基于六西格瑪管理方法的安全帶鎖扣高度設(shè)計(jì)優(yōu)化

曾燕娜

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

隨著中國汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)汽車的要求越來越高，尤其看重汽車的安全性能，作為最重要的被動(dòng)安全部件——安全帶系統(tǒng)，在汽車碰撞過程中對(duì)乘員沖擊能量的吸收高達(dá)70%，對(duì)保護(hù)乘員起到至關(guān)重要的作用。

隨著道路路況的快速改善，汽車的使用頻率越來越高，安全帶的使用時(shí)長也越來越長，消費(fèi)者對(duì)安全帶的性能要求也越來越高。不斷接到客戶的反饋聲音：如長途駕車后肩膀被安全帶壓疼，如安全帶勒得太緊，如安全帶織帶靠后不方便拿，如安全帶勒肚子等等。文中針對(duì)安全帶勒肚子問題進(jìn)行研究，經(jīng)過動(dòng)態(tài)感知驗(yàn)證指出是否勒肚子主要體現(xiàn)在鎖扣組件的高度上。

本文作者探討不同鎖扣高度對(duì)乘客勒肚子的改善效果，以某一量產(chǎn)車型為基礎(chǔ)，采用軟件Ramsis、HyperWorks和LsDyna進(jìn)行仿真模擬和計(jì)算，以仿真指導(dǎo)可行性設(shè)計(jì)。

1 安全帶鎖扣側(cè)固定點(diǎn)法規(guī)要求

安全帶卷收器組件和鎖扣組件的設(shè)計(jì)和制造應(yīng)滿足：當(dāng)正確安裝和由乘員正常使用時(shí)，其功能正常，并在交通事故中降低對(duì)身體的傷害程度。安全帶的固定點(diǎn)既可以設(shè)在車輛結(jié)構(gòu)上或座椅結(jié)構(gòu)上，亦可以設(shè)在車輛的其他部件上，或者分設(shè)于以上各部件上。但必須滿足如下要求。

1.1 前排安全帶下固定點(diǎn)角度范圍要求

GB 14167—2013《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)》要求M1類車輛的非帶扣側(cè)α1應(yīng)在30°～80°范圍內(nèi)，帶扣側(cè)α2應(yīng)在45°～80°范圍中，前排座椅所有可正常移動(dòng)的位置，角度要求見表1。在正常乘坐位置，α1和α2中至少有一個(gè)是恒定值(如固定點(diǎn)在座椅上)，其值為60°±10°。當(dāng)靠背角小于20°時(shí)，α1可低于以上規(guī)定的最小值(30°)，但在任何正常使用位置均不得小于20°[1]。安全帶有效固定點(diǎn)范圍如圖1所示。

表1 M1類車輛前排座椅下固定角度范圍

圖1 安全帶有效固定點(diǎn)范圍

1.2 前排安全帶下固定點(diǎn)距離要求

圖2為下固定點(diǎn)位置距離要求。

分別通過同一安全帶的兩個(gè)下固定點(diǎn)L1、L2且平行于車輛縱向中心平面的兩個(gè)垂直平面間的距離不得小于350 mm。對(duì)M1和N1類車輛的后排中間乘坐位置，若中間座椅與其他座椅不可交換，則上述距離不可小于240 mm。座椅的縱向中心平面應(yīng)在L1和L2點(diǎn)之間，且距離至少為120 mm。

1.3 安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度要求及乘員保護(hù)性能要求

安全帶所有的固定點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行法規(guī)規(guī)定的強(qiáng)度試驗(yàn)。如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，持續(xù)按規(guī)定的力加載，在力卸載之后，允許固定點(diǎn)或周圍區(qū)域有永久變形，包括斷裂或產(chǎn)生裂紋。

利用模擬肩帶對(duì)上人體模塊施加(13 500±200) N的試驗(yàn)載荷，與此同時(shí)，應(yīng)對(duì)下人體模塊施加(6 750±200) N的試驗(yàn)載荷。

同時(shí)安全帶作為緊急狀態(tài)下對(duì)人員實(shí)施保護(hù)的零件，希望對(duì)人員實(shí)施保護(hù)時(shí)具有良好的保護(hù)效果。在CNCAP正面碰撞中，衡量安全帶保護(hù)效果主要體現(xiàn)在對(duì)乘員骨盆前移量以及胸部壓縮變形量。為滿足CNCAP五星級(jí)要求，公司內(nèi)部要求座盆前移量不大于180 mm,胸部壓縮量不大于35 mm。

2 安全帶系統(tǒng)功能介紹及勒肚子原因分析

2.1 安全帶系統(tǒng)功能及范圍

針對(duì)乘客反饋回來勒肚子的問題采用Function Diagram and Function Scoping展示安全帶系統(tǒng)功能及范圍，得出針對(duì)安全帶的佩戴舒適性主要體現(xiàn)在發(fā)泡形狀、安全帶鎖扣鎖頭與H點(diǎn)Z向距離、織帶柔順性以及卷收器回卷力，如圖3所示。

圖3 安全帶系統(tǒng)范圍

2.2 勒肚子原因分析

針對(duì)上述Function Diagram and Function Scoping得出的安全帶佩戴舒適性的幾個(gè)因素中，對(duì)于乘客反饋勒肚子的問題主要體現(xiàn)在座椅發(fā)泡舒適性和鎖頭相對(duì)H點(diǎn)高度上。采用PROJECT FOCUS TREE確認(rèn)主要原因，得出勒肚子的主要原因(占80%)是鎖頭相對(duì)H點(diǎn)Z向高度，其原因分析如圖4所示。

圖4 勒肚子原因分析

3 對(duì)比分析

針對(duì)上述分析得出的主要原因是鎖頭相對(duì)于H點(diǎn)Z向高度，找出國內(nèi)暢銷車型進(jìn)行測(cè)量對(duì)比，測(cè)量結(jié)果如圖5所示，由圖可知，1號(hào)車鎖頭高度相對(duì)H點(diǎn)高35.9 mm，2號(hào)車鎖頭高度相對(duì)H點(diǎn)高61.1 mm，3號(hào)車鎖頭高度相對(duì)H點(diǎn)高31.3 mm，4號(hào)車鎖頭高度相對(duì)H點(diǎn)高19.7 mm。通過動(dòng)態(tài)感知團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證1—3號(hào)車無明顯勒肚子現(xiàn)象，4號(hào)車?yán)斩亲用黠@。4號(hào)車鎖頭高度明顯偏低。

圖5 不同車型鎖頭相對(duì)H點(diǎn)高度對(duì)比

4 鎖頭高度設(shè)計(jì)概念參數(shù)開發(fā)

針對(duì)安全帶鎖頭布置需要考慮的問題進(jìn)行參數(shù)分解(見圖6)， 安全帶鎖頭的設(shè)計(jì)布置主要考慮法規(guī)要求、舒適性要求和安全性要求。由于座椅發(fā)泡優(yōu)化可解決鎖頭外觀要求， 故在該項(xiàng)目中忽略外觀的要求。

圖6 鎖頭設(shè)計(jì)參數(shù)樹

4.1 法規(guī)要求(參數(shù)1)

由于研究的該車型駕駛員座椅是可以前后滑動(dòng)的，而安全帶的L1點(diǎn)布置在車身上，故L2點(diǎn)務(wù)必布置在座椅上以達(dá)到法規(guī)GB 14167—2013《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)》要求——α1和α2中至少有一個(gè)是恒定值(如固定點(diǎn)在座椅上)，其值為60°±10°。通過上述法規(guī)研究分析(見圖1和圖2)，該角度限制了鎖扣組件固定點(diǎn)X方向和Y方向范圍。故鎖頭Z向高度是自由參數(shù)，需要主要分析。

4.2 動(dòng)態(tài)舒適性要求(參數(shù)2)

依據(jù)動(dòng)態(tài)感知輸入，鎖頭位置越寬松，在行車過程中對(duì)乘員無壓迫感。故定義安全帶織帶與軀干壓迫量為舒適性指標(biāo)，壓迫量定義為舒適性。

考慮座椅滑動(dòng)，在H點(diǎn)定義位置放置50%分位的男性假人，在座椅最后最下方位置放置95%分位男性假人，在座椅的最前最上的位置放置50%分位的女性假人進(jìn)行考察。

通過Ramsis軟件對(duì)不同鎖頭高度：4號(hào)車在原狀態(tài)、鎖頭+50 mm、鎖頭+100 mm進(jìn)行舒適性佩戴模擬分析，不同鎖頭高度模擬分析的狀態(tài)如圖7所示，得出不同鎖頭高度織帶對(duì)人體肚子的壓迫指數(shù)見表2，壓迫指數(shù)越高，乘員越不舒服。

圖7 不同鎖頭狀態(tài)Ramsis分析的織帶佩戴

表2 不同鎖頭高度的壓迫指數(shù)

由上表2可知，當(dāng)鎖頭越高，壓迫指數(shù)越低，乘員佩戴越不會(huì)勒肚子，越舒適。

4.3 安全性要求(參數(shù)3)

安全帶作為緊急狀態(tài)下對(duì)人員實(shí)施保護(hù)的零件，希望對(duì)人員實(shí)施保護(hù)時(shí)具有良好的保護(hù)效果。 安全帶鎖扣的布置，主要體現(xiàn)在實(shí)車碰撞過程中對(duì)乘員骨盆X前移量以及胸部壓縮變形量。通過HyperWorks前后處理器和LsDyna計(jì)算器計(jì)算不同鎖頭長度對(duì)乘員的約束狀態(tài)。不同鎖頭高度模擬計(jì)算分析如圖8所示，不同鎖頭高度的骨盆X前移量以及胸部壓縮變形量見表3。

圖8 不同鎖頭狀態(tài)正碰模擬

表3 不同鎖頭狀態(tài)正碰骨盆X向前移量及胸壓變形量 mm

5 鎖頭高度優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 安全帶鎖頭布置參數(shù)2——舒適性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析

如圖9所示，鎖頭越高，乘客佩戴壓迫指數(shù)越小，乘客舒適性越高，鎖頭高度與乘客舒適性成正向關(guān)系，最前位置是舒適性最敏感狀態(tài)。

圖9 舒適性與座椅位置的關(guān)系

5.2 安全帶鎖頭布置參數(shù)3——安全性能指標(biāo)進(jìn)行分析

如圖10所示，骨盆X向前移量與鎖扣高度成正向關(guān)系，目標(biāo)值小于180 mm，對(duì)于鎖頭加高小于75 mm；如圖11所示，胸部壓縮變形量與鎖扣高度成正向關(guān)系，目標(biāo)值小于35 mm,對(duì)于鎖頭加高小于25 mm。綜上，安全性能要求鎖頭加高小于25 mm。

圖10 安全性骨盆X向前移量與鎖扣高度的關(guān)系

圖11 安全性胸部壓縮變形量與鎖扣高度的關(guān)系

6 結(jié)論

安全帶鎖頭位置的設(shè)計(jì)布置受法規(guī)GB 14167—2013《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)》限制；安全帶佩戴是否勒肚子的舒適性主要由鎖扣組件的鎖頭高度決定；鎖頭高度影響安全帶約束乘客的安全性。舒適性和安全性是時(shí)間分離的矛盾特性。

(1)安全帶鎖扣布置舒適性是往大特性。

(2)安全帶鎖扣布置安全性是往小特性。

(3)結(jié)合舒適性和安全性要求，后續(xù)車型鎖扣設(shè)計(jì)以研究4號(hào)車原狀態(tài)基礎(chǔ)上鎖扣加高25 mm(鎖扣Z向高于H點(diǎn)10 mm)以提升佩戴舒適性，該狀態(tài)同時(shí)可滿足安全性要求。