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正面碰撞条件下的可升降机构在电动座椅领域应用

2021-11-19 23:24:07·  来源：AUTO内饰行家  
　
摘要电动座椅作为汽车上不可缺少的一部分，随着时代的发展，汽车的电动座椅正变得越来越智能化。各个品牌已经出现了各种各样的机构形式。因此研究者通过对升降机
摘要

电动座椅作为汽车上不可缺少的一部分，随着时代的发展，汽车的电动座椅正变得越来越智能化。各个品牌已经出现了各种各样的机构形式。因此研究者通过对升降机构的研究，在传统拖载式升降机构的基础上，在交通载具处于正面100%重叠刚性屏障碰撞的条件下，提出一种能主动移动的可升降电动座椅设计。通过使用撞击传感器、车速传感器、测距雷达、加速度传感器、座椅传感器、不间断地向ECU 发射此信号，ECU 记录收集到的信号等待调用。该电动座椅能减少人体与发生碰撞区域的接触面积，通过减少发生接触面积的方式来减少人体对于冲击载荷的吸收，创造碰撞安全区，减少碰撞对人体的伤害。

关键词：升降机构；正面碰撞；电动座椅；安全空间

作者：翟经纬 邓钰 李汉洲 刘敏 汤茜 张津
单位：南京航空航天大学金城学院机电学院

随着中国汽车的保有量越来越多，汽车在路上行驶的事故率也越来越高，人们对于交通载具的安全性能要求日益增长，中国C-NCAP的碰撞测试的法规也变得越来越严苛。这些变化对交通载具的安全性的要求也不断提高。将汽车侧视图车头位置至汽车加速踏板边缘点之间连线的距离定义为发生碰撞的最佳吸能距离，而被这条最佳碰撞吸能距离竖直方向所包括的空间就定义为最佳碰撞吸能区。当该区域被连续压缩，超过了限值时，则定义为击穿。汽车的最佳碰撞吸能区被击穿后，位于原位置的加速踏板、制动踏板、转向柱、方向盘等与驾驶员接触的区域，都会出现一个相对于驾驶员的位移量，该位移量的产生会导致整个“驾驶员- 车”系统的不平衡，驾驶员在这一不平衡过程中会吸收冲击，并且受到伤害。因此，研究者设计了一种在汽车碰撞吸能区被击穿后能主动增加安全空间的座椅，削弱驾驶员对碰撞冲击的吸收，减少驾驶员在正面碰撞事故中的伤害[1-2](图1)。


图1 在驾驶员车-系统中发生碰撞最佳吸能区域

1. 汽车碰撞后内饰的入侵对车内乘员的伤害

汽车在碰撞发生过程中，车头、车架A柱、内饰，都会有不同程度的形变，而这会造成内饰对乘员空间产生不可控的入侵。2019 年，中国保险行业协会公布了某品牌轿车于10 月进行的中国保险汽车安全指数（C-IASI）测试数据。该品牌轿车车型以64 km/h 的车速，在正面25%偏置碰撞测试中仅取得最低的P（较差）评级。从测试车型碰撞的残骸来看，A柱弯折后连同引擎盖和前挡风玻璃一同侵入驾驶室。该车型的乘员舱上部入侵量获得P（较差）评级，乘员舱下部入侵量获得M（一般）评级。由碰撞所引起的入侵对假人的头部、颈部、胸部、盆骨、腿部和脚部造成较为严重的伤害。


图2 某品牌SUV车型在25%偏置碰撞测试下的仪表盘入侵

2. 设计原理

通过使用撞击传感器1、车速传感器2、测距雷达3、加速度
传感器4 来实现电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）对汽车是否发生碰撞的判断。撞击传感器可采用13504470 或K8581，撞击传感器在与汽车发动机曲轴中心线垂直且相交的位置，正投影在汽车发动机舱与乘员舱之间的防火墙上，数量总共两个，位置呈现以汽车中线对称位置的放置，在汽车发生碰撞形变到接近乘员舱的位置的时候，设计在此位置可以第一时间向ECU传输碰撞信号。座椅的可升降机构主要由最底层的支撑机构、传动机构、中层电机推动组、上层承载平面等组成。但为了实现升降机构的横向滑动。因此在电动座椅上配置：滑动电机、倾斜电机、前垂直电机。用于实现座椅的移动。ECU接收到碰撞信号。座椅的传动机构主要由蜗轮蜗杆、联轴装置、电磁阀等组成。汽车在碰撞后，电动座椅上的电机模块控制拖拉式升降机构中的传动机构，使整个升降机构向后移动，从而座椅能够向后移动。


图3 电子控制单元组成

3. 工作过程

车头的碰撞区已经充分发挥其吸能的作用，但碰撞产生的冲击已经击穿最佳碰撞吸能区且仍有入侵乘员舱的趋势。在汽车正常行驶工况下，撞击传感器不间断地向ECU 发送汽车速度变化信息。整车的ECU模块将对这种信息进行分析和判断，若撞击传感器所测得的速度信息偏离正常值，即汽车发生了碰撞工况。此时蓄电池来对电机供电，使得电机产生转矩，转矩作用于导轨蜗杆上，导轨装配有蜗杆、蜗轮、齿条。直流电机产生的转矩经过蜗杆传递至两侧的蜗轮上，经过齿条的带动，使座椅发生向后的移动。


图4 工作过程示意图

在汽车最佳碰撞吸能区被击穿的条件下，即使位于原位置的加速踏板、制动踏板、转向柱、方向盘等对于乘员舱产生入侵，前排乘员也会因为电动座椅的向后方主动滑移一定的距离而减少自身受到的伤害。

4. 关于电动座椅的OASYS仿真结果

研究者选取目前市场上在售的某品牌轿车模型，该模型前排包括：假人、安全带、座椅、踏板、地板总成、转向管柱、安全气囊。因最佳碰撞吸能区的边界为汽车踏板，且驾驶员的足部与踏板接触的点为驾驶员的最远端，一般来说，正面碰撞的发生所导致的形变，汽车地板的形变对于前排乘员的危害是最大的，因此研究此点在碰撞中具有代表意义。


图5 仿真所采用的人车模型

研究者选定假人足部与踏板为“足- 踏板”系统为研究对象。选择两组仿真，图6上方图为第一组，第一组为碰撞后固定的电动座椅，图为模拟发生碰撞时假人足部压缩量示意图。图6下方图为第二组，第二组是碰撞后能主动向后方滑移的电动座椅，图为模拟发生碰撞时此时假人足部压缩量，通过仿真实验最后结果可知，主动向后方滑移的电动座椅上的假人足部压缩量，从实验开始至结束与第一组相比总是最小，可以得出假人足部受到的冲击也是减少的。



图6 两组假人足部的压缩量结果对比

5. 应用前景

未来越来越多的家用车都会配备电动座椅，研究者基于升降式电动座椅设计了增加安全空间的电动座椅，其潜在应用前景十分广阔。在汽车保有量越来越多的今天，该设计可以更好的应对乘员舱的变形，减少击穿情况下所造成的乘员伤害，以及在碰撞中的法律法规中拥有更好的兼容性，结合未来的智能网联汽车，该设计会在不断地应用中更加普及与智能。

参考文献
[1]赵民,周嘉伟,王宇,邵萌.汽车前排座椅正面碰撞的仿真分析及优化[J].机械设计与制造,2020,(10):149-152.
[2]于爽,陈剑宇.汽车下车身正面碰撞力的传递路径研究[J].汽车实用技术,2020,（13）：112-113.
[3]裘臻,包崇美.汽车主被动安全性的改善方法研究[J].时代汽车,2020,(15):173-174.
[4]张润峰.汽车安全性探究[J].决策探索(中),2019,(09):49.
[5]胡雷.面向C-NCAP 的某车型正面100%重叠刚性壁障碰撞前排约束系统仿真优化与试验验证[D].重庆：重庆大学，2019.
[6]郝琪,刘卫斌,肖琪,潘文杰.小型纯电动汽车正面碰撞分析.[J].汽车技术,2019(09):58-62.
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