汽車睡眠頭枕結構設計及試驗探討

王超　梁展　姚雙慶　馬宗

摘 要：本文通過對某自主品牌純電動汽車的一種汽車座椅睡眠頭枕結構設計及試驗的分析。根據(jù)《GB 11550-2009 汽車座椅頭枕強度要求和試驗方法》1、《GB 15083-2019汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》2、C-NCAP（中國新車評價規(guī)程）鞭打試驗和相關性能試驗驗證，在滿足相關標準法規(guī)的前提下，睡眠頭枕增加的“睡眠”部分裝置（睡眠側翼）給乘客提供了對頭部安全保護（用于限制乘員部相對于其軀干后移，以減輕在發(fā)生碰撞事故時頸椎可能受到的損傷程度），同時在乘員休息時，通過調整睡眠頭枕耳片支撐頭部和頸部，以增加乘員舒適度。

關鍵詞：汽車頭枕 結構設計 頭枕試驗 舒適度

Structural Design and Experimental Discussion of Automobile Sleep Headrest

Wang Chao Liang Zhan Yao ShuangQing Ma Zong

Abstract：This paper analyzes the structure design and test of a car seat sleep headrest of a pure electric vehicle of a certain self-owned brand. According to "GB 11550-2009 Car Seat Headrest Strength Requirements and Test Methods" 1， "GB 15083-2019 Car Seats， Seat Fixtures and Headrest Strength Requirements and Test Methods" 2， C-NCAP （Chinese New Car Evaluation Regulations） Whiplash test and related performance test verification， under the premise of meeting relevant standards and regulations， the additional "sleep" part of the sleep headrest （sleeping flanks） provides passengers with head safety protection （used to restrict the occupant relative to the torso， and moved back to reduce the degree of damage to the cervical spine in the event of a collision）. At the same time， when the occupant is resting， the head and neck are supported by adjusting the sleep headrest ears to increase the comfort of the occupant.

Key words：car headrest， structural design， head， pillow test， comfort

1 前言

座椅頭枕是座椅安全性設計中的重要部件，他關系著座椅的舒適性、被動安全性等多個方面。隨著汽車迅速普及，人們對汽車安全的日益重視，汽車頭枕不僅作為一種安全性能配置，同時也作為汽車的舒適型裝置。目前汽車座椅頭枕已經被列為強制性國家標準，所有的車型前后排座椅都必須安裝頭枕，并對汽車頭枕的吸能性、大小、強度、位置和材質等都有嚴格規(guī)定。在汽車的碰撞試驗中，也正式導入了鞭打實驗，以此來檢驗汽車座椅對頭部、頸部的保護性能。

本文以某自主品牌純電動汽車座椅頭枕為研究對象，基于對該品牌座椅睡眠頭枕裝置一般設計方法的研究，結合項目開發(fā)，通過《GB 11550-2009 汽車座椅頭枕強度要求和試驗方法》、《GB 15083-2019汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》和C-NCAP（中國新車評價規(guī)程）鞭打試驗和相關驗證，從中總結了汽車座椅睡眠頭枕的相關要點和原則。

2 功能定義

對于汽車座椅而言，頭枕是座椅上一個附件。隨著車速的增加，它對人生安全日益重要。汽車一旦發(fā)生追尾碰撞，汽車受后面沖擊力作用瞬間急速向前，由于慣性作用乘員的頭部會向后仰，頸椎承受到很大的加速度力而容易傷害。有了頭枕承托，限制乘員頭部相對于其軀干后移，減少頭部自由移動的空間，可以降低對頸椎的沖擊力。同時汽車頭枕也作為座椅的一個重要的舒適性配置，用來緩解駕乘人員疲勞，座椅頭枕已在汽車中扮演重要的角色。

本文設計研究某自主品牌純電動汽車的一種汽車座椅睡眠頭枕。目前，市場上公知的汽車頭枕由發(fā)泡、面料、骨架等材料組成，成型工藝包括包覆和灌泡等。普通汽車頭枕包括頭枕導桿與頭枕頭靠，可調頭枕通常為上下調節(jié)，給乘客提供的舒適性有限，不能從側面支撐乘客的頸部，不能提供頭部限度固定。睡眠頭枕相較于傳統(tǒng)頭枕，在頭枕的側翼增加耳片，采用轉軸連接，頭枕耳片可向前轉動調節(jié)，使駕乘人員頸部椎骨得到有效支撐增加駕乘人員的舒適性。

3 結構設計

睡眠頭枕設計必須滿足相關法規(guī)，本文以《GB 15083-2019汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》標準要求為例。

一、頭枕一般要求：

1.頭枕的存在不應成為增加乘員危險的因素。在任何使用位置上，都不應有任何可能增加乘員受傷風險或傷害程度的凸起或尖棱;

2. 頭枕在座椅或車輛構件上的固定方式應保證頭枕在試驗過程中，由于頭型的作用壓力，其襯墊內或頭枕與靠背連接處，不得出現(xiàn)剛性的可致傷害的凸起。

二、頭枕尺寸要求：

頭枕高度：駕駛員座椅頭枕在最高位置時其頂端與R點距離不小于800mm（其他座椅為750mm）。對于可調頭枕，外形高度沿平行于軀干基準線方向不小于100mm。

設計值820mm、193mm，如圖1所示。

頭枕寬度：駕駛員座椅頭枕在最高位置時其頂端與R點距離不小于800mm（其他座椅為750mm）。對于可調頭枕，外形高度沿平行于軀干基準線方向不小于100mm。

設計值137mm，如下圖2所示。

頭枕靠背間隙：在頭枕調至最低使用位置時，其他在座椅靠背頂端的間距應不大于25mm。

設計值11.2mm，如下圖3所示。

二、頭枕結構設計：

本文研究的睡眠頭枕的主要組成：頭枕面套、頭枕發(fā)泡-前部、睡眠側翼、阻尼軸、本體上殼、夾片鎖緊連接、夾片、頭枕桿、本體下殼、頭枕發(fā)泡-后部、頭枕面套，如圖4所示。

頭枕桿與頭枕本體下殼采用夾片鎖緊連接，本體上殼與本體下殼周圈扣位連接，并用4顆自攻螺釘加強固定;睡眠側翼與本體上殼采用組合扣位連接;頭枕耳片采用阻尼軸連接，前后實現(xiàn)不對稱調節(jié)。睡眠頭枕展開狀態(tài)如圖5所示。

試驗驗證

睡眠頭枕設計必須滿足相關法規(guī)，本文以滿足《GB 11550-2009 汽車座椅頭枕強度要求和試驗方法》頭枕法規(guī)要求為例。

一、頭枕吸能試驗：

前向沖擊：速度≥24.1km/h，持續(xù)3ms，減速度≤80g;

后向沖擊：速度≥24.1km/h，持續(xù)3ms，減速度≤80g;

二、頭枕靜態(tài)強度：

通過頭型相對“R”點向頭枕施加373N.m負荷，頭型相對于移動后基準線的最大后移量應小于102mm。頭枕相對于移動后基準線的最大后移量為45.1mm。

三、頭枕性能試驗：

睡眠頭枕不僅需要在滿足國標的情況下，還需滿足自身性能試驗要求：

1）.頭枕誤用要求：座椅設計狀態(tài)下，頭枕

任意鎖止位置，沿頭枕導桿方向向下及向上分別施加450N的破壞力時，頭枕鎖止不得失效;

2）.座椅頭枕晃動量要求：

a）.頭枕處于任意鎖止位置時，對頭枕施加49N載荷，頭枕上下晃動量需滿足上下方向晃動量檢測：向上≦5mm、向下≦5mm;

b）.頭枕處于最高點后鎖止時，對頭枕施加49N載荷，頭枕前后晃動量需滿足前后方向晃動量檢測：向前≦1.4mm、向后≦1.4mm;

3）.頭枕操作特性試驗-前翼：

耳片翻轉操作力，前（50-80）N，后（55-80）N

頭枕底座耐久試驗-前翼

4）.睡眠翼板勻速從初始位置（兩翼展開）向睡眠位置移動（兩翼翻起），以相反的順序往回移動，循環(huán)10000次，試驗后功能完好，操作性能滿足要求。

5）頭枕耳片破壞強度：向前加載（300N），較鉸鏈無損壞，耳片與本體、耳片限位檔點均不損壞。

四、頭枕鞭打試驗：

本文研究的自主品牌純電動汽車座椅睡眠頭枕，通過鞭打試驗驗證后，符合C-NACP五星標準。

4 結論

本文設計研究某自主品牌純電動汽車的一種汽車座椅睡眠頭枕的研究分析，通過結構設計和試驗驗證。得出該款汽車睡眠頭枕展開側翼耳片后，極大的增加了頭枕的支撐面積，使頸部得到有效的支撐。在乘客休息的同時使乘客頸部有更大的機會包裹在頭枕發(fā)泡內，提高駕乘人員舒適度。

通過調研部分車型為研究對象，如圖8調研所示，在進口或高端車型上，睡眠頭枕也逐漸成為一種趨勢。

同時該睡眠頭枕在滿足舒適度的同時也滿足C-NCAP鞭打試驗也達到了五星要求。

參考文獻：

[1]汽車座椅頭枕強度要求和試驗方法. 非書資料：GB 11550-2009[S]. 北京：中國標準出版社，2009.

[2]汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法. 非書資料：GB 15083-2019 [S]. 北京：中國標準出版社，2019.

[3]（日）佐藤武主編.吳關昌等譯.汽車的安全.北京：機械工業(yè)出版社，1984.