基于RAMSIS和臺架試驗的駕駛員安全帶佩戴舒適性研究

王聰,王建勛,王團,李曉婷,齊曉明

一汽奔騰轎車有限公司，吉林長春 130013

0 引言

隨著人們生活水平的日益提高，越來越多的家庭擁有了自己的汽車。安全帶作為一種非常重要的安全裝備，在汽車交通事故中能夠有效地保護駕乘人員防止受到損傷[1]。因此，1993年7月我國規定所有小客車行駛時，駕駛員、前排乘坐人員必須按規定佩戴安全帶。目前POWER把安全帶的佩戴舒適性作為一項重要的評價內容，用戶也越來越關注安全帶的佩戴舒適性。

2013年我國實施了強制標準GB 14167《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統及上拉帶固定點》，規定了汽車安全帶有效固定點的布置區域范圍要求，然而滿足法規區域并不代表安全帶佩戴舒適就好。根據王曉杰等[2]統計分析，在安全帶佩戴舒適性評價中，安全帶織帶走向是用戶關注度最高的一項，而影響安全帶走向的重要影響因素就是安全帶上固定點的位置。

目前駕駛員安全帶通常配備高度調節器，不同身材的駕駛員可根據需要上下調節安全帶上固定點，找到適合的舒適區域。然而隨著整車成本的壓力，整車廠也考慮將取消高度調節器作為降成本方案之一，從而對安全帶上固定點的位置選取尤為重要。

本文將基于RAMSIS軟件及臺架試驗相結合的方式對駕駛員安全帶上固定點的位置選取進行研究，通過在X、Y、Z3個方向上安全帶上固定點與座椅點R的相對距離為變量進行對比分析，再經過臺架試驗的驗證，為駕駛員安全帶上固定點的選取提供依據。

1 安全帶上固定點法規區域及RAMSIS軟件介紹

1.1 安全帶上固定點法規區域要求

根據GB 14167《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統及上拉帶固定點》，安全帶有效固定點是安全帶各部分相對于使用者的角度的點，將織帶系于該點可獲得與預期設計相同的安全帶佩戴狀態。駕駛員安全帶上有效固定點位置區域如圖1所示。

圖1 駕駛員安全帶上有效固定點位置區域

(1)上有效固定點到平行于車輛縱向基準平面P距離S值不得小于140 mm。

(2)FN平面下方。FN平面垂直于座椅中心面并與軀干線成65°(對于后排座椅此角可減小至60°)角且交于點D，保證DR=315 mm+1.8S，當S≤200 mm時，DR=675 mm。

(3)FK平面后方。FK平面垂直于座椅中心面并與軀干線成120°角且交于點B，此時須保證BR=260 mm+S，但當S≥280 mm 時,BR=260 mm+0.8S。

(4)通過點C的水平面上方。點C位于R點鉛垂上方450 mm 處，當S≥280 mm，則鉛垂距離為500 mm。

(5)通過點R并垂直于車輛縱向中心平面的鉛垂平面后方。

1.2 RAMSIS軟件介紹

1.2.1 RAMSIS軟件功能簡介

RAMSIS軟件是一種數字人體模型，用于乘員仿真和人機工程設計的CAD工具。該軟件為工程師提供了一個詳細的CAD人體模型來模擬仿真駕駛員的行為。

RAMSIS軟件重要的一項功能是對安全帶佩戴進行舒適性分析。軟件里具有人體測量編輯器和數據庫，用戶可以根據需要調整人體尺寸、性別、姿勢等數據，輸入相關的安全帶、鎖扣等固定點信息，軟件自動繪制出安全帶織帶走向和與人體的佩戴狀態，用戶進行人機分析和舒適性結果評價。

RAMSIS軟件的顯著優勢在于可以在設計階段進行舒適性分析校核，避免實車后存在問題進行設計變更浪費時間和成本，甚至無法更改。此外，該軟件操作簡單便捷，目前全球70%以上的乘用車制造商已經應用[3]。

1.2.2 RAMSIS軟件分析方法

RAMSIS軟件安全帶舒適性分析方法分為兩種：一種是eBTD分析方法，其特點是針對固定尺寸的假人模型進行安全帶舒適性分析，但可以依據加拿大法規自動評價安全帶舒適性是否滿足要求;另一種是Manikin分析方法，其特點與eBTD方法正好相反，可以根據需求選取不同的假人尺寸、性別、姿勢進行全方位的安全帶舒適性分析，但需要操作者主觀針對分析結果進行評估。

2 基于RAMSIS軟件的駕駛員安全帶上固定點位置對佩戴舒適性的分析

由于要分析安全帶上有效固定點的位置對座椅全行程情況下不同身材人群的安全帶佩戴舒適性，因此本文采用RAMSIS軟件中Manikin分析方法。

2.1 人體模型的選取

選取Manikin里面定義的中國假人模型，模型百分位分別為95%男性、50%男性、5%女性，身高分別對應1.77、1.68、1.49 m。通過Animate/Translate命令將模型點H對應到分析矩陣的坐標系下，再通過Posture Calculation命令調整模型的姿態以滿足分析要求。不同百分位駕駛員模型坐姿姿態如圖2所示。

圖2 不同百分位駕駛員模型坐姿姿態

2.2 分析矩陣的建立

2.2.1 固定點法規區域劃分

基于某車型的座椅滑動行程H-BOX和安全帶鎖扣有效固定點，根據GB 14167要求，劃分安全帶上有效固定點的法規區域，如圖3所示。

圖3 某車型安全帶上有效固定點法規區域

2.2.2 上有效固定點坐標矩陣的設定

在上述劃分的法規區域，對安全帶上有效固定點分別以X、Y坐標不變、Z坐標為變量，X、Z坐標不變、Y坐標為變量,Y、Z坐標不變、X坐標為變量3個維度進行安全帶舒適性分析矩陣設定。基于以往車型上有效固定點與座椅點R空間坐標關系，變量差值按照±20 mm，設定上有效固定點坐標矩陣，參見表1。

表1 上有效固定點坐標矩陣的設定 單位:mm

基于表1的矩陣，上有效固定點在法規區域的分布如圖4所示。

圖4 矩陣中上有效固定點在法規區域的分布

2.2.3 分析矩陣的設定

由于駕駛員座椅可以前后移動，通常座椅行程為240 mm。對表1中的每種坐標情況均按照3種百分位人體模型進行舒適性分析，即95%男性人體模型位于座椅行程最后位置，50%男性人體模型位于座椅行程中間位置，5%女性人體模型位于座椅行程最前位置。

2.3 安全帶參數設置

安全帶固定點設置主要包括上固定點(upper anchorage)、鎖扣固定點(lower inboard anchorage)、下端片固定點(lower outboard anchorage)3個坐標參數。Manikin模塊中具備多種類型的固定點設置，可根據實際需要進行選擇使用。本文主要針對駕駛員安全帶佩戴舒適性進行分析研究，因此上固定點選用Class A.1類型(帶導向環)，鋼板式鎖扣選用Class B.1類型，下端片可旋轉選用Class C.2,在相應的參數定義界面下，如圖5所示，在Origin O處填寫有效固定點坐標值，其他參數根據實際填寫。在分析矩陣中，僅對Origin O處填寫有效固定點坐標值的輸入進行更改，其他參數不變。

圖5 安全帶固定點參數設置界面

在安全帶固定點參數設置完成后，在Belt Settings界面下將安全帶織帶寬度設置為47 mm，其他參數根據需要設定。

2.4 計算結果分析

基于已設定的分析矩陣通過RAMSIS軟件計算得出各種工況下的安全帶佩戴狀態。

圖6給出了方案1中4種坐標工況下3種不同百分位人體模型安全帶佩戴狀態的對比。從95%男性對比中可以看出，當ΔZ=630 mm時，安全帶織帶位于95%男性人體肩部邊緣，在實際使用佩戴中存在滑肩的風險;當ΔZ增加到690 mm時，安全帶織帶位于95%男性人體肩部中間位置，舒適性較好。從而可以得出，針對95%男性隨著ΔZ增大，安全帶佩戴舒適性越好。而對比50%男性和5%女性安全帶佩戴狀態可以看出，隨著ΔZ增大，安全帶離人體模型頸部越近，但是均未出現勒脖子情況。綜合上述分析，建議ΔZ不小于630 mm，最好在(670±20)mm范圍內。

圖6 ΔZ為變量的不同百分位人體模型安全帶佩戴狀態對比

圖7給出了方案2中4種坐標工況下3種不同百分位人體模型安全帶佩戴狀態的對比。從對比中可以看出，當ΔY=230 mm時，安全帶織帶位于3種百分位人體模型頸部較近，但未勒到脖子;隨著ΔY值增大，安全帶織帶逐漸遠離頸部;當ΔY增加到270 mm時，安全帶織帶位于95%男性人體肩部中間位置，舒適性較好;當ΔY增加到290 mm時，安全帶織帶離95%男性人體肩部邊緣較近，在實際使用佩戴中存在滑肩的風險。而對于50%男性和5%女性，安全帶織帶均位于人體模型肩部中間，舒適性較好。綜合上述分析，建議ΔY不大于290 mm，最好在(270±20)mm范圍內。

圖7 ΔY為變量的不同百分位人體模型安全帶佩戴狀態對比

圖8給出了方案3中5種坐標工況下3種不同百分位人體模型安全帶佩戴狀態的對比。從對比中可以看出，當ΔX=256 mm時，安全帶織帶離95%男性人體肩部邊緣較近，在實際使用佩戴中存在滑肩的風險;當ΔX增大到296 mm時，安全帶織帶位于95%男性人體肩部中間位置，舒適性較好;隨著ΔX值繼續增大，安全帶逐漸接近95%男性人體模型頸部。而對于50%男性和5%女性，當ΔX=256 mm時安全帶織帶離人體模型頸部較近，但未勒到脖子;隨著ΔX增大到336 mm時，安全帶織帶均有遠離人體模型頸部的趨勢，但不明顯;此外考慮到抓取織帶方便性，ΔX越大使用者實際抓取安全帶越不方便。因此綜合上述分析，建議ΔX不小于276 mm，最好在(296±20)mm范圍內。

圖8 ΔX為變量的不同百分位人體模型安全帶佩戴狀態對比

3 臺架試驗驗證

為了更好地驗證上述RAMSIS軟件分析結論的準確性，按照ΔX=296 mm、ΔY=270 mm、ΔZ=670 mm的方案進行搭建臺架。臺架試驗中由1.78 m男性、1.70 m男性、1.52 m女性分別在座椅行程最后、座椅行程中間、座椅行程最前的位置佩戴安全帶并進行評價。

圖9顯示了臺架試驗與RAMSIS軟件計算的安全帶佩戴狀態對比。可以看出，臺架試驗中3位人體佩戴后織帶在肩部的位置與RAMSIS軟件中的位置大體一致，且3位試驗人員針對佩戴狀態的主觀評價均為舒適。

圖9 臺架試驗與RAMSIS軟件計算的安全帶佩戴狀態對比

4 結束語

本文基于RAMSIS軟件對駕駛員安全帶的佩戴舒適性進行研究。根據安全帶上有效固定點的坐標矩陣，在座椅全行程情況下對不同百分位人體模型的安全帶佩戴狀態進行計算分析，從而得出駕駛員安全帶上有效固定點的布置推薦區域，即上有效固定點與座椅點R相對坐標差值的范圍為：ΔX=(296±20)mm，ΔY=(270±20)mm，ΔZ=(670±20)mm。進一步通過臺架試驗驗證，由RAMSIS軟件分析得出的安全帶布置推薦區域與臺架體驗結果一致。