主動式頭枕專利技術發展綜述

陳瑩瑩

摘 要：該文介紹了汽車頭枕領域，重點介紹了主動式頭枕。主動式頭枕是汽車碰撞安全系統中的重要組成部分，在車輛受到來自后部沖擊的情況下，汽車主動式頭枕在機構的作用下同時向上向前快速移動，最大限度地防止頭部猛烈后仰，達到保護駕駛員和乘客的頭部和頸部安全。該文分析了主動式頭枕專利技術的國內和國外專利的申請情況和技術路線。

關鍵詞：主動式頭枕 碰撞傳感器 專利 技術路線

中圖分類號：U461 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（a）-0094-02

在汽車設計中，碰撞安全技術已經成為一個非常重要的領域，其中追尾碰撞保護技術是為了減少由于“揮鞭效應”帶來的乘員頸脊骨傷害和腦震蕩[1]。1998年，薩博公司提出了“主動式頭枕”的概念并申請了專利申請號為SE9603238A（優先權日：19960906）的專利。主動式頭枕是在車輛受到來自后部沖擊的情況下，頭枕在機構的作用下同時向上向前快速移動，最大限度地防止頭部猛烈后仰，達到保護駕駛員和乘客的頭部和頸部安全。

在主動式頭枕的發展中，從最初的利用靠背與頭枕之間的杠桿原理進行碰撞后調節，到后來的利用傳感器檢測碰撞進行機械或者電調節，再到現在的利用傳感器檢測預碰撞，在碰撞可能性大的情況下提前控制頭枕的動作，大大提高了車輛的安全系數[1-3]。

1 主動式頭枕專利技術的整體情況

1.1 主動式頭枕技術專利申請量趨勢分析

主動式頭枕作為汽車安全裝置的主要設備之一，國外在1989年出現第一篇關于主動式頭枕的申請，國外申請總量在在2007年達到高峰，發展成熟，之后申請量呈下降趨勢并在近年來平穩發展，由此可知國際上在這一領域的研究熱度已經過去；國外來華申請也是隨之從2003年開始上升，并在2007年達到高峰，與國外申請總量保持一致；而國內申請人的專利申請量從2000年才開有第一件專利申請，并在2001—2006年間沒有相關的專利申請，從2007年開始逐漸增長，由此可知比國外晚發展了10年左右，目前國內申請在該領域的申請量一直呈上升趨勢。出現上述國內的主動式頭枕研究落后與國外主動式頭枕研究的原因包括國內對座椅的防揮鞭傷性能標準的制定時間較晚、國內汽車行業對研發的投入不足、國內對專利申請的重視程度不夠等。

1.2 主要申請國家和申請人分析

經過統計分析，可知從總量上看，以德國、日本和美國申請量居多，其次是中國。其中1989年開始出現關于主動式頭枕技術的專利申請；在1989—2003年內，專利申請量基本集中在美國、德國；2003年后中國和日本的申請量急劇增加，說明日本已經開始重視該領域的發展，中國的汽車產業剛進入快速發展階段；而到2008年以后，美國、日本、德國在申請量急劇下降，而中國的申請量還在持續增長，說明中國在該領域的起步晚于國際整體水平，成熟期的到來也晚于國際整體水平。同時，美國申請量在2003年達到頂峰，日本申請量在2006年達到頂峰，德國申請量在2007年達到頂峰，中國申請量在2009年達到頂峰，時間上基本上間隔了2～6年，這是中國的汽車產業的發展落后于國際汽車產業造成的。

排在前10名的申請人集中在德國、美國、日本，都是汽車生產廠商和零部件供應商，即各大車企和汽車零部件供應商都對中國市場都是比較重視的。其中，戴姆勒包括了戴姆勒克萊斯勒、戴姆勒奔馳，江森自控在2010年先后并購了排名前20名中的C. ROB. HAMMERSTEIN（CRH）和KEIPER（愷博），這兩家均是全球領先的德國汽車座椅零部件供應商，李爾公司、東京座椅、愛信精機、江森自控在中國的申請量均在TOP10內。可見，實力越是強大的企業越注重專利戰略，專利成為擴充其產業與競爭對手抗衡的重要工具。

2 技術發展路線分析

2.1 主要技術分支

汽車主動式頭枕領域從其一般組成結構上可分為三大塊：碰撞感應部、頭枕控制部和頭枕運動部。其中，碰撞感應部可以為機械式的解鎖機構，也可以為傳感器。從頭枕的控制形式上可分為：純機械控制和機電一體式。其中，純機械式包括利用靠背杠桿控制和利用拉索控制；機電一體式又可以從傳感器類型、碰撞響應和執行機構等方面進行細分。本文從主動式頭枕的控制形式上對該領域進行進一步細分[1-3]。

（1）純機械式的機構，主要依靠人體軀干向后運動產生的能量作為驅動能量，通過連桿傳動機構或解鎖機構使頭枕前移，給乘員頭部足夠的支撐，防止揮鞭傷的產生，這種主動頭枕機構較為簡單，不需要額外提供能量。

①杠桿式純機械主動式頭枕利用杠桿原理，借助乘員在追尾碰撞中軀干撞擊座椅靠背的力量，推動與杠桿一端相連的機械連桿機構圍繞支點運動，支點位于座椅靠背和頭枕的連接處或者座椅靠背上端，與杠桿另一端相連的頭枕則向前運動，使得頭枕在后碰撞事故中自動靠近乘員頭部，提高了乘員頭頸部的安全性。

②拉索式純機械主動式頭枕利用鮑登鋼絲索等拉索式驅動裝置將人體推動靠背的負荷傳遞到擺動構件，擺動構件產生樞轉，以解除鎖定機構的頭枕鎖定，使頭枕由碰撞前的位置瞬時移動到碰后的安全位置。

（2）機電一體式的機構，與主動安全系統相結合，利用傳感器檢測碰撞或者預測追尾碰撞的危險，之后靠電能驅動機構或者活性物質的運動，完成頭枕的移動，這種主動頭枕機構較為先進，而且相對比較穩定。

2.2 機電一體式頭枕技術發展路線

本小節重點分析機電一體式頭枕技術全球發展趨勢。1989年德國的BAYERISCHE MOTOREN WERKE（拜仁州機械制造廠股份公司，BMW）申請了全球第一份關于主動式安全頭枕的專利DE3900495，該專利要求保護一種機電一體式頭枕，頭枕包括固定部分B和活動部分A，當碰撞傳感器檢測到車輛遭受了碰撞或者檢測到車輛即將被碰撞，便控制活動部分A向前運動，以支撐住乘員的頭部和頸部，避免揮鞭傷。該專利重點是對碰后進行的反應，對預測碰撞只是簡單地提出，并沒有詳細說明如何進行預測判斷，同時發生碰撞后頭枕只能向前運動且位置是唯一確定的，不能適應不同高度的乘客頭部。endprint

1995年美國的AUTOMOTIVE TECHNOLOGIES公司申請專利US19950476882，該專利詳細描述了預測碰撞式主動安全頭枕的工作過程和頭枕位置調節方法，具體地為了使頭枕能夠運動到與乘客頭部距離合適的位置，該專利利用頭部位置傳感器和頭部接觸傳感器檢測頭部與頭枕之間的相對距離，由于乘客的頭在不斷的動作，需要對上述相對距離進行合理地總結與判斷，該專利采用的是神經網絡算法預測法，同時在預測到碰撞將會發生時，同時對頭枕和坐墊進行調整，以便更好地保護乘員。該專利對預測碰撞式主動安全頭枕的工作工程進行了詳細的闡述，在碰撞前就使頭枕向前、向上運動，同時使坐墊進行調節，以做好保護頭部和脊椎的準備并引入了人工智能算法，使得頭枕的控制更加合理。

1998年TRW（湯姆森拉莫伍爾德里奇）公司申請專利US19980159654，該專利除了包括常規的檢測相對距離的傳感器外，還在乘客頭頂對應的車頂上安裝了檢測乘客頭部相對于車頂高度的傳感器，依此確定乘客頭部與頭枕的相對高度，與之前的專利相比，該專利對乘客頭部位置的檢測更加立體、準確，可以根據不同的頭部高度進行頭枕的上下和前后移動。

2000年德國BAYERISCHE MOTOREN WERKE（拜仁州機械制造廠股份公司，BMW）申請的專利DE10005196A，該專利中頭枕的活動部從頭枕的左右兩端向前、向中間靠攏，形成了一個弓型，在防止揮鞭動作的的同時在左右方向上約束乘客頭部。

1993年挪威騰保數據申請了專利EP93106249，該專利將一個可膨脹的氣囊安裝在頭枕內，當碰撞傳感器檢測到車輛的突然加速或者突然變速的信號后，該信號就會觸發氣囊點火設備，氣囊向前膨脹，阻止了乘客頭部向后的移動。自此利用膨脹氣囊防止揮鞭傷的專利開始興起。

機電一體式頭枕的技術路線從最初的頭枕只能運動到一個位置，到后來的頭枕可以運動到多個位置，從最初的僅向前運動，到后來的能夠向前向上運動，再到后來的左右向前運動；頭枕的控制方式從碰撞后運動，到后來的預測碰撞、智能控制，同時傳感器從最初的位于車尾的碰撞傳感器，到后來的安裝在頭枕、車頂等多個位置的頭部位置檢測傳感器。通過上述分析可知，研發人員的研發重點由最初的碰撞后頭枕必須動作，到后來的頭枕如何動作才能更好地保護頭部和頸部，越來越注重頭枕運動路線的合理設計。

參考文獻

[1] 王鵬翔，王立民，徐立偉，等.防揮鞭傷安全座椅的初步研究[J].汽車工程，2009（12）：1149-1152.

[2] 韓善靈，于如興，賈友飛，等.汽車主動式頭枕裝置的機構設計與運動仿真[J].機械設計與研究，2014（2）：35-37，41.

[3] 曹立波，李正坤，龔永堅，等.主動式安全頭枕的開發與仿真研究[J].汽車工程，2014（6）：746-750.endprint