現(xiàn)階段頭枕靜態(tài)強(qiáng)度試驗常見問題分析

許繼藝

中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122

0 引言

汽車座椅及頭枕作為汽車上乘客約束系統(tǒng)中的重要被動安全部件，不僅可以有效起到緩解疲勞、釋放壓力，同時在保護(hù)乘客方面有著很重要的作用，可對乘員的腰部、頸椎及頭部起到良好的支撐和保護(hù)作用，在車輛不斷重新起步、加速、制動過程中承受著沖擊，同時在發(fā)生碰撞事故時，可以與安全氣囊、安全帶等被動安全部件配合保護(hù)乘員。因此座椅的強(qiáng)度直接關(guān)系到乘員的生命安全。為此國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 15083—2019以及GB 11550—2009中對座椅和頭枕的靜態(tài)強(qiáng)度均提出了專門的測試方法，但這兩個標(biāo)準(zhǔn)在關(guān)于座椅和頭枕的測試方面是相似的，因此在頭枕測試方面只需考慮GB 11550—2009即可。

1 頭枕靜態(tài)強(qiáng)度試驗簡介

頭枕靜態(tài)強(qiáng)度測試用于評估座椅頭枕及其固定結(jié)構(gòu)抵抗變形和破壞的能力，確保在后碰發(fā)生時，頭枕可以及時且很好地托住乘客的頭部，防止因頸部的轉(zhuǎn)角過大帶來的頸部傷害。以GB 11550—2009 《汽車座椅頭枕強(qiáng)度要求和試驗方法》為基礎(chǔ)，介紹頭枕靜態(tài)強(qiáng)度試驗的流程及要求。

1.1 試驗流程

試驗流程如下：

(1)試驗前座椅狀態(tài)及調(diào)整。確認(rèn)座椅及頭枕狀態(tài)，將座椅調(diào)整至設(shè)計位置(需調(diào)節(jié)滑軌、高度調(diào)節(jié)裝置以及靠背角度);若頭枕高度可調(diào)，則需調(diào)整到最高位置。

(2)P1階段(確認(rèn)移位基準(zhǔn)線)：以點(用三維點測量裝置確認(rèn)座椅的點位置，使設(shè)備上的施力裝置與座椅點重合)為旋轉(zhuǎn)中心，通過靠背施力裝置(即假背)對靠背施加373 N·m的力矩，在靠背施力裝置穩(wěn)定后對應(yīng)的軀干線即為移位基準(zhǔn)線,如圖1所示。

圖1 試驗P1階段示意

(3)P2階段(最大向后位移量)：沿著初始基準(zhǔn)線與頭枕最高點的切線往下65 mm找到加載點，以直徑165 mm的頭型，垂直于移位基準(zhǔn)線施加相對點扭矩為373 N·m的載荷頭型位移穩(wěn)定后測量并記錄位移量，該位移量需小于102 mm，如圖2所示。

(4)P3階段(頭型890 N)：如果頭枕位移量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，頭型在該作用點繼續(xù)加載，最大應(yīng)加載到890 N(圖2)，卸載并結(jié)束試驗，最后檢查頭枕及固定結(jié)構(gòu)是否損壞。

圖2 試驗P2階段示意

試驗設(shè)備假背高度固定不可調(diào)，因此假背的加載力臂固定。不同的試驗設(shè)備有著不同的假背加載力臂，本文所使用的設(shè)備加載力臂為0.405 m，而頭枕加載力臂為頭枕最高高度往下65 mm，且隨著座椅頭枕的高度不同而變化。

1.2 試驗要求

假背及頭型的加載曲線(P2階段)如圖3所示，由圖可以看出，假背加載曲線最高加載到920 N，換算成力矩即為373 N·m，假背加載完成確認(rèn)好移位基準(zhǔn)線，也就確認(rèn)好頭枕加載的零點位置(移位基準(zhǔn)線即為頭型加載的零點位置);當(dāng)假背加載部分完成，假背便固定不動，頭型垂直于移位基準(zhǔn)線并相對于點對頭枕施加373 N·m，記錄頭型最大向后位移量。

圖3 假背及頭型的加載曲線(P2階段)

在確認(rèn)頭型最大向后位移量符合標(biāo)準(zhǔn)要求(頭型最大向后位移量應(yīng)小于102 mm)后，繼續(xù)加載，最大應(yīng)加載到890 N，試驗加載部分完成，最后需檢查頭枕及其固定裝置是否損壞。

2 頭枕試驗失效分析

為了在EURO-NCAP的鞭打試驗中獲得更好的分?jǐn)?shù)，很多廠家在設(shè)計頭枕桿時，由原來的直桿換成彎桿，大大減少了頭型與頭枕之間的距離，便于頭型與頭枕更快接觸，從而減小空行程，同時也提高了骨架的后向剛性。由圖3的加載曲線可以看出，頭型與頭枕接觸并施加載荷時已經(jīng)是位于移位基準(zhǔn)線之前70 mm，這使得通過測試P2階段基本上無懸念，但是在測試過程中也能發(fā)現(xiàn)小部分的座椅在P3階段還是存在問題，現(xiàn)就此展開說明。

2.1 頭枕桿以及與座椅連接的插管失效分析

頭枕桿以及插管在試驗的P2和P3階段直接承受頭型的加載，由于力臂較長，頭枕桿的強(qiáng)度在這個過程中直接決定了試驗的成敗。頭型加載試驗如圖4所示，由圖可以看出，頭枕已經(jīng)嚴(yán)重變形。

圖4 頭型加載試驗

如圖5所示，頭型加載到890 N(P3階段)的最大位移量達(dá)到了300 mm以上，從國家標(biāo)準(zhǔn)的要求上看，雖然頭枕變形嚴(yán)重，但是頭枕及其固定裝置并未損壞，這個頭枕在靜態(tài)強(qiáng)度試驗上是符合要求的，但是頭枕在發(fā)生事故時并不能有效地對人體的頸椎及頭部產(chǎn)生良好的支撐。同時會對后排的乘員空間產(chǎn)生干涉，這樣對后排乘員也是危險的。

圖5 假背及頭型的加載曲線(P3階段)

經(jīng)過對座椅的拆卸發(fā)現(xiàn)頭枕插管變形量較大，同時插管與座椅骨架之間的焊接出現(xiàn)裂縫。這種情況在不符合標(biāo)準(zhǔn)的試驗中比較常見，頭枕桿豎直梁強(qiáng)度不夠，直接造成試驗未通過，建議廠家可以增加頭枕桿直徑或者頭枕軟墊(泡沫填充層)的剛度，但是增加頭枕軟墊的剛度會對頭枕的另一個試驗項目(頭枕能量吸收性)產(chǎn)生不利的影響，因此這種改進(jìn)方式需謹(jǐn)慎考慮。

2.2 靠背骨架與調(diào)角器連接件失效分析

調(diào)角器作為大部分汽車座椅上必備的部件，在試驗過程中，力矩最終大部分會傳遞到調(diào)角器上，因此調(diào)角器與骨架之間的連接件在很大程度上承受載荷后會產(chǎn)生變形，如圖6和圖7所示。

圖6 座椅骨架總體變形情況

圖7 連接件變形情況

由圖能清楚地看出，骨架產(chǎn)生了比較大的變形以及扭曲，左側(cè)變形明顯大于右側(cè)。同時也能看出廠家在骨架上也進(jìn)行了加固，但是骨架兩側(cè)的強(qiáng)度不一致，在加載過程中受力不均致使骨架左側(cè)的變形量較大，導(dǎo)致無法繼續(xù)完成試驗。

由圖還可以看出，在安裝有調(diào)角器的一側(cè)，由于調(diào)角器的存在，使得整體剛度會高于另一側(cè)，但是由于調(diào)角器需與座椅整體骨架連接，就造成了骨架上存在薄弱點。針對這種情況，需從設(shè)計層面考慮，建議重新考慮靠背骨架的材料以及剛度?，F(xiàn)在已經(jīng)有廠家提出了雙調(diào)角器的想法，即在左右兩側(cè)均裝上調(diào)角器，以此來平衡兩邊加載力，這樣就可避免因受力不均造成單邊的變形。

2.3 帶扶手的后排中間座椅頭枕失效分析

后排座椅中間頭枕，很容易在最大向后頭枕位移量上不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。這并不是因為座椅或者頭枕在強(qiáng)度方面的問題導(dǎo)致，而是由于扶手和座椅靠背與坐墊的泡沫造型產(chǎn)生的。

后排中央扶手為后排駕乘人員提供手部支撐，同時配有杯架或儲物盒，大部分由硬質(zhì)塑料、座椅面套搭配少量的泡沫組成。為保證良好的支撐性以及耐久性，扶手的硬度會比較大，造成在靜態(tài)強(qiáng)度的P1階段移位基準(zhǔn)線會比兩側(cè)座椅大大的靠前。因此大部分情況下，頭型在與頭枕接觸并施加載荷之前，已經(jīng)走了很長一段的空行程，這對于標(biāo)準(zhǔn)中要求的102 mm的最大向后位移量是十分不利的。

由于扶手需對手部進(jìn)行支撐，在很大程度上不能對扶手的強(qiáng)度以及設(shè)計進(jìn)行改變，因此需在頭枕設(shè)計上進(jìn)行改變，減少頭型移動的空行程距離?，F(xiàn)有廠家將頭枕桿換成圓弧形，在頭枕處于最高位置時，可以大大減少頭型與頭枕之間的距離。

3 結(jié)束語

隨著汽車智能化的發(fā)展，人們對駕乘的舒適性提出了更高的要求，座椅不單單是一個座椅，更多的是與整個座艙聯(lián)動，不斷地對駕乘人員的精神、身體狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控并在一定程度上做出反饋;開發(fā)新的結(jié)構(gòu)材料和制造工藝，使座椅不僅僅局限于金屬材料、泡沫，讓座椅符合人體工程學(xué)，座椅的移動機(jī)構(gòu)將會更多，不僅僅是前后、可以是左右，甚至360°的旋轉(zhuǎn)，座椅隨時隨地變成會晤聊天的空間，同時能夠隨著使用者的移動而移動，減小路況的起伏等帶來的影響。但基于現(xiàn)階段的法規(guī)體系以及技術(shù)、成本等問題，座椅對駕乘人員的保護(hù)性還是放在第一位，這就決定了整個座椅系統(tǒng)的強(qiáng)度在未來還是最重要的。因此汽車座椅頭枕的強(qiáng)度依然是各生產(chǎn)企業(yè)必須保證的指標(biāo)。

本文針對在試驗過程中比較常見的問題進(jìn)行了分析并給出了改進(jìn)措施，希望對同行在設(shè)計過程中有所幫助，滿足試驗要求，使頭枕的強(qiáng)度達(dá)到更好的效果。