基于汽车座椅及头枕新规的试验研究与改进措施

李岩 许继艺 李劼

摘  要：本文对汽车座椅及头枕新旧标准进行对比分析，以某乘用车座椅及头枕为分析对象，按照国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会新发布的国家强制性标准法规要求进行各项试验研究。根据试验结果，分析了其有关影响因素，提出了对应改进方案，在此基础上对新方案进行了试验验证。以期为工程师在产品设计和试验结果分析上提供参考。

关键词：汽车座椅及头枕;强制性试验;影响因素;改进方案

中图分类号：U463.83+6    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2020）03-0000-00

0 引言

汽车座椅作为乘员约束系统的重要组成部分，其在保证乘员安全性和舒适性方面具有重要作用[1]。随着汽车技术的飞速发展和人们对汽车性能要求的不断提高，对汽车座椅的要求也在不断提高。座椅及头枕承担着为乘员提供舒适的乘坐环境、支撑乘员重心的作用，同时在车辆发生事故时，能避免乘员受到伤害或将伤害降到最低。因此，汽车座椅及头枕性能的优劣直接关系到车内乘员在发生碰撞等事故时的人身安全[2]。因此，汽车座椅及头枕性能一直是国家要求的强制性检验项目，当前国内外都建立了相应的标准法规来保证其稳定性和安全性，如现行的主要有ECE R17和GB 15083。

1 国内新旧标准法规对比

GB 15083-2006《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》为现行有效的国家强制性标准。新法规GB 15083-2019《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》于2019年10月14日发布，将于2020年7月1日正式实施。

与GB 15083-2006比较，2019新版标准最大的不同是座椅固定装置、调节装置、锁止装置以及移位装置强度项目以前采用静态试验/动态试验二选一的方法，现在必须使用动态试验来考核。主要原因是静态试验存在以下弊端：一是静态试验的加载只能在座椅的质心高度加载一个相当于座椅自身重量20倍的力，而非座椅整体受力。二是由于座椅形状不规则、质量分布不均，质心测量的误差被放大，且使用刚性金属杆还是柔性拉带对其进行加载也一直存在着争议。三是加载速度受当前设备情况限制，普遍采用4～6 s加载至设定值，这与实际的普通碰撞时间（约200 ms）相差甚远。由此可见，静态试验中座椅的受力情况和失效形式都会与实际情况有所不同，从而影响产品工程师的判断。因此动态试验的全面推行是一种必然。

2 试验验证及改进

依据2019版标准，以某中低端乘用车前排座椅为研究对象，针对座椅固定装置、调节装置、锁止装置以及移位折叠装置的强度试验（动态试验）、头枕性能试验要求、头枕吸能性试验这三大主要安全性检测项目进行验证。动态试验主要是检测座椅是否满足强度要求，即在发生碰撞时能够保证其与安全带等约束系统一起保护乘员安全;头枕性能试验主要考核车辆在碰撞事故中，座椅头枕及靠背能否经受冲击载荷，以及能否对乘员颈椎、腰部起到很好的保护作用[6];头枕吸能性试验主要考察车辆碰撞过程中乘员头部在撞击到头枕的瞬间，头枕对撞击能量吸收的效果，以及头枕在受到冲击载荷后，头枕的变形破坏情况[7]。

2.1试验

第1次试验结果曲线如下图所示。实验结果表明动态试验的前向试验（见图1）后座椅骨架、固定装置未失效，但靠背调节装置失效，靠背锁紧装置松脱;在头枕性能试验中加载至806.3 N（未达到标准要求的890 N）时头枕机构失效无法继续加载（见图3），这两项试验未通过。动态试验的后向试验（见图2）以及头枕吸能性试验（见图4、图5）均合格。

头型最大后移量45.6 mm，头枕及其固定装置加载至806.3 N。

2.2 分析整改

2.2.1 动态试验的前向试验失效情况分析

现场拆解失效座椅，座椅骨架整体变形较小且不存在母材破损开裂或焊缝撕裂等框架结构失效的情况、滑轨也未发生损坏。根据经验判断，调角器强度不足导致试验失效的可能性较大。进一步拆解调角器，检查锁齿板，发现并不存在整齿或半齿被切断的现象，但锁齿板、齿轮圈啮合齿、固定座的凸台端部有明显划痕，显示失效模式更接近于调角器被主动解锁后的跳齿现象而非锁齿板强度不足导致的滑齿状态。正向碰撞过程中调角器的瞬间跳齿，使得靠背向前转动，发生碰撞时靠背向前倾倒，增大了乘员受伤害的风险。该调角器结构如图6所示。当需要调整角度时，转动凸轮轴3带动凸轮6转动，使锁齿板5同内齿轮圈2脱离啮合，调整靠背角度。调整完成后凸轮轴3在弹性垫圈7的作用下转动并带动凸轮6，使锁齿板5同内齿轮圈2啮合。根据调角器的工作原理可知，零件制造误差、装配误差或锁齿板和固定座凸台的高度差都会造成齿板和内齿圈啮合部位应力较大而发生塑性变形。

零件制造误差或装配误差可以通过改善工艺解决，锁齿板和固定座凸台的高度差问题可以通过改变零件结构实现。因此，通过以下方式进行整改：增加锁齿板的厚度使其同固定座凸臺等高，减小锁齿板的翻转，使其受力更加均匀，从而避免局部应力过大的现象。

2.2.2 头枕性能试验失效情况分析

现场拆解失效汽车座椅和头枕发现，座椅靠背内的头枕导管开裂，接缝强度稍差，焊接接触面小、焊接接缝面积不够，发生碰撞时头枕失效可能增加乘员颈部损伤风险。针对这种情况，通过以下方式进行整改：将现有背框焊接头枕导管处，进行拍扁5 mm处理，目的是增加焊接的接触面积，由原来的头枕导管和背框线接触改为面接触，并对焊接工艺进行调整，如图7所示。

2.3 整改后验证试验

整改后的汽车座椅及头枕再次进行验证，试验结果均合格，曲线如图8～图12所示。

从整改后的试验结果可以看出，本次整改在生产成本增加不多的情况下，座椅靠背调角器及头枕固定装置强度均有明显改善，所有试验结果均满足新法规要求，整改有效。

3 结语

目前针对汽车座椅及头枕的国家强制性标准目的在于考察座椅及头枕在车辆碰撞过程中受到人体冲击时，对乘员的保护效果，这是评价汽车座椅及头枕安全性能的最基本要求[8]。本文通过某乘用车汽车座椅及头枕进行试验，分析了该汽车座椅及头枕的失效形式，设计了改进方法并进行了试验验证，对其他企业产品开发及质量改善有着积极的借鉴意义。

参考文献

[1]钟柳华，孟正华，练朝春.汽车座椅设计与制造[M].北京：国防工业出版社，2015.

[2]赵波，范平清，沈涛.轿车座椅主动式头枕吸能性分析[J].机械设计与制造，2010（3）：115-117.

[3]GB15083-2006，汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法[S].

[4]GB11550-2009，汽车座椅头枕强度要求和试验方法[S].

[5]GB15083-2019，汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法[S].

[6]付奇.基于有限元方法的汽车座椅静强度和结构优化[D].长春：吉林大学，2004.

[7]段昀辉.汽车座椅静强度改进设计及头枕安全性分析[D].长春：吉林大学，2004.

[8]吴瑜.汽车驾驶员座椅强度及安全性分析[D].重庆：重庆大学，2010.

收稿日期：2020-02-12

作者简介：李岩（1981—），女，湖北宜都人，硕士研究生，工程师，研究方向：汽车座椅系统测试评价。