基于汽車座椅及頭枕新規的試驗研究與改進措施

李巖 許繼藝 李劼

摘? 要：本文對汽車座椅及頭枕新舊標準進行對比分析，以某乘用車座椅及頭枕為分析對象，按照國家市場監督管理總局、中國國家標準化管理委員會新發布的國家強制性標準法規要求進行各項試驗研究。根據試驗結果，分析了其有關影響因素，提出了對應改進方案，在此基礎上對新方案進行了試驗驗證。以期為工程師在產品設計和試驗結果分析上提供參考。

關鍵詞：汽車座椅及頭枕;強制性試驗;影響因素;改進方案

中圖分類號：U463.83+6? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）03-0000-00

0 引言

汽車座椅作為乘員約束系統的重要組成部分，其在保證乘員安全性和舒適性方面具有重要作用[1]。隨著汽車技術的飛速發展和人們對汽車性能要求的不斷提高，對汽車座椅的要求也在不斷提高。座椅及頭枕承擔著為乘員提供舒適的乘坐環境、支撐乘員重心的作用，同時在車輛發生事故時，能避免乘員受到傷害或將傷害降到最低。因此，汽車座椅及頭枕性能的優劣直接關系到車內乘員在發生碰撞等事故時的人身安全[2]。因此，汽車座椅及頭枕性能一直是國家要求的強制性檢驗項目，當前國內外都建立了相應的標準法規來保證其穩定性和安全性，如現行的主要有ECE R17和GB 15083。

1 國內新舊標準法規對比

GB 15083-2006《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》為現行有效的國家強制性標準。新法規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》于2019年10月14日發布，將于2020年7月1日正式實施。

與GB 15083-2006比較，2019新版標準最大的不同是座椅固定裝置、調節裝置、鎖止裝置以及移位裝置強度項目以前采用靜態試驗/動態試驗二選一的方法，現在必須使用動態試驗來考核。主要原因是靜態試驗存在以下弊端：一是靜態試驗的加載只能在座椅的質心高度加載一個相當于座椅自身重量20倍的力，而非座椅整體受力。二是由于座椅形狀不規則、質量分布不均，質心測量的誤差被放大，且使用剛性金屬桿還是柔性拉帶對其進行加載也一直存在著爭議。三是加載速度受當前設備情況限制，普遍采用4～6 s加載至設定值，這與實際的普通碰撞時間（約200 ms）相差甚遠。由此可見，靜態試驗中座椅的受力情況和失效形式都會與實際情況有所不同，從而影響產品工程師的判斷。因此動態試驗的全面推行是一種必然。

2 試驗驗證及改進

依據2019版標準，以某中低端乘用車前排座椅為研究對象，針對座椅固定裝置、調節裝置、鎖止裝置以及移位折疊裝置的強度試驗（動態試驗）、頭枕性能試驗要求、頭枕吸能性試驗這三大主要安全性檢測項目進行驗證。動態試驗主要是檢測座椅是否滿足強度要求，即在發生碰撞時能夠保證其與安全帶等約束系統一起保護乘員安全;頭枕性能試驗主要考核車輛在碰撞事故中，座椅頭枕及靠背能否經受沖擊載荷，以及能否對乘員頸椎、腰部起到很好的保護作用[6];頭枕吸能性試驗主要考察車輛碰撞過程中乘員頭部在撞擊到頭枕的瞬間，頭枕對撞擊能量吸收的效果，以及頭枕在受到沖擊載荷后，頭枕的變形破壞情況[7]。

2.1試驗

第1次試驗結果曲線如下圖所示。實驗結果表明動態試驗的前向試驗（見圖1）后座椅骨架、固定裝置未失效，但靠背調節裝置失效，靠背鎖緊裝置松脫;在頭枕性能試驗中加載至806.3 N（未達到標準要求的890 N）時頭枕機構失效無法繼續加載（見圖3），這兩項試驗未通過。動態試驗的后向試驗（見圖2）以及頭枕吸能性試驗（見圖4、圖5）均合格。

頭型最大后移量45.6 mm，頭枕及其固定裝置加載至806.3 N。

2.2 分析整改

2.2.1 動態試驗的前向試驗失效情況分析

現場拆解失效座椅，座椅骨架整體變形較小且不存在母材破損開裂或焊縫撕裂等框架結構失效的情況、滑軌也未發生損壞。根據經驗判斷，調角器強度不足導致試驗失效的可能性較大。進一步拆解調角器，檢查鎖齒板，發現并不存在整齒或半齒被切斷的現象，但鎖齒板、齒輪圈嚙合齒、固定座的凸臺端部有明顯劃痕，顯示失效模式更接近于調角器被主動解鎖后的跳齒現象而非鎖齒板強度不足導致的滑齒狀態。正向碰撞過程中調角器的瞬間跳齒，使得靠背向前轉動，發生碰撞時靠背向前傾倒，增大了乘員受傷害的風險。該調角器結構如圖6所示。當需要調整角度時，轉動凸輪軸3帶動凸輪6轉動，使鎖齒板5同內齒輪圈2脫離嚙合，調整靠背角度。調整完成后凸輪軸3在彈性墊圈7的作用下轉動并帶動凸輪6，使鎖齒板5同內齒輪圈2嚙合。根據調角器的工作原理可知，零件制造誤差、裝配誤差或鎖齒板和固定座凸臺的高度差都會造成齒板和內齒圈嚙合部位應力較大而發生塑性變形。

零件制造誤差或裝配誤差可以通過改善工藝解決，鎖齒板和固定座凸臺的高度差問題可以通過改變零件結構實現。因此，通過以下方式進行整改：增加鎖齒板的厚度使其同固定座凸臺等高，減小鎖齒板的翻轉，使其受力更加均勻，從而避免局部應力過大的現象。

2.2.2 頭枕性能試驗失效情況分析

現場拆解失效汽車座椅和頭枕發現，座椅靠背內的頭枕導管開裂，接縫強度稍差，焊接接觸面小、焊接接縫面積不夠，發生碰撞時頭枕失效可能增加乘員頸部損傷風險。針對這種情況，通過以下方式進行整改：將現有背框焊接頭枕導管處，進行拍扁5 mm處理，目的是增加焊接的接觸面積，由原來的頭枕導管和背框線接觸改為面接觸，并對焊接工藝進行調整，如圖7所示。

2.3 整改后驗證試驗

整改后的汽車座椅及頭枕再次進行驗證，試驗結果均合格，曲線如圖8～圖12所示。

從整改后的試驗結果可以看出，本次整改在生產成本增加不多的情況下，座椅靠背調角器及頭枕固定裝置強度均有明顯改善，所有試驗結果均滿足新法規要求，整改有效。

3 結語

目前針對汽車座椅及頭枕的國家強制性標準目的在于考察座椅及頭枕在車輛碰撞過程中受到人體沖擊時，對乘員的保護效果，這是評價汽車座椅及頭枕安全性能的最基本要求[8]。本文通過某乘用車汽車座椅及頭枕進行試驗，分析了該汽車座椅及頭枕的失效形式，設計了改進方法并進行了試驗驗證，對其他企業產品開發及質量改善有著積極的借鑒意義。

參考文獻

[1]鐘柳華，孟正華，練朝春.汽車座椅設計與制造[M].北京：國防工業出版社，2015.

[2]趙波，范平清，沈濤.轎車座椅主動式頭枕吸能性分析[J].機械設計與制造，2010（3）：115-117.

[3]GB15083-2006，汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法[S].

[4]GB11550-2009，汽車座椅頭枕強度要求和試驗方法[S].

[5]GB15083-2019，汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法[S].

[6]付奇.基于有限元方法的汽車座椅靜強度和結構優化[D].長春：吉林大學，2004.

[7]段昀輝.汽車座椅靜強度改進設計及頭枕安全性分析[D].長春：吉林大學，2004.

[8]吳瑜.汽車駕駛員座椅強度及安全性分析[D].重慶：重慶大學，2010.

收稿日期：2020-02-12

作者簡介：李巖（1981—），女，湖北宜都人，碩士研究生，工程師，研究方向：汽車座椅系統測試評價。