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正面碰撞條件下的可升降機(jī)構(gòu)在電動(dòng)座椅領(lǐng)域應(yīng)用

2021-11-19 23:24:07·  來(lái)源：AUTO內(nèi)飾行家  
　
摘要電動(dòng)座椅作為汽車上不可缺少的一部分，隨著時(shí)代的發(fā)展，汽車的電動(dòng)座椅正變得越來(lái)越智能化。各個(gè)品牌已經(jīng)出現(xiàn)了各種各樣的機(jī)構(gòu)形式。因此研究者通過(guò)對(duì)升降機(jī)
摘要

電動(dòng)座椅作為汽車上不可缺少的一部分，隨著時(shí)代的發(fā)展，汽車的電動(dòng)座椅正變得越來(lái)越智能化。各個(gè)品牌已經(jīng)出現(xiàn)了各種各樣的機(jī)構(gòu)形式。因此研究者通過(guò)對(duì)升降機(jī)構(gòu)的研究，在傳統(tǒng)拖載式升降機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在交通載具處于正面100%重疊剛性屏障碰撞的條件下，提出一種能主動(dòng)移動(dòng)的可升降電動(dòng)座椅設(shè)計(jì)。通過(guò)使用撞擊傳感器、車速傳感器、測(cè)距雷達(dá)、加速度傳感器、座椅傳感器、不間斷地向ECU 發(fā)射此信號(hào)，ECU 記錄收集到的信號(hào)等待調(diào)用。該電動(dòng)座椅能減少人體與發(fā)生碰撞區(qū)域的接觸面積，通過(guò)減少發(fā)生接觸面積的方式來(lái)減少人體對(duì)于沖擊載荷的吸收，創(chuàng)造碰撞安全區(qū)，減少碰撞對(duì)人體的傷害。

關(guān)鍵詞：升降機(jī)構(gòu)；正面碰撞；電動(dòng)座椅；安全空間

作者：翟經(jīng)緯 鄧鈺 李漢洲 劉敏 湯茜 張津
單位：南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院機(jī)電學(xué)院

隨著中國(guó)汽車的保有量越來(lái)越多，汽車在路上行駛的事故率也越來(lái)越高，人們對(duì)于交通載具的安全性能要求日益增長(zhǎng)，中國(guó)C-NCAP的碰撞測(cè)試的法規(guī)也變得越來(lái)越嚴(yán)苛。這些變化對(duì)交通載具的安全性的要求也不斷提高。將汽車側(cè)視圖車頭位置至汽車加速踏板邊緣點(diǎn)之間連線的距離定義為發(fā)生碰撞的最佳吸能距離，而被這條最佳碰撞吸能距離豎直方向所包括的空間就定義為最佳碰撞吸能區(qū)。當(dāng)該區(qū)域被連續(xù)壓縮，超過(guò)了限值時(shí)，則定義為擊穿。汽車的最佳碰撞吸能區(qū)被擊穿后，位于原位置的加速踏板、制動(dòng)踏板、轉(zhuǎn)向柱、方向盤等與駕駛員接觸的區(qū)域，都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)于駕駛員的位移量，該位移量的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致整個(gè)“駕駛員- 車”系統(tǒng)的不平衡，駕駛員在這一不平衡過(guò)程中會(huì)吸收沖擊，并且受到傷害。因此，研究者設(shè)計(jì)了一種在汽車碰撞吸能區(qū)被擊穿后能主動(dòng)增加安全空間的座椅，削弱駕駛員對(duì)碰撞沖擊的吸收，減少駕駛員在正面碰撞事故中的傷害[1-2](圖1)。


圖1 在駕駛員車-系統(tǒng)中發(fā)生碰撞最佳吸能區(qū)域

1. 汽車碰撞后內(nèi)飾的入侵對(duì)車內(nèi)乘員的傷害

汽車在碰撞發(fā)生過(guò)程中，車頭、車架A柱、內(nèi)飾，都會(huì)有不同程度的形變，而這會(huì)造成內(nèi)飾對(duì)乘員空間產(chǎn)生不可控的入侵。2019 年，中國(guó)保險(xiǎn)行業(yè)協(xié)會(huì)公布了某品牌轎車于10 月進(jìn)行的中國(guó)保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)（C-IASI）測(cè)試數(shù)據(jù)。該品牌轎車車型以64 km/h 的車速，在正面25%偏置碰撞測(cè)試中僅取得最低的P（較差）評(píng)級(jí)。從測(cè)試車型碰撞的殘骸來(lái)看，A柱彎折后連同引擎蓋和前擋風(fēng)玻璃一同侵入駕駛室。該車型的乘員艙上部入侵量獲得P（較差）評(píng)級(jí)，乘員艙下部入侵量獲得M（一般）評(píng)級(jí)。由碰撞所引起的入侵對(duì)假人的頭部、頸部、胸部、盆骨、腿部和腳部造成較為嚴(yán)重的傷害。


圖2 某品牌SUV車型在25%偏置碰撞測(cè)試下的儀表盤入侵

2. 設(shè)計(jì)原理

通過(guò)使用撞擊傳感器1、車速傳感器2、測(cè)距雷達(dá)3、加速度
傳感器4 來(lái)實(shí)現(xiàn)電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）對(duì)汽車是否發(fā)生碰撞的判斷。撞擊傳感器可采用13504470 或K8581，撞擊傳感器在與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸中心線垂直且相交的位置，正投影在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙與乘員艙之間的防火墻上，數(shù)量總共兩個(gè)，位置呈現(xiàn)以汽車中線對(duì)稱位置的放置，在汽車發(fā)生碰撞形變到接近乘員艙的位置的時(shí)候，設(shè)計(jì)在此位置可以第一時(shí)間向ECU傳輸碰撞信號(hào)。座椅的可升降機(jī)構(gòu)主要由最底層的支撐機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、中層電機(jī)推動(dòng)組、上層承載平面等組成。但為了實(shí)現(xiàn)升降機(jī)構(gòu)的橫向滑動(dòng)。因此在電動(dòng)座椅上配置：滑動(dòng)電機(jī)、傾斜電機(jī)、前垂直電機(jī)。用于實(shí)現(xiàn)座椅的移動(dòng)。ECU接收到碰撞信號(hào)。座椅的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由蝸輪蝸桿、聯(lián)軸裝置、電磁閥等組成。汽車在碰撞后，電動(dòng)座椅上的電機(jī)模塊控制拖拉式升降機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使整個(gè)升降機(jī)構(gòu)向后移動(dòng)，從而座椅能夠向后移動(dòng)。


圖3 電子控制單元組成

3. 工作過(guò)程

車頭的碰撞區(qū)已經(jīng)充分發(fā)揮其吸能的作用，但碰撞產(chǎn)生的沖擊已經(jīng)擊穿最佳碰撞吸能區(qū)且仍有入侵乘員艙的趨勢(shì)。在汽車正常行駛工況下，撞擊傳感器不間斷地向ECU 發(fā)送汽車速度變化信息。整車的ECU模塊將對(duì)這種信息進(jìn)行分析和判斷，若撞擊傳感器所測(cè)得的速度信息偏離正常值，即汽車發(fā)生了碰撞工況。此時(shí)蓄電池來(lái)對(duì)電機(jī)供電，使得電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩作用于導(dǎo)軌蝸桿上，導(dǎo)軌裝配有蝸桿、蝸輪、齒條。直流電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過(guò)蝸桿傳遞至兩側(cè)的蝸輪上，經(jīng)過(guò)齒條的帶動(dòng)，使座椅發(fā)生向后的移動(dòng)。


圖4 工作過(guò)程示意圖

在汽車最佳碰撞吸能區(qū)被擊穿的條件下，即使位于原位置的加速踏板、制動(dòng)踏板、轉(zhuǎn)向柱、方向盤等對(duì)于乘員艙產(chǎn)生入侵，前排乘員也會(huì)因?yàn)殡妱?dòng)座椅的向后方主動(dòng)滑移一定的距離而減少自身受到的傷害。

4. 關(guān)于電動(dòng)座椅的OASYS仿真結(jié)果

研究者選取目前市場(chǎng)上在售的某品牌轎車模型，該模型前排包括：假人、安全帶、座椅、踏板、地板總成、轉(zhuǎn)向管柱、安全氣囊。因最佳碰撞吸能區(qū)的邊界為汽車踏板，且駕駛員的足部與踏板接觸的點(diǎn)為駕駛員的最遠(yuǎn)端，一般來(lái)說(shuō)，正面碰撞的發(fā)生所導(dǎo)致的形變，汽車地板的形變對(duì)于前排乘員的危害是最大的，因此研究此點(diǎn)在碰撞中具有代表意義。


圖5 仿真所采用的人車模型

研究者選定假人足部與踏板為“足- 踏板”系統(tǒng)為研究對(duì)象。選擇兩組仿真，圖6上方圖為第一組，第一組為碰撞后固定的電動(dòng)座椅，圖為模擬發(fā)生碰撞時(shí)假人足部壓縮量示意圖。圖6下方圖為第二組，第二組是碰撞后能主動(dòng)向后方滑移的電動(dòng)座椅，圖為模擬發(fā)生碰撞時(shí)此時(shí)假人足部壓縮量，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)最后結(jié)果可知，主動(dòng)向后方滑移的電動(dòng)座椅上的假人足部壓縮量，從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始至結(jié)束與第一組相比總是最小，可以得出假人足部受到的沖擊也是減少的。



圖6 兩組假人足部的壓縮量結(jié)果對(duì)比

5. 應(yīng)用前景

未來(lái)越來(lái)越多的家用車都會(huì)配備電動(dòng)座椅，研究者基于升降式電動(dòng)座椅設(shè)計(jì)了增加安全空間的電動(dòng)座椅，其潛在應(yīng)用前景十分廣闊。在汽車保有量越來(lái)越多的今天，該設(shè)計(jì)可以更好的應(yīng)對(duì)乘員艙的變形，減少擊穿情況下所造成的乘員傷害，以及在碰撞中的法律法規(guī)中擁有更好的兼容性，結(jié)合未來(lái)的智能網(wǎng)聯(lián)汽車，該設(shè)計(jì)會(huì)在不斷地應(yīng)用中更加普及與智能。

參考文獻(xiàn)
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