一种分裂式汽车座椅设计及其舒适性评价分析

任佳泽，陶 庆，王寿栋

（新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047）

1 前言

汽车作为人们生活中使用非常常见的交通工具之一。在使用它的同时会对人体健康造成一定的危害。汽车在行驶过程中是一个动态环境，动态环境下机械系统会产生振动，在一定范围内的低频振动会使驾驶员感到不舒适从而引起驾驶疲劳导致交通安全问题，危害人体健康。

为了分析，预测和改善动态环境中坐姿的舒适度，或研究满足特定动态环境下的坐姿的振动特性，近年来，国内外学者做了大量研究：文献［1］基于STHT（seat-to-head transmissibility）和DPMI（driving-point mechanical impedance）建立了四自由度模型来研究人体坐姿舒适性；文献［2］通过考虑由人体臀部和下肢的振动影响而建立的五自由度人体垂向振动模型，应用MATLAB中的Bobe插件得到了人体各部位加速度响应曲线；文献［3］通过计算视在质量，运用质量归一化平均处理，得到了坐姿人体垂向振动响应的两阶固有频率；文献［4］通过增加转动惯量建立六自由度模型，利用MATLAB与Isight联合仿真识别出了六自由度模型的全部参数，为人体振动特性的研究提供了一种模型依据；文献［5］基于自行建立的九自由度模型，对比了在相同激励下人体各部位的振动响应；文献［6］通过计算男性与女性振动的吸收功率响应，评价人体坐姿在全身振动环境中的舒适性。

在驾驶汽车过程中获得良好的舒适性，汽车座椅是其中主要的影响元素。因此，研究汽车座椅舒适性成为当前主要研究点。利用自行设计的分裂式汽车座椅［7］开展研究，如图1所示。该座椅可以为驾驶员的大腿提供支撑，减少人体大腿自身的肌肉力、提高驾驶员的舒适性与安全性。通过进行振动实验，并利用建立的坐姿人体全身水平振动五自由度模型在虚拟环境下进行仿真验证。

图1 一种分裂式汽车座椅Fig.1 A Split Car Seat

2 坐姿人体水平振动模型

人的身体由于肌肉、骨骼的存在可以看作是一个多自由度振动系统。人由于身体脂肪的存在使其更具有弹性，因此，对振动的反应与一个弹性系统相当。为了研究动态环境下坐姿人体主要部位的振动响应，对于人-椅系统中坐姿人体，利用自行建立的坐姿人体全身水平振动五自由度模型［8］进行研究，该模型可以准确地表示坐姿人体处于动态环境时的结构，如图2所示。

图2 坐姿人体五自由度水平振动模型Fig.2 Horizontal Vibration Model of Human Body Sitting with Five Degrees of Freedom

图中：m3—人体头部质量；m1，m2—人体上躯干质量；m4，m5—人体上肢质量；m0—人体下躯干质量；c1，c2，c3，c4，c5—五自由度模型中人体各部分对应的阻尼，Ns/m；k1，k2，k3，k4，k5—五自由度模型中人体各部分对应的刚度，kN/m；k6，c6—座椅刚度，kN/m，座椅阻尼，Ns/m。

根据牛顿第二定律，得到坐姿人体水平振动五自由度模型的振动微分方程为：

式中：[M]，[C]，[K]，[B]—坐姿人体五自由度模型的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和激励矩阵；{Z}—模型的输出向量；{q}—模型的输入向量。

对上式进行傅里叶变换，得到：

坐姿人体响应的传递函数为：

H(ω)包括坐姿人体水平振动模型的头部、上躯干、下躯干和上肢等各部位的传递函数。因此，人体头部传递函数为：

头部加速度传递函数计算公式为：

3 振动实验

实验在新疆大学机械工程学院力学振动实验室完成，使用苏州某公司生产的电动振动系统，并用DHDAS动态信号采集分析系统对振动信号进行采集。实验座椅为分裂式汽车座椅和普通汽车座椅。受试者共20人，其中，男女比例为6：4；年龄为（22～24）岁，身高为（162～180）cm，平均体重为72kg。所有受试者均为身体健康，没有身体疾病的新疆大学研究生，其身体情况符合中国成年人人体尺寸标准（GB/T10000-1998E）。实验及测试原理如图3a所示，通过安装在人体头部和座椅表面的两个振动加速度传感器来采集人体头部和汽车座椅表面的振动信号，并用DHDAS动态信号采集器将振动信号记录和保存。实测图片，如图3（b）所示。

图3 振动实验Fig.3 Vibration Experiment

人体振动实验的主要参数有：频率、振动强度、振动时间。通过查阅文献资料了解到汽车振动一般为（0～20）Hz的低频振动，因此，我们选用的振动实验频率为2Hz，3Hz，4Hz，5Hz，6Hz，7Hz，8Hz，9Hz，10Hz共9个频率段。按照ISO2631标准的疲劳-功效降低极限，振动台的原始信号设定为0.3g（0.3×9.81）m/s2。我们选择各个频率下的最适宜振动时间为5min。

4 坐姿人体舒适性分析

4.1 传递率

幅频特性曲线可以反映人体振动特性的频域分析。通过对自行建立的坐姿人体全身水平振动五自由度模型分析，建立振动微分方程后，得到了坐姿人体头部的加速度传递函数。利用绝对值峰值法［9］提取振动信号，并应用人体头部加速度传递函数计算式（6）进行计算。通过式（6）得到实验人员在各振动频率下的坐姿人体头部响应传递率，如表1所示。

将表1中的数据运用MATLAB进行绘图，得到的坐姿人体头部响应传递函数曲线，如图4所示。从中我们可以看出，两种座椅传递函数曲线拥有相同的趋势，它们的头部传递率都在3Hz时出现峰值，证明坐姿人体在水平方向低频动态环境中，处于3Hz时是最不舒适的。并且分裂式汽车座椅的传递率峰值比普通汽车座椅的小，表明自行设计的分裂式汽车座椅在舒适性方面相较于普通汽车座椅有了一定的提高。

图4 坐姿人体头部传递函数曲线图Fig.4 Graph of Transfer Function of Human Head in Sitting Posture

表1 坐姿人体头部振动响应传递率Tab.1 Transmission Rate of Vibration Response of Human Head in Sitting Position

4.2 水平振动与垂直振动

近年来，研究者们已经进行了大量的垂向振动试验［10］，得出了垂向人体坐姿振动特性；但是在水平方向的研究不够深入。因此，对两种汽车座椅进行水平和垂向振动实验，研究坐姿人体在水平方向与垂直方向的振动特性，并将两者的振动特性进行对比分析。

将振动实验得到的信号提取特征值，利用MATLAB画出特征信号图，如图5所示。水平方向振动在3Hz时达到峰值，在5Hz时趋于平缓；垂直方向振动在4Hz时达到峰值，在7Hz时趋于平缓；两种振动方向都在（2～4）Hz时达到峰值，证明坐姿人体处于这一低频段时是最不舒适的。

图5 水平振动与垂直振动对比图Fig.5 Comparison of Horizontal and Vertical Vibration

5 坐姿人体振动特性仿真实验

为了验证得到的人体动态环境中的低频振动传递函数曲线的有效性，运用国际上应用最为广泛的虚拟样机仿真软件—ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System即为机械系统动力学分析软件）—进行振动仿真试验，振动仿真试验原理图，如图6所示。利用Solidworks和Adams里面的LifeMOD插件建立人-椅生物结构模型，如图7所示。在ADAMSMSC的插件组件ADAMS/Vibration振动模块中进行振动仿真实验，将虚拟振动台的中心设为输入通道，输入信号为0.3g（0.3x9.81m/s2）。输出通道设置在虚拟人的头部与导入的座椅的质量中心，并将输出通道设置为加速度输出通道。在（2～10）Hz频率范围内进行振动分析。通过在ADAMS/Vibration模块中进行振动仿真，得到了虚拟动态环境下坐姿人体处于低频时段的头部加速度频率响应曲线结果，如图8所示。

图6 振动仿真实验原理图Fig.6 Schematic Diagram of Vibration Simulation Experiment

图7 人-椅振动仿真模型Fig.7 Man-Chair Vibration Simulation Model

由图8可见，运用Adams/LifeMOD进行振动仿真实验得到坐姿人体五自由度水平振动模型人体头部加速度频响曲线在3Hz时出现峰值，对比分裂式汽车座椅坐姿人体头部传递率曲线，两者运动趋势基本一致。仿真实验与实测实验的一致性表明，这里设计的分裂式汽车座椅振动特性的正确性与有效性。

图8 仿真与实验对比图Fig.8 Comparison of Simulation and Experiment

6 结论

通过运用电动振动台对两种汽车座椅进行水平振动实验得到坐姿人体头部传递函数曲线表明，在两种汽车座椅上得到的人体头部传递响应基本相同，均在3Hz左右达到峰值；垂向振动实验得到的坐姿人体头部传递响应与水平振动响应趋势存在一定差别，在4Hz左右达到峰值，水平与垂直振动实验结果表明，人体在动态环境中处于（2～4）Hz时是最不舒适的。利用建立的五自由度振动模型在Adams/LifeMOD虚拟环境中进行振动仿真实验，得到仿真人体头部振动响应曲线与振动试验所得结果具有一致性，验证了分裂式汽车座椅振动特性的有效性与正确性。也为汽车座椅研究提供了一种有效方法。