基于RAMSIS和台架试验的驾驶员安全带佩戴舒适性研究

王聪,王建勋,王团,李晓婷,齐晓明

一汽奔腾轿车有限公司，吉林长春 130013

0 引言

随着人们生活水平的日益提高，越来越多的家庭拥有了自己的汽车。安全带作为一种非常重要的安全装备，在汽车交通事故中能够有效地保护驾乘人员防止受到损伤[1]。因此，1993年7月我国规定所有小客车行驶时，驾驶员、前排乘坐人员必须按规定佩戴安全带。目前POWER把安全带的佩戴舒适性作为一项重要的评价内容，用户也越来越关注安全带的佩戴舒适性。

2013年我国实施了强制标准GB 14167《汽车安全带安装固定点、ISOFIX固定点系统及上拉带固定点》，规定了汽车安全带有效固定点的布置区域范围要求，然而满足法规区域并不代表安全带佩戴舒适就好。根据王晓杰等[2]统计分析，在安全带佩戴舒适性评价中，安全带织带走向是用户关注度最高的一项，而影响安全带走向的重要影响因素就是安全带上固定点的位置。

目前驾驶员安全带通常配备高度调节器，不同身材的驾驶员可根据需要上下调节安全带上固定点，找到适合的舒适区域。然而随着整车成本的压力，整车厂也考虑将取消高度调节器作为降成本方案之一，从而对安全带上固定点的位置选取尤为重要。

本文将基于RAMSIS软件及台架试验相结合的方式对驾驶员安全带上固定点的位置选取进行研究，通过在X、Y、Z3个方向上安全带上固定点与座椅点R的相对距离为变量进行对比分析，再经过台架试验的验证，为驾驶员安全带上固定点的选取提供依据。

1 安全带上固定点法规区域及RAMSIS软件介绍

1.1 安全带上固定点法规区域要求

根据GB 14167《汽车安全带安装固定点、ISOFIX固定点系统及上拉带固定点》，安全带有效固定点是安全带各部分相对于使用者的角度的点，将织带系于该点可获得与预期设计相同的安全带佩戴状态。驾驶员安全带上有效固定点位置区域如图1所示。

图1 驾驶员安全带上有效固定点位置区域

(1)上有效固定点到平行于车辆纵向基准平面P距离S值不得小于140 mm。

(2)FN平面下方。FN平面垂直于座椅中心面并与躯干线成65°(对于后排座椅此角可减小至60°)角且交于点D，保证DR=315 mm+1.8S，当S≤200 mm时，DR=675 mm。

(3)FK平面后方。FK平面垂直于座椅中心面并与躯干线成120°角且交于点B，此时须保证BR=260 mm+S，但当S≥280 mm 时,BR=260 mm+0.8S。

(4)通过点C的水平面上方。点C位于R点铅垂上方450 mm 处，当S≥280 mm，则铅垂距离为500 mm。

(5)通过点R并垂直于车辆纵向中心平面的铅垂平面后方。

1.2 RAMSIS软件介绍

1.2.1 RAMSIS软件功能简介

RAMSIS软件是一种数字人体模型，用于乘员仿真和人机工程设计的CAD工具。该软件为工程师提供了一个详细的CAD人体模型来模拟仿真驾驶员的行为。

RAMSIS软件重要的一项功能是对安全带佩戴进行舒适性分析。软件里具有人体测量编辑器和数据库，用户可以根据需要调整人体尺寸、性别、姿势等数据，输入相关的安全带、锁扣等固定点信息，软件自动绘制出安全带织带走向和与人体的佩戴状态，用户进行人机分析和舒适性结果评价。

RAMSIS软件的显著优势在于可以在设计阶段进行舒适性分析校核，避免实车后存在问题进行设计变更浪费时间和成本，甚至无法更改。此外，该软件操作简单便捷，目前全球70%以上的乘用车制造商已经应用[3]。

1.2.2 RAMSIS软件分析方法

RAMSIS软件安全带舒适性分析方法分为两种：一种是eBTD分析方法，其特点是针对固定尺寸的假人模型进行安全带舒适性分析，但可以依据加拿大法规自动评价安全带舒适性是否满足要求;另一种是Manikin分析方法，其特点与eBTD方法正好相反，可以根据需求选取不同的假人尺寸、性别、姿势进行全方位的安全带舒适性分析，但需要操作者主观针对分析结果进行评估。

2 基于RAMSIS软件的驾驶员安全带上固定点位置对佩戴舒适性的分析

由于要分析安全带上有效固定点的位置对座椅全行程情况下不同身材人群的安全带佩戴舒适性，因此本文采用RAMSIS软件中Manikin分析方法。

2.1 人体模型的选取

选取Manikin里面定义的中国假人模型，模型百分位分别为95%男性、50%男性、5%女性，身高分别对应1.77、1.68、1.49 m。通过Animate/Translate命令将模型点H对应到分析矩阵的坐标系下，再通过Posture Calculation命令调整模型的姿态以满足分析要求。不同百分位驾驶员模型坐姿姿态如图2所示。

图2 不同百分位驾驶员模型坐姿姿态

2.2 分析矩阵的建立

2.2.1 固定点法规区域划分

基于某车型的座椅滑动行程H-BOX和安全带锁扣有效固定点，根据GB 14167要求，划分安全带上有效固定点的法规区域，如图3所示。

图3 某车型安全带上有效固定点法规区域

2.2.2 上有效固定点坐标矩阵的设定

在上述划分的法规区域，对安全带上有效固定点分别以X、Y坐标不变、Z坐标为变量，X、Z坐标不变、Y坐标为变量,Y、Z坐标不变、X坐标为变量3个维度进行安全带舒适性分析矩阵设定。基于以往车型上有效固定点与座椅点R空间坐标关系，变量差值按照±20 mm，设定上有效固定点坐标矩阵，参见表1。

表1 上有效固定点坐标矩阵的设定 单位:mm

基于表1的矩阵，上有效固定点在法规区域的分布如图4所示。

图4 矩阵中上有效固定点在法规区域的分布

2.2.3 分析矩阵的设定

由于驾驶员座椅可以前后移动，通常座椅行程为240 mm。对表1中的每种坐标情况均按照3种百分位人体模型进行舒适性分析，即95%男性人体模型位于座椅行程最后位置，50%男性人体模型位于座椅行程中间位置，5%女性人体模型位于座椅行程最前位置。

2.3 安全带参数设置

安全带固定点设置主要包括上固定点(upper anchorage)、锁扣固定点(lower inboard anchorage)、下端片固定点(lower outboard anchorage)3个坐标参数。Manikin模块中具备多种类型的固定点设置，可根据实际需要进行选择使用。本文主要针对驾驶员安全带佩戴舒适性进行分析研究，因此上固定点选用Class A.1类型(带导向环)，钢板式锁扣选用Class B.1类型，下端片可旋转选用Class C.2,在相应的参数定义界面下，如图5所示，在Origin O处填写有效固定点坐标值，其他参数根据实际填写。在分析矩阵中，仅对Origin O处填写有效固定点坐标值的输入进行更改，其他参数不变。

图5 安全带固定点参数设置界面

在安全带固定点参数设置完成后，在Belt Settings界面下将安全带织带宽度设置为47 mm，其他参数根据需要设定。

2.4 计算结果分析

基于已设定的分析矩阵通过RAMSIS软件计算得出各种工况下的安全带佩戴状态。

图6给出了方案1中4种坐标工况下3种不同百分位人体模型安全带佩戴状态的对比。从95%男性对比中可以看出，当ΔZ=630 mm时，安全带织带位于95%男性人体肩部边缘，在实际使用佩戴中存在滑肩的风险;当ΔZ增加到690 mm时，安全带织带位于95%男性人体肩部中间位置，舒适性较好。从而可以得出，针对95%男性随着ΔZ增大，安全带佩戴舒适性越好。而对比50%男性和5%女性安全带佩戴状态可以看出，随着ΔZ增大，安全带离人体模型颈部越近，但是均未出现勒脖子情况。综合上述分析，建议ΔZ不小于630 mm，最好在(670±20)mm范围内。

图6 ΔZ为变量的不同百分位人体模型安全带佩戴状态对比

图7给出了方案2中4种坐标工况下3种不同百分位人体模型安全带佩戴状态的对比。从对比中可以看出，当ΔY=230 mm时，安全带织带位于3种百分位人体模型颈部较近，但未勒到脖子;随着ΔY值增大，安全带织带逐渐远离颈部;当ΔY增加到270 mm时，安全带织带位于95%男性人体肩部中间位置，舒适性较好;当ΔY增加到290 mm时，安全带织带离95%男性人体肩部边缘较近，在实际使用佩戴中存在滑肩的风险。而对于50%男性和5%女性，安全带织带均位于人体模型肩部中间，舒适性较好。综合上述分析，建议ΔY不大于290 mm，最好在(270±20)mm范围内。

图7 ΔY为变量的不同百分位人体模型安全带佩戴状态对比

图8给出了方案3中5种坐标工况下3种不同百分位人体模型安全带佩戴状态的对比。从对比中可以看出，当ΔX=256 mm时，安全带织带离95%男性人体肩部边缘较近，在实际使用佩戴中存在滑肩的风险;当ΔX增大到296 mm时，安全带织带位于95%男性人体肩部中间位置，舒适性较好;随着ΔX值继续增大，安全带逐渐接近95%男性人体模型颈部。而对于50%男性和5%女性，当ΔX=256 mm时安全带织带离人体模型颈部较近，但未勒到脖子;随着ΔX增大到336 mm时，安全带织带均有远离人体模型颈部的趋势，但不明显;此外考虑到抓取织带方便性，ΔX越大使用者实际抓取安全带越不方便。因此综合上述分析，建议ΔX不小于276 mm，最好在(296±20)mm范围内。

图8 ΔX为变量的不同百分位人体模型安全带佩戴状态对比

3 台架试验验证

为了更好地验证上述RAMSIS软件分析结论的准确性，按照ΔX=296 mm、ΔY=270 mm、ΔZ=670 mm的方案进行搭建台架。台架试验中由1.78 m男性、1.70 m男性、1.52 m女性分别在座椅行程最后、座椅行程中间、座椅行程最前的位置佩戴安全带并进行评价。

图9显示了台架试验与RAMSIS软件计算的安全带佩戴状态对比。可以看出，台架试验中3位人体佩戴后织带在肩部的位置与RAMSIS软件中的位置大体一致，且3位试验人员针对佩戴状态的主观评价均为舒适。

图9 台架试验与RAMSIS软件计算的安全带佩戴状态对比

4 结束语

本文基于RAMSIS软件对驾驶员安全带的佩戴舒适性进行研究。根据安全带上有效固定点的坐标矩阵，在座椅全行程情况下对不同百分位人体模型的安全带佩戴状态进行计算分析，从而得出驾驶员安全带上有效固定点的布置推荐区域，即上有效固定点与座椅点R相对坐标差值的范围为：ΔX=(296±20)mm，ΔY=(270±20)mm，ΔZ=(670±20)mm。进一步通过台架试验验证，由RAMSIS软件分析得出的安全带布置推荐区域与台架体验结果一致。