Design and Development of a Calibration Jig for H-Point Machines Used for the Measurement of Head Restraint Geometry
ABSTRACT
The SAE J826 H-point machine was designed to measure occupant accommodation dimensions relative to a loaded seat. It has become an intrinsic part of various crash dummy set up processes, but it has never had a formal calibration procedure. Whilst H-point location appears to be consistent from one device to another, the weight hanger locations show greater variability, and this can consequently affect the height and backset measurements of head restraints taken with a head restraint measuring device mounted upon the weight hangers. This paper describes the development of a calibration procedure and jig to measure the location of the weight hangers so that adjustments can be made if necessary. This procedure and calibration tool will enable more consistent seat evaluations, dummy set up, and consistently effective anti-whiplash seat designs.
INTRODUCTION
Head restraints are the principal safety device aimed at reducing whiplash injuries in rear crashes. They have been required in passenger vehicles since 1969 in the United States and since 1978 in Europe. Fitting vehicles with head restraints reduces the incidence of neck injuries in rear crashes by up to 18% [1-3], but whiplash injuries continue to be a major problem. Insurers in the United States spend $8 billion annually on injury claims in which the most severe injury is a whiplash type injury of the neck. Costs in other jurisdictions are similarly high; for example, whiplash claims in the United Kingdom are approximately pound;1.2 billion per year [4].
Head restraints reduce the risk of neck injury by supporting the head and moving it forward with the rest of the body during a rear crash in which the vehicle occupantrsquo;s body is violently pushed forward. Consequently, head restraints must be tall enough to fit behind the heads of most vehicle occupants. Unfortunately, US safety standards requiring head restraints have been weak, and many legal designs are not tall enough to support the heads of even average-sized adult males. European regulations require taller head restraints, but most vehicles on both continents are equipped with adjustable head restraints that are often left in the lowest position [5,6]. Despite research showing that head restraints fitting closer to the backs of heads are more effective than those farther away [7], safety standards will not regulate this design characteristic, called backset, until September 2009, when a revised Federal Motor Vehicle Safety Standard (FMVSS) 202 [8] goes into force in the United States.
Insurers have tried to encourage vehicle manufacturers to fit better head restraints in vehicles by publishing consumer information ratings. Beginning in 1992 the Insurance Corporation of British Columbia (ICBC) published ratings of head restraint fit based on measurements made relative to an average-sized male subject. ICBC developed the head restraint measuring device (HRMD), which is supported by the H-point machine (HPM), to establish a more repeatable measure of head restraint geometry in 1995 [9]. The Insurance Institute for Highway Safety (IIHS) first published its ratings of head restraint geometry based on HRMD measures in 1996, and the measurement and rating procedure established by ICBC and IIHS was further harmonized by Thatcham and adopted as an international standard by the Research Council for Automobile Repairs (RCAR) in 2000 [10]. More recently the International Insurance Whiplash Prevention Group (IIWPG) developed a dynamic evaluation procedure for vehicle seats and head restraints that was adopted by RCAR in 2006 [11]. The new RCAR dynamic evaluation procedure begins with a geometric evaluation using the earlier standard and also uses the HPM and HRMD in combination to establish the test dummy (BioRID) setup targets for the dynamic test. Not only are these tools used in insurer-sponsored consumer information evaluation procedures, but the revised FMVSS 202 also prescribes their use to establish compliance with new minimum backset requirements.
However, it appears that HPMs used in conjunction with the HRMD appear to have more variation than desirable in dimensions critical to HRMD measurements. This paper describes our effort to document the extent of this variation and develop procedures that could be used to measure and correct variations that exceed prescribed limits.
H-POINT MACHINE (OSCAR)
The HPM is a three-dimensional manikin consisting of moulded reinforced plastic representations of the back and seat contours of an adult male that are connected through a hinge joint located at a reference position known as the hip point (H-point), plus two-dimensional representations of the legs and feet and internal structure that supports various weights. The complete machine weighs 76.9 plusmn;1.5 kg (169.6 plusmn;3.4 lb). According to Reed et al [12], who have compiled a brief history of the machine, the HPMrsquo;s shape is based on a single subject approximately 1800 mm tall and weighing 77 kg, and the basic design is based on a General Motors prototype from the late 1950s. Weights appropriate to a 50th percentile male are added to the legs, thighs, bottom, and torso points to allow a rough representation of human mass distribution.
The HPM was designed to measure three vehicle interior dimensions better than was previously possible without the seat cushion and seat back being loaded by the occupantrsquo;s weight. These dimensions were H-point (a general predictor of the occupantrsquo;s position on the seat), torso angle, and leg room. The current version of the HPM also includes a probe for measuring headroom relative to the loaded seat cushion.
The Society of Automotive Engineers (SAE) Recommended Practice J826 describes the HPM and details its installation procedure. First adopted in 1962, the current
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设计开发用于头部约束测量的H点的校准夹具
摘要
SAE J826 H点机是为了测量相对于座椅的乘客的身体尺寸。它已成为一种内在的各种碰撞假人建立过程的一部分,但它从来没有一个正式的校准过程。同时H点位置从一个设备到另一个似乎是一致的,显示重量吊架位置更显著的变化,这会影响头枕与头部约束测量装置安装在重量衣架的高度和涡流测量。介绍了校准过程的发展和夹具测量体重衣架的位置,以便在必要时可以进行调整。这个过程和校准工具将使安全评估,仿真设置和持续有效的安全座椅的设计更一致。
简介
头部约束的主要安全装置是旨在减少脑震荡后崩溃。在美国自1969年以来和在欧洲自1978年以来,他们一直对乘用车有需求。拟合汽车头枕减少颈部损伤的发生率在后方崩溃18%,但脑震荡继续是一个主要的问题。保险公司每年花80亿美元在美国伤害索赔的最严重的损伤是碰撞类型损伤的脖子。成本在其他司法管辖区也同样高;例如,碰撞扭伤索赔在英国每年约12亿英镑。
头部约束减少颈部损伤的风险通过支持头部和它前进与身体的其他部位在尾部碰撞车辆乘员的身体剧烈地推动。因此,头部限制必须足够高,以适应大多数车辆驾驶员的头后面足以支持正常成年男性的头。不幸的是,我们的安全标准要求头部约束不够强和许多法律法规不够高。欧洲法规要求更高的标准,但大多数车辆在两大洲配有可调头枕经常处于最低位置。尽管研究表明,头枕等配件接近正面的支持更有效比远,安全标准不规范这种设计特点,称为倒退,直到2009年9月,一个修订联邦机动车安全标准(FMVSS)202在美国生效。
保险公司试图鼓励汽车制造商更好地适应头限制车辆通过发布消费者信息评级。英属哥伦比亚的保险公司从1992年开始(工商银行)发布评级的头枕适合基于测量相对于一般男性的话题。工商银行开发了头枕测量装置(HRMD),这是在H点机器(HPM)的支持下,建立一个可重复的测量的头枕几何在1995年。公路安全保险学会(IIHS)首次发布其评级基于HRMD头枕几何的措施在1996年,和测量和评级过程建立了工行和公路被Thatcham进一步协调,采用研究委员会作为国际标准的汽车维修(RCAR)在2000年。最近国际保险鞭打预防小组(IIWPG)开发了一种动态评估过程汽车座椅头枕,于2006年通过RCAR。新RCAR动态评估过程始于一个几何评价使用标准和早些时候还使用HPM和HRMD相结合建立测试假(BioRID)设置目标的动态测试。不仅是这些工具用于保险公司赞助的消费者信息评估程序,但修订的(FMVSS)202也规定了他们的使用建立符合新最低涡流要求。
然而,看来参数图和管理与决策支持系统结合使用比在开发测量关键尺寸需要更多的变化。本文介绍了我们的努力来记录这种变化的程度，并制定程序，可以用来测量和纠正的变化，超过规定的限制。
H点机(OSCAR)
HPM是模压的增强塑料代表组成的三维人体模型,一个成年男性，通过铰链位于参考位置称为髋关节点连接座轮廓增强塑料表示（H点），再加上腿和脚和内部结构，支持各种权重的二维表示。整机重量为76.9公斤1.5公斤（169.6为3.4磅）。根据里德等人，他们收集了机器的简史，HPM的形状是基于一个单一的主体约1800毫米高，体重77公斤，和基本的设计是基于从20世纪50年代末的通用汽车的原型。权重适当第五十百分位的男性加入大腿，大腿，躯干的底部，并指出允许粗略的表示人的质量分布。
HPM被设计来测量三车辆内部尺寸比以前可能没有座垫和靠背由乘员的负重。这些尺寸H点（一般预测乘员的位置上），躯干角度，和腿部空间。HPM的当前版本还包括一个用于测量空间相对于装坐垫探针。
汽车工程师协会（SAE）推荐的做法j826了HPM和详细的安装过程。第一次采用1962，目前版本的标准在1995 修订。国际标准化组织（ISO）标准6549:1999（E）“道路车辆程序和罗密欧点H确定”与SAE j826。而原图纸存在多个副本，无论是标准提供的尺寸，细节轮廓，或建设HPM。认证符合SAE j826要求创新可通过SAE，但无数的机器比目前其他SAE是在整个行业的供应商制造的。HPM已在国际上广泛使用以来无重大修改的年代。如图1所示，一个旧模型的例子。
HPM的主要使用目前是定位在汽车座椅的H点的位置作为一个安全碰撞假人测试定位引导。美国（FMVSS）和欧洲（ECE R和EC）例如，FMVSS 208 和ECE R 94 规定的HPM的使用，但不同的标准是指的是不同的。美国联邦测试要求参考SAE j826汽车座椅假人。自上世纪90年代以来，先后在底特律、密歇根、美国技术体育官方制造商，生产白色单元。
欧洲试验的要求指HPM为三维H主要欧洲制造商汽车配件有限公司在南安普顿，英国。早期的三维人体模型是彩色的H浅蓝色和尺寸类似于美国版，但不能用于开发无需修改。后来的版本的人改变了，允许对开发装修，颜色深淡蓝色以区别于早期版本。监管碰撞试验座椅程序在美国和欧洲的标准，用于识别在同一座设计相同的H原子点相似。
头枕测量设备(HRMD)
HRMD是由中国工商银行衡量头枕几何(高度和逆流)相对于一个正常的成年男性座位主人。它由一个头形的双连杆机构支撑结构的更低的部分是用来连接和支持的重量吊架修改HPM武器。促进头部模型的拟合和弥补它的质量,使用一组不同的身体重量。头部空间探测器的HPM装有HRMD时,躯干角的测量是使用数字倾斜仪因此采取了对垂直躯干的重量吊架HPM的支持。
HRMD连接的两个链接通过一个可调枢轴位于第一胸椎的近似位置。这个主允许夷为平地的头形来表示一个前瞻性的姿势。头形的位置相对于HPM的H点 是基于人体测量学数据从一个国家公路交通安全管理局(NHTSA)研究从1983年。探测器安装在头部形式允许两个头枕高度的测量和挫折。
所有HRMDS是由温哥华，加拿大工行提供的,目前有两个版本在使用。早期版本是一种改进型的头盔测试头形式由铸态镁，和目前的版本是由研磨铝。都有相同的公称尺寸,但当前版本是用更严格的公差制作的。
建立动态评估
程序只是一个静态评价头颈部保护，各种保险赞助的研究机构合作进行动态安全评估测试使用一个特定的后碰撞假人BioRID 。完成一个灵活的脊柱，BioRID更准确地复制了一个成年男性的姿态，允许与座椅和头枕更微妙的相互作用的动态测试中比传统的Hybrid III假人。对于IIWPG定义一个座位程序BioRID因为没有一个已经在当时是必要的。以下咨询制造商研究，HPM的使用建议，在开发头形式除不仅允许H点位置也倒退。动态测试过程包括两个步骤，首先使用HPM和开发定义一个座椅/头枕静态几何，其次使用HPM和开发测量座椅/头枕在H点和涡流转用于定位BioRID。选择评估座椅/头枕后部冲击性能的标准是变化的涡流敏感。因此，在测试设备中使用的测试设备的最小变化是至关重要的。
可变性
汽车制造商已将H点测量与HPMs 作为可变性问题超过20多年了。在提交给NHTSA关于升级FMVSS 202评论，通用汽车(General Motors)和汽车制造商联盟都表示担忧,该设备不适合测量用来评估拟议的规则符合尺寸要求。援引的一项研究从1970年代,两个组织指出,H-point测量不同4厘米(1.57英寸)的纵向位置和2厘米(0.8英寸)的垂直位置相同的座位。最近的研究使用HPMs生产技术体育和训练有素的操作员发现大大减少的变化测量H-point位置。这项研究涉及15个运营商,4个席位,5人体模型,和多个试验,发现H-point测量的标准偏差2.2毫米(水平)和1.7毫米(垂直)。不到0.25毫米的变化是由于人体模型之间的差异。
在新的FMVSS 202收到NHTSA其他意见表明,背锥角设置的变化将导致不可接受的涡流的变化测量。然而,我们自己的经验与涡流测量佛兰纳根类似的发现H-point测量。具体来说,多个测量由训练有素的操作员展览的一个变体小于plusmn;5毫米。NHTSA列举我们的经验为理由使用HPM和HRMD评估符合新头枕的涡流要求规则。尽管普遍担忧可变性的测量使用HPM和HRMD,似乎变化可以控制通过限制范围的设备使用和适当的培训。
HPMs差异来自不同制造商最近被确认为可能的源可变性的担忧引发了自1970年代以来。虚拟技术和生物力学的伙伴关系(PDB)相比,德国一些HPMs技术体育和汽车配件。建立人体模型类似,PDB记录差异Hpoint水平垂直1.4毫米和1.9毫米的位置。差异观察到体重衣架臂水平垂直2.6毫米和6.7毫米。很明显,变化的位置的重量衣架HRMD坐落将增加相对较小的变异与运营商相关。
我们进行了确认PDB的结果通过比较各种HPMs目前用于头枕测量与HRMDs[27]。七HPMs使用:四SAE J826模型从技术体育(白色HPMs),和三个3 d H模型(蓝色HPMs从汽车配件:两个使用,一个浅蓝色)。七HPMs视觉相似,除了颜色,但他们代表了大多数HPMs在全世界使用。HPMs被附加到一个特殊的夹具,把人体模型在90度之间的股骨栏和躯干栏。这个标准化允许设置一个一致的测量程序,允许来自多个数据源的数据的直接比较。测量夹具还允许同时访问的内部特性在HPM和外表面包括基础和锅。坐标测量机(CMM)是用来精确测量之间的关系H-point,体重吊架位置和头枕高度和挫折。
有小(lt; 1.5毫米)位置差异左边和右边H-points人体模型。相对于测量夹具,在这些HPMs Hpoints多样的位置到4毫米在垂直方向和水平2毫米。有更大的可变性PDB研究显示体重吊架位置。重量变化吊架位置范围6毫米。
体重的变化衣架杆位置不合理的早期绘画的HPM检查我们。这些显示重量衣架杆中心位于H-point垂直上方的高度356plusmn;0.254 mm(14.03plusmn;0.01)[16]和水平符合H-point角是0度。之间的区别我们的测量发现什么,图纸显示表明,仔细定位的重量衣架被忽视了,因为这些不是关键的HPM H-point,角,测量头的房间。使用HPM HRMD,然而,需要密切关注变化的位置重量衣架。
HRMD紧生产制造公差。从工商银行被发送之前,每个设备被连接到一个参考夹具模拟HPM的附件。表示在不同高度和涡流测量设备随不超过2毫米。然而,探针集并不相同,因此不能从一个设备转移到另一个潜在的这种精度不发生退化。当前设备探针标记HRMD序列号阻止这种做法,但HRMDs没有早些时候序列化的调查。此外,损坏探针或他们滑的表面也可以降低测量精度。
GLORIA夹具校准程序
为了解决在本文的前面部分描述的HPMs创新之间的变化，校准夹具和过程是希望减少开发的基于硬件的变化测量进行监管和评估限制或设置碰撞假人进行动态测试。主要目的是规范重量衣架的位置。我们的工作过程中我们也了解到,SAE人类住宿和设计设备标准委员会(HADD)是开发一个校准程序SAE J826 HPM。虽然HADD委员会最初的努力集中在体重、H点位置,角度,和头部空间探测器校准,该委员会现在与我们协调包括重量吊架位置和另一种角度的参考。
GLORIA夹具
我们的校准夹具的基础是汽车配件夹具用于定位点上模座壳生产中的创新。校准夹具，用于在一个标准的取向后锅架是一个开发的测量参考安装HPM被校准后方有一个额外的垂直面。校准夹具也有两定位杆测量的HPM重量衣架的位置。这条支撑座壳偏心允许容纳在H点位置相对于座壳的典型变化调整。夹具必须精确稳定的使用。可调脚被用来作为支撑面水平的夹具。
夹具设计的固定重量衣架位置公差在确保当一个适当的校准开发连接到校准的HPM，将在一个宽容plusmn;1毫米产生非常相似的高度和涡流测量。垂直线的前面检查的探针的开发提供参考。一旦安装，精确的测量可以采取的管理与决策支持系统相结合的高度和涡流通过校准标记上的夹具。夹具是众所周知的HPM /开发校准夹具，但通常称为GLORIA。
GLORIA程序
草案程序详细介绍GLORIA测量和校准HPM /管理与决策支持系统的使用可从作者。这个过程需要高功率微波单元装入到H点的夹具和检验。跳汰机准确把握HPM通过H点的位置，并允许座椅的尺寸和波长的测量。座椅底板为4度下表面倾斜。目前已定义没有确切的座椅平移尺寸。
一旦坐在夹具、背锅旋转向后直到重量衣架与H点对齐，和夹具的支撑臂垂直。0~4毫米的座椅和背部泛垂直表面之间的偏移量是允许的。
下一个阶段是为测量直线度和轴向对齐的重量吊杆。用一个已加工的校准夹具块的辅助装置检查重量衣架校准。如果该块将不适合由于不对，那么一个明确的指示是给定的补救工作需要。一旦重量衣架杆视为水平对齐，然后夹具连接支撑架立钢筋固定举行大会的开发应安装。的开发然后连接正常的方法，完成高度和涡流探头。校准表面的GLORIA夹具使现成的相对高度和涡流测量，并可以调整，需要作出。高度探头和涡流探头应该接触尺度公差区域内。
要确保用于测量后角的面积与背盘垂直，并控制，一个机械加工的树脂块连接到左手的重量支支撑杆确定的躯干角度测量的位置，并清楚地表明，该单位已校准。一旦校准，HPM应该始终与标定开发测量身高和涡流。
对不符合凯莱夹具单元补救工作将取决于个别单位不同。修改为符合可能包括座椅锅或锅置换探针的开发替代，或者更常见的是，重量衣架杆机械调整。可以预期的是，GLORIA校准将由少数专家进行的（而不是由个别业主），和任何具体单位的实际修改程序将根据他们的自由裁量权。
GLORIA校准程序的设计是任何潜在的校准程序，可能会推出免费的，如SAE j826附录C。直到从SAE最后的程序发布，GLORIA程序仍在草案形式允许这两个程序进行最终协调。
结论
HPMs作为没有一个正式的校准程序，即使是现在广泛使用在汽车行业。然而，各种团体提
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