汽車座椅主動式頭枕結(jié)構(gòu)設(shè)計及安全性探討

宋均思

摘 要：本文主要針對汽車座椅主動式頭枕結(jié)構(gòu)設(shè)計及安全性探討，首先闡述了汽車座椅主動式頭枕的功能特點，其次闡述了汽車座椅主動式頭枕結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后闡述了汽車座椅主動式頭枕的安全性分析展開研究。

關(guān)鍵詞：主動式頭枕;結(jié)構(gòu)設(shè)計;安全性分析;有限元

1 前言

為了確保汽車安全性符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，就應(yīng)當(dāng)通過對汽車座椅的研究，其中包含了對座椅頭枕安全性的研究，目前主動式頭枕是一種全新的頭枕種類，其能夠在遇到汽車事故期間起到良好的保護(hù)作用，可以對頸部安全進(jìn)行保護(hù)，但是從實際應(yīng)用情況來看主動式頭枕仍然存在著部分缺陷，也即是在遇到安全事故期間該頭枕會對駕駛者的頸部造成碰撞傷害，本文主要針對這一點展開研究，深入探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，以此提升安全性。

2 汽車座椅主動式頭枕的功能特點

（1）頭枕本身擁有美觀的外形，并且能夠抵御來自外部的沖擊力，具有良好的防彈性能和保護(hù)性能，其連接部件之間相對較為牢固，這樣在正常使用期間才能夠抵抗過量或一定量的振動力度。

（2）頭枕自身擁有良好的調(diào)節(jié)性，因其所具備的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能夠針對內(nèi)部的各個部件進(jìn)行調(diào)整，這樣才能隨時調(diào)整并固定頭枕主體。

（3）頭枕的主體材料選擇了能夠吸收沖擊力的泡沫性質(zhì)材料，這種材料能夠起到良好的緩沖作用，因此主動式頭枕具有較強的緩沖功能，可以在實際應(yīng)用期間保護(hù)駕駛者的頭部安全和頸部安全，適當(dāng)吸收相關(guān)的沖擊力度。

（4）主動式頭枕的座椅支持重復(fù)使用，相比較傳統(tǒng)的一次性頭枕能夠減少較多的維護(hù)成本，從這里也能夠得出主動式頭枕的座椅具有重復(fù)使用的功能特點。

3 汽車座椅主動式頭枕結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文通過研究分析認(rèn)為在進(jìn)行頭枕結(jié)構(gòu)設(shè)計期間應(yīng)當(dāng)采用分割創(chuàng)新原理來進(jìn)行設(shè)計，所謂的分割創(chuàng)新原理也即是將一個完整的物體分割為若干個部分，在這種情況下若干個部分的物體更容易拆卸，這樣能夠通過較為簡單的組裝手段來重新獲取到一個完整的物體。在設(shè)計期間會將主動式頭枕設(shè)備分割為運動機(jī)構(gòu)和觸發(fā)機(jī)構(gòu)，這兩個部分在沒有進(jìn)行觸發(fā)期間歸類為連接狀態(tài)，但是在實際觸發(fā)期間又會呈現(xiàn)出分離狀態(tài)，這樣才能形成真正意義上的非聯(lián)動式機(jī)構(gòu)，以此達(dá)成主動式頭枕的大多數(shù)功能，也即是利用頭枕的結(jié)構(gòu)來完成對駕駛者的頭部保護(hù)，具體如圖1所示。

通過圖中的結(jié)構(gòu)能夠發(fā)現(xiàn)，其中座椅骨架為主要結(jié)構(gòu)組成，其中通過滑輪的部件來支撐各部門的組成，而主要是通過支撐板和支架通過焊接的方式連接到座椅骨架上，這樣才能確保座椅骨架的支撐效果。主要通過骨架當(dāng)中的通孔支架和滑軸來完成上半部分的支撐板構(gòu)成，利用滑軸的彈簧效果來進(jìn)行滑動效果，在此期間的滑軌呈現(xiàn)出弧形結(jié)構(gòu)，并且利用螺栓將滑軌固定在支撐板上，通過轉(zhuǎn)動掛鉤與支架的組合搭配來支持整體支撐板的運動工作。觸發(fā)部分的彈片呈現(xiàn)出弓形結(jié)構(gòu)，主要通過轉(zhuǎn)動掛鉤的部分來達(dá)成各部位之間的連接，轉(zhuǎn)動掛鉤能夠利用彈片的形變來展開繞支架運動，最終會導(dǎo)致彈片與滑軸的脫離，在沒有觸發(fā)期間轉(zhuǎn)動掛鉤的上半部分會連接相關(guān)的滑軸鉤掛，在工作期間掛鉤與主動脫離滑軸。

在主動式頭枕還沒有設(shè)置為激活狀態(tài)期間，滑軸會停留在滑軌部分的最下端，頭枕通常會位于常規(guī)高度，并且其彈簧部位呈現(xiàn)出拉緊狀態(tài)，若是形成了追尾現(xiàn)象，在此期間駕駛者的腰部會受到?jīng)_擊力的影響而向后退，這時候就會觸碰并擠壓到觸發(fā)彈片，當(dāng)觸發(fā)彈片接收到相關(guān)的沖擊力度，這樣才能形成觸發(fā)彈片的工作狀態(tài)，促使轉(zhuǎn)動掛鉤進(jìn)行相關(guān)的轉(zhuǎn)動工作，這種動能可以讓掛鉤上面部分的滑軌脫離開，這時頭枕、滑軸與頭枕支撐桿之間能夠形成一個完整的整體，從而形成相關(guān)的拉力來促使滑軌運動，在此期間滑軸會朝著后方進(jìn)行滑動工作。綜上，最終會導(dǎo)致座椅骨架上方能夠形成杠桿作用并確保頭枕不會繼續(xù)向后彈，這樣能夠減少駕駛者頭部與頭枕之間所間隔的距離，從根本上對駕駛者的頭部進(jìn)行保護(hù)。聯(lián)動式頭枕在駕駛者遇到安全事故期間會造成反復(fù)傷害，也即是駕駛者的頭部撞到頭枕上，而頭枕則會通過觸發(fā)彈片來判斷相關(guān)的運動方式，若是在此期間頭枕反復(fù)進(jìn)行運動，駕駛者的頭部和頸部會經(jīng)受更大的碰撞力度，導(dǎo)致駕駛者的生命無法受到保障。在這種情況下主動式頭枕所實施的頭枕保護(hù)效果就相對較好，并且不會出現(xiàn)以上情況，在使用期間能夠利用按壓的方式對頭枕進(jìn)行操作，這時頭枕內(nèi)部的滑軸和掛鉤會設(shè)置為連接狀態(tài)，這樣才能夠反復(fù)進(jìn)行使用，避免了浪費的現(xiàn)象發(fā)生，本文結(jié)合以上的設(shè)計內(nèi)容，總結(jié)出相關(guān)的過程原理圖，具體如圖2所示。

4 汽車座椅主動式頭枕的安全性分析

4.1 引言

該頭枕保護(hù)裝置的功能主要是對駕駛者的頭部與頸部起到良好的保護(hù)效果，也即是通過支撐的方式來抵消掉安全事故發(fā)生期間所產(chǎn)生的碰撞力度，在此期間會利用測試的方式對頭枕對駕駛者頸部的保護(hù)效果進(jìn)行測量，以此作為主要的衡量手段，在發(fā)生追尾事件階段頸部會依次接受向前運動、回收和彎曲這三種，若是頭枕無法有效對頸部起到保護(hù)效果就會對駕駛者自身的頸部造成安全隱患。國際方面的安全規(guī)章制度針對頭枕的抗阻力性能進(jìn)行了明確的規(guī)范，我國也根據(jù)這種情況制定了相關(guān)的前撞測試標(biāo)準(zhǔn)和后撞測試標(biāo)準(zhǔn)，其中水平靠后的前撞實驗和水平靠后的后撞實驗取得了較為不錯的實驗結(jié)果，并以該實驗結(jié)果作為測試標(biāo)準(zhǔn)對座椅頭枕的架構(gòu)設(shè)計和安全性能進(jìn)行相關(guān)的規(guī)范，若是不符合標(biāo)準(zhǔn)則無法投入到應(yīng)用當(dāng)中。本文針對這種情況展開研究，也即是通過對座椅頭枕安全性展開分析，主要是通過仿真模擬的手段來進(jìn)行研究與分析，期間食用了有限元分析方法，并且以LS-DYNA充當(dāng)核心技術(shù)對測試結(jié)果進(jìn)行求解。

LS-DYNA是國際方面較為常見的非線性動力分析方式，其可以通過模擬的方式對現(xiàn)實生活當(dāng)中所存在的非線性問題進(jìn)行求解，其精準(zhǔn)度相對較高，因此是較為經(jīng)典的有限元程序，該程序能夠針對大轉(zhuǎn)動類型的非線性問題進(jìn)行求解，其中包含了一部分的顯式求解方式和Lagrange功能，并且能夠起到良好的動力分析作用。而本文則將ANSYS軟件充當(dāng)關(guān)鍵手段，以LS-DYNA解算器充當(dāng)核心，繼而展開相關(guān)的安全性分析。

4.2 頭枕前撞安全性分析

結(jié)合我國所指定的規(guī)章制度當(dāng)中可得出相關(guān)的前撞吸能功效，也即是說應(yīng)當(dāng)以一個質(zhì)量參數(shù)為6.8kg、直徑參數(shù)為165mm的人體頭部模型來充當(dāng)測試所使用的模型，在進(jìn)行前撞期間需要確保兩者歸屬同一個水平面，通過水平向后的軌跡和方向來進(jìn)行相關(guān)的撞擊，在撞擊期間要維持6.69m/s的速度，具體如圖3所示。

制定了相關(guān)模型之后就應(yīng)當(dāng)進(jìn)行仿真，考慮到本次仿真歸類為大變形模擬仿真，因此使用了ANSYS Workbench模塊來進(jìn)行仿真，此類方法所針對的對象為頭枕，故而在仿真器件需要對座椅的下半部分消除掉，只針對上半?yún)^(qū)域的關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計，利用UG軟件來構(gòu)建相關(guān)的頭部模型和頭枕模型，并且將完成制作的Parasolid格式文件導(dǎo)入到模塊當(dāng)中，以此充當(dāng)前處理，在該軟件的workbench當(dāng)中選取相關(guān)的顯示動力學(xué)模塊，對頭部的模型進(jìn)行重新設(shè)置，要求設(shè)置為rigid剛性球體，并且考慮到本次仿真的內(nèi)容為座椅骨架，故而選擇與之相關(guān)的金屬類型材料作為骨架，座椅頭枕要選擇與靜力分析相同的材料，具體的有限元模型如圖4所示。

通過相關(guān)的仿真操作后能夠?qū)δＰ瓦M(jìn)一步處理，并且最終獲取到前撞整體的應(yīng)力應(yīng)變信息，具體如圖5所示。

如圖的4個時刻得出，在碰撞的全階段，當(dāng)時間為4ms到7ms之間，頭枕所接受的應(yīng)力在不斷增長，在時間為6ms的階段，因頭部模型與頭枕兩者間接觸面積的擴(kuò)大，與之相對應(yīng)的應(yīng)力也在隨之減少，當(dāng)時間為7ms時能夠看出座椅骨架部分已經(jīng)出現(xiàn)了變形，但是在此期間缺失吸收了一定數(shù)量的碰撞力，由此可知，主動式頭枕的安全性符合了國家標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 頭枕后撞安全性分析

在進(jìn)行仿真器件將頭部模型進(jìn)行擺放，保持參數(shù)與前撞數(shù)據(jù)的向同性，要確保重量參數(shù)和直徑參數(shù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，方向則改變?yōu)橄蝾^枕的前后方進(jìn)行樁基，具體的有限元模型如圖6所示。

在完成有限元模型的構(gòu)建之后需要利用解算器對二進(jìn)制的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，最終以d3plot的文件格式導(dǎo)出并導(dǎo)出到Ls*Prepost處理器當(dāng)中，通過該處理器自身所具備的處理功能來進(jìn)行處理，通過仿真的功能實現(xiàn)對整體后撞流程所產(chǎn)生的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，具體總結(jié)如圖7所示。

如圖7能夠得出頭枕在仿真后撞期間所形成的接觸應(yīng)力、脫離應(yīng)力和碰撞應(yīng)力等，因頭部模型比較前撞而言能夠與頭枕之間分離較大的距離，在6ms階段才形成碰撞力，直到8ms階段，碰撞的應(yīng)力值達(dá)到上限，但是在此之后的應(yīng)力就會不斷縮小，由此可知，主動式頭枕機(jī)械的后撞測試結(jié)果相對較為精準(zhǔn)，這代表在后撞測試期間座椅能夠減小相關(guān)的應(yīng)力，對碰撞應(yīng)力進(jìn)行抵消，這也代表了主動式頭枕的安全性符合我國所指定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

本文通過仿真的方式對主動式頭枕的安全性展開分析，通過研究可得出，所謂的安全性也即是指在碰撞、脫離和接觸期間的應(yīng)力，而本文通過仿真軟件對頭部模型和頭枕模型采取相關(guān)的碰撞測試，所取得的結(jié)果相對較好，也即是頭部在頭枕的作用下應(yīng)力會逐漸減少。

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