汽车睡眠头枕结构设计及试验探讨

王超　梁展　姚双庆　马宗

摘 要：本文通过对某自主品牌纯电动汽车的一种汽车座椅睡眠头枕结构设计及试验的分析。根据《GB 11550-2009 汽车座椅头枕强度要求和试验方法》1、《GB 15083-2019汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》2、C-NCAP（中国新车评价规程）鞭打试验和相关性能试验验证，在满足相关标准法规的前提下，睡眠头枕增加的“睡眠”部分装置（睡眠侧翼）给乘客提供了对头部安全保护（用于限制乘员部相对于其躯干后移，以减轻在发生碰撞事故时颈椎可能受到的损伤程度），同时在乘员休息时，通过调整睡眠头枕耳片支撑头部和颈部，以增加乘员舒适度。

关键词：汽车头枕 结构设计 头枕试验 舒适度

Structural Design and Experimental Discussion of Automobile Sleep Headrest

Wang Chao Liang Zhan Yao ShuangQing Ma Zong

Abstract：This paper analyzes the structure design and test of a car seat sleep headrest of a pure electric vehicle of a certain self-owned brand. According to "GB 11550-2009 Car Seat Headrest Strength Requirements and Test Methods" 1， "GB 15083-2019 Car Seats， Seat Fixtures and Headrest Strength Requirements and Test Methods" 2， C-NCAP （Chinese New Car Evaluation Regulations） Whiplash test and related performance test verification， under the premise of meeting relevant standards and regulations， the additional "sleep" part of the sleep headrest （sleeping flanks） provides passengers with head safety protection （used to restrict the occupant relative to the torso， and moved back to reduce the degree of damage to the cervical spine in the event of a collision）. At the same time， when the occupant is resting， the head and neck are supported by adjusting the sleep headrest ears to increase the comfort of the occupant.

Key words：car headrest， structural design， head， pillow test， comfort

1 前言

座椅頭枕是座椅安全性设计中的重要部件，他关系着座椅的舒适性、被动安全性等多个方面。随着汽车迅速普及，人们对汽车安全的日益重视，汽车头枕不仅作为一种安全性能配置，同时也作为汽车的舒适型装置。目前汽车座椅头枕已经被列为强制性国家标准，所有的车型前后排座椅都必须安装头枕，并对汽车头枕的吸能性、大小、强度、位置和材质等都有严格规定。在汽车的碰撞试验中，也正式导入了鞭打实验，以此来检验汽车座椅对头部、颈部的保护性能。

本文以某自主品牌纯电动汽车座椅头枕为研究对象，基于对该品牌座椅睡眠头枕装置一般设计方法的研究，结合项目开发，通过《GB 11550-2009 汽车座椅头枕强度要求和试验方法》、《GB 15083-2019汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》和C-NCAP（中国新车评价规程）鞭打试验和相关验证，从中总结了汽车座椅睡眠头枕的相关要点和原则。

2 功能定义

对于汽车座椅而言，头枕是座椅上一个附件。随着车速的增加，它对人生安全日益重要。汽车一旦发生追尾碰撞，汽车受后面冲击力作用瞬间急速向前，由于惯性作用乘员的头部会向后仰，颈椎承受到很大的加速度力而容易伤害。有了头枕承托，限制乘员头部相对于其躯干后移，减少头部自由移动的空间，可以降低对颈椎的冲击力。同时汽车头枕也作为座椅的一个重要的舒适性配置，用来缓解驾乘人员疲劳，座椅头枕已在汽车中扮演重要的角色。

本文设计研究某自主品牌纯电动汽车的一种汽车座椅睡眠头枕。目前，市场上公知的汽车头枕由发泡、面料、骨架等材料组成，成型工艺包括包覆和灌泡等。普通汽车头枕包括头枕导杆与头枕头靠，可调头枕通常为上下调节，给乘客提供的舒适性有限，不能从侧面支撑乘客的颈部，不能提供头部限度固定。睡眠头枕相较于传统头枕，在头枕的侧翼增加耳片，采用转轴连接，头枕耳片可向前转动调节，使驾乘人员颈部椎骨得到有效支撑增加驾乘人员的舒适性。

3 结构设计

睡眠头枕设计必须满足相关法规，本文以《GB 15083-2019汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》标准要求为例。

一、头枕一般要求：

1.头枕的存在不应成为增加乘员危险的因素。在任何使用位置上，都不应有任何可能增加乘员受伤风险或伤害程度的凸起或尖棱;

2. 头枕在座椅或车辆构件上的固定方式应保证头枕在试验过程中，由于头型的作用压力，其衬垫内或头枕与靠背连接处，不得出现刚性的可致伤害的凸起。

二、头枕尺寸要求：

头枕高度：驾驶员座椅头枕在最高位置时其顶端与R点距离不小于800mm（其他座椅为750mm）。对于可调头枕，外形高度沿平行于躯干基准线方向不小于100mm。

设计值820mm、193mm，如图1所示。

头枕宽度：驾驶员座椅头枕在最高位置时其顶端与R点距离不小于800mm（其他座椅为750mm）。对于可调头枕，外形高度沿平行于躯干基准线方向不小于100mm。

设计值137mm，如下图2所示。

头枕靠背间隙：在头枕调至最低使用位置时，其他在座椅靠背顶端的间距应不大于25mm。

设计值11.2mm，如下图3所示。

二、头枕结构设计：

本文研究的睡眠头枕的主要组成：头枕面套、头枕发泡-前部、睡眠侧翼、阻尼轴、本体上壳、夹片锁紧连接、夹片、头枕杆、本体下壳、头枕发泡-后部、头枕面套，如图4所示。

头枕杆与头枕本体下壳采用夹片锁紧连接，本体上壳与本体下壳周圈扣位连接，并用4颗自攻螺钉加强固定;睡眠侧翼与本体上壳采用组合扣位连接;头枕耳片采用阻尼軸连接，前后实现不对称调节。睡眠头枕展开状态如图5所示。

试验验证

睡眠头枕设计必须满足相关法规，本文以满足《GB 11550-2009 汽车座椅头枕强度要求和试验方法》头枕法规要求为例。

一、头枕吸能试验：

前向冲击：速度≥24.1km/h，持续3ms，减速度≤80g;

后向冲击：速度≥24.1km/h，持续3ms，减速度≤80g;

二、头枕静态强度：

通过头型相对“R”点向头枕施加373N.m负荷，头型相对于移动后基准线的最大后移量应小于102mm。头枕相对于移动后基准线的最大后移量为45.1mm。

三、头枕性能试验：

睡眠头枕不仅需要在满足国标的情况下，还需满足自身性能试验要求：

1）.头枕误用要求：座椅设计状态下，头枕

任意锁止位置，沿头枕导杆方向向下及向上分别施加450N的破坏力时，头枕锁止不得失效;

2）.座椅头枕晃动量要求：

a）.头枕处于任意锁止位置时，对头枕施加49N载荷，头枕上下晃动量需满足上下方向晃动量检测：向上≦5mm、向下≦5mm;

b）.头枕处于最高点后锁止时，对头枕施加49N载荷，头枕前后晃动量需满足前后方向晃动量检测：向前≦1.4mm、向后≦1.4mm;

3）.头枕操作特性试验-前翼：

耳片翻转操作力，前（50-80）N，后（55-80）N

头枕底座耐久试验-前翼

4）.睡眠翼板匀速从初始位置（两翼展开）向睡眠位置移动（两翼翻起），以相反的顺序往回移动，循环10000次，试验后功能完好，操作性能满足要求。

5）头枕耳片破坏强度：向前加载（300N），较铰链无损坏，耳片与本体、耳片限位档点均不损坏。

四、头枕鞭打试验：

本文研究的自主品牌纯电动汽车座椅睡眠头枕，通过鞭打试验验证后，符合C-NACP五星标准。

4 结论

本文设计研究某自主品牌纯电动汽车的一种汽车座椅睡眠头枕的研究分析，通过结构设计和试验验证。得出该款汽车睡眠头枕展开侧翼耳片后，极大的增加了头枕的支撑面积，使颈部得到有效的支撑。在乘客休息的同时使乘客颈部有更大的机会包裹在头枕发泡内，提高驾乘人员舒适度。

通过调研部分车型为研究对象，如图8调研所示，在进口或高端车型上，睡眠头枕也逐渐成为一种趋势。

同时该睡眠头枕在满足舒适度的同时也满足C-NCAP鞭打试验也达到了五星要求。

参考文献：

[1]汽车座椅头枕强度要求和试验方法. 非书资料：GB 11550-2009[S]. 北京：中国标准出版社，2009.

[2]汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法. 非书资料：GB 15083-2019 [S]. 北京：中国标准出版社，2019.

[3]（日）佐藤武主编.吴关昌等译.汽车的安全.北京：机械工业出版社，1984.