汽车座椅舒适性开发分析

2020-04-07张敬伟

汽车工程师 2020年3期

张敬伟

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

随着现代汽车工业的迅猛发展，市场竞争日趋激烈，人们在选购汽车时，越来越多地考虑到性能的稳定性、制造的精良性、乘坐的舒适性以及造型的美观性等。座椅作为车内占据视野较多且直接与人体接触的零部件，座椅的造型及舒适性直接影响到驾乘人员的感受。近年来，虽然各方就座椅的舒适性都进行了大量研究，但对其仍然没有精确的、科学的定义。舒适性是一种主观意念[1]，对于相同的座椅，不同的人对舒适性会有许多不同的意见。文章从设计要点出发，对座椅动态舒适性和静态舒适性的影响进行说明，经过实车验证，座椅各方面的舒适性均达到预期的效果。

1 座椅舒适性类型

按照使用需求，座椅舒适性分为静态舒适性与动态舒适性。

1.1 静态舒适性

1.1.1 静态舒适性定义

静态舒适性是指座椅与人体的匹配能够为乘员提供舒适的坐姿、合适的支撑，以及所能提供的舒适程度。

1.1.2 静态舒适性分类[2]

静态舒适性分为2种。

1）短期乘坐舒适性：许多人坐在椅子上，马上就会感觉到座椅是否舒适。原因之一是短暂的时间不会影响人体的血液循环，因此不均匀的压力分布或血液循环和肌肉紧张问题一般都不会引起注意。

2）长距乘坐舒适性：是指在驾驶时（一般为30 min以上）的舒适性。当座椅有压力不均、比较硬的点等，使腿或身体其它部分麻木，或使肌肉紧张，就会导致乘坐不舒适。

1.1.3 静态舒适性设计要点

影响座椅静态舒适性的因素主要集中在总布置的假人坐姿、泡沫型面、金属骨架与布置假人的相对关系、支撑弹性元件刚度、泡沫硬度、面套材质和绷紧程度等。

主要设计要点为：坐垫和靠背的中垫宽度；假人与坐垫和靠背的中垫及侧翼的位置关系；假人大腿在坐垫上的离去点和靠背上的离去点；头枕的位置和型面对假人头部的放置；控制零件（手柄、开关等）的位置，特别是调角器、滑道、腰托的操作手柄等零部件；假人靠背的压力分布；人体与硬物的最小距离；腰托的位置和支撑力度等；发泡硬度，一般情况下，硬一点的发泡能够提供比较均匀的压力分布，也易于面套包装撑型。

影响静态舒适性的4个关键因素为：

1）假人离去点。离去点是假人与座椅坐垫以及靠背A面接触时的相交点，将95百分位的假人置于设计位置，坐垫和靠背上的离去点在特定的区域，才能达到一定的舒适性。表1示出影响假人离去点的因素及其经验值。

表1 影响假人离去点因素的经验值

一般情况下，离去点位于坐垫上离咬合线65%的地方比较合适，如图1所示。如果该值偏差过大，就会使人感觉座椅不舒服，对于较高或者较矮的人来说，会感觉座椅对大腿的支撑不足或者过多。

图1 假人离去点示意图

2）乘客进出和舒适性。乘客进出性不仅与座椅自身相关，也与座椅在汽车内的安装位置相关。影响乘客进出汽车的因素有座椅和门槛高度的关系、地面到门槛的高度、头顶线的高度、B柱位置与座椅的关系、转向盘位置与座椅的关系。

在项目开发过程中，对于影响乘客进出性的情况，如下车时座椅硌大腿，需要更改坐垫侧翼高度；上车时腿部空间不足，可以通过缩短坐垫长度解决该问题。

3）脚跟点、坐垫长度、H点和坐垫角度。这几点的关系（如图2所示[3]）对舒适性控制和H点控制非常重要。如果设置不合适，会导致乘客大腿压力过大和腿部不适。例如：脚跟点相对于H点在Z方向太低，就会造成体形较小的驾驶员在操作踏板时，感觉大腿部分承受很大的压力，如果坐垫角度太高，这种现象会更加严重，此时就需要一个较小的坐垫角度；如果脚跟点相对于H点过高，高个子的乘员会感到不舒服，因为大腿太早离开坐垫，腿部会缺乏足够的支撑，适当地调高坐垫角度将会改善这种现象，但会对个子矮的人起到反作用。保持脚跟点和H点的相对位置一致，通过调节坐垫角度能够弥补这些不足，所以出现了坐垫倾角可调座椅。

图2 脚跟点、坐垫长度、H点和坐垫角度的关系示意图

对于不同类型汽车（如小型车、客车、运动型车或者卡车）的座椅，脚跟点、H点、坐垫角度和坐垫长度之间的关系是有差异的，每种汽车对这些点定义了不同的关系。故在选择静态舒适性参考座椅时，需注意参考座椅对应的车型以及踏板的类型。

4）假人的位置。在H点控制中，假人相对于中垫和侧翼的位置非常重要，景中宽度一般设定为340～380 mm。如果座椅的景中宽度和与此相关的侧翼高度有问题，假人就无法处于坐垫或靠背的正确位置。这不仅严重影响舒适性，也会误导对H点的测量。

1.1.4 座椅型面舒适性设计

型面舒适性设计要素：

1）各部位贴合度。座椅靠背、坐垫与人体背部、臀部及大腿底部相贴合，优化接触面积和接触部位的形状，能够提升乘坐舒适性。

2）腰背支撑性。座椅应提供形状和位置适宜的两点支撑，第一支撑位于人体第5和第6胸椎之间的高度上，作为肩靠，能减轻颈曲变形；第二支撑设置在第3至第5腰椎部位，作为腰靠，能保证乘坐姿势下正常的腰曲弧线，从而提高驾驶员的舒适性。

1.1.5 座椅舒适性断面设计

根据断面提取要求，结合型面舒适性标杆座椅逆向数据，制作座椅舒适性断面。需与造型设计人员充分沟通断面数据，兼顾造型和舒适性要求，最后由双方确认。造型设计人员根据断面完成座椅A面的制作，尽量保证与人体接触的面满足断面要求，如图3所示。

图3 汽车座椅舒适性断面示意图

1.2 动态舒适性

1.2.1 动态舒适性定义

动态舒适性是指汽车座椅系统通过隔离和衰减振动，使传给乘员身体的振动强度处于界限内，最终人体所能感受到的舒适特性，主要与振动输入信号和座椅振动特性有关。

1.2.2 动态舒适性影响因素及机理

人体的各个部位都有一定的固有频率范围，处于这个频率范围内的人会感觉不舒服。汽车的每个零件（如车身、轮胎、发动机等）也具有不同的频率，对座椅影响最大的是车身的频率，一般情况下，车身的固有频率为1～2 Hz，人体的固有频率为5～9 Hz。由此，乘客乘坐时座椅的固有频率应该控制在2.5～4.0 Hz，这样就可避免因座椅共振而引起振动过大。

在无乘客乘坐时，座椅的固有频率不能与来自车身的能量发生共振。人体不适的频率区域，如图4所示。汽车零部件及人体的固有频率，如图5所示。了解零部件的固有频率和人体的不适频率，可避免出现共振。

图4 人体不适的频率区域示意图

图5 汽车零部件及人体固有频率示意图

大量研究证明，改变座椅结构件或者金属件（靠背骨架、坐盆、调角器和调节器）的固有频率，对座椅的固有频率没有太大影响，故这些零件对舒适性的影响很小。这种研究结果同样适用于车身或者底盘系统，比较各种车型（小型汽车、中型汽车、运动型汽车和豪华汽车），它们的频率都在一个狭小的范围内波动。

假如座椅的固有频率已经控制在规定的范围内，而且金属件对座椅固有频率的影响又非常小，要将来自汽车的能量与人体隔绝开来，即提高座椅的振动衰减性能，就必须借助对座椅非结构零件（如泡沫、坐垫网格、面套等）的优化。面套、发泡、悬置件3个零件放在一起，就像一个组合弹簧，起到提供舒适性和振动隔绝作用，如图6所示。

图6 汽车座椅非结构零件示意图

参考前期研究建立的数据，每个零件对舒适性和隔绝振动的贡献为：面套起30%～40%的作用；发泡起20%～40%的作用；悬置件起30%～40%的作用。现在许多座椅上没有悬置件，同样需要考虑各零件对舒适性的贡献。研究表明，发泡和面套取代了悬置件的作用，具体数据为：面套起50%～60%的作用；发泡起40%～50%的作用。

以上作用贡献度还需要更加全面的数据加以证明，目前的数据仅起到大概率参考作用。数据显示，在隔绝振动的零件中，面套的作用比预期的要大，相反，发泡起到的作用并不是最大。如果装有悬置零件，也会起到非常重要的作用。这为振动衰减性能的优化指出了方向。

1.2.3 座椅体压分布测试

座椅第1次手工件、第1次工装件以及座椅型面、泡沫物性、悬置弹性元件修改时，需要进行座椅总成体压分布测试，将测试结果与型面舒适性标杆座椅体压分布测试结果进行对比，对于差异点进行详细原因分析，优化不足，使体压分布优于参考座椅。

2 座椅舒适性优化思路

文章总结出一套完整的座椅舒适性优化思路：

1）标杆座椅选择：在开始设计座椅时，首先要与市面上同级车型的座椅进行静态及驾驶乘坐的感官对比，挑选一款符合预期要求的座椅作为标杆座椅（Benchmark座椅）。

2）标杆座椅静态评审：对标杆座椅进行静态乘坐评价，包括是否夹臀（主要影响因素：坐垫宽度和侧翼高度）、是否硌腿（主要影响因素：坐垫长度和坐垫角度）、座椅对人体的支撑性（主要影响因素：坐垫角度和坐垫软硬）、头部支撑性（主要影响因素：头枕高度和头枕位置）等。

3）标杆座椅信息输出：在对标杆座椅进行静态评价后，输出标杆座椅的关键参数，如坐垫和靠背宽度、景中宽度、坐垫长度和角度、侧翼高度、头枕高度等；将95百分位的假人布置在座椅上，对座椅进行体压分布测试，得出标杆座椅的压力分布图；若条件允许，可对标杆座椅进行逆向扫描，输出标杆座椅点云数据，方便提取标杆座椅的舒适性断面；对标杆座椅进行拆解，通过25%压陷硬度等方式获取泡沫硬度和体积质量；分析和检测标杆座椅的面料，包括不同部位的面料厚度、复合层厚度、刚软度、断裂伸长率等物理性能。

4）座椅舒适性目标确定：通过对标杆座椅的主观评价以及标杆座椅参数的整理，设定在研座椅的舒适性目标。

5）座椅工程需求输出：工程专业人员将设定的舒适性目标输出给总布置及造型专业人员，输出内容包括座椅的外形尺寸、标杆座椅的舒适性断面等。

6）座椅型面设计：造型人员根据工程设定的舒适性目标及标杆座椅的舒适性断面，在尽量保证与人体接触的面满足断面要求，同时兼顾造型的前提下，完成座椅A面的制作。

7）人机布置：总布置专业在确定整车的R点、足跟点、大腿角度、躯干线角度、眼睑位置等时尽可能考虑工程设定的舒适性目标。

以上为座椅舒适性正向开发的流程。提前确定舒适性目标，可以避免座椅在量产后出现舒适性问题而导致的工装变更等，从而大大缩短开发工时、减少开发费用。