生存空間。

座椅滑軌行程是座椅平臺的物理屬性參數(shù)，在座椅平臺選定后，其滑軌行程基本已鎖定。在95%假人R點鎖定的前提下，實現(xiàn)碰撞“H”點的后移。如下圖4所示，有如下幾條實現(xiàn)途徑。

（1）如點⑥固定， 點⑤后移， 增大TL17長度。從結(jié)構(gòu)設(shè)計來看，過長的TL17會增加座椅成本、整車重量和車身要求。另外，整車廠基本選用成熟平臺，TL17長度不會進行重新設(shè)計。因此，這條途徑對于整車廠來說基本不可實現(xiàn)。

（2）如點⑤固定， 點⑥后移， 縮小TL17長度。這會引起小百分位人機工程問題，造成包括踏板、手剎、選換檔、儀表臺中控、頂燈控制臺等操作件的使用距離過遠，影響空調(diào)風口吹面性能，以及導(dǎo)致前方視野變差等問題。該修改方案的貢獻量非常有限，整車廠一般不采取該途徑。

（3）如TL17長度固定，在滿足小百分位人體舒適性的前提下，向后移動整個滑軌，對于碰撞H點的后移貢獻量較大。這是整車廠普遍采取的座椅滑軌布置策略，可以實現(xiàn)碰撞H點的最大化后移。

4 座椅滑軌行程的設(shè)計

如表2所示，SAE J4004-2008標準對座椅的滑軌行程進行了定義。如要覆蓋95%的人體工學范圍，其要求滑軌整體長度不低于240 mm。目前，市場主流車型的滑軌長度一般都大于240 mm。

目前，整車采用的座椅滑軌多是平臺選型件，選型時要充分考慮人機工程及碰撞安全的要求。如圖5和圖6所示，技術(shù)人員可以按照實際需求對座椅平臺進行選擇。圖中各黑點為國標碰撞“H”點的大概位置。技術(shù)人員可以根據(jù)人機工程假人乘坐及駕駛舒適性來進行評估。在圖5中，B平臺基本覆蓋了所有2.5%假人，且沒有造成前行程的浪費，為最佳選擇;C平臺僅最前最上點覆蓋了2.5%假人，不能滿足其他身體比例的假人;A平臺前行程過多，造成小百分位人體過設(shè)計，不符合實際人機設(shè)計要求。圖6表示從安全碰撞角度出發(fā)的座椅滑軌行程設(shè)計，其中C平臺的TL17長度最長，且四邊形較傾斜，最大限度的將碰撞“H”點后移，有利于碰撞安全，B平臺次之，A平臺最差?；谝陨戏治觯Y(jié)合人機及安全需求，B平臺座椅平臺是最優(yōu)的。

綜上所述，在乘客艙前期布置時，應(yīng)整體評估人機及碰撞安全性能需求。在95%駕駛員R點位置確定的前提下，提升碰撞安全性能的唯一途徑就是滿足人機操作舒適性及小百分位假人駕駛位置覆蓋性要求，選擇最優(yōu)的座椅平臺。在滿足人機工程要求的同時，實現(xiàn)碰撞“H”點的后移，以提高碰撞試驗的成績。

5 結(jié)論

經(jīng)過以上綜合分析，得出如下結(jié)論，并可供相關(guān)設(shè)計人員在前期乘客艙布置過程中進行參考。

（1）滑軌行程設(shè)計：在滿足人機工程前提下，集成碰撞安全要求，最大限度后移碰撞“H”點，保障乘員生存空間，改善前碰試驗結(jié)果，以確保整車通過各國政府的法規(guī)和標準要求。

（2）座椅滑軌長度設(shè)計：參照SAE J4004標準，覆蓋95%（2.5%～97.5%）人體工學需求，座椅滑軌行程TL17應(yīng)使用240 mm平臺，行程過小將引起人機乘坐舒適性及碰撞安全隱患。

（3）滑軌行程的安全碰撞布置：考慮到須改善前碰試驗結(jié)果，應(yīng)使圖4中滑軌行程的最高點和最前點觸到2.5%舒適線。對于四向座椅，應(yīng)盡可能加大前后總行程。

（4）滑軌行程的人機布置：考慮同樣高度的人體上下身比例不同，為了滿足各種人體的駕駛舒適性，應(yīng)使圖4中的②、④和⑥點都能觸到2.5%舒適線，以滿足小百分位人體對駕駛位置多樣性的需求。

[1]美國汽車工程師協(xié)會. SAE J1100 Motor Vehicle Dimensions[S]. 美國汽車工程師協(xié)會.2009：24.

[2]歐洲新車安全評估協(xié)會. MPDB frontal impact testing protocol[S]. Euro NCAP. 2020：15.

[3]中國國家標準委員會. GB 11551汽車正面碰撞的乘員保護[S]. 國家標準委員會. 2014：7.

[4]美國聯(lián)邦機動車安全標準. FMVSS 208 Updated review of potential test procedures[S]. FMVSS.2010：10 .

[5]歐洲經(jīng)濟委員會. ECE R94 Uniform provisions concerning the approval of： vehicles with regard to the protection of the occupant in event of a frontal collision[S]. ECE.2017：26.

[6]美國汽車工程師協(xié)會. SAE J826 Devices for use in defining and measuring vehicle seating accommodation[S]. SAE.2008：6.

[7]美國汽車工程師協(xié)會.SAE J4004 Positioning the H-POINT design tool-seating reference point and seat track length[S]. SAE.2008：11.

[8]美國汽車工程師協(xié)會.SAE J1517 Driver selected seat position[S]. SAE.2009：2.