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摘要
乘用车出行成了现代生活必不可少的代步方式之一，对被动安全提出了更高的要求，汽车座椅头枕作为被动安全中重要的一环，其安全性设计要求更为严苛，而在提高安全性能时降低了驾乘的舒适性。研究旨在满足安全性能要求的前提下，增加驾乘的舒适性。文章从头枕造型、泡沫性能、蒙皮空浮度三个角度对座椅头枕舒适度进行了分析，通过改善头枕泡沫厚度、优化造型结构，改善了驾乘人员头部舒适性，提高了驾乘体验。
关键词：汽车座椅头枕；头枕造型；泡沫性能；蒙皮空浮度；头部舒适性
作者：马兆强1，刘春宇2，胡路遥2，黄杰2
1.一汽-大众汽车有限公司青岛分公司，ft东青岛
2.宁波继峰汽车零部件股份有限公司，浙江宁波
汽车座椅为车内人员提供了安全又舒适的驾乘环境[1-2]。座椅舒适性已成为座椅性能中不可或缺的评价指标之一，各大整车厂及使用者对其有着广泛关注。
针对舒适性研究，众多学者从整椅角度做了深入的研究，并有了较多的积累。上海机动车检测认证技术研究中心黄迪青等基于对神经网络进行研究获得了各客观参数对汽车座椅舒适度的影响规律[3]。重庆大学张志飞等在等速行驶工况下对人椅系统进行体压分布试验和振动舒适性试验，分析了试验数据并总结了体压分布变化规律[4]。西华大学李娟等通过探讨座椅坐垫和靠背造型形面对舒适度的影响关系，最终提出座椅造型形面的舒适性设计建议[5]。吉林大学王广彬等对座椅设计时影响体压分布的因素进行了仿真研究，得出了可用于指导座椅设计的规律[6]。
针对头枕研究，目前主要集中在头枕的结构和安全性能上。赵民等应用HyperMesh前处理软件和Ls-dyna求解器对某汽车座椅结构的静强度进行仿真试验分析，为座椅结构的改进和优化提供了可行性的依据[7]。叶芳等采用有限元仿真技术，应用多种计算机辅助工程（ComputerAidedEngineering，CAE）分析软件进行分析和研究，给出了提高头枕静强度和碰撞吸能性的解决方案[8]。韩健康等基于各环境下用户体验，从人机工程学角度设计了汽车头颈保护系统[9]。李劼等从冲击载荷传递路径和静强度曲线包含的3个阶段分析了影响吸能性试验和静强度试验结果，给出了头枕静态的指导性意见[10]。
针对头枕舒适度研究，李豪提出头枕硬度和头枕形状均会影响乘驾人员的舒适度[11]。本文在此基础上对其深入研究，提出了头枕造型、泡沫性能、蒙皮空浮度三个影响因素，并对每个影响因素进行分析，根据研究结论对某车型座椅头枕结构进行了优化，使其在满足头枕静态试验的前提下，提升头枕的舒适度。
影响因素
为了更好地阐述舒适性影响因素，引入压缩强度P的概念。压强的公式为
式中，P为压缩强度，Pa；F为压力，N；S为受力面积，m2。
由式（1）可知，在压力一定时，受力面积越大，压缩强度越小。在受力面积一定时，压力越大，压缩强度越大。在研究受力面积时，可以对头枕造型进行优化，提高其接触面从而降低压缩强度。也可以在施力的初期，通过增加蒙皮空浮度，来实现快速增大接触面积，降低压缩强度。也需要通过对泡沫性能的研究，寻找出最合适的临界点，应用到优化方案中，从而提高头靠的舒适度。
头枕造型
对人体头部与座椅头枕接触的面积进行分析，当两者接触时，若人体头部后靠过程中的力度一致，则接触的面积越大，头部所感受到的压强越小。由此，可以得出，在设计人体头部与头枕接触面时，将驾乘人员接触到头枕的瞬间或几秒内（一般5N内的力值）的接触方式由点接触、线接触调整为面接触的形式，能够有效降低驾乘人员感受到的压强，提升驾乘人员使用头枕时的舒适度。
泡沫性能
泡沫作为头枕的重要组成部分，其性能尤为重要。泡沫性能按照主机厂的经验累积，通常以泡沫压缩强度和泡沫硬度两个指标进行评价。
泡沫压缩比例
泡沫压缩比例是指用一定规格的压盘对泡沫样块施力（施力方式见图1），期间泡沫被压缩，当施力至一定程度后，测量压缩后的厚度与测试前泡沫总厚度的应变百分比。
本文参考DINENISO3386-1测试标准，通过实验对压缩强度与泡沫压缩比例的对比关系进行测试。为了找出相对较为合理的泡沫压缩比例。为了说明此指标，通过实验进行阐述。
1. 实验描述
1）设备名称：德国ZWICK材料试验机；
2）测试标准：DINENISO3386-1；
3）试样规格：70mm×70mm×35mm；
4）压盘规格：直径200mm的圆形平底压盘，如图1所示。
2. 测试程序
1）测量试样长宽，计算试样横截面积；
2）将试样置于测试平台上，预载0.1kPa；
3）以100mm/min的测试速度下压试样到初始厚度的60%，循环3次；
第四次下压试样到初始厚度的40%，并记录此时的力值。压缩强度值按照以下公式计算：
式中，C40%为压缩率为40%的压缩强度值，kPa；F40%为第四次加载循环中记录的40%压缩力，N；A为试样表面积，mm2。
1. 数据分析
按照上述实验描述，对泡沫进行压缩比例试验，纵坐标为标准载荷（kPa），横坐标为泡沫样块的压缩比例，用应变（%）表示。根据实验程序，将第四次位移曲线作为分析数据，如图2所示。
在泡沫密度（55±5）kg/m3前提下，为了充分验证不同式样的趋同性，随机选取20组泡沫样块进行测试。由表1中数据可知，当标准载荷在3~6kPa时，泡沫样块压缩应变由10%变化至50%，而6~9kPa变化量仅有10%（50%~60%）。由此可知，当泡沫样块压缩比例大于总厚度50%后，需要输出的压强会迅速增加。故在设计座椅头枕泡沫时，极限工况下泡沫压缩比例应小于泡沫总厚度的50%，具体如表1和表2所示。
头枕泡沫硬度
为了适应人体头部轮廓，在做头枕结构设计时，通常会按照人机工程学将头枕设计成曲面。泡沫硬度为当人体头部向头枕施力时，泡沫压缩的位移量。当压缩位移量越小，泡沫变形越小，泡沫硬度越硬，反之泡沫硬度越软。当泡沫硬度一定的情况下，头部靠向头枕时，泡沫的压缩位移量越大，需要施加力就越大。
在行业中，一般取直径75~105mm不等的半球形压头模拟人体后脑接触区域。施加一定力值后，通过位移传感器记录压陷位移量来评价头枕泡沫的软硬程度。本文以φ75mm半球形压头模拟人体后脑。
1. 实验描述
1）测试标准：PV3410；
2）压头规格：φ75mm半球形压头；
3）加载方向：垂直向下，压头与头枕支杆的夹角为90°；
4）加载位置：测试点P在头枕顶部向下85mm处；如图3所示。
1. 测试程序
1）将头枕总成固定在测试夹具上；
2）预加载5N，预加载速度为100mm/min；
3）继续在点P处加载80N，测试速度为500mm/min，并返回至零点-15mm处；
4）继续在点P加载50N，测试速度为100mm/min；再以100mm/min的速度卸载至零点；取第二次下压50N时的位移量。
1. 数据分析
以某车型前排头枕为测试对象，通过章节
1.2.2 的实验测试，按照实验设置，读取二次加载至50N的压陷量，获得压力与压缩位移量的关系曲线如图4所示。
根据试验数据得出：在压缩位移量不断增加的过程中，人体头部与座椅头枕的接触面也会不断增大。随着压缩位移量的不断加深，压入力以100mm/min的速度增加，而接触面积以减速度的形式增加，当压缩强度增长由负值变更为正值时，即达到人体头部最舒适的压缩强度。所以，在设计座椅头枕结构时，按照既定的模拟方法，头枕硬度（压缩位移量）的考量也是关键的因素之一。
蒙皮空浮度
蒙皮即为座椅头枕外部包裹的装饰类材料。头枕蒙皮与泡沫包覆后，未完全贴合，存在一定的间隙量，此为蒙皮与泡沫的空浮度。适当的空浮会增加人体头部与座椅头枕接触面的舒适感。选取能够覆盖中国人体尺寸的5%女性（146.5~160.5cm）、50%男性（168~182cm）、95%男性（178.5~192.5cm）三类人群进行主观评价[1]，评价结果如表3所示。
由此可知，通过护面开发中控制护面与泡沫配合紧度可将空浮控制在3~5mm的范围内，从而增加头枕的舒适度。当存在空浮时，由于无泡沫的支持，根据PV3410在实验开始前会有5N的预加载力，目的是为了消除面套和泡沫中的空气。基于此，人体头部仅需要输入5N的力即可压入空浮部分，从而迅速增大头部与座椅头枕的接触面积，由式（1）可知，力值较小且接触面积增大，会减少体感的压缩强度，从而提高驾乘人员的舒适感。
头枕结构优化设计
以某车型的前排座椅头枕为研究对象，通过以上分析结论对头枕结构进行优化。
头枕造型影响因素的优化
根据章节1.1对头枕造型的阐述，可知造型的凹凸面也会对造型有较大影响。当头枕与φ75mm球头接触的瞬间，此时压力为0N，截面图如图5（左）所示，头枕与球头接触时为接近直线的凸点形式，该造型与球头接触面相对较少，由式（1）可知，压入力不变的情况下，接触面积越小，压缩强度越大，因此会降低头靠时的舒适度。
为了优化此点，头枕造型由凸面接触调整为凹面接触。优化后的造型面可以更快增大头枕接触面积，从而减少压缩强度。优化后的头枕与φ75mm球头截面图如图5（右）所示，此头枕造型有效增加了头部与头枕的接触面积，提升了头靠时的舒适度。
泡沫性能影响因素的优化
优化前，头枕设定的压入位置泡沫总厚度为28.61mm，如图6（左）所示，引入章节1.2.1头枕泡沫压缩比例应小于泡沫总厚度的50%的结论。按照泡沫压缩比例，当输入50N的压入力时，可有效达到的压陷深度为14.3mm，对应压陷后的接触面积为16.95cm2。
为了进一步确认压陷后的接触面积对舒适度的影响，邀请了9人对不同接触面积的头枕进行了主观感受，评价结果如表4所示。
评价表明，当头靠接触面积超过20cm2后，用户会有一个较好的舒适度体验。故对其进一步提高接触面积，将有效的泡沫厚度由28.61mm优化至34mm，对应的有效压陷深度由14.3mm调整为17mm，优化后的接触面积为21.47cm2，如图6（右）所示，增大了4.52cm2，从而有效降低了压缩强度，提升了头靠时的舒适度。
蒙皮空浮度影响因素的优化
在章节2.1中已介绍到头枕与球头接触呈接近直线的凸点形式，故头枕的蒙皮与头枕泡沫直接接触，空浮度为0，具体见图7（左）示意图。对此，在造型优化的情况下，对蒙皮进一步设计，使其在护面开发中与头部接触位置的凹面预留了5mm的空浮。具体见图7（右）示意图。
法规项验证
为了进一步验证优化后的头枕满足法规设计要求，对优化后的头枕做了头枕静态强度测试。
测试方法
按照《汽车座椅头枕强度要求和试验方法》（GB11550-2009）的要求，从2个维度对实验结果进行评判：
1）在通过头型相对R点向头枕施加373Nm负荷，头型相对于移动后基准线的最大后移量应小于102mm。
2）将头型上的初始负荷继续加载至890N，座椅或座椅及其锁止装置靠背不得发生断裂、破坏。
测试结果
1）头型相对于移动后基准线的最大后移量为-92.61mm，如图8所示。
2）座椅或座椅及其锁止装置靠背未发生断裂、破坏，图9为试验后实物状态。
综上所述，以上结果均符合GB11550-2009要求。
结论
影响头枕舒适度的因素分别为头枕造型、泡沫性能、蒙皮空浮度，通过对每个因素进行研究，可以得到以下结论：
1）头枕造型接触方式由点接触、线接触形式调整为面接触，能够有效降低驾乘人员的压强，提高驾乘人员使用头枕时的舒适度；
2）设计头靠压陷深度应小于泡沫总厚度的50%；
3）随着压痕深度的不断加深，压入力以100mm/min的速度增加，而接触面积以减速度的形式增加，当压缩强度增长由负值变更为正值时，即达到人体头部最舒适的压缩强度；
4）头枕蒙皮进行样板开发时预留5mm的空浮，以提高舒适性。
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