基于发泡硬度分布的汽车座椅舒适性分析

2019-08-12董明戴善其

汽车工程师 2019年7期

董明戴善其

（泛亚汽车技术中心有限公司）

汽车座椅作为消费者驾驶、乘坐和享受汽车的主要安全件和功能件，受到消费者的特别关注和评价。座椅的乘坐舒适性已经成为汽车厂商关注的主要内容之一，其包括静态舒适性和动态舒适性，前者主要与尺寸参数、表面质量以及调节特征有关，后者则需要保证驾驶员较长时间工作而不感觉到疲劳[1]。目前汽车座椅系统的机械结构主要由头枕、靠背、座垫、滑道等总成组成。其中座椅座垫由座垫骨架、弹性元件、座垫发泡以及面套组成[2]。有研究表明，调节座垫发泡的密度以及硬度，可以有效地改善乘坐舒适性。文章通过大量的客观试验，分析了发泡硬度分布对乘坐舒适性的影响；通过对座垫不同区域发泡硬度的定义，在保持静态舒适性的同时，改善了汽车驾乘过程中的动态舒适性；综合主观试验评价对研究成果进行了验证。

1 座椅舒适性因素与多硬度发泡

1.1 影响舒适性的关键因素

1.1.1 H 点

H 点（Hip-Point）是指二维或三维人体模型样板中人体躯干与大腿的连接点，即胯点。H 点既是整车总布置的基准点，也是座椅设计的基准点。H 点的位置是决定与驾驶员操作方便性、乘坐舒适性相关的车内尺寸的基准[3]。如果实际H 点与设计H 点相差较大，将直接影响座椅的舒适性，同时也与国家法规相违背，因此对H 点的控制对座椅舒适性特别重要[4]。

1.1.2 发泡压陷力与压陷系数

发泡压陷力（F）是把发泡压缩到原始厚度的50%所需的载荷，一般定义为50%IFD，如图1所示。发泡压陷力将直接影响到乘员在乘坐时的压陷量，以及人体的受力均匀性，最终影响静态舒适性。该值越大，说明发泡越硬，所以又称之为硬度[5]。

图1 发泡压陷力（50% IFD）示意图

一般来讲，长距离乘坐时，硬度高的发泡体会比硬度低的发泡体给人带来更好的动态乘坐舒适性，人不容易疲劳；但是，短距离乘坐或处于静态时，硬度低的发泡体反而会提供更高的静态舒适性。

发泡压陷系数（Sag Factor）一般是指65%IFD 除以25%IFD 的值。该值越高，在长距离驾乘过程中，动态舒适性会越好。在汽车用座椅的发泡体中，一般要求该值大于2.7。

1.2 多硬度发泡

座椅的发泡设计在座椅的舒适性开发过程中起着尤为重要的作用。一方面，座椅发泡在经过面套包覆后，需要满足整椅H 点的法规要求以及造型的外观需求；另一方面，发泡作为主要支撑零件，需要满足乘员的舒适性要求。由1.1.2 节可知：发泡硬度值越高，动态舒适性越好；发泡硬度值越低，静态舒适性越好，这形成了一对天然的技术矛盾。通过TRIZ 的空间分离原则，对不同区域的发泡硬度分别定义，如图2所示，用来更好地平衡汽车座椅的静态舒适性与动态舒适性。图2中，可以定义：区域2 硬度值最低，主要用来满足乘员进入汽车时的静态舒适性要求；区域1 硬度值中等，主要用来满足乘员的侧向支撑需求；区域3 硬度值最高，主要用来满足乘员的动态舒适性要求。

图2 多硬度汽车座椅发泡

2 多硬度发泡的客观以及主观评价

2.1 客观性评价试验

2.1.1 发泡压陷系数与压缩系数

为了更好地分析发泡的硬度对舒适性的影响，分别对传统发泡与多硬度发泡进行压陷系数与压缩系数的测量，如表1所示。

表1 常规发泡与多硬度发泡相关系数

由表1可以看出，多硬度发泡与传统发泡的压陷系数比较接近，这表明多硬度发泡在短距离乘坐时，可以提供常规发泡的静态舒适性；而多硬度发泡的压缩系数比传统发泡的压缩系数高很多，可以使座椅的压力分布更加均匀，从而在长距离驾乘时提供较好的动态舒适性。

2.1.2 整椅的H 点测量以及压力分布

汽车座椅不仅需要发泡，同时还需要经过面套的包覆。面套材料的选择（皮面套还是织物面套）、材料的延伸率、回弹率和手感等对整椅的H 点以及舒适性均有一定影响。通过选用不同材料的面套对多硬度发泡进行包覆，测量出整椅实际H 点以及压力分布。表2示出汽车座椅多硬度发泡H 点测量值。

表2 汽车座椅多硬度发泡H 点测量表 mm

由表2可知，多硬度发泡在经过包覆后，整椅的实际H 点能够满足整车的H 点要求，即与理论H 点距离小于20 mm，驾乘人员能够在驾乘过程中将坐姿调整到设计的舒适性坐姿，从而获得很好的支撑以及操控舒适性。

为了更形象地体现多硬度发泡对座椅舒适性的改善，分别对传统发泡以及多硬度发泡包覆的座垫进行了发泡压陷对比测试以及人体压力分布测试，图3示出发泡压陷对比测试图。

图3 汽车坐垫发泡压陷对比测试图

由图3可知，在发泡压陷对比测试中，在压陷量小于40%时，垂直双硬度发泡比普通发泡更软，能让人感觉到柔软；压陷量大于40%时，垂直双硬度发泡比普通发泡更硬，能给人提供更均匀的支撑，获得更好的舒适性。

人体压力分布是指乘员坐在座椅上时，人体与座椅之间接触区域的压力变化。图4示出汽车座椅座垫压力分布云图。从图4可以看出，传统发泡在座垫中间位置出现了局部压力过大的红点，而多硬度发泡的座垫比传统发泡的座垫压力分布更加均匀，这表明多硬度发泡可以解决局部压力过大的问题，从而给人体提供更加均匀的支撑，这种均匀支撑可以使身体的各部分肌肉处于放松状态。同时，多硬度发泡的座垫压力峰值也比传统发泡的压力峰值低，这可以使得驾乘人员在长途驾驶过程中不会感受到局部发酸发麻。

图4 汽车座椅座垫压力分布云图

2.2 主观性评价试验

为了更加清晰地说明客观分析的结果对驾乘舒适性的影响，分别邀请了10 位不同百分位的人员参与主观性评价试验，如表3所示。

表3 汽车座椅舒适性主观评价测评人员身高体质量表

座椅舒适性主观评价表，如表4所示。分别从座垫的侧向支撑、对尾骨的压力、大腿下面的支撑等维度进行分析，最终每位测评者根据表格对座垫的总体舒适性进行主观打分。

表4 座椅舒适性主观评估表

测评者在经过10 min 的静态评估以后，发动整车，经过1 h 的动态驾乘，再次对座椅进行1 h 的动态评估打分。10 位测评人员的主观评价分值，如图5所示。通过主观测评可以看出，尽管测评人员的性别、身高、体质量不同，但使用多硬度发泡的座椅不仅具有相当的静态舒适性，而且提供了更加优越的动态舒适性，进一步验证了客观试验的结果。