靜載設(shè)備對座椅頭枕位移的影響因素分析

攸璇　陳鑫　陳勇強(qiáng)

摘要：解讀了國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)座椅頭枕靜態(tài)加載的試驗(yàn)方法，并基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)、比對試驗(yàn)進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了試驗(yàn)設(shè)備對試驗(yàn)結(jié)果的主要因素，為產(chǎn)品工程師和試驗(yàn)工程師識別測試過程中產(chǎn)生差異的原因提供更多方面的參考，也為設(shè)備制造商在對設(shè)備研發(fā)時(shí)提供有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：靜態(tài)加載；座椅頭枕強(qiáng)度；頭枕位移；影響因素

中圖分類號： U467.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

汽車座椅作為整車內(nèi)飾中與司乘人員安全密切關(guān)聯(lián)的零部件之一，國家認(rèn)監(jiān)委規(guī)定汽車座椅頭枕需根據(jù)國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB15083—2019《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》[1] 及GB 11550—2009《汽車座椅頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》[2]進(jìn)行強(qiáng)制性檢驗(yàn)，并滿足標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于頭枕尺寸、動態(tài)吸能及靜態(tài)加3 個(gè)主要類目的要求。其中靜態(tài)加載中，頭枕加載后的位移量小于102.0 mm 這一指標(biāo)，影響因素較多。產(chǎn)品相關(guān)的影響因素[3]有：靠背強(qiáng)度、頭枕強(qiáng)度、頭枕發(fā)泡軟硬度以及設(shè)計(jì)預(yù)留的頭后間隙，這些影響因素需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行充分評估及驗(yàn)證，并在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中由制造商控制一致性。除此之外，對于試驗(yàn)設(shè)備，尤其是背模的相關(guān)尺寸，也會對頭枕位移數(shù)據(jù)有著較大的影響。為能更深入了解法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證方法，為工程師識別測試過程中產(chǎn)生差異的原因提供更多方面的參考，也為設(shè)備制造商在對設(shè)備研發(fā)時(shí)提供有價(jià)值的參考。

1 頭枕靜態(tài)加載試驗(yàn)方法解讀

GB 15083—2019 中條款5.4 及GB 11550—2009 中條款5.4詳細(xì)說明了頭枕靜態(tài)加載的試驗(yàn)方法及性能要求。

1.1 試驗(yàn)方法過程解讀

1.1.1 座椅試驗(yàn)狀態(tài)

對于可調(diào)式頭枕，頭枕應(yīng)處于其可調(diào)范圍內(nèi)最不利位置（一般為最高位置）。座椅滑軌、調(diào)高裝置、靠背角度均調(diào)整至設(shè)計(jì)狀態(tài)。對于雙人、三人的長條座椅，骨架部分或全部（包含頭枕部分）為一個(gè)以上乘坐位置共用，則應(yīng)對所有乘坐位置同時(shí)進(jìn)行加載。按實(shí)車狀態(tài)安裝與剛性試驗(yàn)臺上，使用HPM（H PointMechanism）測量試驗(yàn)座椅R 點(diǎn)。

1.1.2 設(shè)備要求及調(diào)整

加載設(shè)備需滿足GB11551—2014《汽車正面碰撞的成員保護(hù)》[3] 附錄A 中所述模擬人體模型靠背（圖1）。調(diào)整設(shè)備背模旋轉(zhuǎn)點(diǎn)與座椅R 點(diǎn)重合，此時(shí)，設(shè)備背模的軀干線（部分設(shè)備中的軀干線為虛擬）及頭模最前端切線應(yīng)位于一條直線上，該直線為基準(zhǔn)線r（圖2）。設(shè)備背模以R 點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)，向后作用于靠背，使靠背相對R 點(diǎn)受373 N · m 的力矩。此時(shí)，設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)移位后基準(zhǔn)線r1。背模保持373 N · m 加載，調(diào)整頭模，確定頭模加載高度。設(shè)定頭枕加載力矩后，設(shè)備初始化，執(zhí)行測試。

1.1.3 背模、頭模加載及頭枕位移計(jì)算

靜態(tài)加載設(shè)備按標(biāo)準(zhǔn)加載順序加載。

第一階段：頭模和背模以R 點(diǎn)為中心向座椅靠背方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)背模接觸座椅靠背，并產(chǎn)生向后373 N · m 力矩時(shí)。頭模開始向頭枕方向移動，當(dāng)移動至頭模最前端切線與移位后基準(zhǔn)線r1 重合時(shí)，設(shè)備記錄為0 點(diǎn)位移，頭模繼續(xù)移動，當(dāng)頭模對頭枕相對于R 點(diǎn)產(chǎn)生373 N·m 力矩時(shí)，設(shè)備記錄頭模最大位移X（圖3），此時(shí)的X 為頭模最前端切線與移位后基準(zhǔn)線之間的距離，該數(shù)據(jù)要小于102.0 mm 為合格。

第二階段：背模停止，頭模繼續(xù)加載至890 N，測試頭枕強(qiáng)度，如達(dá)到890 N，靠背及頭枕無損壞，則靠背及頭枕強(qiáng)度合格，試驗(yàn)結(jié)束。

該實(shí)驗(yàn)中，靠背強(qiáng)度滿足373 N · m，頭枕強(qiáng)度滿足890 N及頭枕位移數(shù)據(jù)小于102.0 mm，需要同時(shí)滿足。本文主要討論設(shè)備對頭枕最大位移的影響，即加載的第一階段。

2 背模相關(guān)尺寸對座椅頭枕位移數(shù)據(jù)的影響

在該測試中，背模尺寸、頭模和背模的初始相對位置與座椅頭枕的位移數(shù)據(jù)有關(guān)鍵性的影響。選取以下5 個(gè)直接因素進(jìn)行比對驗(yàn)證。驗(yàn)證試驗(yàn)樣品，選取同結(jié)構(gòu)、同批次、靜態(tài)測量一致性較好的座椅進(jìn)行對比測試。

2.1 頭模和移位后基準(zhǔn)線r1 位置影響

因頭枕位移量X 為頭模加載至373 N · m 時(shí)，頭枕最前端切線與移位后基準(zhǔn)線r1 之間的距離，頭模準(zhǔn)確識別正確的初始位置是測試的關(guān)鍵[4]。如頭模記錄的初始位置提前于移位后基準(zhǔn)線r1，則試驗(yàn)后頭枕位移量會偏大，反之，則偏小（圖4）。其中，虛線頭模為頭模正確的初始位置；實(shí)線頭模為頭模非正確初始位置。如果頭模記錄初始位置不符合標(biāo)準(zhǔn)，則頭枕最大位移數(shù)據(jù)會出現(xiàn)明顯差異，試驗(yàn)的頭枕最大位移數(shù)據(jù)X（1）＞ X（2）＞ X（3）。

2.2 背模寬度的影響

目前的加載設(shè)備背模是有兩種形式（圖5），為配合三人座椅同時(shí)加載時(shí)，滿足中間位置的加載需求，中間背模寬度僅是兩邊背模的局部，其弧度與完整背模弧度重合。對同一設(shè)備不同形狀的背模，以及不同設(shè)備同一工位背模的比對。驗(yàn)證其對頭枕最大位移數(shù)據(jù)的影響。通過靜態(tài)測量確保2 個(gè)座椅狀態(tài)的一致性后，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，背模尺寸及試驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)如表1。

通過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：背模寬度最大相差41.7 mm，背模長度最大相差13.2 mm，頭枕位移數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差1.8 mm，說明背模的弧度、長寬尺寸對頭枕位移數(shù)據(jù)影響不明顯。

2.3 背模加載力臂的影響

通過調(diào)查了解到目前常用的座椅靜態(tài)加載設(shè)備中，背模加載位置（即力值傳感器安裝位置）主要有距離R 點(diǎn)500.0 mm處、300.0 mm 和290.0 mm 處3 種（圖6），選取500.0 mm 和290.0 mm 兩個(gè)加載位置的設(shè)備進(jìn)行比對。

驗(yàn)證不同加載位置對頭枕最大位移數(shù)據(jù)的影響。選取2 個(gè)狀態(tài)一致的座椅，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，對應(yīng)測試數(shù)據(jù)如表2。

力值加載位置相對于R 點(diǎn)的高度相差210.0 mm，背模寬度也有差異（差異影響已在2.2 驗(yàn)證，可忽略），但加載后對頭枕位移數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差4.9 mm，影響不明顯。

2.4 背模與軀干線角度的影響

根據(jù)GB11551—2014 對模擬假人背部的要求，可追溯到SAE J826 對假人尺寸的詳細(xì)要求[5]，背模需要和軀干線平行，且背模切線與軀干線尺寸需要滿足134.0mm 的要求（圖7）。

假設(shè)背模和軀干線存在夾角，對頭枕最大位移是否存在影響。調(diào)整背模角度，相對于軀干線成0?、10? 驗(yàn)證影響程度（圖8）。

選取2 個(gè)狀態(tài)一致的座椅，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，對應(yīng)測試數(shù)據(jù)如下表3。

從數(shù)據(jù)上可以看出，背模與軀干線存在夾角，夾角越大，頭枕位移量越大，差異達(dá)41.0 mm。主要原因：當(dāng)靠背與軀干線在靠近樣品座椅靠背方向有夾角時(shí)，背模執(zhí)行第一階段加載過程中，會先于無夾角的背模接觸到靠背，提前到達(dá)373 N · m 的力矩。頭模在距離頭枕較遠(yuǎn)處找到r1 并開始計(jì)算頭枕位移。而0? 夾角的背模，頭模會在距離頭枕更近的位置達(dá)到r1（圖9）。

從圖9 可以看出，有角度的頭模接觸頭枕前的距離d0? ＜ d10?，而這個(gè)距離是算入頭枕位移距離中的，所以背模與軀干線的角度越大，頭枕位移最大距離也就越大。

2.5 背模最高點(diǎn)與設(shè)備R 點(diǎn)距離的影響

SAE J826《H 點(diǎn)機(jī)械和設(shè)計(jì)工具規(guī)程和規(guī)格》對模擬人體背部模型的尺寸要求中還有一個(gè)尺寸值得關(guān)注，即背模最高位置與R 點(diǎn)的距離563.0 mm 如圖7 所示。通過調(diào)整同一個(gè)背模相對于R 點(diǎn)的不同高度，以30.0 mm 為一個(gè)梯度進(jìn)行試驗(yàn)對比，數(shù)據(jù)如表4 所示。

以上驗(yàn)證數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：背模最高點(diǎn)距離R 點(diǎn)越遠(yuǎn)，對于頭枕最大位移數(shù)據(jù)越大，測試條件越惡劣，頭枕最大位移數(shù)據(jù)差異達(dá)到42.8 mm。頭枕位移數(shù)據(jù)偏差達(dá)27.2 mm。背模如離R 點(diǎn)過近，在實(shí)驗(yàn)中會與座墊發(fā)泡干涉，影響測試數(shù)據(jù)，且離R 點(diǎn)過近時(shí)，無法準(zhǔn)確識別頭枕的真實(shí)位移距離。所以在設(shè)備開發(fā)時(shí)需要準(zhǔn)確控制背模與R 點(diǎn)的相對距離563.0 mm。

目前在用的大部分座椅靜態(tài)加載設(shè)備中， 背模裝配位置是固定不可調(diào)的，這在很大程度上避免了此影響，需要注意的是在設(shè)備設(shè)計(jì)和制造的時(shí)候需要關(guān)注背模與R 點(diǎn)的相對位置。

3 結(jié)束語

根據(jù)靜態(tài)加載設(shè)備中，頭模、背模不同狀態(tài)情況下的頭枕位移數(shù)據(jù)對比，可以識別影響頭枕位移數(shù)據(jù)的主要因素如下。

（1）頭模記錄頭枕位移的初始位置（頭模前端切線與移位后基準(zhǔn)線r1 重合時(shí)）的準(zhǔn)確性。

（2）背模與軀干線的夾角。

（3）背模最高點(diǎn)相對于R 點(diǎn)的距離。

這些因素可用于指導(dǎo)座椅靜態(tài)加載設(shè)備制造商在設(shè)備開發(fā)時(shí)，及時(shí)關(guān)注關(guān)鍵參數(shù)；測試機(jī)構(gòu)也可參照這些關(guān)鍵影響因素對設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)收、校準(zhǔn)、比對。本研究也為產(chǎn)品工程師及測試工程師測試過程中異常原因的查找提供更多角度。

【參考文獻(xiàn)】

[1] GB 15083—2019 汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法[S].

[2] GB 11550—2009 汽車座椅頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法[S].

[3] GB 11551—2014 汽車正面碰撞的乘員保護(hù)[S].

[4] 張劼， 張志， 李巖， 等. 汽車座椅頭枕強(qiáng)制性試驗(yàn)影響因素分析[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2019，38（05）：789-795.

[5] SAE J826 （R） Devices for Use in Defining and Measuring Vchicle Seating Accommodation[S].

作者簡介：

攸璇，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)槠嚵悴考?yàn)證。

陳鑫，本科，助理工程師，研究方向?yàn)槠嚢踩到y(tǒng)類測試評價(jià)。

陳勇強(qiáng)，本科，工程師，研究方向?yàn)槠囓嚿硐到y(tǒng)類測試評價(jià)。