基于汽車座椅結構的安全性結構設計

郭丁漢（齊齊哈爾工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

一、汽車座椅安全性法規

與國外相比，我國在汽車座椅安全性的研究起步較晚，于 20世紀 80年代中后期才開始對汽車被動安全性能進行研究。相繼制定了 GB15083-1994《汽車座椅系統強度要求和實驗方法》和GB11550-1995《汽車座椅頭枕強度要求及實驗方法》等強制性法規[29]，并不斷地更新和完善，要求也更加嚴格，如原 GB15083-1994已經修改為 GB15083-2006 ， GB11550-1995 修 改 為 GB11550-2009 ， 2013年 又 增 加 了《GB14167-2013 汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX 固定點系統及上拉帶固定點》。但是與國外的汽車座椅法規相比，我國的法規仍然還需要不斷的改進和完善。 2012年低速后碰撞頸部保護試驗（鞭打試驗）被引入中國新車評價規范，2015年對鞭打試驗的評定標準進行了提升。中國新車評價規范中低速后碰撞頸部保護試驗，是將試驗車輛駕駛員側座椅及約束系統仿照原車結構，固定安裝在移動滑車上，滑車以速度變化量為 15.65± 0.8 km/h 的特定加速度波形發射，模擬后碰撞過程。座椅上放置BioRID II 型假人，通過測量后碰撞過程中頸部受到的傷害情況，用以評價車輛座椅頭枕對乘員頸部的保護效果。其動態評價指標有頸部傷害準則（NIC）、上頸部載荷和扭矩以及下頸部載荷和扭矩。

二、汽車座椅安全性研究方法

我國的座椅設計以及安全性研究主要是沿襲國外的研究成果。現今國際上的座椅廠主要有江森、李爾和佛吉亞等。在國內，絕大部分的座椅廠商為合資企業，座椅的開發和設計主要依賴于國外的研發技術，缺乏自主的研發能力。目前，國內的汽車座椅設計開發更多地依靠經驗豐富的工程技術人員，通過以往的成功產品作為基礎開發新的產品，通過試驗驗證產品的可行性和安全性，保持設計——試制——試驗——優化——再試驗——再優化的開發流程。這種模式阻礙了汽車座椅的設計和開發，增加了模具的費用和試驗的成本，具有不可重復性，大大加長產品開發的周期，嚴重影響座椅安全性的發展。近幾年，各大座椅廠商已經將 CAE 技術引進產品的設計與開發中，利用有限元分析仿真方法在產品開發初期發現產品存在的潛在問題，節約成本和縮短周期，雖然取得了一些顯著的成效，但是仍然難以發揮其全面的作用。

三、鞭打試驗的研究

隨著中國新車評價規范 C-NCAP 中汽車低速追尾碰撞揮鞭傷害臺車試驗法規的實施，國內許多大學對其開展研究，如清華大學、哈爾濱工業大學、湖南大學、重慶大學等。國內的許多單位也相繼建成碰撞實驗室，如天津國家汽車技術檢測中心、清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室、湖南大學汽車碰撞實驗室、長春國家汽車技術檢測中心等。大多數的研究工作主要集中在學術研究和實車檢驗等方面，目前也開始逐步應用于實際的設計開發和應用中。其中，2003年湖南大學教授楊濟匡、姚劍峰等人在 H3D50-Neck-Shell假人模型的基礎上提出了更完善的 HBM-Neck-Solid頸部模型；清華大學碰撞實驗室不僅做了大量的理論研究，還進行了多次實車碰撞檢測分析研究，在汽車座椅的防揮鞭傷性能方面取得了一定的成果和經驗。這些研究對于我們研究鞭打損傷和從事此研究領域有重要的借鑒和指導作用。近年來，國內的許多自主汽車品牌公司也開始重視鞭打試驗的評價，投入更多的資金和人力用于座椅的防揮鞭傷性能研究和開發，座椅的防揮鞭傷性能研究已開始在國內汽車領域得到關注。

（一）汽車座椅安全性法則

汽車座椅作為乘員保護的直接接觸部件，一直是汽車安全性研究的重要項目之一。從 20 世紀 50年代起，國外關于汽車座椅安全性的研究就沒有停止過，至今已經形成許多規范的法規與標準。 1951年，日本根據《道路運輸車輛法》制定了道路運輸車輛安全標準，經過 40多次的修訂，至今己相當完善。鞭打試驗中的靜態測量評價標準便包含其中。 聯合國歐洲經濟委員會汽車法規 ECE（Economic Commission of Europe）自 1958年制定以來，經過不斷的修改和補充，至今已形成 89 項之多的完善體系，其中ECE-R14―關于汽車安全帶固定點的規定‖、ECE-R17―關于汽車座椅、頭枕和固定裝置的規定‖以及 ECE-R25―關于汽車座椅頭枕強度的規定‖對汽車座椅的安全性方面提出統一要求。 1966年 9月，美國頒布實施《國家交通及機動車安全法》，授權美國運輸部對乘用車等及其裝備和部件制定并實施聯邦機動車安全標準FMVSS（Federal Motor Vehicle Safety Standards），如 FMVSS 202《頭枕》、FMVSS 207《座椅系統》、FMVSS 210《座椅安全帶總成固定點》、FMVSS 225《兒童約束系統固定點》均對汽車座椅的安全性做出規定。 美國高速公路保險協會 IIHS（Insurance Institute for Highway Safety）最先提出對汽車頭枕靜態評價，隨后加入低速后碰撞頸部保護試驗，用于提高汽車座椅在低速后碰中對乘員的保護性能。之后，歐洲 NCAP（New Car Assessment Program）鞭打工作室于 2002年成立。通過 6年的研究與努力，綜合 IIWPC 和 SRA使用的性能參數對汽車座椅進行評價，將鞭打試驗于 2008年引入歐洲 Euro-NCAP 評價體系。Euro-NCAP 評價體系的鞭打試驗包括靜態評價和動態評價兩方面。2009年日本也將后碰撞頸部保護試驗正式加入 J-NCAP 評價體系[17]。這些評價準則更加苛刻、更加細致，將汽車座椅的安全性研究帶入一個更高的層次，進一步加大對乘員的保護。

（二）汽車座椅安全性研究辦法

研究初期，汽車座椅的安全性研究主要停留在試驗模擬研究上，其發展比較成熟，主要劃分為靜強度特性試驗、臺車試驗以及整車碰撞試驗三種[18]。通過專業的設備設施，應用不同的測量方法，確保特定的邊界條件；模擬真實工況下座椅的實際情況，最大限度地貼近現實工況；根據試驗的結果以及相對應的法規和評價準則對座椅的安全性做出評估。針對實驗結果，通過結構優化、材料選擇等對汽車座椅的設計進行改進。目前，各種各樣的汽車座椅試驗臺已經在實際中得到廣泛應用。 20 世紀 80年代，有限元仿真分析方法開始在汽車安全領域得到應用與推廣，為汽車座椅的設計開發帶來新的時代。汽車座椅的設計初期，使用有限元分析方法可以較全面真實地得到相關的結構碰撞吸能和變形響應關系，可以對產品的安全性能進行評估，可以降低裝配和加工的誤差。有限元分析方法具有良好的可重復性，大大縮短開發的周期和成本，具有真實試驗模擬無法比擬的優勢。