汽车座椅头枕强度性能试验台原理研究

刘传龙 李四海

（十堰市产品质量监督检验所，湖北十堰 442000）

1 背景情况

随着我国汽车工业的快速发展，车辆乘员座椅的舒适性、安全性要求越来越受到汽车消费者和生产者的重视，我国生产企业也以各种形式与许多世界知名座椅生产厂家进行了技术合作，引进了各种新的产品、新的试验检测规范。国家相关职能机构也制定了车辆座椅质量和性能的相应的国家标准，《GB11550-2009汽车座椅头枕强度要求和试验方法》就是这些标准之一，围绕完成该标准中5.1～5.5的测试过程，国内多个汽车测试设备制造商研制了相应的试验设备。

1.1 目前国内提供的座椅及头枕测试设备加载方法

如图1所示。

其工作步骤是：（1）预先使用H点装置在座椅上确认H点位置，并用激光对中仪标记H点轴线；（2）撤去H点装置，调整试验机回转臂中心与对中仪标记轴线（H点）重合；（3）启动试验控制程序，首先由靠背加载器A加载，一直到背板加载力F满足相对H点力矩为373Nm时为止，然后让加载器A自锁（使安装加载器B的回转臂空间位置保持稳定）；（4）再启动头枕加载器B加载，一直到加载力值F满足相对H点力矩为373Nm时为止。

1.2 目前试验设备存在的问题

（1）当执行上节第“（4）”步加载器B开始加载后，在“楔子效应”作用下，F将从F逐渐降低，因为由头枕、靠背、调角器等组成的靠背系统不是刚体，具有很大弹性，所以这种降低的速度将不会很快，当力值F满足相对H点力矩为373Nm时，F将不会为零，使得假背上还有残余力矩存在，导致靠背系统承受的总力矩将大于文献[1]的373Nm规定，即头枕加载参数没有唯一确定，这种情形的存在已被测量实践所证明。（2）与H点装置背板不同，假背上没有躯干基准线，导致回转力臂上也没有相对躯干基准线，将无法满足文献[1]附录D图中x所定义——关于头枕与加载后躯干基准线间距离的测量条件，即存在躯干基准线缺失问题。（3）现有设备中没有设计头枕间隙测量功能，按文献[1]附录E图中a所示定义出发，由于在加载状态的被测位置被头型半球所遮挡无法接近，即使手工测量也不可行；其它的几何测量，比如头枕高度、头枕宽度等也未设计测量工具，而采用手工测量，测量准确度极低。

图1 现有座椅及头枕加载原理图

图2 改进座椅及头枕加载原理图

图3 测量尺配置位置示意图

2 改进措施与方法

（1）在试验设备设计中嵌入减缩版H点装置，省略小腿和脚部零件和配重砝码，并将H点装置和回转臂及其上所附加部件配重到65～67.5Kg（确定H点时需先将加载装置A与回转臂脱离，加载时再连接）。直接在座椅上一次确定H点位置，无需使用激光对中仪标记H点轴线来二次定位试验设备，如图2所示。

图4 头枕间隙测量专用头型原理图

图5 头枕后脑距离测量

图6 头枕头顶距离测量

图7 头枕安全评级图示

（2）假背与回转力臂的连接杆（连接F/F传感器处）设计长度可调机构，连接杆在回转臂端刚性固定联结，另一端通过加装万向钢球（或称牛眼轴承）与假背开放连接。在背板加载完成并锁止加载器A后，调整收缩连接杆长度，使万向钢球与假背脱离接触，消除F为零；然后启动头枕加载程序，保证靠背系统总力矩只包含加载器B所施加载荷为373Nm。

（3）在设备中等效采用H点装置背板为加载假背，该假背含有与躯干线平行的基准面，设计上保证回转臂长边与假背上的躯干线平行，当背板加载完成并锁止加载器A后，躯干线与回转臂的相对距离将保持不变，从而确定了头枕加载器B的相对躯干线基准，这样可以在设备中设计头枕躯干线距离测量尺，并在测量尺上确定躯干线基准点，当头枕加载完成后可直接读取头枕躯干线距离数据。另外，头枕高度和头枕宽度也可在设备中设计相应的直读测量尺。尝试设计各测量尺配置如图3所示。

（4）为了解决头枕间隙测量时的可接近性，设计专用可互换测量头型，用于测量头枕横向间隙和竖直间隙。专用测量头型与常规头型安装上可以互换，其上附加设计间隙比例测量规，规脚尾端配置光传导光纤，光线可通过专用头型中心弧线上的窄缝射出，便于测试人员目测并调整测量规脚，然后在规脚后端比例尺上读取间隙尺寸。尝试设计原理如图4所示。

3 头型躯干基准线距离数值的被动安全意义

（1）汽车座椅头枕与乘员头部间的相对距离在一般情况下并不为零，也就是说正常乘坐乘员后脑通常不与头枕接触。当行进或者静止中车辆被后方车辆追尾碰撞时，乘员头部在惯性原理作用下必然向后偏转运动，此时乘员颈椎将有可能受到“鞭扫”效应伤害，这种伤害的严重程度将取决于两车碰撞的相对速度大小和后脑与头枕之间的相对距离，这个距离越大，伤害可能性也越大。所以，作为一个被动安全措施，在文献[1]中第5.4.4.6节，对头型躯干基准线距离做了相应规定，要求此距离小于102mm。

（2）根据美国“运输部—国家高速公路交通安全局—联邦机动车安全标准标准—头枕”及美国“高速公路安全保险协会（IIHS）—头枕性能评价程序”，当使用带有头枕测量装置（HRMD）的SAE J826 H点装置确认座椅H点时，可按图5、图6进行测量，并按图7所示对头枕完成安全评级。

4 结语

本文通过对当前座椅及头枕测试设备的解剖分析，对照国家颁布的法定规范文件，找出了当前设备存在：需要激光对中仪配合完成H点定位、头枕加载参数不能唯一确定、躯干基准线缺失、头枕间隙测量没有可接近性和缺少几何测量工具等瑕疵和不足，并针对性地提出了解决方案,这些改进对当前汽车座椅及头枕测试技术水平与合规性将有现实的提高。