乘用车座椅的设计.doc

乘用车座椅的设计摘要：随着现代经济的飞速发展，汽车成为人们生活的必需品，人们对汽车的舒适性和安全性有了更高的要求，座椅是影响汽车的舒适性和安全性主要的一部分，本文通过对乘用车座椅的结构、性能、设计要求等对座椅的乘坐舒适性进行分析建模数据分析设计评估；对安全性进行分析建模试验结果分析设计，安全带作为座椅安全的主要配置，提出在车上装配安全气囊的情况下，安全带在一定条件下的断裂及座椅在一定条件下的移动变形，更有助于对乘员的保护。进而提出在综合考虑与安全气囊匹配的情况下，安全带该断就断、座椅该动就动的新的设计理念，最后介绍了CAD在座椅设计中的应用。关键词：舒适性；安全性；人机工程学；CADThe Design Of Passenger Seats Abstract：With the rapid development of modern economy, car has become a necessity for peoples lives, Peoples car comfort and safety have higher requirements, Affecting the car seat comfort and safety of the main part of this paper, the structure of the passenger seat, performance, design requirements, such as seating comfort analysis - modeling - data analysis - Design - Evaluation ; of security analysis - Modeling - Testing - Analysis - Design, safety seat belts as the main configuration, the airbag assembly in the vehicle, the seat belts under certain conditions, and the seat of the fracture under certain conditions, the movement and deformation, but also contribute to the protection of the crew. Proposed to consider the matching with the airbag, the seat belt on the broken off, seats that move on the dynamic new design concept, and finally introduced in the seat design of CAD applications.Key words： comfort; safety; ergonomics; CAD目 录1绪论11.1乘用车座椅的结构11.2乘用车座椅的分类21.3乘用车座椅的性能21.4座椅的设计要求31.5本文研究的目的和意义32 乘用车座椅的乘坐舒适性42.1乘用车座椅的静态舒适性42.1.1舒适乘坐姿势42.1.2合理的体压分布42.1.3驾驶姿势的舒适角52.1.4良好的横向稳定性52.2乘用车座椅的动态舒适性52.3乘用车座椅乘坐动态舒适性评价方法62.4乘坐舒适性数评估72.4.1乘坐舒适性数R(用经验公式)83 乘用车座椅舒适性的设计与优化93.1座椅的振动参数选择93.1.1座椅的振动参数93.1.2座椅的传递特性103.2座椅相对阻尼系数的选择113.2.1座椅刚度的选择113.3座椅可变刚度设计113.3.1座椅减振系统弹簧刚度的设计113.3.2两种方案车载试验曲线133.4座椅的人机工程分析143.4.1坐姿的生理形态143.5座椅的设计163.5.1靠背参数的设计163.5.2靠背曲线的优化173.5.3优化模型的建立173.5.4约束条件193.5.5优化前后的数据点及拟合曲线193.5.6优化算法及实现过程204 乘用车座椅的安全性214.1座椅的主动安全性214.2座椅的被动安全性214.3安全带的种类和性能要求234.4 安全带作用人体载荷分析234.5乘用车座椅与安全带设计的新理念254.5.1A型车台车试验中安全带和座椅的分析254.5.2B型车台车试验中安全带和座椅的分析264.5.3从能量角度分析安全带的断裂及座椅的移动274.5.4安全带和座椅设计的新理念分析274.6乘用车座椅安全设计的内容294.6.1座椅强度的设计294.6.2座椅结构型式的设计294.6.3靠背的设计294.6.4座垫的设计294.6.5头枕的设计304.6.6座椅调角器的设计305乘用车座椅计算机辅助设计方法325.1 乘用车座椅理论计算345.1.1 动态参数选择345.1.2静态参数选择365.1.3乘用车强度计算365.2乘用车座椅设计图的绘制375.2.1计算机辅助设计(CAD)简介375.2.2乘用车座椅计图库385.3座椅零部件及总成参数化设计395.4座椅绘图软件界面设计406 结论与展望41参考文献421 绪论1绪论乘用车座椅属于乘用车的基本装置，在乘用车中它将人体和车身联系在一起，是乘用车的重要安全部件，它直接关系到乘员的乘坐舒适性和安全性，伴随汽车的诞生而出现。1886年德国人戴姆勒制成了最早的汽车座椅，其座垫是以棉花等软填料作为芯子，靠背是用木板和木条围成。一百多年来，随着乘用车的发展和人们要求的不断提高，乘用车座椅已不是单纯满足乘坐和美观需要的车身部件，而是关系到乘用车的乘坐舒适性和安全性，集人机工程学、机械振动、控制工程、有限元分析、计算机硬件和软件的结合分析等为一体的系统工程产品。1.1乘用车座椅的结构乘用车座椅一般由头枕、靠背、调节装置、座垫和座椅连接件组成，如图1所示：图1乘用车座椅结构示意图1.座椅 2.调节装置 3.靠背 4.头枕乘用车座椅骨架是乘用车座椅的基础结构，可分为靠背骨架和座垫骨架两部分。座椅骨架常用轧制型材（钢管、角钢）制成或用钢板冲压焊接而成，并用螺钉直接固定或通过座椅调节机构固定在车身上。座椅调节装置、靠背倾斜角调节装置、限位装置等是与座椅相关的一些机械装置。其中座椅调节装置是安装在座垫骨架和地板之间，调节座椅与地板的前后和上下位置的机械装置。靠背倾斜角调节装置安装在座垫骨架和靠背骨架之间，用来调节座椅靠背角度的机械装置。1.2乘用车座椅的分类乘用车座椅的分类方法很多，按功用可分为：驾驶员座椅、乘员座椅、儿童安全座椅；按形状可分为：分离式、戽斗式半分离式、长凳式；按性能可分为：固定式、可拆式、调节式；按乘坐人数可分为：单人、双人、多人等。近年来，随着汽车工业的发展，陆续开发出许多具有特殊功能的座椅，如冷热可调式座椅、防下滑式座椅、带按摩功能的座椅、带电子记忆调节装置的座椅、空气悬挂式座椅等，使乘坐舒适性、安全性及方便性得到提高。虽然带有各种功能、提供各种需要的座椅种类很多，但是，从对座椅的研究角度来看，乘用车座椅（驾驶员座椅）可分为两大类，即固定式座椅及悬挂式座椅，而悬挂式座椅又分为机械减振式及空气悬挂式座椅。1.3乘用车座椅的性能座椅通过对人体提供合理的体压分布，可以有效的保证人体在车辆行驶过程中的平衡与平稳，从而为人体提供良好的支撑。座椅的主要作用是：为驾驶员定位，保证驾驶员对乘用车系统的视野，并实现驾驶员对乘用车操纵系统的控制。在重要的人体结构点上支撑人体，使乘客在乘用车行驶中保持平稳。为乘客提供安全舒适的环境，减少路面激励对乘员的影响，缓和和衰减由车身传来的冲击和振动；座椅中各种人性化的附属设备以及豪华配置，能为乘员提供优越的乘坐环境提供保证。在乘用车受到撞击时最大限度的保护乘员的安全。合理的配置头枕和靠背的软垫，防止驾驶员或乘员的颈部以及头部在乘用车发生碰撞时受到意外伤害等。可见，乘用车座椅对乘用车的行驶平顺性、乘坐舒适性、安全性有很大影响，乘用车座椅设计越来越受到人们的重视。1.4座椅的设计要求座椅的功用是在规定的条件下，能够为驾驶员和乘员提供舒适的位置并保证乘员的安全。可见，座椅的安全性及舒适性是其最重要的功能，也是各类座椅的设计、研发中必须作着重解决的问题，根据座椅的功用及工作特点有以下的设计要求：座椅的尺寸和形状应使人体具有合适的坐姿，感触良好，并能调整其尺寸与位置以保证乘坐舒适。座椅应有良好的动态舒适性，以缓和与衰减车身传给人体的冲击和振动，使驾驶员在各种道路条件下长期工作不感到疲劳，乘员在行驶中感到舒适。座椅应有足够的强度和刚度，寿命长。并能在发生交通事故时尽量减少乘员的受伤程度，即具有足够的座椅安全性。制造工艺简单，质量小，成本低。能保证视野良好，驾驶员工作时操作方便，座椅调节轻便。外形及色彩美观大方，与车身内饰及整车外观协调。座椅布置及性能应符合车辆用途及总体设计要求。1.5本文研究的目的和意义本文是通过实际生活中的一些现象进行分析，发现人们的晕车现象和汽车在发生交通事故时人的死亡率非常高，据统计有很多交通事故人的死亡率与座椅的设计有很大关系，晕车就更不用说了，本文就这两方面的问题进行了分析，达到使人们的晕车现象减少和死亡率降低，即提高车辆的舒适性和安全性。要解决乘用车的舒适性和安全性，座椅是我们首先考虑的，座椅的设计可以很好的解决以上两个问题。第3页 共43页2.乘用车座椅的乘坐舒适性2 乘用车座椅的乘坐舒适性乘用车乘坐的舒适性是乘用车开发和研究的重要课题之一，座椅的舒适性是乘用车乘坐舒适性重要组成部分，包括动态舒适性、静态舒适性和活动舒适性。座椅的动态舒适性（平顺性）是指其对传给人体的振动和冲击所能起到的缓冲及减振能力；静态舒适性是指座椅在静止状态下提供给人体的舒适特性，主要与座椅尺寸参数、表面质量、调节特性等有关；活动舒适性是驾驶员和乘员在车内正常活动（如操纵方向盘）的舒适程度，主要与座椅和车内其他部件的布置有关。2.1乘用车座椅的静态舒适性人体工程学是根据人体解剖学、生理学和心理学等特征，了解并掌握人的活动能力和其极限，使生产器具、生活用具、工作环境等和人体功能相适应的科学。座椅静态舒适性是人体工程学在座椅设计中的具体应用，通过人体舒适坐姿、合理的体压分布、人体测量基本数据和视觉美学等使座椅的设计满足人的生理和心理要求，为乘员提供舒适、安全的驾驶和乘车条件。座椅的静态舒适性主要指舒适乘坐姿势、合理的体压分布、驾驶姿势的舒适角、良好的横向稳定性等。2.1.1舒适乘坐姿势最舒适的乘坐姿势要求：腰曲形状应保持正常的生理弯曲而不受载变形，腰部的肌肉应处于松弛休息状态。腹部通向大腿的血管和神经不受压迫，保持血液循环。2.1.2合理的体压分布人坐着时的体压分布，也是座椅设计中应当考虑的重要因素。人坐在座椅上，人体与座椅之间的接触压力分布，称为体压分布。座椅的体压分布分为座垫压力分布和靠背压力分布，它由座垫和靠背的形状及硬度分布来保证。体压分布和乘坐姿势互相影响。人体工程学研究表明，座椅面应坚实平坦，硬度不够，过于松软的椅面，使臀部与大腿的肌肉受压面积大，不仅增加了躯干的不稳定性，而且不易改变坐姿，容易产生疲劳，恰当的座椅设计应使人坐着时的压力分布合理。根据人体工程学研究，最适宜的体压分布应保证：人体的大部分质量应以较大的支撑面积，较小的单位压力合理地分布到座垫和靠背上。压力分布从小到大平滑过渡，避免突然变化。2.1.3驾驶姿势的舒适角为了减轻驾驶时的不适与疲劳，驾驶员身体各部分之间的夹角应保持在合理的范围内。2.1.4良好的横向稳定性由于乘用车的转弯、倾斜、侧滑等，造成乘用车上的乘员在座位上产生横向滑动。因此，乘用车座椅必须具备阻滞乘员横向滑移的功能，从而维持乘员的稳定，保证驾驶员的正常操纵位置，提高座椅的乘坐安全感。2.2乘用车座椅的动态舒适性来自路面的振动（或激励）通过轮胎、乘用车悬架和座椅三个减振环节传递到人体，每一部分的传递特性都影响乘员的舒适程度。与轮胎和悬架相比，改变座椅动态参数对乘用车的其他使用性能没有影响，而且制造方便易行，周期短、见效快。因此，研究和改善座椅动态性能对于提高乘用车乘坐舒适性有着十分重要的意义。乘用车座椅的振动特性参数有两个：一个是刚度，它决定座椅的共振频率；另一个是阻尼系数，它决定座椅的振动衰减特性。乘用车座椅的动态舒适性还与人体的振动特性密切相关。振动对人体的直接影响涉及躯干和身体局部的生物动态反映行为、生理反应、性能减退和敏感度障碍，如晕车等不良症状。在乘用车的座椅动态舒适性设计时，应尽量避开人体较为敏感的振动区域。客观的生理学因素、主观的心理学因素和评价者的差异都将影响对座椅舒适性的评价。人体是一个复杂的系统，在不同的姿态下所表现出来的振动特性也各不相同：在立姿状态下，人体的共振频率在512Hz；在卧姿状态下，人体的共振频率在34Hz；在坐姿状态下，人体的胸、腹部的共振频率在48Hz，头、颈部的共振频率在2030Hz，由此看来，人体的振动响应分布在低频30Hz以下。研究结果表明：椅面垂直轴向的频率加权函数最敏感频率范围按国际标准ISO2631规定为412.5Hz，在48Hz这个频率范围内，人的内脏器官产生共振，812.5Hz，对人的脊椎系统影响很大，随着频率的增高，敏感度下降。椅面水平轴向、的频率加权函数最敏感频率范围为0.52Hz，大约在3Hz以下水平振动比垂直振动更敏感，而且车身部分系统在此频率范围产生共振。另外，不同方向、不同部位的振动对人的影响是不同的，日本学者的研究表明，座垫、靠背、地板三个支撑面中，座垫与人体接触表面垂直方向的振动对人体的影响最大，占三个方面中的70%。那么，在进行动态舒适性研究时应把对座垫的垂直振动研究放在首位。在现代乘用车振动系统的三个减振环节中，一般悬架的共振频率为12Hz，轮胎的共振频率在10Hz左右，多数为1112Hz；而48Hz是人体对振动的敏感区域，另外振动频率高，人体会感觉不舒适，因此，座椅的共振频率一般在2Hz4Hz，即3Hz左右为好，坐姿人体承受Z轴向激励时，人体传递率具有如下一般特性：小于2.0Hz，人体可视为刚体，其传递率约为1.0；大于该频率，在5.0Hz附近传递率升至最大，这是人体的主要共振区；5.07.0Hz传递率减小；大于7.0Hz，传递率小于1.0；大于8.0Hz，在8.0Hz12.0Hz之间出现不明显的第二峰，高于20Hz，传递率明显减小。2.3乘用车座椅乘坐动态舒适性评价方法座椅动态舒适性是指人体处于振动环境中所感受到主观上的相对舒适程度。一般认为，对乘用车平顺性评价的影响因素有三个：客观的生理学因素、主观的心理学因素和评价者的差异。人体对振动的反应可分为两个过程：一个过程是振动输入人体后引起的人体各部位的振动响应；另一个过程是由于人体的振动响应而引起的生理反映。第一个过程对应着客观物理评价，第二个过程对应着主观感受评价。显然，把这两个过程结合起来便使物理上的客观指标与主观感受联系在一起，这样就可以量化人体的动态舒适性。以此为基础，对乘用车人体舒适性有以下是主要的评价方法。吸收功率法，简称AP法。用代表人体振动系统内部所吸收能量的多少即平均功率来评价乘坐舒适性；加速度剂量法：主要用于评价长时间的乘用车振动和冲击对于人体脊柱造成的不良影响。乘坐舒适性系数法，简称RCL法。此法于1948年提出，后为SAE J6a及日本国营铁路所推荐；单一不舒适性指数法，简称NASA法。由美国宇航局（NASA）的莱利研究中心提出，其要点是将五个方向的振动加速度和车内噪声的测量值，按统计经验公式转换成同主观评价相关的不舒适性指数，再把不舒适性指数按一个关式转换成总的不舒适性指数；国际标准ISO2631；1974年国际标准化组织正式公布国际标准ISO2631“人体承受全身振动评价指南”，1978年对ISO2631-1974作了一些修改后再次公布为ISO2631-1978，它得到了许多国家的承认，并成为汽车行业汽车平顺性的评价方法。我国也将ISO2631-1978作为平顺性评价指标并认为是一个比较完善的方法。国际标准化组织在1982年、1985年分别对ISO2631作了一些修改补充。该标准用垂直和水平两个方向的加速度均方根值给出了在1-80Hz振动频率范围内，人体对振动反应的三种不同感觉界限，即暴露极限、疲劳降低工作效率界限和舒适降低界限。2.4乘坐舒适性数评估为了减轻传给乘坐者的振动，提高乘用车座椅的动态舒适性，对座椅的振动传递特性的评价应考虑以下三项内容：座椅应有合适的共振频率fn，既要避开人体最敏感的频率区，又不能与悬架的共振频率重合。要尽量降低共振频率所对应的最大传递率A，以减少传给人体的振动能量。应降低10Hz附近的振动传递率B,因为非簧载质量的共振频率在10Hz左右，降低B值能减少车轮传递上来的高频振动的影响，并能减少来自椅背的高频振动。2.4.1乘坐舒适性数R(用经验公式) 式中：座椅舒适性常数不同座椅有不同的推荐值， 估算时可取=1； 座椅共振频率所对应的振动传递率； 10Hz时的振动传递率； 座椅的共振频率，单位为。对于具体座椅来说，只要测得、，即可算出值。值越大，说明动态舒适性越好。座椅传递特性曲线见图2所示。究其原因，是因为、均在分母上，小，则反映共振时传给乘员的振动能量小；小，则表示能减少由共振频率为10Hz的非簧载质量传递上来的高频振动。因此，大的座椅减振性能好。由大量统计分析表明，值的可靠程度可以达到80%。图2座椅传递特性曲线第8页 共43页3 乘用车座椅舒适性的设计与优化3 乘用车座椅舒适性的设计与优化乘用车座椅支承驾乘人员的质量，缓和和衰减由车身传来的冲击和振动，给驾驶员提供良好的工作环境，为乘客创造舒适的乘坐环境。根据坐姿的生理形态和体压分布,对乘用车座椅的设计采用了人机工程学的方法进行分析，并用优化设计理论对座椅靠背曲线进行拟合，得出更符合人体生态曲线的座椅靠背曲线，以提高乘坐的舒适性,并适应人体的健康需要。舒适性的因素大体可分为外因和内因两类。外因主要指出外界噪声、气味、视觉、周围环境和路面状况等；内因则指人的精神状态、身体素质和经历等，其中振动频率是引起晕车的最主要因索在不同振动频率下，人的忍受能力不同，人最敏感的频率范围为：对于垂直振动是48Hz，对于水平振动在2Hz以下，因此如何尽可能减少在此频率范围的振动时间是最主要目标。乘用车座椅的设计必须加以重视，以往是采用比较落后的比照设计方法，根本无法适应如今乘用车的迅速发展。本章通过对座椅的变刚度弹簧，调整振动参数，人机工程分析, 从而克服人体最敏感的振动频率，减小了乘客晕车的比率，在简化力学模型，对靠背曲线进行优化设计，得到更符合人体曲线的靠背形状，使设计的座椅更加舒适和美观，以确保人体的健康.。3.1座椅的振动参数选择乘用车的振动系统，主要减振环节有3个，即轮胎、悬架和座椅，它们构成一个串联系统。降低轮胎和悬架的刚度，虽可改变舒适性，但改动余地不大，会降低乘用车的承载能力和制动稳定性。因此改变座椅的振动参数对于改善舒适性有特殊作用。3.1.1座椅的振动参数乘用车座椅的振动参数主要有两个，一个是刚度，它决定了座椅的固有圆频率。 = 式中：C座椅刚度；m座椅与人的质量；另一个是阻尼系统数k。 = 式中：相对阻尼系数。3.1.2座椅的传递特性座椅的传递特性就是座椅振动的传递率随激振频率而变化的特性，它直接反映了座椅衰减振动的能力。机械传递率即是系统在受迫振动时对一个给定的频率，其响应幅值与激励幅值的量纲为一的复数比。响应和激励可以是力、位移、速度、加速度中同一物理量的任一种。人体传递率表示为机械传递率的模。它描述全身振动从激励部位到人体某一指定响应部位的传递。= 式中：一激振圆频率；y臂部加速度；x车身地板垂直加速度；/x放大因数(传递率);而2/x 激振频率；传递率与激振频率关系见图3所示。图3人在座椅上的振动传递座椅上的传递特性直接反映座椅衰减振动的能力由图3可知当激振频率在4Hz附近时出现共振峰值，此时是乘客最敏感的时候，在设计座椅是要尽量避开。3.2座椅相对阻尼系数的选择当时将发生共振。共振区域范围为。此区域内l，在此区域，相对阻尼系数越大，则越小，即抑制共振效果越好，即此时座椅刚度越小越好。当时，属于减振区，此时0）和初始点, 规定收敛精度、（，均大于0 判断点是否已接近约束边界 求惩罚函数的无约束点即计算点位反约束的情况（j=1、2、3.n 判断点是否已接近约束边界 退出 NNY此优化问题为有约束的多维优化问题,本章采用外点惩罚函数法,并建立了优化流程如图图14优化算法流程图第46页 共43页4 乘用车座椅的安全性4 乘用车座椅的安全性汽车安全是未来汽车发展的三大主题 （安全、节能、环保）之一，未来汽车的设计，将以人为出发点，以乘员的安全为最终目的。所谓座椅的安全性是指汽车座椅能有效地防止汽车事故的发生，并在事故发生时能最大限度地减轻对驾驶员及乘员造成伤害的能力，它包括主动安全性和被动安全性。汽车座椅不仅要减轻驾驶员及乘员的疲劳来满足主动安全性要求，还要与安全带和安全气囊一起对乘员定位的同时缓解碰撞的强度，使乘员的损伤指标达到最小。乘用车是汽车的一个系列产品，在这种情况下，被动安全行业得以蓬勃发展，如安全带、座椅、头枕，以及近年来兴起的汽车安全气囊等。本章主要是对乘用车安全带以及在有安全气囊的作用下，对安全带和座椅的设计提出新的设计理念。4.1座椅的主动安全性座椅的主动安全性是指座椅能够有效防止事故发生的能力。座椅系统的设计和布置直接影响驾驶员视野的好坏、乘用车操纵是否稳定以及其他控制系统功能的发挥程度，从而影响乘用车的安全性能。驾驶员的视线是从其眼点发出的，不同驾驶员视点的共同基点是驾驶员座椅。即使是完全相同的车身结构，也会因座椅的不同布置方式，使其视野有很大差别。因此，驾驶员座椅的布置也是保证良好视野重要环节。同样，由于座椅是车身直接与人接触的部件，它在承受人体重量的同时，也可以帮助驾驶员保持良好的坐姿，使驾驶员能够方便、稳定地操纵车辆。另外，舒适的座椅也可以为驾驶员提供一个良好的工作环境，使其心情愉快、精力集中，从而有效地防止交通事故的发生，提高车辆的主动安全性。4.2座椅的被动安全性在各种事故中，座椅作为减少损伤的安全部件起重要的保护作用。一方面，在事故中座椅要保证使乘员处在自身的生存空间之内，防止其他乘员或货物进入到这个空间，另一方面，它要使乘员在事故发生过程中保持一定的姿态，使约束系统中的其他部件（如安全带、气囊）能充分发挥其保护效能。乘用车碰撞事故的碰撞形式大致可分为几种：正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞和翻滚。为了保证乘员的安全，在各种碰撞事故中避免因座椅的破坏而产生安全事故，座椅的设计必须要考虑座椅骨架、靠背、滑轨和安全带固定装置的强度和它们之间的连接强度。在正面碰撞事故中，对乘员起到主要保护作用的部件是安全带，它能将乘员“束缚”在座椅上，使乘员的头部、胸部不至于向前撞击到方向盘、仪表板及挡风玻璃上，避免乘员在车内发生二次碰撞。然而如果座椅底部与乘用车地板连接强度不够，安全带就会失去其保护作用，乘员在自身惯性力的作用下与前面物品碰撞，从而引起伤害。同时，当乘员在安全带的约束力作用下向后反弹时，座椅靠背的力学特性也是影响乘员损伤指标的重要因素之一。此外，当后排乘员没有受到约束，前排座椅靠背强度不足，后排乘员由于惯性会击溃前排座椅，伤害前排乘员。同时，如果前排座椅强度太高，又会在后排乘员在与之碰撞时伤害后排乘员。座椅的乘坐轮廓设计不当，在汽车正面碰撞时会使乘员沿座椅下滑，使腰部安全带移到肋骨以上（即“下潜”现象），也会使安全带失效，因此，安全带在乘用车对人员的安全起至关重要的作用。尽管使用安全带比较麻烦，但是，安全带减轻了乘员在车祸中的伤害程度，这一公认的事实使越来越多的国家用法规强制佩带，尤其是对于前座乘员。安全带的保护作用主要体现在它减少了撞车时人体减速度值，从而降低了引起二次碰撞的相对速度和位移，使伤害指数下降。图15为某乘用车在50km/h 的初速度正面屏壁碰撞时佩带与未佩带三点式安全带的假人撞车时头部加速度的测定曲线。由图可见，两种情况下头部加速度峰值将相差约50g，同样试验，胸部加速度值也将相差约45g。图15轿车碰撞中假人头部加速度时间历程4.3安全带的种类和性能要求座椅安全带分两点式、肩带、三点式和四点式四种形式。两点式安全带限制下身的运动，常用于后排座椅上；肩带能有效的防护上身，但在汽车碰撞时，乘员会向前挤出，因此，常佩有膝垫使用；三点式安全带由肩带和腰带组合而成，保护性能好，是目前最常用的一种形式；四点式安全带是在两点式腰带上加两根背带，多用于赛车上。安全带的织带要求有一定的抗拉强度、伸长率和能量吸收性能，与人体的接宽度在 9800490N时不小于46mm。卷收器应能保证织带长度能自动调节，自动锁紧式卷收器两锁紧位置间的织带收放长度不得大于25mm；对紧急锁止式安全带，当拉出加速度大于6.86时，织带应在接出长度25mm之内被锁止；拉出加速度在2.94以下时，织带在拉出长度50mm 以内不应被锁止。此外，当车辆倾斜以下时，织带不应被锁止，车辆倾斜角达以上时，织带应被锁止。4.4 安全带作用人体载荷分析乘用车正面碰撞时，安全带作用乘用车正面碰撞时，安全带作用于人体的载荷可按下述方法来预估。设人体质量为，乘员在人体碰撞过程中的平均减速度为，乘用车平均减速度为，人体与车辆的绝对位移分别为和，且安全带的刚度为，碰撞初速度为。根据力的平衡条件，可建立人体惯性力与安全带弹性恢复力之间的方程： -(-)=0 式中，；，为碰撞时间，代入式可得： 解上述微分方程，可得： 于是： 当碰撞结束，汽车速度为零时安全带作用于人体的力,可由（5）式求出： 此外，作用在人体上的力还包括人的身体的动能消耗所产生的力。此力在移动时所作的功与动能相抵消。因此，可写出下述方程： 式中，为碰撞终止时刻的人体速度，由式确定：为人体最大位移，或安全带最大变形。联解式式和式得：图16安全带对人体的作用载荷图16中画出了；时，人体承受的载荷。由图可知，随着车辆压塌变形的减少，碰撞初速的提高，人体移动量及载荷均将增加。4.5乘用车座椅与安全带设计的新理念乘用车座椅的安全性是多方面的，但是有大量实验表明，有安全带和安全气囊在事故发生时同时作用，能大大降低了事发死亡人数。目前，关于安全带的法规，如QC244-1977) 汽车安全带动态性能要求和试验方法、ECER16)安全带标准动态试验主要技术内容等均要求：试验后，假人不应出现异常姿态，安全带承载部分不应产生影响其功能的变形、损坏和断裂，带扣应能正常开启。在通常的碰撞试验和事故中，人们也常以“安全带完好无损，没有撕裂、断裂现象”作为安全带合格的标准。对于座椅，在碰撞试验和事故中，人们也往往认为，座椅没有移动和扭转变形为好，如在清华大学的一次碰撞试验后，一位研究员看到碰撞中座椅轻微前移，提出“座椅固定应更加牢固”。但通过大量的试验分析表明：事故中，在安全气囊起爆的情况下，安全带在达到一定限值时断裂、座椅在一定范围内移动，可以消耗碰撞中产生的一部分能量，能协助安全气囊对乘员起到更加有效的保护作用。在安全气囊的开发过程中，经常要进行大量的台车试验，用来调整安全气囊的样式、大小及泄气孔的大小或有无。在试验过程中，常常遇到个别车型安全带频繁断裂、座椅扭转变形的情况。依常理，发生这些情况的试验被认为无效，需重做。重做的试验当座椅不变形、安全带完好时，认为试验成功，数据有效。但事实上，那些被认为无效的试验结果，却恰恰为安全带和座椅性能的评估提供了新的视角。4.5.1A型车台车试验中安全带和座椅的分析在为A型车驾驶员侧匹配安全气囊的开发试验台车试验中，验证某个袋型的试验结果如表2-1。试验条件是：风挡玻璃、内饰结构与实车基本相同，安全带为一般三点式安全带；一个。假人，身上装有 12个通道传感器；车速为48km/h。从表1中可以看出，试验 和试验是被认为正常的试验，但伤害值HIC 比较大，胸位移相对偏高；试验8和试验9发生了座椅变形的情况，但座椅未前移，试验结果比正常的情况偏小，但量不大；试验A至试验E 均发生了安全带或相关部件断裂情况，只是断裂的方式不同，断裂时间的先后有差异，如此造成对假人指标影响的不一致，但假人的HIC和胸位移变化趋势基本一致。表1 A型车安全气囊开发试验部分台车分析表试验试验情况假人指标HIC胸位移A安全带高度调节器拉下139.713.2D安全带上固定点螺栓拉拖376.212.8C安全带带扣拉开并断裂493.916.2D安全带带扣根部拉开22315.9E安全带调节器转向点断开728.824.8F座椅损坏但未前移888.529.3G座椅损坏但未前移836.821.6H正常100222.5I正常102924.44.5.2B型车台车试验中安全带和座椅的分析在为B型车匹配双侧电子式安全气囊的开发试验台车试验中，验证某个袋型的试验结果如表2所示。试验条件与A型车试验条件基本相同，只是安全带为预拉紧式安全带。由于安全带带扣安装在座椅内侧，而非直接固定在底板上，导致试验A、B中发生座椅扭转变形的情况，所以在C、D、E、F试验中，座椅被焊牢。当座椅被焊牢后，安全带系统则成为软肋，加之该安全带的导向件为钢板结构，外包塑，且为预拉紧式安全带，当碰撞发生后，假人前移绷紧安全带，卷收器内收，回拉安全带，如此常常导致导向件的包塑件被拉碎，钢板硬边把安全带割断。如在试验C、D、E中均发生了此种断裂形式。在该袋型台车试验之后作了一台实车碰撞试验G，座椅被换成比较结实的。从其结果可以看出，座椅的变形、安全带的断裂，均造成了假人伤害指标的下降。从A、B两车型匹配安全气囊的台车试验中可以初步看出，安全带在起到一定的约束作用后断裂，不但可以减小胸部相对脊柱的位移，避免肋骨被压断，还可以协助安全气囊使HIC降低。对于座椅，其移动或变形，也导致了HIC值的下降。另外，在要求座椅不动、安全带系统完好的情况下，要使碰撞中产生的强大的冲击载荷无突破口来卸荷，对各部件的设计要求相当高，这也增加了设计和加工的难度。表2B型车安全气囊开发试验部分台车分析表试验 驾驶员侧乘员侧 试验情况 HIC 胸位移试验情况 HIC 胸位移A座椅严重前移、外旋37747.6同驾驶员侧36134.2B座椅扭转变形34057.2正常88584C安全带导向器处断43666.2正常113075.7D同上30755.7同C驾员侧26553E同上35663.5正常88282.8F同C驾员侧34982.6G座椅前移30mm71341.4同驾驶员侧93663.04.5.3从能量角度分析安全带的断裂及座椅的移动从能量守恒定律可知：能量既不能产生也不能消灭，它只能从一种形式转换成另一种形式，或者从一物体转移到另一物体。对于碰撞而言，碰撞前的初始能量为，碰撞后的能量为0。碰撞中所有的初始能量都将被消耗，而消耗这些能量的无非车体、被碰撞体、乘员。以碰撞试验为例，由于碰撞壁完全刚性，不变形，转换成其内能的能量可以忽略不计，则大量的能量只能通过试验样车和假人来消耗。如果试验样车消耗的能量多，则通过假人来消耗的能量必然就少，也就是说，假人所受到的伤害程度必将下降。否则，碰撞过程中，如果大量的能量在车体上找不到突破口来消耗，就只能转而攻击假人，导致假人一些伤害指标的上升，所以，在整体结构基本不变的情况下，改变座椅和安全带结构，以座椅前移、安全带断裂消耗能量代替头骨碎裂和肋骨折断消耗能量，则能更有效地保护乘员。4.5.4安全带和座椅设计的新理念分析目前，在安全带的设计过程中，对其强度的要求越来越高，国标对安全带的延伸率规定不超过30%，而安全带厂家又把该约束条件限制在 15%17%，值得一提的是，欧洲标准把延伸率规定得更低，只为8%9%，采用的材质现通常为强度更大的亚麻。而对于座椅，虽然法规对其变形约束的条件并不太苛刻，但使用过程中，人们对其要求相当高，对其变形的评判，也通常以“心理上可以接受为标准，这也导致了座椅厂家必须不断地提高设计标准，进而提高座椅的结构强度。为了减小安全带及座椅厂家的压力，也为了提高交通事故中乘员的安全系数，在未来的安全带和座椅的设计过程中，有必要改进原有的设计观念，引进新的设计理念：在安全带的带体中设置抽条区，即改变安全带局部的编织方式，使其强度降低；另外，在座椅的滑道上设计软区。当然座椅和安全带的改进应与安全气囊的开发及车型综合考虑。对于座椅，软区的长度，要根据标准乘员正常坐姿的