（光学工程专业论文）座椅坐垫倾角调节驱动机构动态响应特性研究.pdf

-1 洲螋必 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密形。 学位论文作者签名：芽参“乒 y 1 年月，3 日 燧名交彩夕弓 w 年嘲夕日 座椅坐垫倾角调节驱动机构动态响应特性研究 d y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sr e s e a r c ho fd r i v i n g m e c h a n i s mi nt h ei n c l i n a t i o na d ju s t o ro fs e a tc u s h i o n 专业名称奎牺王猩 指导教师姓名蔓如渔麴授 研究生扬王佳 江苏大学 二零一一年六月 一苓一一年7 x 月 江苏大学硕士研究生论文 摘要 本文在阐述汽车座椅安全发展现状以及分析已有的座椅坐垫倾角调节装置驱 动机构研究不足的基础上，深入开展了座椅坐垫倾角调节装置驱动机构的动态响 应特性的研究。 本文根据座椅坐垫倾角调节装置的工作要求及研究阶段的实验要求，完成了 驱动气缸的设计与加工。驱动气缸是座椅坐垫倾角调节装置的驱动机构也是最为 关键的部件之一，驱动气缸的动态响应特性直接关系到座椅坐垫倾角调节装置的 可靠性与使用价值。 本文首先对驱动气缸进行了实验研究。用实验的方法探讨了驱动气缸的动态 响应的影响因素。在实验研究的基础上，又对驱动气缸的流场进行了计算机分析。 为了更好地研究驱动气缸动态响应特性，本文在对驱动气缸的三维流场进行模拟 时首先根据驱动气缸的结构和工作原理，把整个过程分为启动阶段和工作阶段， 并分别构造了不同的c f d 仿真模型。再根据f l u e n t 软件提供的计算方法和湍流 模型，结合u d f ( 用户自定义函数) 和动网格技术，从气缸启动特性和工作特性两 方面分析了各因素对气缸动态响应特性的影响趋势，并在此基础上分析了启动通 道、启动压力、活塞直径、喷口高度等因素对气缸启动特性的影响和活塞直径、 工作压力、蓄能腔长度、喷口直径等因素对气缸工作特性的影响。 研究结果表明： 1 、启动通道长度对气缸启动特性影响较大，适当减小启动通道的长度可以加 速气缸启动； 2 、压力对气缸的动态响应特性影响也很大，在其他条件不变的前提下，随着 启动压力的增大，气缸启动越来越灵敏。整个过程中活塞达到的最大( 加) 速度 也越来越大； 3 、活塞直径对气缸动态响应特性的影响是双面的，在活塞直径较小时，增大 活塞直径，有利于提高气缸的启动速度，整个过程中活塞达到的最大( 加) 速度 也随之增大，但活塞直径达到一定程度后这一趋势不太明显，尤其对提高气缸启 动速度方面的影响则转变为负面的。 4 、在一定范围内，减小蓄能腔容积，气缸在运行过程中活塞加速度减小越来 越明显，活塞所达到的最大速度也越来越小，而在蓄能腔容积较大时这一趋势不 太明显。 座椅坐垫倾角调节驱动机构动态响应特性研究 5 、启动腔容积和喷口直径对气缸动态响应特性影响较小。只需满足结构和安 装要求即可。 在完成驱动气缸的实验研究和计算机仿真的基础上，提出了坐垫倾角调节装 置驱动机构的参数优化组合方案，即：把电磁阀安装在驱动气缸缸体上，省去连 接电磁阀与启动腔之间的启动通道；把活塞直径增大至5 0 m m ，蓄能腔容积改为中 6 0 x 6 0 m m ，压力使用汽车空压机提供的最大压力。其他参数保持不变。优化后气 缸的驱动性能大大提高。 关键词：驱动气缸，动态响应，f l u e n t 仿真，动网格，气缸实验，正交优化 江苏大学硕士研究生论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rb a s e do nd e s c r i b e so ft h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fc a rs e a ts a f e t ya n dt h e i n s u f f i c i e n to fe x i s t i n gr e s e a r c ha b o u tt h ed r i v em e c h a n i s mi nt h ei n c l i n a t i o na d j u s t o ro f s e a tc u s h i o nd e v i c e a n dc a r r i e do u tt h er e s e a r c ha b o u tr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so f d r i v i n gm e c h a n i s mi nt h ei n c l i n a t i o na d j u s t o ro fs e a tc u s h i o n t h i sp a p e rd e s i g n e dad r i v e nc y l i n d e rw h i c hc o u l dm e e tt h et e s tr e q u i r e m e n t s a c c o r d i n gt ow o r kr e q u i r e m e n t so ft h ei n c l i n a t i o na d j u s t o ro fs e a tc u s h i o nd e v i c e t h e d r i v e nc y l i n d e ri st h em o s tc r i t i c a lc o m p o n e n t so ft h e i n c l i n a t i o na d j u s t o ro fs e a t c u s h i o nd e v i c e ，w h i c hd y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h er e l i a b i l i 哆 a n du s a g eo ft h ei n c l i n a t i o na d j u s t o ro fs e a tc u s h i o nd e v i c e s o m ee x p e r i m e n t a ls t u d ya b o u td y n a m i cr e s p o n s eo fd r i v e nc y l i n d e rw a sc a r d e d o u t d i s c u s s i o nt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c td y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed r i v e n c y l i n d e rw i t l lt h ee x p e r i m e n t o nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t , t h i sp a p e rc a r d e do u t c o m p u t e rs i m u l a t i o nw i t hf l o wf i e l do ft h ed r i v e nc y l i n d e r i no r d e rt os t u d yt h e d y n a m i cr e s p o n s eo ft h ed r i v e nc y l i n d e rb e t t e r ，t h i sp a p e rd i dt h r e e d i m e n s i o n a lf l o w f i e l ds i m u l a t i o na b o u tt h ed r i v e nc y l i n d e r f i r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n dd r i v i n g p r i n c i p l eo ft h ec y l i n d e r ，t h ew o r kp r o c e s s i sd i v i d e di n t ot h es t a r t - u ps t a g ea n d w o r k i n g s t a g e ，a n dc o n s t r u c t e dd i f f e r e n ts i m u l a t i o nm o d e ls e p a r a t e l y t h e nt h i sp a p e ra n a l y s i so f i m p a c tt r e n d so fv a r i o u sf a c t o r so nd y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec y l i n d e ri n t h ea s p e c t so fs t a r t - u pa n dw o r k i n gs t a g e ，a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nm e t h o d sa n d t u r b u l e n c em o d e l si nt h ef l u e n ts o f t w a r e ，i nc o m b i n a t i o no fu d f ( u s e r - d e f m e d f u n c t i o n ) a n dd y n a m i cm e s h f i n a l l ya n a l y s i so ft h ei m p a c to ff a c t o r so ns t a r t u p c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec y l i n d e r ，s u c ha st h el e n g t ho fs t a r tc h a n n e l ，s t a r t i n gp r e s s u r e ，t h e p i s t o nd i a m e t e ra n ds t a r tc h a m b e rv o l u m e ，a n d o nw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sp i s t o n d i a m e t e r , w o r k i n gp r e s s u r e ，s t o r a g ec h a m b e rl e n g t ha n dn o z z l ed i a m e t e r n er e s u l t ss h o wa sf o l l o w ： r e s u l t s l t h el e n g t ho fs t a r t i n gc h a n n e lh a sag r e a ti m p a c to nt h es t a r t i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec y l i n d e r r e d u c et h el e n g t ho ft h es t a r t u pc h a n n e la p p r o p r i a t e l y w i l ld oh e l pt oa c c e l e r a t et h es t a r t i n go ft h ec y l i n d e r r e s u l t s 2 p r e s s u r ea l s oh a sag r e a ti m p a c to nt h ed y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s o fc y l i n d e r w h e no t h e rf a c t o r sr e m a i nu n c h a n g e d ，a st h ep r e s s u r ei n c r e a s e s ，t h e c y l i n d e rs t a r t i n gm o r ea n dm o r eq u i c k l ya n dt h em a x i m u ms p e e da n da c c e l e r a t i o nt h a t t h ep i s t o nw i l lr e a c h e si sa l s og r o w i n gd u r i n gt h ew h o l e p r o c e s s m 座椅坐垫倾角调节驱动机构动态响应特性研究 r e s u l t s 3 t h ei m p a c to f p i s t o nd i a m e t e ro nt h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h ec y l i n d e ri s d o u b l e s i d e d ，w h e nt h ed i a m e t e ri ss m a l l ，i n c r e a s et h ep i s t o nd i a m e t e rw i l ld oh e l pt o i m p r o v i n gt h es t a r t u ps p e e d ，a n dt h em a x i m u ms p e e da n da c c e l e r a t i o nt h a tt h ep i s t o n w i l lr e a c h e si sa l s og r o w i n gd u r i n gt h ew h o l ep r o c e s s ，b u tt h i st r e n di sl e s so b v i o u sa s t h ep i s t o nd i a m e t e ro fu pt oac e r t a i ne x t e n t ，w h a tw a sw o r s e ，t h ef a c t o rc h a n g e si n t o n e g a t i v ei m p a c t so nt oi m p r o v i n gt h es t a r t i n gs p e e d r e s u l t s 4 t h ep i s t o na c c e l e r a t i o nd e c r e a s e sm o r ea n dm o r eo b v i o u sd u r i n gt h e w o r k i n gp r o c e s sw h e nr e d u c et h es t o r a g ec h a m b e rv o l u m ew i t h i nac e r t a i nr a n g e ，t h e m a x i m u ms p e e do ft h ep i s t o nr e a c h e sh a sb e e nr e d u c e da l s o b u tt h i st r e n dw i l ln o ts o o b v i o u sw h e nt h es t o r a g ec h a m b e rv o l u m ei sb i ge n o u g h r e s u l t s 5 s t a r tc h a m b e rv o l u m ea n dn o z z l ed i a m e t e rh a sl i t t l ei m p a c to nd y n a m i c r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fc y l i n d e r i t sj u s to kt om e e tt h es t r u c t u r a la n di n s t a l l a t i o n r e q u i r e m e n t s t h i sp a p e rp r o p o s e dao p t i m a lp a r a m e t e r sc o m b i n a t i o no ft h ed r i v em e c h a n i s mi n t h ei n c l i n a t i o na d j u s t o ro fs e a tc u s h i o nd e v i c eu p o nc o m p l e t i o no ft h ee x p e r i m e n t a la n d c o m p u t e rs i m u l a t i o ns t u d ya b o u tt h ed r i v e nc y l i n d e r t h a t si n s t a l l i n gt h es o l e n o i dv a l v e o n t ot h ec y l i n d e rb l o c ka n de l i m i n a t i n gt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h es o l e n o i dv a l v ea n d s t a r tc h a m b e r ；i n c r e a s i n gt h ep i s t o nd i a m e t e rt o5 0 m m ；c h a n g i n gs t o r a g ec h a m b e r d i m e n s i o n st o0 6 0 x 6 0 m m ；p r o v i d i n gt h em a x i m u mp r e s s u r eo ft h ea i rc o m p r e s s o ri n t h ev e h i c l e o t h e rp a r a m e t e r sr e m a i nu n c h a n g e d p e r f o r m a n c eo ft h eo p t i m i z e dd r i v e n c y l i n d e rw i l lg r e a t l yi m p r o v e k e yw o r d s ：d r i v e nc y l i n d e r , d y n a m i c r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s ，f l u e n t s i m u l a t i o n ，d y n a m i cm e s h ，p n e u m a t i cc y l i n d e rt e s t ，o r t h o g o n a l o p t i m i z a t i o n 江苏大学硕士研究生论文 第一章概述 目录 1 1 1 选题的背景和意义1 1 2 汽车座椅的功用和性能指标。2 1 3 座椅安全性研究研究现状及动态3 1 3 1汽车座椅安全性研究内容和现状3 1 3 2 汽车座椅安全性研究动态。4 1 3 3 坐挚倾角调节装置驱动机构研究的不足8 1 4 座椅坐垫倾角调节机构对乘员的保护效果9 1 5 座椅坐垫倾角调节机构对驱动机构的要求1 0 1 6 本文主要研究内容。1 1 第二章座椅系统与坐垫倾角调节装置1 2 2 1 座椅的安全性结构1 2 2 2 座椅坐垫调节装置介绍与基本原理1 2 2 3 驱动机构1 4 2 3 1 驱动气缸物理模型1 4 2 3 2 驱动机构工作原理1 5 2 4 本章小结1 6 第三章驱动气缸数值模拟理论基础。1 7 3 1 计算流体动力学( c f d ) 概述1 7 3 1 1 c f d 的发展1 7 3 1 2c f d 软件结构1 8 3 1 3c f d 工程分析一般步骤1 9 3 2 控制方程与湍流模型1 9 3 2 1 控制方程1 9 3 2 2 湍流模型2 0 3 3 控制方程的离散方法2 0 3 4 控制方程的数值解法2 1 3 4 1 s i m p l e 算法2 1 3 4 2s i m p l e r 算法2 2 3 4 3 s n 佃l e c 算法2 2 3 4 4 p i s o 算法2 3 v 座椅坐垫倾角调节驱动机构动态响应特性研究 3 5网格技术2 3 3 5 1 动态网格模型。2 4 3 5 2 动态网格更新方法2 4 3 6 边界条件2 7 3 6 1p r e s s u r ei n l e t 边界2 8 3 6 2w 甜l 边界2 8 3 6 3f l u i d 边界条件2 8 3 6 4i n t e r i o r 边界。2 8 3 7 用户自定义函数2 9 3 8 本章小结2 9 第四章驱动气缸动态响应性能实验研究。3 0 4 1 实验项目设置及实验要求3 0 4 2 实验设备及实验台搭建3 1 4 2 1电磁阀3 1 4 2 2 加速度传感器3 1 4 2 3电涡流传感器3 2 4 2 4 信号采集器3 3 4 2 5 信号采集。3 3 4 2 6 试验台搭建及调试3 5 4 3 驱动气缸动态响应性能测量及结果分析3 6 4 3 1 气缸启动特性影响因素的测量3 7 4 3 2 气缸工作特性影响因素的测量3 8 4 4 试验总结及结果分析：4 0 4 5 本章小结4 0 第五章驱动气缸动态响应三维流场模拟4 1 v i 5 1 仿真计算流程4 1 5 2 计算域建模4 1 5 2 1 概述4 1 5 2 2 物理模型及计算域转化4 1 5 3 二次开发程序设计。4 3 5 3 1 活塞运动方程建立。4 3 5 3 2u d f 源程序编制4 4 5 4 f l u e n t 仿真相关参数设置一4 5 5 5 仿真模型的验证。4 6 江苏大学硕士研究生论文 5 6 5 7 第六章 6 1 6 2 6 3 6 4 6 5 驱动气缸动态响应三维流场模拟4 7 5 6 1 驱动气缸启动特性影响因素模拟4 7 5 6 2 驱动气缸工作特性影响因素模拟5 0 本章小结5 3 6 6 第七章 7 1 7 2 致谢 参考文献 驱动机构参数优化及理想驱动机构 正交实验设计方法简介5 4 驱动气缸启动特性参数优化及结果分析5 4 驱动气缸工作特性参数优化及结果分析5 6 驱动气缸因素影响分析及理想方案确定5 7 理想驱动气缸三维流场模拟5 8 6 5 1 理想驱动气缸c f d 模型建立5 8 6 5 2 理想驱动气缸三维流场仿真及流场演变过程5 9 本章小结6 3 总结及展望 工作总结和结论：“ 研究展望6 5 附录u d f 源程序 攻读硕士学位期间发表的论文 6 6 6 7 6 9 7 1 v 江苏大学硕士研究生论文 第一章概述弟一早僦尬 1 1选题的背景和意义 汽车交通作为人类文明的标志，彻底地改变了人类发展的历史进程。给人类 以舒适和便捷交通环境的同时也给一部分人带来了灾难性的后果。汽车交通事故 就是其中也是最严重的灾难之一。据世界卫生组织发布的道路安全全球现状报 告显示，全球每年有1 2 7 万人死于道路交通事故，并给2 0 0 0 万至5 0 0 0 万人带 来非致命伤害。道路交通事故仍然是一全球公共卫生问题，尤其是在低收入和中 等收入国家【1 1 。这不仅导致了乘员死亡和受伤，而且也造成了十分巨大的经济损失。 就我国而言，从上世纪7 0 年代起交通事故增长速度明显加快，尤其到上世纪 9 0 年代以来，随着汽车普及化和保有量的增加，交通事故死亡人数己稳居世界第 一。近年来，随着国家大力加强交通安全教育和管理，交通事故死亡人数虽略有 下降，但交通事故伤亡人数依然十分庞大。2 0 0 9 年全国发生4 6 5 0 8 3 次交通事故， 死亡9 3 5 5 0 人，直接经济损失1 3 7 亿元【2 】。根据公安部通报统计，近几年全国道 路交通事故情况如表1 - 1 所示，无论从事故次数还是伤亡人数都有一定程度的降 低。 表1 1 近几年年全国道路交通事故统计 t a b l e1 - 1t h en a t i o n a lr o a dt v d 伍ca c c i d e n ts t a t i s t i c so fl a s tf i v ey e a r s 汽车座椅是乘员约束系统中极为重要组成部分，与安全带和安全气囊等部件 共同构成乘员约束系统。座椅是将乘员与车身联系在一起的重要安全部件，正常 状态下，座椅通过自身的形状与相对位置达到对乘员约束的效果。理想的座椅不 但要提供舒适的乘坐环境及保证乘员的坐姿，更要能够在极端状态下给乘员以必 要的保护。 安全带对乘员的保护效果十分显著。据统计显示，使用安全带可将前座乘客 座椅坐垫倾角调节驱动机构动态响应特性研究 的死亡风险降低4 0 - 5 0 ，将后座乘客的死亡率降低2 5 , - - , 7 5 1 3 1 。在一些发达 国家安全带相当普及，例如澳大利亚、德国的使用率高达9 0 以上，美国安全带 使用率约为7 9 4 1 ，而国内安全带的使用率远低于此。抽样调查显示，合肥出租车 前排乘客安全带佩戴率不足1 ，南京机动车前排乘车人安全带佩戴率不足1 0 【5 】 【6 】。基于国内乘员绝大部分不佩戴安全带的情况，对汽车座椅本身的约束能力研 究意义十分重大。 1 2 汽车座椅的功用和性, 月e - , , 匕l a 丁4 匕日标 汽车座椅是汽车内室系统的重要部件也是乘员约束系统中极为重要组成部 分。一个完整的座椅大致分为座垫、调节装置、靠背、头枕和座椅连接件1 7 1 。每一 部分的设计都直接关系到乘员乘坐舒适性和安全性。汽车座椅的功用【8 】概括起来主 要包括：( 一) 乘员定位和支撑。通过座椅对驾驶员的定位，可以使驾驶员获得良 好的视野，并实现驾驶员对汽车操纵系统的控制，给普通乘客提供合理的体压分 布，可以有效的保证人体在车辆行驶过程中的平衡与平稳，保持一定的坐姿。( 二) 为乘员提供舒适的乘坐环境。通过对座椅坐垫、靠背、头枕等的合理设计及选材， 以及各种人性化的附属设备，能为乘员提供优越的乘坐环境。( 三) 在汽车受到撞 击时最大限度的保护乘员的安全。通过合理配置安全带，能够在极端状态下给乘 员生命以必要保护；通过合理的配置头枕和靠背的软垫，防止乘员的颈部以及头 部在汽车发生碰撞时受到意外伤害。此三者中，定位和支撑功能是座椅基本功能， 是必须具备的，后两者是座椅在生产设计中要努力达到的，如何达到，也是目前 对座椅研究的重点。与此对应的座椅评价指标，也即是座椅的舒适性和安全性。 汽车座椅舒适性主要包括静态舒适性、动态舒适性及操纵三个方面【9 l 。静态舒 适性是指座椅在静止状态下提供给乘员的舒适特性。其性能主要取决于座椅尺寸 参数、表面质量、调节特性等；动态舒适性是指汽车在运动状态下通过座椅骨架 以及软垫将振动传递到人体的舒适特性，与座椅以及人体的振动特性密切相关 0 0 1 1 1 1 】。操作舒适性是驾驶员和乘员在车内正常活动的舒适程度，主要与座椅和车 内其他部件的布置有关。 座椅安全性是指汽车座椅能有效防止汽车事故的发生及发生事故后能有效减 轻事故对乘员伤害的能力1 1 2 1 。随着对汽车座椅安全性研究的深入，座椅安全性又 被细划分为主动安全性和被动安全性两个方面【”】。 随着我国汽车工业的飞速发展，尤其国内轿车快速走进家庭的情况下，座椅 2 1 3 座椅安全性研究研究现状及动态 1 3 1汽车座椅安全性研究内容和现状 汽车座椅不仅要减轻驾驶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，这 也是当前国内外对座椅安全性研究重点。目前对汽车座椅的研究主要集中在座椅 舒适性和安全性两个方面而且这两方面相互交织相互渗透。由于舒适性上客户最 直接的感受，所以座椅舒适性是汽车生产厂家首先要满足顾客的一个指标。 座椅的主动安全性是指座椅能够有效地防止事故发生的能力【1 4 1 。就主动安全 性而言，座椅系统如何有效防止事故的发生是至关重要的。首先，座椅系统的设 计与驾驶员视野、驾驶员定位以及其它汽车控制系统功能的更好发挥息息相关， 这些系统之间配合的好坏也不同程度的影响座椅的主动安全性。其次，通过合理 的设计提高座椅舒适性，降低驾驶疲劳，给驾驶员提供一个良好的工作环境、宽 阔的视野，使他们心情愉快、精力集中，也可以有效地防止交通事故的发生，从 而提高汽车的主动安全性。这也是座椅舒适性追求的目标所在。 座椅的被动安全性【1 4 】是指汽车发生碰撞后，能够对车内乘员进行保护，以免 发生伤害或使伤害降低至最低程度的性能。汽车座椅作为在被动保护中起重要作 用的内饰部件，直接影响乘员的安全。首先，在事故中它要保证乘员的生存空间 并且该空间不受侵犯。其次，要使乘员在事故发生过程中保持一定的姿态，以保 证安全带和安全气囊等其它的约束系统能充分发挥其保护效能。此外，还应能够 在发生二次碰撞时使乘员的伤害减轻到最低，即能够吸收乘员与之碰撞产生的能 量。 在过去的几十年的研究里，座椅碰撞安全性已经得到了欧、美、日等汽车工 业发达国家的高度重视，无论是法规标准还是实验设备及方法都已经非常完善。 6 0 年代，美国国家公路交通安全局( n a t i o n a lh i g h w a yt r a f f i cs a f e t ya d m i n i s t r a t i o n ) 颁发了关于头枕和座椅系统的被动安全标准f m v s s 2 0 2 和f m v s s 2 0 7 ，以后各 国政府颁发的有关座椅性能法规均以此座椅安全性法规为准绳【1 4 1 。2 0 世纪9 0 年代 出现的整体约束式座椅( i n t e g r a t e dr e s t r a i n ts e a t ) 1 5 l ，安全带的三个固定点都安装在 座椅骨架上，座椅不仅要承受碰撞过程中安全带的所有载荷，而且能够把载荷由 座椅骨架传递到地板上，能够有效降低碰撞过程中头部伤害指标h i c 值、安全带 3 座椅坐垫倾角调节驱动机构动态响应特性研究 的拉力和胸部的加速度。目前座椅被动安全性研究不仅局限于驾驶员和普通乘员 的保护，儿童和特殊乘员的保护又是一个研究的热点。 在碰撞过程中，尤其是在追尾碰撞和侧部碰撞过程中，座椅发挥的保护作用 是至关重要的。在追尾事故中，头枕的设计要避免由于头枕过低或与靠背的相对 位置不当，而引起胸部与头部的加速度差值过大，而造成乘员颈部出现严重伤害。 靠背要有足够的强度，避免由于强度不足形成的靠背断裂及坍塌现象，使乘员抛 向后排座椅或车身后部，造成乘员头部和颈部损伤，并伤及后排乘员1 1 6 1 。在正面 碰撞中，安全带是主要的安全部件。对座椅而言，一方面，座椅与车身连接强度 要足够，否则座椅就会在很大的惯性力的作用失效；另一方面，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是影响乘员损伤指标的重要因 素之一。靠背强度和刚度太大或者太小都会对乘员造成意想不到的伤害。而且， 座椅靠背的力学特性也是影响后排乘员损伤指标的重要因素。此外座椅的坐垫和 靠背倾角如果设计不当，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( 即所谓“潜水”现象) ，这会使乘员伤害值大大增加m 。 由于我国的汽车工业起步较晚，和国外汽车座椅被动安全性的研究状况相比， 座椅的设计研究工作也比较落后。从目前国内的正面碰撞乘员保护研究现状显示， 关注的重点集中在车身的结构设计和乘员约束系统的匹配上，而对汽车座椅的研 究却相对较少。国内对汽车座椅安全性的研究主要集中在座椅骨架静强度和追尾 碰撞时乘员颈部损伤的研究。为了提高轿车正面碰撞安全性，降低因正面碰撞事 故造成的人员伤亡，近年来我国在汽车座椅安全性的法规、试验和研究方面已取 得了一定的进展。我国国家标准g b1 1 5 5 0 1 9 9 5 规定了汽车座椅头枕性能要求及 试验方法，g b1 5 0 8 3 9 4 规定了汽车座椅系统强度要求及试验方法。g b1 3 0 5 7 - 2 0 0 3 中又针对客车座椅及其车辆固定件的强度提出了要求。这些标准的制定一定程度 上参照了美国f m v s s 一2 0 2 、f m v s s 一2 0 7 法规和欧洲e c e r 1 7 等标准。在相关要 求及实验方法上达到了与国际接轨。 1 3 2 汽车座椅安全性研究动态 汽车座椅能够给成员提供的安全保护主要有头颈部保护、防潜滑保护，而目 前对汽车座椅安全性研究也多集中在这两个方面。随着乘员组成的多样性与不确 定性，与客户对座椅的特别需求，针对特殊人群( 孕妇、儿童) 保护的研究也是 座椅安全性研究的的一个热点。例如对儿章安全座椅的研究。 4 江苏大学硕士研究生论文 ( 1 ) 头颈部保护系统 针对后碰撞对乘员造成的伤害，v o l v o 公司于1 9 9 8 年推出了w h i p s 头颈部保 护系统【1 s l ，该系统是一种集成在前座椅中的保护系统，可以在后端碰撞中支撑乘 坐者的整个后背和头部。该保护系统通过靠背和坐垫之间的能量吸收变形部件从 而对碰撞进行缓冲。而发生后部碰撞时，靠背也会跟随乘坐者的后向运动，以减 小颈部和脊柱的受力。头颈部保护系统具有非常明显的保护作用；根据沃尔沃汽 车交通事故研究小组的研究，该系统可将头颈部损伤的长期影响减小一半。 图1 - 1w h i p s 头颈部保护系统 f 蟾1 - 1w h i p l a s hp r o t e c t i o ns y s t e m 同样也是为了降低在追尾碰撞中对乘员头、颈部造成的伤害，丰田公司提出 了“w i l 概念座椅 1 9 1 ，其设计原理就是在碰撞发生时对整个脊椎和头部提供 同步安全支撑。“w i l 概念座椅通过新颖的靠背工程结构和头枕设计，有效地 维持颈椎和座椅之间的角度，使头部和脊椎拥有妥善的承托保护。当追尾发生时， “w i l 概念座椅的靠背会提高身体与座椅的吻合度，同时头枕也相对前移，缩 短头部和头枕的距离，缓解颈椎摆动幅度，从而避免给颈椎带来的伤害。 颓部与胸 嗣嚣李围定疆都与胸龆。 降 蠡颈部的相对运动。 追尾碰援前的角度每逛尾碰撞瑶的角度 图1 - 2w i l 概念座椅原理示意 f i g1 - 2s c h e m a t i cw i lc o n c e p ts e a t 主动式头枕是一种纯机械系统，上方的衬垫支撑，是由一条连杆连接至座椅 5 座椅坐垫倾角调节驱动机构动态响应特性研究 靠背内的压力板，当座车遭后方追撞时，乘客的身体因撞击力的作用，会撞向靠 背，将压力板往后推，促使头枕往上往前推动，以便在头颈猛烈晃动之前，托住 乘客的头颈，防止或降低受伤的可能。而主动式头枕的另一项优点，是在动作完 成后，会自动回复到原来位置，以备下次使用，无须进行维修，其设计目的则是 在提供充分的头颈椎保护。其显著效果己在碰撞调查中获得充分的证明。据调查 显示，配备主动式头枕时，可降低7 5 后碰撞所造成的颈椎伤害。 “w h i p l a s hi n j u r yl e s s e n i n g ”的驾驶员安全防护头枕是与“w i l 概念座椅 配套 产品，在受到追尾碰撞时，乘员被推到一个承受碰撞能力的靠背部件中，提前对 乘员的头部进行安全保护。 图1 - 3 丰田“w h i p l a s hi n j u r yl e s s e n i n g ”驾驶员安全防护头枕 f i g1 - 3 ”w h i p l a s hi n j u r yl e s s e n i n g ”d r i v e rs a f e t yh e a d r e s t r a i n t so ft o y o t a 当颈椎保护得到了越来越多来自法规部门和消费者的关注时，2 0 1 0 年7 月， 李尔公司在第一代主动式安全头枕的基础上通过改变头枕调节驱动机制，推出了 第二代p r o t e cp l u s 主动式安全头枕【2 1 1 。第二代主动式安全头枕以其超凡的测试 性能吸引了业界的目光。李尔公司的第一代主动式安全头枕已经被证明可以减少 4 3 颈椎扭伤的发生率( 根据i i h s 提供的数据) ，并且应用在了全球超过7 0 0 万量 汽车上。 当后擦碰发生的时候，为了将颈椎损伤的可能性降到最低，头枕的高度一定 要得到保证，而靠背距离必须达到最小。法规上的要求和顾客评级系统已经促使 传统头枕的设计高度越来越靠近用户的头部。但采用这种方法却可能引起不适， 同时也影响侧面视野。李尔公司的解决方案是将头枕设置在一个与用户头部适当 的距离，使用户感觉更舒适，当后擦碰发生的时候，借用户身体之力使头枕上移， 达到一个靠近用户头部的高度，以此来使颈椎扭伤的风险降到最低。第一代的主 动式安全头枕就是利用了肩膀的力量来达到这个效果。而在第二代中，李尔公司 重新设计了头枕以盆骨的力量在后擦碰发生时使头枕达到适当位置。与第一代相 比利用瓮骨力量可以加快反应速度，头部的快速支撑可以减少对颈部的压力。 6 江苏大学硕士研究生论文 图1 - 4p r o t e ep l u s 主动式安全头枕 f 远1 - 4p r o t e cp l u sa c t i v es a f e t yh e a dr e s t r a i n t s ( 2 ) 儿童安全座 汽车儿童安全座椅首先在欧美等发达国家得到发展，特别是8 0 年代以来，欧 美等国相继出台相关的法规，强制儿童乘车必须使用汽车儿童安全座椅，汽车