汽車座椅舒適性開發分析

張敬偉

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

隨著現代汽車工業的迅猛發展，市場競爭日趨激烈，人們在選購汽車時，越來越多地考慮到性能的穩定性、制造的精良性、乘坐的舒適性以及造型的美觀性等。座椅作為車內占據視野較多且直接與人體接觸的零部件，座椅的造型及舒適性直接影響到駕乘人員的感受。近年來，雖然各方就座椅的舒適性都進行了大量研究，但對其仍然沒有精確的、科學的定義。舒適性是一種主觀意念[1]，對于相同的座椅，不同的人對舒適性會有許多不同的意見。文章從設計要點出發，對座椅動態舒適性和靜態舒適性的影響進行說明，經過實車驗證，座椅各方面的舒適性均達到預期的效果。

1 座椅舒適性類型

按照使用需求，座椅舒適性分為靜態舒適性與動態舒適性。

1.1 靜態舒適性

1.1.1 靜態舒適性定義

靜態舒適性是指座椅與人體的匹配能夠為乘員提供舒適的坐姿、合適的支撐，以及所能提供的舒適程度。

1.1.2 靜態舒適性分類[2]

靜態舒適性分為2種。

1）短期乘坐舒適性：許多人坐在椅子上，馬上就會感覺到座椅是否舒適。原因之一是短暫的時間不會影響人體的血液循環，因此不均勻的壓力分布或血液循環和肌肉緊張問題一般都不會引起注意。

2）長距乘坐舒適性：是指在駕駛時（一般為30 min以上）的舒適性。當座椅有壓力不均、比較硬的點等，使腿或身體其它部分麻木，或使肌肉緊張，就會導致乘坐不舒適。

1.1.3 靜態舒適性設計要點

影響座椅靜態舒適性的因素主要集中在總布置的假人坐姿、泡沫型面、金屬骨架與布置假人的相對關系、支撐彈性元件剛度、泡沫硬度、面套材質和繃緊程度等。

主要設計要點為：坐墊和靠背的中墊寬度；假人與坐墊和靠背的中墊及側翼的位置關系；假人大腿在坐墊上的離去點和靠背上的離去點；頭枕的位置和型面對假人頭部的放置；控制零件（手柄、開關等）的位置，特別是調角器、滑道、腰托的操作手柄等零部件；假人靠背的壓力分布；人體與硬物的最小距離；腰托的位置和支撐力度等；發泡硬度，一般情況下，硬一點的發泡能夠提供比較均勻的壓力分布，也易于面套包裝撐型。

影響靜態舒適性的4個關鍵因素為：

1）假人離去點。離去點是假人與座椅坐墊以及靠背A面接觸時的相交點，將95百分位的假人置于設計位置，坐墊和靠背上的離去點在特定的區域，才能達到一定的舒適性。表1示出影響假人離去點的因素及其經驗值。

表1 影響假人離去點因素的經驗值

一般情況下，離去點位于坐墊上離咬合線65%的地方比較合適，如圖1所示。如果該值偏差過大，就會使人感覺座椅不舒服，對于較高或者較矮的人來說，會感覺座椅對大腿的支撐不足或者過多。

圖1 假人離去點示意圖

2）乘客進出和舒適性。乘客進出性不僅與座椅自身相關，也與座椅在汽車內的安裝位置相關。影響乘客進出汽車的因素有座椅和門檻高度的關系、地面到門檻的高度、頭頂線的高度、B柱位置與座椅的關系、轉向盤位置與座椅的關系。

在項目開發過程中，對于影響乘客進出性的情況，如下車時座椅硌大腿，需要更改坐墊側翼高度；上車時腿部空間不足，可以通過縮短坐墊長度解決該問題。

3）腳跟點、坐墊長度、H點和坐墊角度。這幾點的關系（如圖2所示[3]）對舒適性控制和H點控制非常重要。如果設置不合適，會導致乘客大腿壓力過大和腿部不適。例如：腳跟點相對于H點在Z方向太低，就會造成體形較小的駕駛員在操作踏板時，感覺大腿部分承受很大的壓力，如果坐墊角度太高，這種現象會更加嚴重，此時就需要一個較小的坐墊角度；如果腳跟點相對于H點過高，高個子的乘員會感到不舒服，因為大腿太早離開坐墊，腿部會缺乏足夠的支撐，適當地調高坐墊角度將會改善這種現象，但會對個子矮的人起到反作用。保持腳跟點和H點的相對位置一致，通過調節坐墊角度能夠彌補這些不足，所以出現了坐墊傾角可調座椅。

圖2 腳跟點、坐墊長度、H點和坐墊角度的關系示意圖

對于不同類型汽車（如小型車、客車、運動型車或者卡車）的座椅，腳跟點、H點、坐墊角度和坐墊長度之間的關系是有差異的，每種汽車對這些點定義了不同的關系。故在選擇靜態舒適性參考座椅時，需注意參考座椅對應的車型以及踏板的類型。

4）假人的位置。在H點控制中，假人相對于中墊和側翼的位置非常重要，景中寬度一般設定為340～380 mm。如果座椅的景中寬度和與此相關的側翼高度有問題，假人就無法處于坐墊或靠背的正確位置。這不僅嚴重影響舒適性，也會誤導對H點的測量。

1.1.4 座椅型面舒適性設計

型面舒適性設計要素：

1）各部位貼合度。座椅靠背、坐墊與人體背部、臀部及大腿底部相貼合，優化接觸面積和接觸部位的形狀，能夠提升乘坐舒適性。

2）腰背支撐性。座椅應提供形狀和位置適宜的兩點支撐，第一支撐位于人體第5和第6胸椎之間的高度上，作為肩靠，能減輕頸曲變形；第二支撐設置在第3至第5腰椎部位，作為腰靠，能保證乘坐姿勢下正常的腰曲弧線，從而提高駕駛員的舒適性。

1.1.5 座椅舒適性斷面設計

根據斷面提取要求，結合型面舒適性標桿座椅逆向數據，制作座椅舒適性斷面。需與造型設計人員充分溝通斷面數據，兼顧造型和舒適性要求，最后由雙方確認。造型設計人員根據斷面完成座椅A面的制作，盡量保證與人體接觸的面滿足斷面要求，如圖3所示。

圖3 汽車座椅舒適性斷面示意圖

1.2 動態舒適性

1.2.1 動態舒適性定義

動態舒適性是指汽車座椅系統通過隔離和衰減振動，使傳給乘員身體的振動強度處于界限內，最終人體所能感受到的舒適特性，主要與振動輸入信號和座椅振動特性有關。

1.2.2 動態舒適性影響因素及機理

人體的各個部位都有一定的固有頻率范圍，處于這個頻率范圍內的人會感覺不舒服。汽車的每個零件（如車身、輪胎、發動機等）也具有不同的頻率，對座椅影響最大的是車身的頻率，一般情況下，車身的固有頻率為1～2 Hz，人體的固有頻率為5～9 Hz。由此，乘客乘坐時座椅的固有頻率應該控制在2.5～4.0 Hz，這樣就可避免因座椅共振而引起振動過大。

在無乘客乘坐時，座椅的固有頻率不能與來自車身的能量發生共振。人體不適的頻率區域，如圖4所示。汽車零部件及人體的固有頻率，如圖5所示。了解零部件的固有頻率和人體的不適頻率，可避免出現共振。

圖4 人體不適的頻率區域示意圖

圖5 汽車零部件及人體固有頻率示意圖

大量研究證明，改變座椅結構件或者金屬件（靠背骨架、坐盆、調角器和調節器）的固有頻率，對座椅的固有頻率沒有太大影響，故這些零件對舒適性的影響很小。這種研究結果同樣適用于車身或者底盤系統，比較各種車型（小型汽車、中型汽車、運動型汽車和豪華汽車），它們的頻率都在一個狹小的范圍內波動。

假如座椅的固有頻率已經控制在規定的范圍內，而且金屬件對座椅固有頻率的影響又非常小，要將來自汽車的能量與人體隔絕開來，即提高座椅的振動衰減性能，就必須借助對座椅非結構零件（如泡沫、坐墊網格、面套等）的優化。面套、發泡、懸置件3個零件放在一起，就像一個組合彈簧，起到提供舒適性和振動隔絕作用，如圖6所示。

圖6 汽車座椅非結構零件示意圖

參考前期研究建立的數據，每個零件對舒適性和隔絕振動的貢獻為：面套起30%～40%的作用；發泡起20%～40%的作用；懸置件起30%～40%的作用。現在許多座椅上沒有懸置件，同樣需要考慮各零件對舒適性的貢獻。研究表明，發泡和面套取代了懸置件的作用，具體數據為：面套起50%～60%的作用；發泡起40%～50%的作用。

以上作用貢獻度還需要更加全面的數據加以證明，目前的數據僅起到大概率參考作用。數據顯示，在隔絕振動的零件中，面套的作用比預期的要大，相反，發泡起到的作用并不是最大。如果裝有懸置零件，也會起到非常重要的作用。這為振動衰減性能的優化指出了方向。

1.2.3 座椅體壓分布測試

座椅第1次手工件、第1次工裝件以及座椅型面、泡沫物性、懸置彈性元件修改時，需要進行座椅總成體壓分布測試，將測試結果與型面舒適性標桿座椅體壓分布測試結果進行對比，對于差異點進行詳細原因分析，優化不足，使體壓分布優于參考座椅。

2 座椅舒適性優化思路

文章總結出一套完整的座椅舒適性優化思路：

1）標桿座椅選擇：在開始設計座椅時，首先要與市面上同級車型的座椅進行靜態及駕駛乘坐的感官對比，挑選一款符合預期要求的座椅作為標桿座椅（Benchmark座椅）。

2）標桿座椅靜態評審：對標桿座椅進行靜態乘坐評價，包括是否夾臀（主要影響因素：坐墊寬度和側翼高度）、是否硌腿（主要影響因素：坐墊長度和坐墊角度）、座椅對人體的支撐性（主要影響因素：坐墊角度和坐墊軟硬）、頭部支撐性（主要影響因素：頭枕高度和頭枕位置）等。

3）標桿座椅信息輸出：在對標桿座椅進行靜態評價后，輸出標桿座椅的關鍵參數，如坐墊和靠背寬度、景中寬度、坐墊長度和角度、側翼高度、頭枕高度等；將95百分位的假人布置在座椅上，對座椅進行體壓分布測試，得出標桿座椅的壓力分布圖；若條件允許，可對標桿座椅進行逆向掃描，輸出標桿座椅點云數據，方便提取標桿座椅的舒適性斷面；對標桿座椅進行拆解，通過25%壓陷硬度等方式獲取泡沫硬度和體積質量；分析和檢測標桿座椅的面料，包括不同部位的面料厚度、復合層厚度、剛軟度、斷裂伸長率等物理性能。

4）座椅舒適性目標確定：通過對標桿座椅的主觀評價以及標桿座椅參數的整理，設定在研座椅的舒適性目標。

5）座椅工程需求輸出：工程專業人員將設定的舒適性目標輸出給總布置及造型專業人員，輸出內容包括座椅的外形尺寸、標桿座椅的舒適性斷面等。

6）座椅型面設計：造型人員根據工程設定的舒適性目標及標桿座椅的舒適性斷面，在盡量保證與人體接觸的面滿足斷面要求，同時兼顧造型的前提下，完成座椅A面的制作。

7）人機布置：總布置專業在確定整車的R點、足跟點、大腿角度、軀干線角度、眼瞼位置等時盡可能考慮工程設定的舒適性目標。

以上為座椅舒適性正向開發的流程。提前確定舒適性目標，可以避免座椅在量產后出現舒適性問題而導致的工裝變更等，從而大大縮短開發工時、減少開發費用。

3 結論

座椅舒適性對座椅的設計至關重要，根據與國內大型座椅供應商溝通交流的寶貴經驗，文章對座椅舒適性的設計要點及相應經驗值進行了介紹。對座椅舒適性的優化設計也都經過實車驗證。期望未來國內汽車座椅行業能夠制定出一套完整的舒適性評價流程及評價標準，以供工程師在座椅開發過程中進行參考。