現階段頭枕靜態強度試驗常見問題分析

許繼藝

中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122

0 引言

汽車座椅及頭枕作為汽車上乘客約束系統中的重要被動安全部件，不僅可以有效起到緩解疲勞、釋放壓力，同時在保護乘客方面有著很重要的作用，可對乘員的腰部、頸椎及頭部起到良好的支撐和保護作用，在車輛不斷重新起步、加速、制動過程中承受著沖擊，同時在發生碰撞事故時，可以與安全氣囊、安全帶等被動安全部件配合保護乘員。因此座椅的強度直接關系到乘員的生命安全。為此國家強制性標準GB 15083—2019以及GB 11550—2009中對座椅和頭枕的靜態強度均提出了專門的測試方法，但這兩個標準在關于座椅和頭枕的測試方面是相似的，因此在頭枕測試方面只需考慮GB 11550—2009即可。

1 頭枕靜態強度試驗簡介

頭枕靜態強度測試用于評估座椅頭枕及其固定結構抵抗變形和破壞的能力，確保在后碰發生時，頭枕可以及時且很好地托住乘客的頭部，防止因頸部的轉角過大帶來的頸部傷害。以GB 11550—2009 《汽車座椅頭枕強度要求和試驗方法》為基礎，介紹頭枕靜態強度試驗的流程及要求。

1.1 試驗流程

試驗流程如下：

(1)試驗前座椅狀態及調整。確認座椅及頭枕狀態，將座椅調整至設計位置(需調節滑軌、高度調節裝置以及靠背角度);若頭枕高度可調，則需調整到最高位置。

(2)P1階段(確認移位基準線)：以點(用三維點測量裝置確認座椅的點位置，使設備上的施力裝置與座椅點重合)為旋轉中心，通過靠背施力裝置(即假背)對靠背施加373 N·m的力矩，在靠背施力裝置穩定后對應的軀干線即為移位基準線,如圖1所示。

圖1 試驗P1階段示意

(3)P2階段(最大向后位移量)：沿著初始基準線與頭枕最高點的切線往下65 mm找到加載點，以直徑165 mm的頭型，垂直于移位基準線施加相對點扭矩為373 N·m的載荷頭型位移穩定后測量并記錄位移量，該位移量需小于102 mm，如圖2所示。

(4)P3階段(頭型890 N)：如果頭枕位移量符合標準要求，頭型在該作用點繼續加載，最大應加載到890 N(圖2)，卸載并結束試驗，最后檢查頭枕及固定結構是否損壞。

圖2 試驗P2階段示意

試驗設備假背高度固定不可調，因此假背的加載力臂固定。不同的試驗設備有著不同的假背加載力臂，本文所使用的設備加載力臂為0.405 m，而頭枕加載力臂為頭枕最高高度往下65 mm，且隨著座椅頭枕的高度不同而變化。

1.2 試驗要求

假背及頭型的加載曲線(P2階段)如圖3所示，由圖可以看出，假背加載曲線最高加載到920 N，換算成力矩即為373 N·m，假背加載完成確認好移位基準線，也就確認好頭枕加載的零點位置(移位基準線即為頭型加載的零點位置);當假背加載部分完成，假背便固定不動，頭型垂直于移位基準線并相對于點對頭枕施加373 N·m，記錄頭型最大向后位移量。

圖3 假背及頭型的加載曲線(P2階段)

在確認頭型最大向后位移量符合標準要求(頭型最大向后位移量應小于102 mm)后，繼續加載，最大應加載到890 N，試驗加載部分完成，最后需檢查頭枕及其固定裝置是否損壞。

2 頭枕試驗失效分析

為了在EURO-NCAP的鞭打試驗中獲得更好的分數，很多廠家在設計頭枕桿時，由原來的直桿換成彎桿，大大減少了頭型與頭枕之間的距離，便于頭型與頭枕更快接觸，從而減小空行程，同時也提高了骨架的后向剛性。由圖3的加載曲線可以看出，頭型與頭枕接觸并施加載荷時已經是位于移位基準線之前70 mm，這使得通過測試P2階段基本上無懸念，但是在測試過程中也能發現小部分的座椅在P3階段還是存在問題，現就此展開說明。

2.1 頭枕桿以及與座椅連接的插管失效分析

頭枕桿以及插管在試驗的P2和P3階段直接承受頭型的加載，由于力臂較長，頭枕桿的強度在這個過程中直接決定了試驗的成敗。頭型加載試驗如圖4所示，由圖可以看出，頭枕已經嚴重變形。

圖4 頭型加載試驗

如圖5所示，頭型加載到890 N(P3階段)的最大位移量達到了300 mm以上，從國家標準的要求上看，雖然頭枕變形嚴重，但是頭枕及其固定裝置并未損壞，這個頭枕在靜態強度試驗上是符合要求的，但是頭枕在發生事故時并不能有效地對人體的頸椎及頭部產生良好的支撐。同時會對后排的乘員空間產生干涉，這樣對后排乘員也是危險的。

圖5 假背及頭型的加載曲線(P3階段)

經過對座椅的拆卸發現頭枕插管變形量較大，同時插管與座椅骨架之間的焊接出現裂縫。這種情況在不符合標準的試驗中比較常見，頭枕桿豎直梁強度不夠，直接造成試驗未通過，建議廠家可以增加頭枕桿直徑或者頭枕軟墊(泡沫填充層)的剛度，但是增加頭枕軟墊的剛度會對頭枕的另一個試驗項目(頭枕能量吸收性)產生不利的影響，因此這種改進方式需謹慎考慮。

2.2 靠背骨架與調角器連接件失效分析

調角器作為大部分汽車座椅上必備的部件，在試驗過程中，力矩最終大部分會傳遞到調角器上，因此調角器與骨架之間的連接件在很大程度上承受載荷后會產生變形，如圖6和圖7所示。

圖6 座椅骨架總體變形情況

圖7 連接件變形情況

由圖能清楚地看出，骨架產生了比較大的變形以及扭曲，左側變形明顯大于右側。同時也能看出廠家在骨架上也進行了加固，但是骨架兩側的強度不一致，在加載過程中受力不均致使骨架左側的變形量較大，導致無法繼續完成試驗。

由圖還可以看出，在安裝有調角器的一側，由于調角器的存在，使得整體剛度會高于另一側，但是由于調角器需與座椅整體骨架連接，就造成了骨架上存在薄弱點。針對這種情況，需從設計層面考慮，建議重新考慮靠背骨架的材料以及剛度?，F在已經有廠家提出了雙調角器的想法，即在左右兩側均裝上調角器，以此來平衡兩邊加載力，這樣就可避免因受力不均造成單邊的變形。

2.3 帶扶手的后排中間座椅頭枕失效分析

后排座椅中間頭枕，很容易在最大向后頭枕位移量上不符合標準要求。這并不是因為座椅或者頭枕在強度方面的問題導致，而是由于扶手和座椅靠背與坐墊的泡沫造型產生的。

后排中央扶手為后排駕乘人員提供手部支撐，同時配有杯架或儲物盒，大部分由硬質塑料、座椅面套搭配少量的泡沫組成。為保證良好的支撐性以及耐久性，扶手的硬度會比較大，造成在靜態強度的P1階段移位基準線會比兩側座椅大大的靠前。因此大部分情況下，頭型在與頭枕接觸并施加載荷之前，已經走了很長一段的空行程，這對于標準中要求的102 mm的最大向后位移量是十分不利的。

由于扶手需對手部進行支撐，在很大程度上不能對扶手的強度以及設計進行改變，因此需在頭枕設計上進行改變，減少頭型移動的空行程距離?，F有廠家將頭枕桿換成圓弧形，在頭枕處于最高位置時，可以大大減少頭型與頭枕之間的距離。

3 結束語

隨著汽車智能化的發展，人們對駕乘的舒適性提出了更高的要求，座椅不單單是一個座椅，更多的是與整個座艙聯動，不斷地對駕乘人員的精神、身體狀態進行實時監控并在一定程度上做出反饋;開發新的結構材料和制造工藝，使座椅不僅僅局限于金屬材料、泡沫，讓座椅符合人體工程學，座椅的移動機構將會更多，不僅僅是前后、可以是左右，甚至360°的旋轉，座椅隨時隨地變成會晤聊天的空間，同時能夠隨著使用者的移動而移動，減小路況的起伏等帶來的影響。但基于現階段的法規體系以及技術、成本等問題，座椅對駕乘人員的保護性還是放在第一位，這就決定了整個座椅系統的強度在未來還是最重要的。因此汽車座椅頭枕的強度依然是各生產企業必須保證的指標。

本文針對在試驗過程中比較常見的問題進行了分析并給出了改進措施，希望對同行在設計過程中有所幫助，滿足試驗要求，使頭枕的強度達到更好的效果。