淺談商用車司機座椅減振設計

陳國雨

廈門金龍汽車座椅有限公司 福建省廈門市 361022

1 引言

隨著國民經濟的提升，人們已經不僅僅滿足于工作報酬的多少，而是更加關注工作的環境條件。這其中就有廣大的商用車駕駛人員，他們對司機座椅的要求已經越來越高，更加關注座椅減振性能的好壞。伴隨著人們需求的提升，商用車司機座椅減振性能也不斷提升——無減振、海綿減振、機械彈簧減振、固定氣壓氣囊減振、可變氣壓氣囊減振、可變氣壓氣囊加可變阻尼減振。目前國內司機座椅主要采用減振方式是機械彈簧減振、可變氣壓氣囊減振兩種，也有少部分高檔車開始使用可變氣壓氣囊加可變阻尼減振方式。

2 司機座椅減振系統簡述

只有熟練掌握座椅減振系統結構、工作原理，提高對座椅減振技術特點、性能、影響因素的認識，才能設計出座椅減振性能優秀的產品。座椅的減振系統主要由緩沖部件（彈簧、氣囊）、阻尼部件（阻尼器）以及它們的控制部件組成的。根據不同的緩沖件，可以簡單的將座椅減振分為機械彈簧減振座椅、氣囊減振座椅。

2.1 機械彈簧減振座椅

機械彈簧減振系統一般由阻尼器、機械大彈簧、機械彈簧剛度調節機構，以及上下限位緩沖墊組成的，這類減振系統區別主要在機械彈簧的種類，目前比較通用的是拉簧，也有少部分用錐簧、片簧。部分座椅還會加裝減振鎖止機構，當遇到極端路況，顛簸振動超出座椅減振的設計范圍，座椅上下振動過大，造成司機乘坐不穩，這時可以將減振機構鎖住，既可以減少司機的振幅，又可以保護座椅。

圖1是一種典型的機械彈簧減振機構。其主要部件構成：1-體重調節手輪、2-剛度調節機構、3-機械減振彈簧、4-下極限緩沖墊、5-上連接組件、6-阻尼器、7-支撐組件、8-下連接組件。

圖1 機械彈簧減振機構

機械彈簧減振機構的工作原理如下：3-機械減振彈簧一端連接在7-支撐組件，另一端連接在2-剛度調節機構；6-阻尼器一端連接在7-支撐組件，另一端連接在5-上連接組件；7-支撐組件連接在5-上連接組件與8-下連接組件上。遇到顛簸時，5-上連接組件受到下壓力發生變化。當下壓力加大時，5-上連接組件迫使7-支撐件繞中心軸向下轉動，進而拉長3-機械減振彈簧，增加向上支撐力并儲存顛簸傳遞過來的部分能量；同時也迫使6-阻尼器收縮并消耗掉顛簸傳遞過來的部分能量；當下壓力回復正常時，因之前3-機械減振彈簧內儲存的顛簸傳遞過來的部分能量，迫使7-支撐件繞中心軸向上轉動，釋放掉該部分能量，同時也迫使6-阻尼器伸長并消耗掉顛簸傳遞過來的剩余能量，減振器恢復到平衡狀態。通過體重手輪可以調節3-機械減振彈簧的預緊長度，改變彈簧的支撐力，這樣就可以與不同體重對5-上連接組件形成的壓力達到平衡。

2.2 氣囊減振座椅

氣囊減振系統一般由儲能元件氣囊、耗能元件阻尼器、氣閥以及控制閥

構成。該系統的關鍵技術主要由三大方面，第一，阻尼器；第二，氣動功能件；第三，控制系統。下面對氣囊減振座椅的整體概念、氣動功能件以及控制系統進行簡單的說明。

2.2.1 氣囊減振座椅的整體概念簡介

目前常見的氣囊減振座椅不僅具有普通座椅的一般功能如靠背角度調節、座墊角度調節、座墊深度調節、座椅前后調節等功能，而且對座椅高度調節功能進行升級：采用氣動控制，對機械腰托進行升級，采用氣動腰托，同時通過可變阻尼力的阻尼器與可變壓力氣囊配合，可以有效應對各種顛簸路況，能有效消耗顛簸能量，避免顛簸能量傳遞到駕駛人員。此類氣囊減振座椅可以明顯降低道路顛簸引起的沖擊、大大提升駕駛人的舒適感，即使長時間駕駛也不再感到疲勞，因而廣受駕駛人員喜歡。

2.2.2 阻尼器

耗能元件，通過活塞桿在氣缸內運動，將顛簸能量轉化為熱能，是減振系統的核心部件。

2.2.3 氣動功能件

氣動功能件分為兩大類，一類是氣動執行元件，另一類是氣動控制元件。

氣動執行元件主要包含，減振氣囊、腰托氣袋、按摩氣袋等。減振氣囊通過充氣和放氣，改變氣囊內部壓力，形成不同的座椅支撐力，完成座椅的減振，同時可以通過充氣及放氣位置，實現座椅高度的變化，完成座椅升降調節。腰托氣袋是通過充氣和放氣，改變氣袋的膨脹程度，實現對腰部支撐的調節。按摩氣袋，通過不停的充氣和放氣，改變氣袋的壓力及膨脹程度，實現對支撐部位的按摩。

氣動控制元件主要包含座椅高度調節控制閥、快速放氣控制閥、靠背腰部支撐氣袋控制閥、按摩氣袋控制閥、氣囊充氣和放氣控制閥等。座椅高度調節、腰托支撐調節主要通過這些控制閥來實現的。

2.2.4 控制系統

控制系統主要由氣動控制元件，控制閥及相應的連接氣管等組成（見圖2）。

圖2 氣囊控制系統原理圖

工作原理：高壓氣體從進氣管進入三通接頭1后，一路進入靠背氣袋控制閥，一路進入快速放氣閥。這時，可以按壓靠背氣袋開關，進行充氣或放氣，調整靠背氣袋氣量，進而調節氣袋的膨脹程度，達到滿足司機對腰椎支撐的個性化要求，設置多個腰托氣袋，并且分別獨立控制，可以實現不同部位不同支撐程度的要求。按下快速放氣閥關閉按鈕，氣體進入三通接頭2后，一路進入高度調節閥，一路進入減振控制閥。這時，如果按下高度調節閥向上開關，氣體就進入氣缸控制閥，此時，氣缸1收縮帶動控制板1、控制板2順時針轉動，控制板2圓弧面擠壓減振控制閥進氣頂針，進氣開關打開，這時進入減振控制閥這一路的氣體通過氣管進入氣囊，對氣囊進行充氣，這時座椅就會升高。當座椅高度達到駕乘所需位置時，松開高度調節閥向上開關，此時氣體就不在進入氣缸控制閥，氣缸1停止收縮，控制板1及控制板2轉動，座椅升高過程中，撥桿會帶動減振控制閥順時針轉動，從而使減振控制閥充氣頂針脫離控制板1，進氣開關就關閉，停止對氣囊充氣，氣囊內氣體進入保壓狀態，座椅處于懸浮狀態。該系統會記住此高度位置，稱之為記憶功能，如果停車熄火下車，撥桿會帶動控制板1、控制板2順時針轉動，減振控制閥放氣頂針收到控制板1擠壓，放氣開關打開，氣囊內的氣體通過減振控制閥排氣孔排出，座椅下降到最低狀態，方便司機進出，如果停車不熄火臨時下車，按下快速排氣閥開關，直接將氣囊內氣體全部排掉，座椅降到最低。但司機再次回到車上，啟動后關上快速排氣閥開關，氣囊開始充氣，座椅恢復到下車前的高度。座椅高度下降調節方式與上升類似。

3 司機座椅減振系統設計計算分析

3.1 機械彈簧減振剛度調節設計計算（見圖3）

圖3 機械彈簧減振機構機構簡圖

對該機構進行受力分析，座椅承載力P，方向豎直向下，彈簧拉伸產生的拉力為F（彈簧變形量為l），根據機構圖，列出減振機構豎向位移量h與a（支撐桿角度）的函數關系、h與彈簧變形量l的函數關系，同時由機構受力平衡條件列車方程式，可以求出不同座椅承載力（不同體重）下的剛度。

3.2 機械彈簧減振行程設定

根據車身環境條件，減振行程H盡可能大，座椅加載后達到平衡轉態時，其豎直方向位移（最高位置到平衡位置）為40%Hmm，在最低位置由橡膠緩存墊進行緩沖限位。

3.3 阻尼器阻尼力確定

阻尼器做為座椅減振系統內最主要的吸收顛簸能量部件，可以稱之為的核心部件。它的性能好壞及安裝位置是否合理，將直接影響減振系統的減振效果。

（1）阻尼系數的確定：阻尼器在減振系統相對平衡轉態下，阻尼器的阻尼。

力F與減振器的振動速度V之間由如下關系：

帶阻尼的減振系統，它的振動是周期衰減的。周期衰減振動，振動衰減速度用相對阻尼系數Ψ來衡量。

C：減振系統豎直剛度，M：系統質量。

從上式可知，不同的阻尼系數，配置相同剛度、相同系統質量，會產生不同的減振效果，相同的阻尼系數在不同剛度C和不同減振系統與承載質量之和的座椅系統相匹配時，會產生不同的阻尼效果。Ψ值越大，振動衰減越快，顛簸振動力傳到人體也越大。一般下壓過程相對阻尼系數比上升過程相對阻尼系數小，二者的關系通常是0.4-0.7倍。設計時先求平均值，在根據二者關系進行分配。通常Ψ=0.2-0.4；若減振系統內內摩擦力小，Ψ值取小些。對于在惡劣路況中行駛的汽或者底盤較硬的汽車，Ψ值取大些。

（2）阻尼器相對阻尼系數的確定：

修訂為：k=2Ψω/cosa

從上式可知，阻尼器軸線與豎直線之間的夾角a，也是影響阻尼系數的參數。

（3）以上分析的是座椅本身的阻尼情況，設計值還應考慮整車環境。

4 司機座椅減振系統的性能分析

座椅減振效果是整車減振效果的重要組成部分。通過研究司機座椅各項參數對舒適性的影響，不斷提高汽車座椅的乘坐舒適性，使座椅與整車匹配達到最佳狀態，一直是各汽車廠家所追求的目標。

4.1 影響座椅減振舒適性參數

4.1.1 靜剛度

靜載下，座椅在不同載荷下與豎向位移量的關系。通過分析，發現可以將系統簡化為線性彈性系統：F=KX

F：彈簧力 K：彈性系數 X：變形量（位移）

座椅是多種減振系統的復合體，比較常見的是由海綿減振系統與減振機構系統組合的。通過對多款反饋較好座椅測量，發現該值分布在16-24N/mm之間。而且該值較小的，座椅的乘坐感就較軟，值較大的乘坐感就較硬。座椅太軟、太硬乘坐都不舒適。

4.1.2 相對阻尼系數

在振動分析中，通過建立座椅系統力學模型，發現單自由度振動模型也能較好的反映座椅系統的振動特性。

相對阻尼系數：

K：系統剛度 M：系統簧上總質量 k：系統阻尼系數

4.1.3 固有頻率

座椅系統的振動特性除了與乘員參數有關外，還與系統相對阻尼系數及系統固有頻率有關，所以系統相對阻尼系數及系統固有頻率也是影響座椅舒適性的重要參數。人體不舒適頻率為3.5-9Hz，系統固有頻率需要避開該范圍；如果將系統固有頻率設定在1Hz以下，座椅的動靜繞度過大，座椅過軟會有暈船感；如果將系統固有頻率設定在2.5Hz以下，易與減振機構的共振頻率重合，極易擴大傳遞率；如果將固有頻率設定在9Hz以上，則會容易與車身/車輪產生共振。所以座椅系統固有頻率設定在2.5-3.5Hz，相對阻尼系數0.25-0.35比較合理。

4.1.4 傳遞率

坐墊上總的加速度加權均方根值和輸入給座椅的總的加速度加權均方根值之比為傳遞率。越小的傳遞率，減振性能就越好。一般為0.1-0.3。

4.2 減振座椅的特點：

（1）帶減振系統座椅與無減振系統座椅比較。無減振系統座椅的一般緩沖部件主要是海綿，且僅僅在海綿墊下配置蛇形彈簧，這些配置由于沒有減振機構，道路顛簸所產生的沖擊無法進行很好的消化吸收，振動引起的加速度快速傳到駕乘人員身上，卻不能快速衰減，長時間駕駛會十分疲勞，而帶減振系統的座椅則完美得彌補了這一缺陷，帶給駕乘人員更加舒適的體驗。

（2）氣囊減振座椅與機械彈簧減振座椅比較。與機械彈簧減振座椅相比，氣囊減振座椅的振動傳遞率更低，在相同的頻率下，氣囊減振座椅的加速度比也更低。

（3）氣囊減振的特點是吸收高頻振動能力強，這樣可以適當的減小座墊海綿的厚度，增加座墊海綿的硬度。如果座墊太軟，厚度太厚，長時間駕乘司機會不舒服。

（4）由于氣囊剛度由內部氣體量決定的，具有調節豎直剛度，可使人-椅系統固有頻率穩定，不會因乘員體重變化而變化。

（5）氣囊本身的彈性不是線性的，是一條曲線，能使傳遞率更低，能吸收更多的能量。

（6）座椅高度調節方便，極大方便駕駛人員進出駕駛室。

4.3 根據以上的分析：減小座椅振動，提高座椅乘坐舒適性，可以采取的方法有

（1）調整座墊海綿硬度，可以采用多種硬度，多層硬度。（2）調整彈性零件的剛度，如機械減振座椅拉簧改錐形拉簧，它的彈性系數不是定值，是變化的。（3）座椅的多層減振系統性能合理匹配。（4）增加減振系統的減振行程。（5）座椅總成質量參數、彈性參數和阻尼要合理匹配。（6）選用可變阻尼力的阻尼器，合理設置安裝位置。（7）提高加工精度，減少減振機構內部運動部件間的摩擦力。（8）避免與車輪、駕駛室、底盤減振系統發生共振。（9）增加座椅的調節功能，也可以大大提高座椅的乘坐舒適性。如增加側向減振，增加座墊深度調節、增加腰托調整、增加通風功能、增加加熱功能、增加按摩功能、增加扶手等等。

工作環境的提升可以滿足現在人民對幸福生活的追求，商用車司機座椅的舒適性也越來越得到廣大廠家的重視，座椅的減振性能對座椅的乘坐舒適性影響最大，提升座椅的減振性能是座椅設計員不斷研究的重點。