基于碰撞安全的駕駛員座椅滑軌行程設(shè)計(jì)

趙愛(ài)霞

在新車(chē)設(shè)計(jì)初期階段，整車(chē)總布置設(shè)計(jì)會(huì)根據(jù)整車(chē)關(guān)鍵尺寸及關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)調(diào)整約束條件，以實(shí)現(xiàn)整車(chē)性能指標(biāo)。碰撞安全作為關(guān)鍵性能指標(biāo)，會(huì)對(duì)整車(chē)總布置提出更高的要求。闡述了在前期總布置設(shè)計(jì)過(guò)程中，駕駛員座椅作為乘客艙布置的關(guān)鍵部件，其滑軌行程設(shè)計(jì)對(duì)于碰撞安全的重要性。表明了座椅行程設(shè)計(jì)對(duì)于安全控制策略的影響，并給出了滑軌行程設(shè)計(jì)的基本原則及關(guān)鍵控制要素。整車(chē);總布置;座椅滑軌行程;碰撞安全

0 前言

前排座椅試驗(yàn)位置“H”點(diǎn)位于中間位置或最接近于中間位置的鎖止位置，并處于廠家規(guī)定的高度位置?！癏”點(diǎn)位于中間位置或最接近于中間位置的鎖止位置，高度處于中間位置。“H”點(diǎn)位于中間位置或最接近于中間位置的鎖止位置，并處于規(guī)定的高度位置。將測(cè)得的數(shù)據(jù)輸入到相應(yīng)的《CMM數(shù)據(jù)表》，根據(jù)計(jì)算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行最終定位。“H”點(diǎn)處于95%男性座椅位置，與最前位置的中間位置。如果在這個(gè)位置不能被鎖定，就移到中點(diǎn)后第一個(gè)鎖止位置。座椅高度處于最低位置。“H”點(diǎn)位于中間位置或最接近于中間位置的鎖止位置，高度處于最低位置。

我國(guó)的汽車(chē)事故傷亡率位居世界前列，這不僅與駕駛員的安全意識(shí)和駕駛技術(shù)有關(guān)，而且與汽車(chē)自身的安全性有很大關(guān)系。在項(xiàng)目初期，技術(shù)人員已制定碰撞安全目標(biāo)及實(shí)現(xiàn)策略，并對(duì)整車(chē)總布置工程師提出明確要求，如碰撞饋縮空間、乘員生存空間等。而這些約束條件對(duì)于整車(chē)尺寸及空間開(kāi)發(fā)效率有重大影響，如果在項(xiàng)目前期有性能指標(biāo)的集成遺漏，將導(dǎo)致項(xiàng)目后期整車(chē)開(kāi)發(fā)的重大更改甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)其性能目標(biāo)。

在整車(chē)開(kāi)發(fā)預(yù)研階段，整車(chē)總布置須根據(jù)整車(chē)關(guān)鍵尺寸及關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出約束條件，通過(guò)精益化的物理集成實(shí)現(xiàn)整車(chē)性能指標(biāo)。乘員艙總布置首要啟動(dòng)的工作是乘員布置。乘員布置的核心是駕駛員R點(diǎn)位置[1]、座椅滑軌行程，以及確定二者之間的關(guān)系。在前期總布置設(shè)計(jì)過(guò)程中，本文明確了駕駛員座椅作為乘客艙布置的關(guān)鍵部件，其滑軌行程設(shè)計(jì)對(duì)于碰撞安全的重要性，給出了滑軌行程設(shè)計(jì)的基本原則及關(guān)鍵控制因素，在整車(chē)物理空間上協(xié)助碰撞安全的實(shí)現(xiàn)。

1 碰撞安全法規(guī)要求

世界各國(guó)的法規(guī)要求碰撞假人在試驗(yàn)車(chē)輛上的擺放位置是不盡相同的。歐盟新車(chē)安全評(píng)估程序（Euro NCAP）相對(duì)各國(guó)國(guó)標(biāo)如GB11551、FMVSS及ECE R94更加嚴(yán)格。對(duì)于同一款車(chē)輛，碰撞假人周邊環(huán)境是一致的，但碰撞假人所處的位置不同，試驗(yàn)結(jié)果也不盡相同。假人越靠后，對(duì)應(yīng)的傷害值越小，相應(yīng)的碰撞得分越高，星級(jí)也越高?；趯?duì)以上原則的共同認(rèn)知，碰撞安全在整車(chē)總布置前期對(duì)于駕駛員R點(diǎn)及座椅的滑軌行程設(shè)計(jì)均提出了約束條件[2-5]。表1為世界各國(guó)碰撞安全法規(guī)要求的對(duì)比，其中相關(guān)測(cè)試要求將在下文進(jìn)行詳細(xì)論述。

2 乘員艙布置

汽車(chē)設(shè)計(jì)的主要目的是載人移動(dòng)，所以乘員的舒適性是汽車(chē)開(kāi)發(fā)的主要性能目標(biāo)。乘員位置及乘員周邊零部件的布置簡(jiǎn)稱(chēng)為“乘員艙布置”，其核心作用主要包括乘員位置及坐姿確定、整車(chē)的空間開(kāi)發(fā)、乘員操作舒適性開(kāi)發(fā)，以及乘員周邊關(guān)鍵零部件的布置。駕駛員R點(diǎn)位置為乘員重心位置，其坐姿的確定是乘員艙布置的基礎(chǔ)。乘員布置使用SAE J826標(biāo)準(zhǔn)定義的二維假人模板[6]。圖1和圖2為駕駛員座位的座椅布置過(guò)程的示意圖。確定駕駛員座椅位置的具體方法如下述步驟確定。

（1）確定假人模板腳部的位置及姿態(tài)。如圖1所示，首先建立以踵點(diǎn)、踏點(diǎn)的交點(diǎn)為原點(diǎn)的初始坐標(biāo)系，初步定義駕駛員坐高H30值，建立坐高平面，然后根據(jù)SAE J4004[7]標(biāo)準(zhǔn)定義的踏板角公式，確定駕駛員踏板角角度，在初始坐標(biāo)系內(nèi)鎖定踵點(diǎn)及踏點(diǎn)。

（2）鎖定踝角A46及假人R點(diǎn)位置。如圖2所示，參照SAE J1517駕駛員乘坐位置標(biāo)準(zhǔn)公式[8]，確定各百分位駕駛員乘坐舒適曲線。H30坐高平面與95%駕駛員乘坐舒適曲線相交的點(diǎn)即可確定為SAE95%駕駛員人體模型R點(diǎn)。依據(jù)SAE J826標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，踝角位置A46為87 °，鎖定膝點(diǎn)位置。此時(shí)駕駛員假人模板各部分肢體硬點(diǎn)鎖定，靠背角位置A40一般選用25 °，也可根據(jù)開(kāi)發(fā)車(chē)型的特點(diǎn)，坐姿高低，選用其他靠背角度，調(diào)整范圍一般為20～30 °。因此，駕駛員的坐高、踵點(diǎn)、踏點(diǎn)、踝角、膝角、軀干角和靠背角均完成初始定義，駕駛員坐姿及R點(diǎn)位置可以確定。

3 碰撞安全對(duì)乘客艙布置的要求

圖3為國(guó)標(biāo)碰撞模擬分析碰撞假人擺放示意圖。基于駕駛員位置及坐姿的鎖定，設(shè)計(jì)座椅滑軌行程，保障碰撞后乘員的生存空間。

座椅滑軌行程是座椅平臺(tái)的物理屬性參數(shù)，在座椅平臺(tái)選定后，其滑軌行程基本已鎖定。在95%假人R點(diǎn)鎖定的前提下，實(shí)現(xiàn)碰撞“H”點(diǎn)的后移。如下圖4所示，有如下幾條實(shí)現(xiàn)途徑。

（1）如點(diǎn)⑥固定， 點(diǎn)⑤后移， 增大TL17長(zhǎng)度。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)看，過(guò)長(zhǎng)的TL17會(huì)增加座椅成本、整車(chē)重量和車(chē)身要求。另外，整車(chē)廠基本選用成熟平臺(tái)，TL17長(zhǎng)度不會(huì)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。因此，這條途徑對(duì)于整車(chē)廠來(lái)說(shuō)基本不可實(shí)現(xiàn)。

（2）如點(diǎn)⑤固定， 點(diǎn)⑥后移， 縮小TL17長(zhǎng)度。這會(huì)引起小百分位人機(jī)工程問(wèn)題，造成包括踏板、手剎、選換檔、儀表臺(tái)中控、頂燈控制臺(tái)等操作件的使用距離過(guò)遠(yuǎn)，影響空調(diào)風(fēng)口吹面性能，以及導(dǎo)致前方視野變差等問(wèn)題。該修改方案的貢獻(xiàn)量非常有限，整車(chē)廠一般不采取該途徑。

（3）如TL17長(zhǎng)度固定，在滿(mǎn)足小百分位人體舒適性的前提下，向后移動(dòng)整個(gè)滑軌，對(duì)于碰撞H點(diǎn)的后移貢獻(xiàn)量較大。這是整車(chē)廠普遍采取的座椅滑軌布置策略，可以實(shí)現(xiàn)碰撞H點(diǎn)的最大化后移。

4 座椅滑軌行程的設(shè)計(jì)

如表2所示，SAE J4004-2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)座椅的滑軌行程進(jìn)行了定義。如要覆蓋95%的人體工學(xué)范圍，其要求滑軌整體長(zhǎng)度不低于240 mm。目前，市場(chǎng)主流車(chē)型的滑軌長(zhǎng)度一般都大于240 mm。

目前，整車(chē)采用的座椅滑軌多是平臺(tái)選型件，選型時(shí)要充分考慮人機(jī)工程及碰撞安全的要求。如圖5和圖6所示，技術(shù)人員可以按照實(shí)際需求對(duì)座椅平臺(tái)進(jìn)行選擇。圖中各黑點(diǎn)為國(guó)標(biāo)碰撞“H”點(diǎn)的大概位置。技術(shù)人員可以根據(jù)人機(jī)工程假人乘坐及駕駛舒適性來(lái)進(jìn)行評(píng)估。在圖5中，B平臺(tái)基本覆蓋了所有2.5%假人，且沒(méi)有造成前行程的浪費(fèi)，為最佳選擇;C平臺(tái)僅最前最上點(diǎn)覆蓋了2.5%假人，不能滿(mǎn)足其他身體比例的假人;A平臺(tái)前行程過(guò)多，造成小百分位人體過(guò)設(shè)計(jì)，不符合實(shí)際人機(jī)設(shè)計(jì)要求。圖6表示從安全碰撞角度出發(fā)的座椅滑軌行程設(shè)計(jì)，其中C平臺(tái)的TL17長(zhǎng)度最長(zhǎng)，且四邊形較傾斜，最大限度的將碰撞“H”點(diǎn)后移，有利于碰撞安全，B平臺(tái)次之，A平臺(tái)最差?；谝陨戏治?，結(jié)合人機(jī)及安全需求，B平臺(tái)座椅平臺(tái)是最優(yōu)的。

綜上所述，在乘客艙前期布置時(shí)，應(yīng)整體評(píng)估人機(jī)及碰撞安全性能需求。在95%駕駛員R點(diǎn)位置確定的前提下，提升碰撞安全性能的唯一途徑就是滿(mǎn)足人機(jī)操作舒適性及小百分位假人駕駛位置覆蓋性要求，選擇最優(yōu)的座椅平臺(tái)。在滿(mǎn)足人機(jī)工程要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)碰撞“H”點(diǎn)的后移，以提高碰撞試驗(yàn)的成績(jī)。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)以上綜合分析，得出如下結(jié)論，并可供相關(guān)設(shè)計(jì)人員在前期乘客艙布置過(guò)程中進(jìn)行參考。

（1）滑軌行程設(shè)計(jì)：在滿(mǎn)足人機(jī)工程前提下，集成碰撞安全要求，最大限度后移碰撞“H”點(diǎn)，保障乘員生存空間，改善前碰試驗(yàn)結(jié)果，以確保整車(chē)通過(guò)各國(guó)政府的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）座椅滑軌長(zhǎng)度設(shè)計(jì)：參照SAE J4004標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋95%（2.5%～97.5%）人體工學(xué)需求，座椅滑軌行程TL17應(yīng)使用240 mm平臺(tái)，行程過(guò)小將引起人機(jī)乘坐舒適性及碰撞安全隱患。

（3）滑軌行程的安全碰撞布置：考慮到須改善前碰試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)使圖4中滑軌行程的最高點(diǎn)和最前點(diǎn)觸到2.5%舒適線。對(duì)于四向座椅，應(yīng)盡可能加大前后總行程。

（4）滑軌行程的人機(jī)布置：考慮同樣高度的人體上下身比例不同，為了滿(mǎn)足各種人體的駕駛舒適性，應(yīng)使圖4中的②、④和⑥點(diǎn)都能觸到2.5%舒適線，以滿(mǎn)足小百分位人體對(duì)駕駛位置多樣性的需求。

[1]美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì). SAE J1100 Motor Vehicle Dimensions[S]. 美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì).2009：24.

[2]歐洲新車(chē)安全評(píng)估協(xié)會(huì). MPDB frontal impact testing protocol[S]. Euro NCAP. 2020：15.

[3]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì). GB 11551汽車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)[S]. 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì). 2014：7.

[4]美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn). FMVSS 208 Updated review of potential test procedures[S]. FMVSS.2010：10 .

[5]歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì). ECE R94 Uniform provisions concerning the approval of： vehicles with regard to the protection of the occupant in event of a frontal collision[S]. ECE.2017：26.

[6]美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì). SAE J826 Devices for use in defining and measuring vehicle seating accommodation[S]. SAE.2008：6.

[7]美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì).SAE J4004 Positioning the H-POINT design tool-seating reference point and seat track length[S]. SAE.2008：11.

[8]美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì).SAE J1517 Driver selected seat position[S]. SAE.2009：2.