基于体压分布的汽车座椅舒适性研究*

张志飞,袁 琼,徐中明，黄深荣，贺岩松

(1.重庆大学，机械传动国家重点实验室,重庆 400030； 2.重庆大学汽车工程学院,重庆 400030)

前言

近年来，人们对汽车舒适性的要求不断提高，作为直接与驾乘人员接触的汽车座椅是人机交互的主要界面，是影响驾乘人员舒适性的主要因素，因此研究汽车座椅舒适性具有重要意义。体压分布是研究汽车座椅舒适性的主要方法之一，且很多研究是基于试验台架进行[1-3]。文献[4]中用很多关于静态舒适性的研究方法对座椅舒适性进行研究，验证了体压分布与驾驶员舒适性主观评价相关性最好。为表征体压分布，文献[5]中提出了最大压强、平均压强和不对称系数等8个体压分布指标，并结合试验验证了这些指标与舒适性具有很强的相关性。同时座椅的体压分布和人体乘坐姿势密切相关[6-8]，文献[6]中结合主观评价研究了不同坐姿下静态体压分布的情况；文献[7]中探讨了人体驾驶角度与舒适性的关系。由于车辆环境中的人椅系统常处于动态环境，文献[9]中通过研究瞬态振动环境下体压分布来反映驾驶舒适性；文献[10]和文献[11]中研究了在1～10Hz频率范围内不同振幅的正弦垂向激励下体压分布的变化规律。然而实际上汽车座椅不是单纯地处于静态或某种特定激励，而是处于复杂的行驶工况，因此有必要针对汽车实际行驶工况研究人椅系统体压分布的变化规律。

本文中针对某款乘用车座椅，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，分析试验数据并总结体压分布变化规律，探讨动态工况和静态工况下体压分布特征的差异，并将动态工况下的体压分布和振动加速度功率谱进行对比分析，为提升座椅乘坐舒适性提供指导。

1 试验方法

试验采用61cm见方、由2 304(48×48)个电容传感器组成的Xsensor压力传感器，在某型乘用车副驾驶座椅上采集人体接触座垫的体压分布数据，试验时采样频率为45Hz，采样时间为1min。本次试验包含了对汽车静态工况下11名被试者和动态工况下两名被试者的体压分布测量。动态试验路面为城市快速路，车速为30、40、50、60km/h，各工况重复采样3次。试验时使用speedbox监测实时车速，要求车速波动在±4%之内，固定座椅前后位置和靠背角度，同时要求被试者处于自然放松状态。

本次试验11名被试者中，9名男性，2名女性，平均年龄27.5岁，平均身高、体质量分别为167.72cm和61.92kg，身体状况良好。

为分析动态体压与振动的相关性，结合体压分布动态试验，在相同工况下，利用IMC数据采集器、B&K2647B电荷电压转换器、B&K4322三向座椅加速度传感器等采集椅面加速度，采样频率为500Hz，采样时间为1min。图1为座椅体压分布与振动试验的现场测试图。

2 试验结果分析

对试验数据进行处理，以得到一系列的量化指标，实现对舒适性的客观评价。本文中主要应用最大压强、平均压强、接触面积、总压力、不对称系数、纵向压力分布曲线和纵向压力中心坐标等作为评价静态、动态工况的体压分布指标。

本次试验所用Xsensor压力传感器左右对称的放置在座垫上，如图2所示，图中每个小方格代表一个长宽均为12.7mm的测点，i表示纵向，j表示横向。同时Xsensor压力传感器的阈值为1.310 05kPa，当测点压力值小于阈值时压强数据显示为零。

图2线框A表示单点压力传感器所作用的面积ΔS(161.29mm2)，接触面积S指臀部全部受压点数Nt(测点压强为非零的点数)与ΔS之乘积。

平均压强pv指全部受压点压强的算术平均值，表示人体与座椅接触压力大小，在一定程度上反映人体振动舒适性。

(1)

式中：pi为测点压强值。

不对称系数Cu指以图2纵向对称线为中心，左右对称测点压力差的绝对值之和与总压力的比值，可用于判断体压分布的不对称程度，分析试验数据的有效性。

(2)

式中：N为压力传感器行列数，N=48；Pij为第i行j列的测点压强值。

纵向压力分布曲线FL(xi)综合反映人体各部位的受力大小和压力变化趋势。

(3)

纵向压力中心坐标Cop-x指在时间历程中压力中心与传感器前缘的距离，反映坐姿的改变。

(4)

式中：xi为第i行传感器的纵坐标。

根据图2定义的坐标，Cop-x实际反映纵向压力中心至传感器后缘(靠背一侧)的距离。

2.1 静态工况下体压分布分析

对于静态试验数据，为减小随机误差，选取连续的20帧数据计算各参数的平均值。由于不合格的试验坐姿会造成数据的离散，因此通过计算各被试者不对称系数来判断试验坐姿的有效性。不对称系数的取值范围为0≤Cu≤1，当Cu=0时，体压分布完全对称；当Cu=1时，体压集中于一侧，其值越大体压分布越不对称。通过综合考虑，剔除不对称系数大于0.30的3个样本，其余被试者的不对称系数在0.159 8～0.272 2之间波动。

利用统计学分析方法处理试验数据，得出最大压强、平均压强、总压力和接触面积，并求其相关关系，结果见表1，分析可知：

(1) 最大压强、平均压强与接触面积成负相关，说明人椅接触面积增加，人体承受的最大压强和平均压强减小；

(2) 最大压强、平均压强、总压力、接触面积与被试者体质量正相关，说明体压分布除受人体坐姿影响外，还受被试者的个体参数——体质量影响，体质量增加各参数均增大。

表1 各参数相关系数

注：*显著性水平为0.05；**显著性水平为0.01。

根据式(3)计算并绘制纵向压力分布曲线(图3)，其能较好地反映人体受力分布情况，亦能说明各部位对压力的敏感程度。由图3可见，压力峰值出现在人体血管、神经分布较少且可以承重的坐骨结节附近，由坐骨周围扩散到臀部外围，压力逐渐降低，直到与座垫前缘接触的大腿下平面趋于最低值，符合人体生理结构的特点。

2.2 动态行驶工况下体压分布分析

在实际情况下，人椅接触环境主要处于动态环境，因此需进一步研究动态条件下体压分布变化规律。本文中通过分析等速行驶工况下最大压强、平均压强、接触面积和总压力变化规律，并分析平均压强功率谱的峰值频率与幅值；计算纵向压力中心随乘坐时间的变化规律；分析人体与座椅不同接触区域的压力变化率，从而获得体压分布动态特性。

对各工况的3组数据分别计算不对称系数，选取不对称系数最合理的一组作为动态体压分析数据。以时间为变量，计算各工况下平均压强、总压力、最大压强和接触面积随时间的变化规律。图4为不同车速下平均压强和接触面积随时间历程的变化情况，同时提取动态工况下各参数在时间历程的平均值，其与静态体压参数的对比结果如表2所示。由图4与表2分析表明，随车速的增加，总压力、接触面积和平均压强呈增加趋势，但接触面积的变化量减小，且动态条件下最大压强小于静态时。说明在实车振动环境下，人椅接触面积增加的同时降低了最大压强值。

表2 体压分布动态试验参数

平均压强与总压力属于同一类指标，主要反映人体与座椅接触特性的变化，做平均压强功率谱(图5)，分析得各工况均有一个明显的峰值点(具体参数见表5)，其频率随车速的增加由2.461Hz单调递增到5.273Hz，且幅值波动较小。

为分析平均压强功率谱峰值点频率的影响因素是座椅固有频率还是车速，计算座椅传递函数，结果如图6所示。由图可见，各工况下座椅的传递率都在固有频率为4～5Hz之间达到峰值，在不同车速下没有明显变化，说明乘员在座椅上的垂直振动频率影响因素为车速。

根据式(4)计算体压分布纵向压力中心与传感器前缘距离随时间的变化，得出各等速工况下纵向压力中心距座椅前缘的距离在时间历程中逐渐减小。表明在持续的坐姿状态下，人体受力中心向前移动，以40km/h为例给出了纵向压力中心坐标随时间的变化，见图7。

压强变化率可反映对振动的敏感程度和吸振性能，同时较低的压强变化率表明舒适性较好。压强变化率均方根pcrms是指计算平均压强在时间历程上变化率的均方根，即

(5)

式中：p(t)为平均压强在时间历程的变化。

为研究人体与座椅不同接触区域在各等速工况下平均压强和压力变化率的变化规律，参照文献[9]，对坐垫区域左右部分划分为臀部、大腿和接触前缘6个区域(见图8)。利用统计分析方法计算各区域平均压强和根据式(5)计算各区域平均压强变化率，结果如图9所示。

由图9可见：

(1) 局部最大平均压强位于臀部，最小平均压强位于大腿前缘，与纵向压力分布曲线具有一致性，进一步验证了压力主要分布在臀部，同时，随着车速的增加，局部平均压强增大；

(2) 分析局部压强变化率，最大值位于臀部，原因是臀部含有较大的坐骨结节、较少的软组织，吸振性能较差，因此臀部的舒适性低于大腿和大腿前缘，同时车速的增加，导致各区域舒适性都降低。

为改善座椅舒适性，可采用吸振性能较好的座椅材料，提高吸振性能。

2.3 动态体压与振动相关性分析

通过体压分布试验，研究了各参数的客观变化规律。由于主观评价试验需耗费大量时间和人力，成本较高且容易出错，因此本文中采用ISO 2631—1:1997(E)推荐的加权加速度均方根来评价不同车速下人体的振动舒适性，并分析座椅垂向加速度的功率谱，与平均压强功率谱进行对比，进一步研究体压分布特性。

对各等速工况下座椅垂向加速度进行功率谱分析，结果如图10所示。采用1/3倍频程计算加权加速度均方根aw、加权振级Law，结果如表3所示。可见随车速的增加，加权加速度均方根增加，人体不舒适性增加，但加权加速度均方根均小于0.315m/s2，参照ISO 2631—1:1997(E)人的主观感觉表现为“没有不舒适”，说明测量工况是小幅振动情况。

表3 加权加速度均方根值

结合体压分布动态参数，研究发现平均压强、总压力、接触面积与加权加速度均方根具有显著正相关(表4)，表明较大的平均压强和总压力会降低人体舒适性。

表4 体压分布指标与加权加速度相关系数

注：*显著性水平为0.05；**显著性水平为0.01。

为验证较大的平均压强会降低人体舒适性，结合人体各区域平均压强，随车速的增加平均压强增加，表明舒适性降低，与压强变化率有相同的结果。

分析座椅垂向振动加速度功率谱，在低频段有一个明显的峰值点，其频率随车速增加由2.918Hz增加到5.312Hz，且幅值波动较小，由表5分析比较可知，其与平均压强功率谱的峰值频率具有相同的变化趋势，结合座椅传递函数，说明在汽车乘员座椅系统中，人体承受振动的频率随工况而改变。

表5 平均压强与加速度功率谱峰值点频率与幅值

综上所述，表明体压分布特征与振动环境有极强的相关性。

3 结论

(1) 静态工况下，平均压强、最大压强与接触面积负相关；平均压强、接触面积与体质量正相关，表明体压分布的量化指标受被试者的个体参数(体重)影响较大。

(2) 动态工况下，随车速的增加，总压力、平均压强和接触面积增加，且均大于静态工况；纵向压力中心坐标在各等速工况下随乘坐时间的延长而逐渐向座垫前缘移动；同时平均压强功率谱明确反映人体承受垂直振动的频率也随车速增加而增大，但幅值波动较小；通过分析压强变化率得出臀部的舒适性较其它区域要低。

(3) 分析动态体压和振动相关性得出，平均压强与加权加速度有显著正相关，表明较大的平均压强会降低舒适性，并且加速度功率谱充分验证了平均压强功率谱，两者具有相同的变化规律。

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