汽車座椅防潛結構設計研究

劉鵬，段小剛，楊興明

（1.東風汽車股份有限公司商品研發院，武漢 430057；2.東風李爾座椅汽車座椅有限公司，武漢 430056）

1 前言

座墊下潛是汽車正碰中的一種常見現象,它是指正碰過程中因座盆變形而引起的座墊前端向下塌陷的現象。座墊若下潛過大，座椅上的人體受到的傷害程度將加大[1]。

汽車座椅防潛保護系統的作用是在車輛突然制動或前碰發生時，防止車內乘員向前滑動發生危險狀況。因此，在前碰過程中，它是保護乘安全的重要組成部分。當車輛發生前碰時，防潛裝置雖然能把人限制在座椅上減小向前的滑動，從而降低人體傷害，但如果不系安全帶，防潛裝置無法發揮此功能，因此它必須與安全帶及安全氣囊系統配合使用，才可以達到理想的效果[2]。

目前常見的防潛裝置通常為將坐墊下方的鈑件設計成前端較高后端較低，且前端形狀具有一定的角度和尺寸參數，來防止車內乘員身體或骨盆在車輛遭受正碰或緊急剎車時，從安全帶下方往前滑動，造成腳部、胸部或是臉部撞到方向盤或其它內飾零部件而受到更大的傷害，以及減少一些腹部、骨盆腔和脊柱的傷害。隨著汽車技術的不斷發展，還有使用氣囊進行防潛的裝置、利用座椅部件移動進行防潛的裝置[3]。本文討論的都是金屬結構件構成的防潛裝置。

2 防潛裝置在正碰中的必要性

下圖 2為典型的座椅正碰試驗，安全帶能有效的約束乘員的向前位移量，保護乘員的人身安全。若座椅中配備了防潛裝置，試驗人體向前的運動過程中，臀部與防潛裝置接觸后，防潛裝置能有效阻止試驗人體向前移動，大大減小人體前向運動引起的傷害。

通常情況下，同樣結構的座椅，有防潛裝置時，正碰試驗中人體臀部位移量明顯較小，曲線達到峰值的時間較短、比較平緩，如下圖3；若無防潛裝置，則正碰試驗中人體臀部位移量較大，曲線達到峰值時間較長，并呈現較陡的趨勢，如下圖 4。因此，在座椅結構設計中，增加有效的防潛裝置是必要的。目前此裝置廣泛地應用于汽車座椅設計中。

3 防潛裝置的常見結構形式

防潛裝置決定了座椅骨架結構是否能夠減少乘員向前滑動的距離，并在極端情況保證乘員不滑出安全帶，因此座椅防潛性能一般要求坐墊前部橫梁具有一定的角度和承載能力。

防潛裝置常見的有三種結構：

3.1 橫管式結構

橫管式防潛裝置結構簡單，采用一橫向圓管安裝或焊接于坐墊框架左右兩側。此結構成本低、易實現。防潛效果一般，通常用在成本較低的車型上。

3.2 半盆式結構

半盆式防潛裝置結構比較復雜，在坐墊框前半部分布置座盆鈑金件，覆蓋于坐墊框上。此結構成本較高，防潛效果比較好。

3.3 座盆式結構

座盆式防潛裝置結構復雜，在坐墊框整體布置座盆鈑金件，覆蓋于坐墊框上。此結構成本高，防潛效果比較好，但是舒適性較差。

4 防潛裝置布置要點

確定了防潛裝置的結構形式后，需定義座墊骨架中防潛結構的布置區域、結構設計參數，以滿足正碰的目標要求。布置區域的選擇及重要的結構參數主要通過人機工程及試驗統計得出推薦的范圍，再通過座椅試驗進行驗證，達到限制乘員骨盆位移、減小生物力學值的目的。

4.1 防潛裝置設計區域

汽車座椅供應商，如江森、李爾等，為了得到有效的防潛位置，進行了大量的理論計算和CAE分析，通過長期的技術積累和試驗驗證，形成了行業內廣泛認可的設計區域。下圖10是推薦的被動防潛區域（綠色方框表示最佳的防潛區域，黃色方框表示可接受范圍的防潛區域，橙色方框及以下范圍表示較差的防潛區域）。設計原則是滿足MTM（人體到剛性骨架距離）值一般要求的情況下，布置和設計座墊骨架中防潛結構件，但往往設計在綠色方框區域內一般都無法達到MTM值的要求，使乘坐者或駕駛員舒適性感覺下降，因此在設計時一般推薦在綠色方框和橙色方框之間區域設計防潛結構。

4.2 防潛區域寬度

防潛裝置需要一定的寬度，才能在前碰時起到限制假人的作用。通過設計經驗積累和運動仿真數據統計，防潛裝置有效寬度 L應不小于320 mm，才能有效地限制骨盆的移動。

4.3 防潛結構深度

防潛裝置需要一定的深度及配合一定角度，才能夠支撐駕乘者人體下半部分，給予向后及向上方向的分力，在前碰時起到限制假人的作用。通過設計經驗積累和運動仿真數據統計，防潛裝置的有效深度d應不小于50mm、斜向后上方的角度值大于40°，才能有效地限制骨盆的移動。

4.4 要求更嚴格時防潛裝置設計

根據整車的定位，防潛裝置結構有時有更嚴苛的要求，即對盆骨位移要求更為嚴苛、對座椅骨架強度要求更高、對成員傷害值要求更關注。此時，需要在半盆或座盆防潛結構前下增加加強結構[4]，通常的做法是加一根加強管，如圖 14所示。

此時，如果更關注乘員傷害值，那么a值應盡可能大一點；如果更關注H點位移，a值應盡可能小。

5 總結

本文通過研究汽車座椅骨架結構及其防潛裝置，總結了常見的防潛結構形式，并指出防潛設計時的布置要點。在座椅結構設計過程中，應用這些防潛裝置的布置及設計要點，滿足正碰的整車要求，提高在碰撞中座椅對人體的保護作用，加強座椅乃至整車的商品競爭力。

[1]周騫, 趙福全.某車型前排座墊防下潛結構設計[J].汽車零部件, 2012, (11):93-94,97.DOI:10.3969/j.issn.1674-1986.2012.11.037.

[2]張 翼.座椅防潛滑系統在正碰中的應用 [C].//汽車內外飾產品及新材料國際研討會論文集.2009:30-32

[3]肖 志, Jac.Wismans,蔣小晴等.移動式安全座椅的乘員保護性能的研究 [J].汽 車工程，2011,33(7):603-607.

[4]劉洋,王丹,梁韞等.座椅瞬間塌陷對前碰乘員傷害的影響分析 [C].//中國汽車工程學會第十六屆汽車安全技術學術會議論文集.2013:798-801.