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逢友小编与您分享汽车座椅压力分布的舒适性研究成果

来源:www.fedutech.com发布时间:2017-09-20点击数:载入中...

随着汽车的日益普及,购车者的要求越来越高,除了价格因素外,人们越来越注重汽车的安全、舒适、科技含 量等,消费者往往将汽车的舒适性列为购买的一个重要 衡量标准。汽车乘坐的舒适性除了座椅的柔软程度、包覆 性能等因素外,还与汽车的悬挂系统、减振性能密切相 关,其中汽车座椅压力分布对舒适性的影响最直接。现代汽车座椅 主要由头枕、靠背和座垫组成,包括了面套、海绵、骨架、 滑轨调角器、升降机构等组成,如图  1 所示。能方便地操作、使车辆安全行驶,并保证人体经常处于良 好的姿势状态,以缓解疲劳。目前,汽车在设计驾驶室时 选用的假人模型一般为 SAE95 分位假人。通常在做汽车 总布置设计时,通过一系列的约束条件,最终确定假人的 H 点,从而确定假人的坐姿。H 点(如图 2)是指人体身躯 与大腿的连接点,即跨点(Hip Point),它是与操作方便性 及坐姿舒适性相关的车内尺寸的基准点。座椅的各个构成部件对座椅舒适性都会产生影响,6°30'本文将对这些影响进行分析,并提出座椅舒适性改善的 建议。
1 静态舒适性
1.1    人机工程学与 H 点
在汽车驾驶室里驾驶者和仪表盘,方向盘,变速箱操 纵杆,手刹拉杆,座椅及踏板之间构成了人机界面,这就 要求设计者要充分的考虑人机工程的因素以保证驾驶员人体工程学对座椅的舒适性提出了具体的要求:
①座椅的尺度必须参照人体测量学数据确定;
②座椅可适当调节,以满足坐姿变换;
③座椅的位置要与其作业空间相协调,便于人员作 业。
1.2    最终坐姿与座椅外形
人体在座椅上坐着时的姿势,称为最终姿势。人体姿 势由相邻关节的距离及每个关节的角度来确定。通常情 况下,各关节之间的距离是不能调整的,但每个关节的角 度可以改变。在关节角度可变范围内存在改变的最佳区 间,在此区间内人不易疲劳。由坐姿生物力学分析,最舒50企业技术开发2009年9月适的坐姿是臀部稍离靠背向前移,使上体略向上后倾斜, 保持上体与大腿间角度在 90°~115°。同时,小腿向前伸, 大腿与小腿、小腿与脚掌之间也应达到一定角度。椅设计时一般取相等宽度。
1.3    体压分布与测量
人坐在座椅上时,人体重力作用在坐垫和靠背上,其 压力分布情况称为体压分布。坐姿的体压分布是影响乘 坐舒适性的重要因素。人就坐时,身体重量的大部分(约 80%)经过臀部、背部隆起部分及其附着的肌肉压在座椅 面上。图  4   为座椅各部位的受力分布。
10°<θ1<20° 15°<θ2<35°
80°<θ3<90° 90°<θ4<115°
100°<θ5<120° 85°<θ6<95°
为了使不同身高的驾驶员获得良好的静态舒适性, 并自如地进行操作,必须使座椅的尺寸合适,驾驶位置合 理。通常对于座椅来说,以下外形尺寸必须在规定的范围 之内:
①坐垫深度。对于身材高大的驾驶员来说,坐垫太浅 会因大腿下面无足够的支撑面而感到不适,反之,身材稍 小的驾驶员则会因为坐垫太深而背部不能与靠背接触, 势必要端坐,长时间的端坐更易疲劳。因此,坐垫深度一 般取 400~450 mm。
②坐高:即坐垫上表面至地板的距离。坐垫的高度应 保证双脚能自如踏在地板上,并可以自由地前伸后屈。坐 垫过高,身材稍小的驾驶员踩踏板困难,大腿下面过分受 压而使血液流动不畅,以致麻木而很快疲劳;反之,坐垫 过低,会使身材高大的驾驶员因小腿与大腿的角度变小 而很快疲劳。因此,坐垫高度一般以取 350~400 mm 为宜, 最低不小于 300 mm,最高不大于  400 mm。
③坐垫角度及靠背与坐垫的夹角。坐垫上表面若是 水平的,则人坐上去身体会产生向前滑动的趋势,为保证 驾驶员身体不向前滑动,垫面一般设计成前高后低的倾 斜状,一般以取 5~8°为宜。由于坐垫有水平夹角而造成 靠背与坐垫夹角减小,如果角度过小,则腰椎就会由正常 弯曲变直,使腰部很快疲劳,因此,一般靠背都设计成可 调,使其后倾,以增大躯干和大腿之间的夹角。对于汽车 座椅,其躯干和大腿间夹角以在 95~105°范围内为宜。
④坐垫宽度。坐垫稍宽些,有利于驾驶员调整姿势, 但太宽会影响操作方便性,一般取 450~500 mm。
⑤靠背宽度。靠背与坐垫的宽度可以相同,也可以比坐垫稍窄些,但太窄会破坏座椅的整体造型,为了造型美 观及不影响上肢活动而设计成上窄下宽的外型。目前座
目前,GM,  Ford,  Toyota,  Honda,  BMW,  Volvo,  Del- phi,   Johnson   Cont   rols  等 大 公 司 都 在 广 泛 应 用 美 国 Tekscan 公司的压力分布测量系统来解决座椅舒适度问 题。该系统主要通过在座椅的坐垫和靠背上布置 4  000 个以上的传感单元来测量面套的支撑和泡绵硬度等对座 椅的压力分布和舒适度的影响效果。图 5 是笔者公司开 发的一款汽车座椅的体压分布的平面和立体图。通过分 布图我们可以看出整个人体压力状况比较合理,接触面 积大,左右平均度好,无明显的硬块(不舒适)。
2 动态舒适性
汽车座椅的动态舒适性与座椅及人体的振动特性密 切相关。座椅动态舒适性是指人体处于振动环境中所感 受到主观上的相对舒适程度。振动对驾驶员的直接影响 涉及躯干和身体局部的动态反应行为、生理反应、性能减 退和敏感度障碍。表 1 列出了人体各个主要部位的共振 频率。人体在振动环境中会加速疲劳过程。当振动环境中的振动特性处于人体神经系统的敏感区域时,这种刺激者对舒适性的要求越来越高,汽车座 椅的舒适性研究成为目前汽车设计频繁传入大脑皮质,引起大脑皮质细胞兴奋。当达到一定 限度时,皮质细胞的工作强度将减弱,人就会感到疲劳, 工作效率明显下降。由于座椅与人体直接接触,而且在大多数情况下,座 椅悬架系统是用来控制低频和大振幅振动的仅有的机械 装置,所以,座椅的悬架实际上是削弱垂直振动的最简单、 最有效的选择。汽车运行时,会产生强烈的横向和纵向振动。目前的 研究表明固有频率低的极柔软的座椅悬架能有效的降低 横向振动,但是这种悬架带来的相当大的动态和静态变 形会造成人体的不舒适。因此,我们通常不考虑横向低频 振动,而只考虑垂直方向振动即座椅的悬架系统。试验证明,影响座椅动态特性的因素有:座垫的刚度 和阻尼系数,悬挂系统的质量、刚度和阻尼系数以及座椅 刚架结构的动态性能,其中起决定性作用的是刚度和阻 尼系数。刚度参数决定座椅的共振频率,而阻尼系数决定 座椅的振动衰减特性。目前的研究和笔者的工作实践证明,座椅悬架系统 的质量较大时对人体动态舒适性有利,但需考虑到与座 椅刚度的配合;座椅连接件的摩擦系数越小,对人体动态 舒适性越有利;适当降低座椅悬架的阻尼系数对舒适性 有利。
3 座椅的舒适性设计
通过以上对座椅静态舒适性、动态舒适性的分析,对 我们座椅的设计提供了很多舒适性方面的要求,我们要得 到乘坐舒适的座椅,应该要从以下几个方面去考虑:
①确保座椅的实际 H 点在测量时,与其设计位置的 偏差在规定的范围内。
②座椅的各个外形尺寸必须设计在合适的范围内, 以满足人机工程学的要求。
③通过调整泡绵、座椅面套等座椅零部件材料的相 关性能来获得合理的体压分布。
④选用增加舒适性能的座椅结构及部件,如座垫采用 悬架系统,座垫和靠背用弹簧结构来吸收振动,增加腰部 支撑机构,选用透气、透湿性能好的座椅面套材料等。
⑤减小座椅的共振频率,降低对人体最有影响的高 频区,降低共振时的振动传递率,与汽车的其它减振系统 相匹配,降低乘员  10 Hz 附近的振动传动率。
⑥在设计验证时,对座椅舒适性进行主观性评价试 验。表 2 为笔者公司使用的座椅舒适性评价表,通过选取 不同身高、体重人员来对表格中各项进行评分,以验证座 椅的舒适性。
评价类别 等 级
a.椅背高度           1 2 3 4 5
b.顶腰位置           1 2 3 4 5
c.顶腰                 1 2 3 4 5
d.肩膀 / 上背支撑  1 2 3 4 5
e.背侧边支撑        1 2 3 4 5
f.大腿支撑            1 2 3 4 5
g.臀部支撑           1 2 3 4 5
h.座侧边支撑        1 2 3 4 5
i.座椅透气性         1 2 3 4 5
j.行驶中的弹动性   1 2 3 4 5
k.行驶中的吸振性  1 2 3 4 5
l.头枕位置            1 2 3 4 5
m.座椅可调整范围 1 2 3 4 5

座椅舒适性评价标准:

1=停!重新再来

2=不良,需作大幅度改善
3=尚可,需作小部分改善
4=良好,只需作稍微改善
5= 世界级座椅
中值得深入探讨的问题,在今后的研究中,应对以下几个 方面进行重点探讨:
①由于中国人群与其他国家的人群存在着差异,因此建立适合中国人的人体模型非常重要。目前,我们使用 的假人模型大多为 SAE 标准反映欧美人群特性的模型, 在实际设计往往需要对他进行修正,否则做出来的产品可 能对于欧美人群来说是舒适的,对于我们国家的人来说反 而不太舒适。
②座椅的设计应该与整车设计同步进行。由于座椅 与总布置关系非常密切,其舒适性与车内空间、汽车底盘 悬架等系统密切相关,因此座椅的设计是整车设计中密 不可分的一部分,需要与整车同步进行开发。
③目前对于座椅舒适性的研究还远远不够。各大汽 车厂和专业座椅公司在研发座椅时,对舒适性考虑得不 多。大多数座椅的标准也没有针对座椅的舒适性进行明 确的、可操作性的规定并提供试验方法。因此,建立一个 可操作的、客观的、具体的座椅舒适性分析方法显得非常 急迫和重要。

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