汽车座椅主动式头枕结构设计及安全性探讨

宋均思

摘 要：本文主要针对汽车座椅主动式头枕结构设计及安全性探讨，首先阐述了汽车座椅主动式头枕的功能特点，其次阐述了汽车座椅主动式头枕结构设计，最后阐述了汽车座椅主动式头枕的安全性分析展开研究。

关键词：主动式头枕;结构设计;安全性分析;有限元

1 前言

为了确保汽车安全性符合相关标准，就应当通过对汽车座椅的研究，其中包含了对座椅头枕安全性的研究，目前主动式头枕是一种全新的头枕种类，其能够在遇到汽车事故期间起到良好的保护作用，可以对颈部安全进行保护，但是从实际应用情况来看主动式头枕仍然存在着部分缺陷，也即是在遇到安全事故期间该头枕会对驾驶者的颈部造成碰撞伤害，本文主要针对这一点展开研究，深入探索其内部结构设计，以此提升安全性。

2 汽车座椅主动式头枕的功能特点

（1）头枕本身拥有美观的外形，并且能够抵御来自外部的冲击力，具有良好的防弹性能和保护性能，其连接部件之间相对较为牢固，这样在正常使用期间才能够抵抗过量或一定量的振动力度。

（2）头枕自身拥有良好的调节性，因其所具备的调節机构能够针对内部的各个部件进行调整，这样才能随时调整并固定头枕主体。

（3）头枕的主体材料选择了能够吸收冲击力的泡沫性质材料，这种材料能够起到良好的缓冲作用，因此主动式头枕具有较强的缓冲功能，可以在实际应用期间保护驾驶者的头部安全和颈部安全，适当吸收相关的冲击力度。

（4）主动式头枕的座椅支持重复使用，相比较传统的一次性头枕能够减少较多的维护成本，从这里也能够得出主动式头枕的座椅具有重复使用的功能特点。

3 汽车座椅主动式头枕结构设计

本文通过研究分析认为在进行头枕结构设计期间应当采用分割创新原理来进行设计，所谓的分割创新原理也即是将一个完整的物体分割为若干个部分，在这种情况下若干个部分的物体更容易拆卸，这样能够通过较为简单的组装手段来重新获取到一个完整的物体。在设计期间会将主动式头枕设备分割为运动机构和触发机构，这两个部分在没有进行触发期间归类为连接状态，但是在实际触发期间又会呈现出分离状态，这样才能形成真正意义上的非联动式机构，以此达成主动式头枕的大多数功能，也即是利用头枕的结构来完成对驾驶者的头部保护，具体如图1所示。

通过图中的结构能够发现，其中座椅骨架为主要结构组成，其中通过滑轮的部件来支撑各部门的组成，而主要是通过支撑板和支架通过焊接的方式连接到座椅骨架上，这样才能确保座椅骨架的支撑效果。主要通过骨架当中的通孔支架和滑轴来完成上半部分的支撑板构成，利用滑轴的弹簧效果来进行滑动效果，在此期间的滑轨呈现出弧形结构，并且利用螺栓将滑轨固定在支撑板上，通过转动挂钩与支架的组合搭配来支持整体支撑板的运动工作。触发部分的弹片呈现出弓形结构，主要通过转动挂钩的部分来达成各部位之间的连接，转动挂钩能够利用弹片的形变来展开绕支架运动，最终会导致弹片与滑轴的脱离，在没有触发期间转动挂钩的上半部分会连接相关的滑轴钩挂，在工作期间挂钩与主动脱离滑轴。

在主动式头枕还没有设置为激活状态期间，滑轴会停留在滑轨部分的最下端，头枕通常会位于常规高度，并且其弹簧部位呈现出拉紧状态，若是形成了追尾现象，在此期间驾驶者的腰部会受到冲击力的影响而向后退，这时候就会触碰并挤压到触发弹片，当触发弹片接收到相关的冲击力度，这样才能形成触发弹片的工作状态，促使转动挂钩进行相关的转动工作，这种动能可以让挂钩上面部分的滑轨脱离开，这时头枕、滑轴与头枕支撑杆之间能够形成一个完整的整体，从而形成相关的拉力来促使滑轨运动，在此期间滑轴会朝着后方进行滑动工作。综上，最终会导致座椅骨架上方能够形成杠杆作用并确保头枕不会继续向后弹，这样能够减少驾驶者头部与头枕之间所间隔的距离，从根本上对驾驶者的头部进行保护。联动式头枕在驾驶者遇到安全事故期间会造成反复伤害，也即是驾驶者的头部撞到头枕上，而头枕则会通过触发弹片来判断相关的运动方式，若是在此期间头枕反复进行运动，驾驶者的头部和颈部会经受更大的碰撞力度，导致驾驶者的生命无法受到保障。在这种情况下主动式头枕所实施的头枕保护效果就相对较好，并且不会出现以上情况，在使用期间能够利用按压的方式对头枕进行操作，这时头枕内部的滑轴和挂钩会设置为连接状态，这样才能够反复进行使用，避免了浪费的现象发生，本文结合以上的设计内容，总结出相关的过程原理图，具体如图2所示。

4 汽车座椅主动式头枕的安全性分析

4.1 引言

该头枕保护装置的功能主要是对驾驶者的头部与颈部起到良好的保护效果，也即是通过支撑的方式来抵消掉安全事故发生期间所产生的碰撞力度，在此期间会利用测试的方式对头枕对驾驶者颈部的保护效果进行测量，以此作为主要的衡量手段，在发生追尾事件阶段颈部会依次接受向前运动、回收和弯曲这三种，若是头枕无法有效对颈部起到保护效果就会对驾驶者自身的颈部造成安全隐患。国际方面的安全规章制度针对头枕的抗阻力性能进行了明确的规范，我国也根据这种情况制定了相关的前撞测试标准和后撞测试标准，其中水平靠后的前撞实验和水平靠后的后撞实验取得了较为不错的实验结果，并以该实验结果作为测试标准对座椅头枕的架构设计和安全性能进行相关的规范，若是不符合标准则无法投入到应用当中。本文针对这种情况展开研究，也即是通过对座椅头枕安全性展开分析，主要是通过仿真模拟的手段来进行研究与分析，期间食用了有限元分析方法，并且以LS-DYNA充当核心技术对测试结果进行求解。

LS-DYNA是国际方面较为常见的非线性动力分析方式，其可以通过模拟的方式对现实生活当中所存在的非线性问题进行求解，其精准度相对较高，因此是较为经典的有限元程序，该程序能够针对大转动类型的非线性问题进行求解，其中包含了一部分的显式求解方式和Lagrange功能，并且能够起到良好的动力分析作用。而本文则将ANSYS软件充当关键手段，以LS-DYNA解算器充当核心，继而展开相关的安全性分析。

4.2 头枕前撞安全性分析

结合我国所指定的规章制度当中可得出相关的前撞吸能功效，也即是說应当以一个质量参数为6.8kg、直径参数为165mm的人体头部模型来充当测试所使用的模型，在进行前撞期间需要确保两者归属同一个水平面，通过水平向后的轨迹和方向来进行相关的撞击，在撞击期间要维持6.69m/s的速度，具体如图3所示。

制定了相关模型之后就应当进行仿真，考虑到本次仿真归类为大变形模拟仿真，因此使用了ANSYS Workbench模块来进行仿真，此类方法所针对的对象为头枕，故而在仿真器件需要对座椅的下半部分消除掉，只针对上半区域的关键部件进行设计，利用UG软件来构建相关的头部模型和头枕模型，并且将完成制作的Parasolid格式文件导入到模块当中，以此充当前处理，在该软件的workbench当中选取相关的显示动力学模块，对头部的模型进行重新设置，要求设置为rigid刚性球体，并且考虑到本次仿真的内容为座椅骨架，故而选择与之相关的金属类型材料作为骨架，座椅头枕要选择与静力分析相同的材料，具体的有限元模型如图4所示。

通过相关的仿真操作后能够对模型进一步处理，并且最终获取到前撞整体的应力应变信息，具体如图5所示。

如图的4个时刻得出，在碰撞的全阶段，当时间为4ms到7ms之间，头枕所接受的应力在不断增长，在时间为6ms的阶段，因头部模型与头枕两者间接触面积的扩大，与之相对应的应力也在随之减少，当时间为7ms时能够看出座椅骨架部分已经出现了变形，但是在此期间缺失吸收了一定数量的碰撞力，由此可知，主动式头枕的安全性符合了国家标准。

4.3 头枕后撞安全性分析

在进行仿真器件将头部模型进行摆放，保持参数与前撞数据的向同性，要确保重量参数和直径参数符合相关标准，方向则改变为向头枕的前后方进行桩基，具体的有限元模型如图6所示。

在完成有限元模型的构建之后需要利用解算器对二进制的数据进行解算，最终以d3plot的文件格式导出并导出到Ls*Prepost处理器当中，通过该处理器自身所具备的处理功能来进行处理，通过仿真的功能实现对整体后撞流程所产生的应力数据进行总结，具体总结如图7所示。

如图7能够得出头枕在仿真后撞期间所形成的接触应力、脱离应力和碰撞应力等，因头部模型比较前撞而言能够与头枕之间分离较大的距离，在6ms阶段才形成碰撞力，直到8ms阶段，碰撞的应力值达到上限，但是在此之后的应力就会不断缩小，由此可知，主动式头枕机械的后撞测试结果相对较为精准，这代表在后撞测试期间座椅能够减小相关的应力，对碰撞应力进行抵消，这也代表了主动式头枕的安全性符合我国所指定的相关标准。

5 结论

本文通过仿真的方式对主动式头枕的安全性展开分析，通过研究可得出，所谓的安全性也即是指在碰撞、脱离和接触期间的应力，而本文通过仿真软件对头部模型和头枕模型采取相关的碰撞测试，所取得的结果相对较好，也即是头部在头枕的作用下应力会逐渐减少。

参考文献：

[1]韩善灵，于如兴，贾友飞，李金滨.汽车主动式头枕装置的机构设计与运动仿真[J].机械设计与研究，2014，30（02）：35-37+41.

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