基于RAMSIS和臺架試驗(yàn)的駕駛員安全帶佩戴舒適性研究

王聰,王建勛,王團(tuán),李曉婷,齊曉明

一汽奔騰轎車有限公司，吉林長春 130013

0 引言

隨著人們生活水平的日益提高，越來越多的家庭擁有了自己的汽車。安全帶作為一種非常重要的安全裝備，在汽車交通事故中能夠有效地保護(hù)駕乘人員防止受到損傷[1]。因此，1993年7月我國規(guī)定所有小客車行駛時，駕駛員、前排乘坐人員必須按規(guī)定佩戴安全帶。目前POWER把安全帶的佩戴舒適性作為一項(xiàng)重要的評價內(nèi)容，用戶也越來越關(guān)注安全帶的佩戴舒適性。

2013年我國實(shí)施了強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB 14167《汽車安全帶安裝固定點(diǎn)、ISOFIX固定點(diǎn)系統(tǒng)及上拉帶固定點(diǎn)》，規(guī)定了汽車安全帶有效固定點(diǎn)的布置區(qū)域范圍要求，然而滿足法規(guī)區(qū)域并不代表安全帶佩戴舒適就好。根據(jù)王曉杰等[2]統(tǒng)計分析，在安全帶佩戴舒適性評價中，安全帶織帶走向是用戶關(guān)注度最高的一項(xiàng)，而影響安全帶走向的重要影響因素就是安全帶上固定點(diǎn)的位置。

目前駕駛員安全帶通常配備高度調(diào)節(jié)器，不同身材的駕駛員可根據(jù)需要上下調(diào)節(jié)安全帶上固定點(diǎn)，找到適合的舒適區(qū)域。然而隨著整車成本的壓力，整車廠也考慮將取消高度調(diào)節(jié)器作為降成本方案之一，從而對安全帶上固定點(diǎn)的位置選取尤為重要。

本文將基于RAMSIS軟件及臺架試驗(yàn)相結(jié)合的方式對駕駛員安全帶上固定點(diǎn)的位置選取進(jìn)行研究，通過在X、Y、Z3個方向上安全帶上固定點(diǎn)與座椅點(diǎn)R的相對距離為變量進(jìn)行對比分析，再經(jīng)過臺架試驗(yàn)的驗(yàn)證，為駕駛員安全帶上固定點(diǎn)的選取提供依據(jù)。

1 安全帶上固定點(diǎn)法規(guī)區(qū)域及RAMSIS軟件介紹

1.1 安全帶上固定點(diǎn)法規(guī)區(qū)域要求

根據(jù)GB 14167《汽車安全帶安裝固定點(diǎn)、ISOFIX固定點(diǎn)系統(tǒng)及上拉帶固定點(diǎn)》，安全帶有效固定點(diǎn)是安全帶各部分相對于使用者的角度的點(diǎn)，將織帶系于該點(diǎn)可獲得與預(yù)期設(shè)計相同的安全帶佩戴狀態(tài)。駕駛員安全帶上有效固定點(diǎn)位置區(qū)域如圖1所示。

圖1 駕駛員安全帶上有效固定點(diǎn)位置區(qū)域

(1)上有效固定點(diǎn)到平行于車輛縱向基準(zhǔn)平面P距離S值不得小于140 mm。

(2)FN平面下方。FN平面垂直于座椅中心面并與軀干線成65°(對于后排座椅此角可減小至60°)角且交于點(diǎn)D，保證DR=315 mm+1.8S，當(dāng)S≤200 mm時，DR=675 mm。

(3)FK平面后方。FK平面垂直于座椅中心面并與軀干線成120°角且交于點(diǎn)B，此時須保證BR=260 mm+S，但當(dāng)S≥280 mm 時,BR=260 mm+0.8S。

(4)通過點(diǎn)C的水平面上方。點(diǎn)C位于R點(diǎn)鉛垂上方450 mm 處，當(dāng)S≥280 mm，則鉛垂距離為500 mm。

(5)通過點(diǎn)R并垂直于車輛縱向中心平面的鉛垂平面后方。

1.2 RAMSIS軟件介紹

1.2.1 RAMSIS軟件功能簡介

RAMSIS軟件是一種數(shù)字人體模型，用于乘員仿真和人機(jī)工程設(shè)計的CAD工具。該軟件為工程師提供了一個詳細(xì)的CAD人體模型來模擬仿真駕駛員的行為。

RAMSIS軟件重要的一項(xiàng)功能是對安全帶佩戴進(jìn)行舒適性分析。軟件里具有人體測量編輯器和數(shù)據(jù)庫，用戶可以根據(jù)需要調(diào)整人體尺寸、性別、姿勢等數(shù)據(jù)，輸入相關(guān)的安全帶、鎖扣等固定點(diǎn)信息，軟件自動繪制出安全帶織帶走向和與人體的佩戴狀態(tài)，用戶進(jìn)行人機(jī)分析和舒適性結(jié)果評價。

RAMSIS軟件的顯著優(yōu)勢在于可以在設(shè)計階段進(jìn)行舒適性分析校核，避免實(shí)車后存在問題進(jìn)行設(shè)計變更浪費(fèi)時間和成本，甚至無法更改。此外，該軟件操作簡單便捷，目前全球70%以上的乘用車制造商已經(jīng)應(yīng)用[3]。

1.2.2 RAMSIS軟件分析方法

RAMSIS軟件安全帶舒適性分析方法分為兩種：一種是eBTD分析方法，其特點(diǎn)是針對固定尺寸的假人模型進(jìn)行安全帶舒適性分析，但可以依據(jù)加拿大法規(guī)自動評價安全帶舒適性是否滿足要求;另一種是Manikin分析方法，其特點(diǎn)與eBTD方法正好相反，可以根據(jù)需求選取不同的假人尺寸、性別、姿勢進(jìn)行全方位的安全帶舒適性分析，但需要操作者主觀針對分析結(jié)果進(jìn)行評估。

2 基于RAMSIS軟件的駕駛員安全帶上固定點(diǎn)位置對佩戴舒適性的分析

由于要分析安全帶上有效固定點(diǎn)的位置對座椅全行程情況下不同身材人群的安全帶佩戴舒適性，因此本文采用RAMSIS軟件中Manikin分析方法。

2.1 人體模型的選取

選取Manikin里面定義的中國假人模型，模型百分位分別為95%男性、50%男性、5%女性，身高分別對應(yīng)1.77、1.68、1.49 m。通過Animate/Translate命令將模型點(diǎn)H對應(yīng)到分析矩陣的坐標(biāo)系下，再通過Posture Calculation命令調(diào)整模型的姿態(tài)以滿足分析要求。不同百分位駕駛員模型坐姿姿態(tài)如圖2所示。

圖2 不同百分位駕駛員模型坐姿姿態(tài)

2.2 分析矩陣的建立

2.2.1 固定點(diǎn)法規(guī)區(qū)域劃分

基于某車型的座椅滑動行程H-BOX和安全帶鎖扣有效固定點(diǎn)，根據(jù)GB 14167要求，劃分安全帶上有效固定點(diǎn)的法規(guī)區(qū)域，如圖3所示。

圖3 某車型安全帶上有效固定點(diǎn)法規(guī)區(qū)域

2.2.2 上有效固定點(diǎn)坐標(biāo)矩陣的設(shè)定

在上述劃分的法規(guī)區(qū)域，對安全帶上有效固定點(diǎn)分別以X、Y坐標(biāo)不變、Z坐標(biāo)為變量，X、Z坐標(biāo)不變、Y坐標(biāo)為變量,Y、Z坐標(biāo)不變、X坐標(biāo)為變量3個維度進(jìn)行安全帶舒適性分析矩陣設(shè)定?；谝酝囆蜕嫌行Ч潭c(diǎn)與座椅點(diǎn)R空間坐標(biāo)關(guān)系，變量差值按照±20 mm，設(shè)定上有效固定點(diǎn)坐標(biāo)矩陣，參見表1。

表1 上有效固定點(diǎn)坐標(biāo)矩陣的設(shè)定 單位:mm

基于表1的矩陣，上有效固定點(diǎn)在法規(guī)區(qū)域的分布如圖4所示。

圖4 矩陣中上有效固定點(diǎn)在法規(guī)區(qū)域的分布

2.2.3 分析矩陣的設(shè)定

由于駕駛員座椅可以前后移動，通常座椅行程為240 mm。對表1中的每種坐標(biāo)情況均按照3種百分位人體模型進(jìn)行舒適性分析，即95%男性人體模型位于座椅行程最后位置，50%男性人體模型位于座椅行程中間位置，5%女性人體模型位于座椅行程最前位置。

2.3 安全帶參數(shù)設(shè)置

安全帶固定點(diǎn)設(shè)置主要包括上固定點(diǎn)(upper anchorage)、鎖扣固定點(diǎn)(lower inboard anchorage)、下端片固定點(diǎn)(lower outboard anchorage)3個坐標(biāo)參數(shù)。Manikin模塊中具備多種類型的固定點(diǎn)設(shè)置，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇使用。本文主要針對駕駛員安全帶佩戴舒適性進(jìn)行分析研究，因此上固定點(diǎn)選用Class A.1類型(帶導(dǎo)向環(huán))，鋼板式鎖扣選用Class B.1類型，下端片可旋轉(zhuǎn)選用Class C.2,在相應(yīng)的參數(shù)定義界面下，如圖5所示，在Origin O處填寫有效固定點(diǎn)坐標(biāo)值，其他參數(shù)根據(jù)實(shí)際填寫。在分析矩陣中，僅對Origin O處填寫有效固定點(diǎn)坐標(biāo)值的輸入進(jìn)行更改，其他參數(shù)不變。

圖5 安全帶固定點(diǎn)參數(shù)設(shè)置界面

在安全帶固定點(diǎn)參數(shù)設(shè)置完成后，在Belt Settings界面下將安全帶織帶寬度設(shè)置為47 mm，其他參數(shù)根據(jù)需要設(shè)定。

2.4 計算結(jié)果分析

基于已設(shè)定的分析矩陣通過RAMSIS軟件計算得出各種工況下的安全帶佩戴狀態(tài)。

圖6給出了方案1中4種坐標(biāo)工況下3種不同百分位人體模型安全帶佩戴狀態(tài)的對比。從95%男性對比中可以看出，當(dāng)ΔZ=630 mm時，安全帶織帶位于95%男性人體肩部邊緣，在實(shí)際使用佩戴中存在滑肩的風(fēng)險;當(dāng)ΔZ增加到690 mm時，安全帶織帶位于95%男性人體肩部中間位置，舒適性較好。從而可以得出，針對95%男性隨著ΔZ增大，安全帶佩戴舒適性越好。而對比50%男性和5%女性安全帶佩戴狀態(tài)可以看出，隨著ΔZ增大，安全帶離人體模型頸部越近，但是均未出現(xiàn)勒脖子情況。綜合上述分析，建議ΔZ不小于630 mm，最好在(670±20)mm范圍內(nèi)。

圖6 ΔZ為變量的不同百分位人體模型安全帶佩戴狀態(tài)對比

圖7給出了方案2中4種坐標(biāo)工況下3種不同百分位人體模型安全帶佩戴狀態(tài)的對比。從對比中可以看出，當(dāng)ΔY=230 mm時，安全帶織帶位于3種百分位人體模型頸部較近，但未勒到脖子;隨著ΔY值增大，安全帶織帶逐漸遠(yuǎn)離頸部;當(dāng)ΔY增加到270 mm時，安全帶織帶位于95%男性人體肩部中間位置，舒適性較好;當(dāng)ΔY增加到290 mm時，安全帶織帶離95%男性人體肩部邊緣較近，在實(shí)際使用佩戴中存在滑肩的風(fēng)險。而對于50%男性和5%女性，安全帶織帶均位于人體模型肩部中間，舒適性較好。綜合上述分析，建議ΔY不大于290 mm，最好在(270±20)mm范圍內(nèi)。

圖7 ΔY為變量的不同百分位人體模型安全帶佩戴狀態(tài)對比

圖8給出了方案3中5種坐標(biāo)工況下3種不同百分位人體模型安全帶佩戴狀態(tài)的對比。從對比中可以看出，當(dāng)ΔX=256 mm時，安全帶織帶離95%男性人體肩部邊緣較近，在實(shí)際使用佩戴中存在滑肩的風(fēng)險;當(dāng)ΔX增大到296 mm時，安全帶織帶位于95%男性人體肩部中間位置，舒適性較好;隨著ΔX值繼續(xù)增大，安全帶逐漸接近95%男性人體模型頸部。而對于50%男性和5%女性，當(dāng)ΔX=256 mm時安全帶織帶離人體模型頸部較近，但未勒到脖子;隨著ΔX增大到336 mm時，安全帶織帶均有遠(yuǎn)離人體模型頸部的趨勢，但不明顯;此外考慮到抓取織帶方便性，ΔX越大使用者實(shí)際抓取安全帶越不方便。因此綜合上述分析，建議ΔX不小于276 mm，最好在(296±20)mm范圍內(nèi)。

圖8 ΔX為變量的不同百分位人體模型安全帶佩戴狀態(tài)對比

3 臺架試驗(yàn)驗(yàn)證

為了更好地驗(yàn)證上述RAMSIS軟件分析結(jié)論的準(zhǔn)確性，按照ΔX=296 mm、ΔY=270 mm、ΔZ=670 mm的方案進(jìn)行搭建臺架。臺架試驗(yàn)中由1.78 m男性、1.70 m男性、1.52 m女性分別在座椅行程最后、座椅行程中間、座椅行程最前的位置佩戴安全帶并進(jìn)行評價。

圖9顯示了臺架試驗(yàn)與RAMSIS軟件計算的安全帶佩戴狀態(tài)對比?？梢钥闯?，臺架試驗(yàn)中3位人體佩戴后織帶在肩部的位置與RAMSIS軟件中的位置大體一致，且3位試驗(yàn)人員針對佩戴狀態(tài)的主觀評價均為舒適。

圖9 臺架試驗(yàn)與RAMSIS軟件計算的安全帶佩戴狀態(tài)對比

4 結(jié)束語

本文基于RAMSIS軟件對駕駛員安全帶的佩戴舒適性進(jìn)行研究。根據(jù)安全帶上有效固定點(diǎn)的坐標(biāo)矩陣，在座椅全行程情況下對不同百分位人體模型的安全帶佩戴狀態(tài)進(jìn)行計算分析，從而得出駕駛員安全帶上有效固定點(diǎn)的布置推薦區(qū)域，即上有效固定點(diǎn)與座椅點(diǎn)R相對坐標(biāo)差值的范圍為：ΔX=(296±20)mm，ΔY=(270±20)mm，ΔZ=(670±20)mm。進(jìn)一步通過臺架試驗(yàn)驗(yàn)證，由RAMSIS軟件分析得出的安全帶布置推薦區(qū)域與臺架體驗(yàn)結(jié)果一致。