陈莹莹
摘 要：该文介绍了汽车头枕领域，重点介绍了主动式头枕。主动式头枕是汽车碰撞安全系统中的重要组成部分，在车辆受到来自后部冲击的情况下，汽车主动式头枕在机构的作用下同时向上向前快速移动，最大限度地防止头部猛烈后仰，达到保护驾驶员和乘客的头部和颈部安全。该文分析了主动式头枕专利技术的国内和国外专利的申请情况和技术路线。
关键词：主动式头枕 碰撞传感器 专利 技术路线
中图分类号：U461 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（a）-0094-02
在汽车设计中，碰撞安全技术已经成为一个非常重要的领域，其中追尾碰撞保护技术是为了减少由于“挥鞭效应”带来的乘员颈脊骨伤害和脑震荡[1]。1998年，萨博公司提出了“主动式头枕”的概念并申请了专利申请号为SE9603238A（优先权日：19960906）的专利。主动式头枕是在车辆受到来自后部冲击的情况下，头枕在机构的作用下同时向上向前快速移动，最大限度地防止头部猛烈后仰，达到保护驾驶员和乘客的头部和颈部安全。
在主动式头枕的发展中，从最初的利用靠背与头枕之间的杠杆原理进行碰撞后调节，到后来的利用传感器检测碰撞进行机械或者电调节，再到现在的利用传感器检测预碰撞，在碰撞可能性大的情况下提前控制头枕的动作，大大提高了车辆的安全系数[1-3]。
1 主动式头枕专利技术的整体情况
1.1 主动式头枕技术专利申请量趋势分析
主动式头枕作为汽车安全装置的主要设备之一，国外在1989年出现第一篇关于主动式头枕的申请，国外申请总量在在2007年达到高峰，发展成熟，之后申请量呈下降趋势并在近年来平稳发展，由此可知国际上在这一领域的研究热度已经过去；国外来华申请也是随之从2003年开始上升，并在2007年达到高峰，与国外申请总量保持一致；而国内申请人的专利申请量从2000年才开有第一件专利申请，并在2001—2006年间没有相关的专利申请，从2007年开始逐渐增长，由此可知比国外晚发展了10年左右，目前国内申请在该领域的申请量一直呈上升趋势。出现上述国内的主动式头枕研究落后与国外主动式头枕研究的原因包括国内对座椅的防挥鞭伤性能标准的制定时间较晚、国内汽车行业对研发的投入不足、国内对专利申请的重视程度不够等。
1.2 主要申请国家和申请人分析
经过统计分析，可知从总量上看，以德国、日本和美国申请量居多，其次是中国。其中1989年开始出现关于主动式头枕技术的专利申请；在1989—2003年内，专利申请量基本集中在美国、德国；2003年后中国和日本的申请量急剧增加，说明日本已经开始重视该领域的发展，中国的汽车产业刚进入快速发展阶段；而到2008年以后，美国、日本、德国在申请量急剧下降，而中国的申请量还在持续增长，说明中国在该领域的起步晚于国际整体水平，成熟期的到来也晚于国际整体水平。同时，美国申请量在2003年达到顶峰，日本申请量在2006年达到顶峰，德国申请量在2007年达到顶峰，中国申请量在2009年达到顶峰，时间上基本上间隔了2～6年，这是中国的汽车产业的发展落后于国际汽车产业造成的。
排在前10名的申请人集中在德国、美国、日本，都是汽车生产厂商和零部件供应商，即各大车企和汽车零部件供应商都对中国市场都是比较重视的。其中，戴姆勒包括了戴姆勒克莱斯勒、戴姆勒奔驰，江森自控在2010年先后并购了排名前20名中的C. ROB. HAMMERSTEIN（CRH）和KEIPER（恺博），这两家均是全球领先的德国汽车座椅零部件供应商，李尔公司、东京座椅、爱信精机、江森自控在中国的申请量均在TOP10内。可见，实力越是强大的企业越注重专利战略，专利成为扩充其产业与竞争对手抗衡的重要工具。
2 技术发展路线分析
2.1 主要技术分支
汽车主动式头枕领域从其一般组成结构上可分为三大块：碰撞感应部、头枕控制部和头枕运动部。其中，碰撞感应部可以为机械式的解锁机构，也可以为传感器。从头枕的控制形式上可分为：纯机械控制和机电一体式。其中，纯机械式包括利用靠背杠杆控制和利用拉索控制；机电一体式又可以从传感器类型、碰撞响应和执行机构等方面进行细分。本文从主动式头枕的控制形式上对该领域进行进一步细分[1-3]。
（1）纯机械式的机构，主要依靠人体躯干向后运动产生的能量作为驱动能量，通过连杆传动机构或解锁机构使头枕前移，给乘员头部足够的支撑，防止挥鞭伤的产生，这种主动头枕机构较为简单，不需要额外提供能量。
①杠杆式纯机械主动式头枕利用杠杆原理，借助乘员在追尾碰撞中躯干撞击座椅靠背的力量，推动与杠杆一端相连的机械连杆机构圍绕支点运动，支点位于座椅靠背和头枕的连接处或者座椅靠背上端，与杠杆另一端相连的头枕则向前运动，使得头枕在后碰撞事故中自动靠近乘员头部，提高了乘员头颈部的安全性。
②拉索式纯机械主动式头枕利用鲍登钢丝索等拉索式驱动装置将人体推动靠背的负荷传递到摆动构件，摆动构件产生枢转，以解除锁定机构的头枕锁定，使头枕由碰撞前的位置瞬时移动到碰后的安全位置。
（2）机电一体式的机构，与主动安全系统相结合，利用传感器检测碰撞或者预测追尾碰撞的危险，之后靠电能驱动机构或者活性物质的运动，完成头枕的移动，这种主动头枕机构较为先进，而且相对比较稳定。
2.2 机电一体式头枕技术发展路线
本小节重点分析机电一体式头枕技术全球发展趋势。1989年德国的BAYERISCHE MOTOREN WERKE（拜仁州机械制造厂股份公司，BMW）申请了全球第一份关于主动式安全头枕的专利DE3900495，该专利要求保护一种机电一体式头枕，头枕包括固定部分B和活动部分A，当碰撞传感器检测到车辆遭受了碰撞或者检测到车辆即将被碰撞，便控制活动部分A向前运动，以支撑住乘员的头部和颈部，避免挥鞭伤。该专利重点是对碰后进行的反应，对预测碰撞只是简单地提出，并没有详细说明如何进行预测判断，同时发生碰撞后头枕只能向前运动且位置是唯一确定的，不能适应不同高度的乘客头部。endprint
1995年美国的AUTOMOTIVE TECHNOLOGIES公司申请专利US19950476882，该专利详细描述了预测碰撞式主动安全头枕的工作过程和头枕位置调节方法，具体地为了使头枕能够运动到与乘客头部距离合适的位置，该专利利用头部位置传感器和头部接触传感器检测头部与头枕之间的相对距离，由于乘客的头在不断的动作，需要对上述相对距离进行合理地总结与判断，该专利采用的是神经网络算法预测法，同时在预测到碰撞将会发生时，同時对头枕和坐垫进行调整，以便更好地保护乘员。该专利对预测碰撞式主动安全头枕的工作工程进行了详细的阐述，在碰撞前就使头枕向前、向上运动，同时使坐垫进行调节，以做好保护头部和脊椎的准备并引入了人工智能算法，使得头枕的控制更加合理。
1998年TRW（汤姆森拉莫伍尔德里奇）公司申请专利US19980159654，该专利除了包括常规的检测相对距离的传感器外，还在乘客头顶对应的车顶上安装了检测乘客头部相对于车顶高度的传感器，依此确定乘客头部与头枕的相对高度，与之前的专利相比，该专利对乘客头部位置的检测更加立体、准确，可以根据不同的头部高度进行头枕的上下和前后移动。
2000年德国BAYERISCHE MOTOREN WERKE（拜仁州机械制造厂股份公司，BMW）申请的专利DE10005196A，该专利中头枕的活动部从头枕的左右两端向前、向中间靠拢，形成了一个弓型，在防止挥鞭动作的的同时在左右方向上约束乘客头部。
1993年挪威腾保数据申请了专利EP93106249，该专利将一个可膨胀的气囊安装在头枕内，当碰撞传感器检测到车辆的突然加速或者突然变速的信号后，该信号就会触发气囊点火设备，气囊向前膨胀，阻止了乘客头部向后的移动。自此利用膨胀气囊防止挥鞭伤的专利开始兴起。
机电一体式头枕的技术路线从最初的头枕只能运动到一个位置，到后来的头枕可以运动到多个位置，从最初的仅向前运动，到后来的能够向前向上运动，再到后来的左右向前运动；头枕的控制方式从碰撞后运动，到后来的预测碰撞、智能控制，同时传感器从最初的位于车尾的碰撞传感器，到后来的安装在头枕、车顶等多个位置的头部位置检测传感器。通过上述分析可知，研发人员的研发重点由最初的碰撞后头枕必须动作，到后来的头枕如何动作才能更好地保护头部和颈部，越来越注重头枕运动路线的合理设计。
参考文献
[1]王鹏翔，王立民，徐立伟，等.防挥鞭伤安全座椅的初步研究[J].汽车工程，2009（12）：1149-1152.
[2]韩善灵，于如兴，贾友飞，等.汽车主动式头枕装置的机构设计与运动仿真[J].机械设计与研究，2014（2）：35-37，41.
[3]曹立波，李正坤，龚永坚，等.主动式安全头枕的开发与仿真研究[J].汽车工程，2014（6）：746-750.endprint
