重型汽車座椅舒適性研究

張鑫杰，李佳，黃偉，杜濤

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

重型汽車座椅舒適性研究

張鑫杰，李佳，黃偉，杜濤

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

汽車座椅是汽車中將乘員與車身聯(lián)系在一起的重要的功能件，它直接影響到整車的舒適性和安全性。座椅舒適性是座椅設(shè)計的關(guān)鍵性能指標(biāo)。文章對座椅的靜態(tài)舒適性、動態(tài)舒適性的設(shè)計原則及評價指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)研究及分析。

重型汽車；座椅；靜態(tài)舒適性；動態(tài)舒適性；評價指標(biāo)

CLC NO.: U463.83+6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-45-04

前言

隨著社會的高速發(fā)展，安全、舒適、高效已成為現(xiàn)代汽車的發(fā)展趨勢。在汽車的駕駛室過程中汽車座椅的舒適性、安全性以及對汽車的操作便捷性十分重要[1]。重型汽車路況復(fù)雜多變，涉及高速、國道、省道、城鎮(zhèn)公路、礦區(qū)土路等路況，且存在長途駕駛的情況，對座椅舒適性的要求更高，要求座椅能在復(fù)雜多變的路況下，提供安全、舒適、便于操縱和不易疲勞的駕駛環(huán)境。

1 座椅舒適性

座椅舒適性可分為靜態(tài)舒適性、動態(tài)舒適性、操作舒適性。

座椅與人體的匹配關(guān)系和為乘員提供坐姿的舒適程度，稱為靜態(tài)舒適性。靜態(tài)舒適性要研究和解決的問題，是依據(jù)人體舒適坐姿的要求和人體測量尺寸，合理設(shè)計座椅的結(jié)構(gòu)、尺寸和參數(shù)。

人體承受全身振動而引起的舒適性問題，稱為動態(tài)舒適性。動態(tài)舒適性要研究和解決的問題，是通過座椅的合理設(shè)計，有效衰減行駛中產(chǎn)生的各種沖擊和振動，最終使傳給乘員身體的振動強(qiáng)度處于人體所能承受振動的舒適性范圍之內(nèi)。

駕駛員進(jìn)行駕駛操作時的舒適性程度稱為操作舒適性。操作舒適性所要研究和解決的問題主要是車輛駕駛室—駕駛員—座椅—操縱裝置—顯示裝置—車外視野的合理匹配。

2 靜態(tài)舒適性

根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，為保證良好的舒適性，針對靜態(tài)舒適性，設(shè)計中應(yīng)遵循以下原則：

（1）座椅尺寸應(yīng)與人體測量尺寸相適宜

目前使用較多的人體模型是SAE簡化的人體模型，重型汽車座椅設(shè)計需滿足第95百分位男性、第50百分位男性、第5百分位女性人體模型尺寸要求。座椅尺寸要與三種人體模型的尺寸相適宜。圖1為SAE三種人體模型的側(cè)視圖。表1為座椅的舒適尺寸。

表1 座椅的舒適尺寸

圖1 SAE三種人體模型的側(cè)視圖

（2）座椅可適當(dāng)調(diào)節(jié)，使各類人體保持舒適的乘坐姿勢

人體駕駛的舒適和疲勞程度與設(shè)計中選擇的人體各關(guān)節(jié)角度所確定的駕駛姿勢有關(guān)[2]。由坐姿生物力學(xué)分析，最舒適的坐姿是臀部稍離靠背向前，使上體與大腿間角在90°~115°。同時，小腿向前伸，大腿與小腿、小腿與腳掌之間也應(yīng)達(dá)到一定的角度，見圖2。座椅設(shè)計要保證三種人體模型都處于舒適的乘坐姿態(tài)。

圖2 舒適坐姿的關(guān)節(jié)角度

（3）合適的體壓分布，使脊柱接近于正常彎曲狀態(tài)

人體在坐姿狀態(tài)下，體重作用在座面和靠背上的壓力分布稱為坐姿體壓分布。坐姿的體壓分面是影響乘坐舒適性的重要因素。人就坐時，身體重量的大部分（約80%）經(jīng)過臀部、背部隆起部分及其附著的肌肉壓在座椅面上。體壓分布的測量一般采用等高線的形式反映壓力分布狀況。座椅設(shè)計要求人體的體壓分布盡量接近理想體壓分布，如圖3所示。

圖3 人體在靠背和座墊上的理想體壓分布

3 靜態(tài)舒適性評價指標(biāo)

3.1 主觀評價

主觀評價主要通過選擇不同身高和體重的人員，對座椅整體的舒適度，腿部、臀部、靠背的舒適度進(jìn)行評價，評分尺度10分，分5級，如圖4所示。

圖4 主觀評價的評分尺度

3.2 人機(jī)校核

對座椅數(shù)據(jù)進(jìn)行人機(jī)工程校核,座椅應(yīng)滿足如下要求：

（1）座椅斷面尺寸滿足座椅的舒適尺寸要求，見表1。

（2）人體模型與座椅的位置參數(shù)滿足圖5要求。

圖5 人機(jī)校核參數(shù)示意圖

3.3 體壓分布測量

在臺架上進(jìn)行試驗(yàn)，測量座墊、靠背的體壓分布。采用座椅表面壓力分布測量（Pressure Distribution Measure ment：PDM）對座椅舒適性進(jìn)行評價。圖6為某座椅體壓分布測量結(jié)果。

圖6 座椅體壓分布測量結(jié)果

4 動態(tài)舒適性

汽車振動主要來源于地面不平度的隨機(jī)激勵。乘坐振動通過乘員的臀部、腰部傳給乘員，激起人的全身振動，當(dāng)振動激勵頻率接近于人體主要器官的固有頻率時，將引起相應(yīng)器官的振動面產(chǎn)生相對位移，從而使人感到不舒適，嚴(yán)重時將危害人的身體健康。人體對4-8Hz頻率范圍的垂直振動[3][4]以及1-2Hz頻率范圍的水平振動的能量傳遞率最大，其生理響應(yīng)也最大。汽車及座椅動態(tài)舒適性設(shè)計時應(yīng)盡量避開這些區(qū)域。

座椅、靠背地板三個支撐面中，座椅與人體接觸表面垂直方向的振動對人體的影響很大，占70%。在進(jìn)行座椅動態(tài)舒適性設(shè)計時，應(yīng)把座墊的垂直振動研究放在首位。

座椅減振系統(tǒng)由彈性元件和阻尼元件組成。座椅上乘員的垂直振動可簡化為簡單的單體有阻尼運(yùn)動[5]，見圖7。座椅的振動參數(shù)主要有2個：剛度K和阻尼系數(shù)c。座椅的固有頻率：，式中f0-固有頻率，K-剛度，m-簧上質(zhì)量。其中m變化范圍不大，因此可以認(rèn)為固有頻率的平方與剛度K比。而座椅阻尼值它決定了座椅的振動衰減特性。

圖7 座椅減振系統(tǒng)簡圖

5 動態(tài)舒適性評價指標(biāo)

5.1 主觀評價

將座椅搭載整車，選擇不同身高和體重的人員進(jìn)行動態(tài)舒適性主觀評價。主觀評價項目見表2，主觀評價評分準(zhǔn)則見表3。

表2 主觀評價項目

表3 主觀評價評分準(zhǔn)則

5.2 座椅動態(tài)舒適性的簡便計算

式中：KO——座椅舒適性常數(shù)，估計時可取1；

A ——座椅共振頻率所對應(yīng)的振動傳遞率；

B ——10Hz時的振動傳遞率；

f0——座椅的固有頻率（Hz）。

對于具體座椅來說，可測得A、B、f0，再求出R值，通過試驗(yàn)表明，R值越大，座椅動態(tài)特性越好。液壓座椅R值一般為：0.4 ；空氣座椅R值一般為0.6。

5.3 試驗(yàn)評價

（1）座椅的固有頻率及最大振動傳遞率

測量座椅的固有頻率和共振點(diǎn)的最大振動傳遞率。一般座椅的固有頻率保證在2Hz~4Hz范圍內(nèi)，共振點(diǎn)最大傳遞率小于1.0。圖8為某座椅改進(jìn)前后的最大振動傳遞率對比。

圖8 固有頻率（2.6Hz）激勵時的振動傳遞率對比

（2）整車平順性試驗(yàn)

目前常用ISO 2631-1:1997[E]標(biāo)準(zhǔn)的基本評價方法-加權(quán)加速度均方根值來評價振動對人體舒適和健康的影響。加權(quán)加速度均方根值與人的主觀感覺之間的關(guān)系見表4。座椅設(shè)計時一般保證座墊上頻率加權(quán)加速度均方根值在0.315~0.75的范圍內(nèi)。

表4 加權(quán)加速度均方根值與人的主觀感覺之間的關(guān)系

圖9 高速路面勻速40km/h時的振動傳遞率曲線對比

圖10 高速路面勻速50km/h時的振動傳遞率曲線對比

圖11 高速路面勻速60km/h時的振動傳遞率曲線對比

圖12 高速路面勻速70km/h時的振動傳遞率曲線對比

圖13 高速路面勻速80km/h時的振動傳遞率曲線對比

圖14 比利時路面時的振動傳遞率曲線對比

圖15 隨機(jī)激勵的振動傳遞率曲線對比

表5 垂直方向振動傳遞率FRF(0-30Hz)

座椅的減振性能通常采用振動傳遞率來進(jìn)行評價。按GB/T 4970要求將座椅搭載整車進(jìn)行平順性試驗(yàn)，測量座椅導(dǎo)軌和駕駛員坐墊位置的振動加速度信號，以導(dǎo)軌測點(diǎn)的加速度作為輸入，駕駛員坐墊處的加速度作為響應(yīng)，分別記錄車輛在水平路面、比利時路、一般公路行駛時的座椅振動加速度時間歷程。最終計算測點(diǎn)垂直方向（Z方向）0~30Hz加權(quán)功率譜密度的RMS值，使振動響應(yīng)頻域RMS值比上振動輸入頻域RMS值得出振動傳遞率。圖9-15，表5為某座椅改進(jìn)前后的振動傳遞率對比。

6 結(jié)束語

座椅是汽車的重要組成部分，人們對汽車舒適性，尤其是座椅的乘坐舒適性越來越關(guān)注。本文的研究思路和方法可以為重型汽車座椅舒適性的研究和優(yōu)化提供參考。乘坐舒適性是一個系統(tǒng)的概念，研究座椅本身舒適性的同時還需從系統(tǒng)角度出發(fā)，研究座椅與周邊系統(tǒng)的配合以及與整車的性能匹配。

[1] 劉維信.汽車設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[2] 廖琪梅.人體工程學(xué)在汽車車身設(shè)計中的應(yīng)用[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2002.06,16(2):99~104.

[3] 周一鳴,毛恩榮.車輛人機(jī)工程學(xué),北京理工大學(xué)出版社,1999.

[4] ISO 2631 Mechanical vibration and shock-Evaluation of human exposure to whole-body vibration,2004.

[5] John C.Dixon著,李惠彬等譯.減振器手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2011.

Research on seat comfort for heavy truck

Zhang Xinjie, Li Jia, Huang Wei, Du Tao
( ShaanXi Heavy-duty Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

Seat is an important part combine driver with cabin,which influences comfort and safety of vehicle.Seat ride comfort is a key performance index for seat design.The article introduce and analyse design principle and evaluation of seat static comfort and dynamic comfort.

heavy truck; seat; static comfort; dynamic comfort; evaluation

U463.83+6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-45-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.017

張鑫杰，就職于陜西重型汽車有限公司。