乘用車零重力座椅布置及優化設計

張程

（北汽瑞翔汽車有限公司汽車研究院，重慶 401520）

縮略語

ZGPS Zero Gravity Position Seat

HPM H-Point Machine

NASA National Aeronautics and Space Administration

0 引言

座椅舒適性一直以來都是消費者購車過程中最關注的要素之一。對于舒適性的追求，也讓越來越多的消費者把選車關注點集中在座椅調節功能和娛樂功能上。座椅舒適功能主要包括：獨立肩部調節、多擋位通風、柔性氣袋按摩、無縫一體式腿托全面支撐、隨動頭枕、一鍵調節零壓坐姿、自動匹配乘員身高體型及自動進行4個方向的電動調節頭枕。提升座椅舒適性包括優化坐墊的尺寸和坐姿深度，滿足不同人群的舒適要求。在休息模式或身心放松時，零重力座椅（Zero Gravity Position Seat,ZGPS）能夠實現人體零壓和懸浮放松感。

1 零重力座椅設計理論

零重力座椅指零重力健康姿勢座椅，該座椅是各大汽車企業不斷改進的新技術。零重力座椅可以最大限度為乘員提供最優舒適性，零重力可狹義理解為坐姿失重。在這種情況下，座椅表面對身體支撐的壓力等于自身重力，人會有一種漂浮的感覺，相當于處于失重的環境中。該姿態下人體的重心在臀部，其它各部位壓力均衡。該模式下人體會感受到放松、身心愉悅，坐在座椅上有一種遨游太空的感覺。零重力技術核心在于人機工程學在座椅優化設計上的應用，包括人體背面與座椅發泡完美貼合、柔軟的座椅面套合理布置。

零重力座椅由座椅四向舒適頭枕、座椅舒適靠背總成、舒適坐墊總成和腿托總成組成，如圖1所示。零重力座椅四向舒適頭枕提供上下和前后調節，滿足乘員對頭部有效支撐的需求，其尺寸大于普通頭枕，在人體躺下后，頭部可完全放松。舒適靠背含有柔軟的軟發泡層，減輕背部硬物感。舒適坐墊可以調整坐墊傾角，使大腿完全貼合于坐墊面。舒適腿托可以有效支撐腿部減少負重感，提高座椅舒適性。

圖1 零重力座椅結構

2 傳統座椅布置設計

傳統座椅設計以H點為基準布置，H點即胯點（HipPoint）。汽車設計時將HPM 裝置（H-Point Ma?chine,HPM）人體模型按照規范步驟放入汽車座椅中，調整坐姿，座椅坐墊上人體模型大腿與軀干相連的旋轉點就是駕乘人員胯關節在車身中的位置，即整車布置車輛設計的參考點[1]。H點是汽車車身總布置設計中的基礎點，也是座椅系統設計所有尺寸的基準點。

2.1 傳統座椅人機布置

人體處于最佳駕駛坐姿時，體重會得到均衡分配。駕乘人員大腿呈自然前翹的自然放松狀態，雙腳踵點著地，手臂不承受身體壓迫的自然狀態下，此布置為駕乘人員人機布置最佳位置。人處于正常坐姿時，身體約75%的重力由座椅坐墊承受，因此座椅的設計必須使得駕乘人員的臀部承受壓力均勻分布。人體最佳駕乘坐姿姿態如圖2所示。

圖2 人體最佳駕乘坐姿姿態

上海交通大學王正華教授[2]提出提高人體在腰部區域的支撐力度，使人體腰部壓力增大，減輕了腰椎所承受的負荷，避免脊柱變形，保持腰部肌肉處于松弛休息狀態，從而明顯提高駕乘人員的乘坐舒適度。在傳統車型布置中，腰部支撐與靠背角密切相關，座椅靠背角成了人機布置第一要素。

從人體生物學角度來看，駕乘人員的最佳坐姿是臀部離開座椅靠背并稍向前移，駕乘人員的上半身和大腿之間的夾角保持95°～115°，大腿和小腿的角度為100°～145°，詳細見表1。

表1 傳統座椅人機布置參數

H30定義為腳踵點至H點的垂直高度，直接影響駕乘人員坐姿感受，影響駕駛員開車時坐姿。坐墊傾角恒定的狀況下：H30過大，則5%分位女性駕駛員會產生“懸空”的感覺，坐墊對大腿的擠迫感也會非常明顯。H30值過大還會限制使用者腳部活動，導致無法踩加速踏板，會誤認為座椅高度設計不合理。H30值過小，駕乘人員大腿部位得不到有效支撐，會產生儀表板過高的錯覺，使駕乘人員認為座椅高度不夠。

坐墊傾角設計值為坐墊與水平線的角度，直接影響座椅坐墊與地面的傾斜程度。在座椅高度固定的情況下：坐墊傾角a5過大，則坐墊前端大腿離去點過大，對大腿膝窩干涉感明顯，大腿不舒適；坐墊傾角a5過小，則坐墊前端大腿離去點過小，大腿有懸空感、支撐不足。

2.2 傳統座椅布置設計

傳統座椅設計角度與駕乘舒適度密切相關，結合人機工程學理論，對座椅布置參數和駕乘人員產生疲勞的原因進行總結，降低駕駛疲勞，提高健康舒適性。座椅布置參數如圖3 所示，該參數是座椅設計關鍵參數。

圖3 傳統座椅布置參數

通過市場競品車對標分析，快捷并可靠地提取座椅關鍵設計參數，應用到產品開發實際布置方案，能夠縮短產品開發周期。通過逆向工程技術不僅規范了對標分析基準，而且為后期車型開發豐富了座椅知識數據庫[2]。

當駕乘人員坐到汽車座椅上時，座椅的舒適感體現在座椅貼合身體的尺寸，包括靠背、臀部和腿部尺寸。傳統座椅布置設計參數包括靠背和坐墊壓陷量、大腿離去點與H點距離、坐墊頭枕與人體有效高度和距離等，詳細設計參數見表2。

座椅靠背對駕乘人員的腰部和背部進行有效支撐，緩解長時間坐姿不變引起的疲勞。第1 支撐在5～6 胸椎之間，保證駕乘人員的肩部有所依靠，頸部不會變形。第2支撐在脊柱部位，讓駕乘人員在駕駛姿勢下也能保證正常的腰曲弧度。

3 零重力座椅布置及設計

零重力姿勢被稱為最舒適的乘坐姿勢，身體所有部位處于不受外力狀態。零重力座椅根據人機工程學設計原理，具有調整座椅的斷面和改進座椅骨架調節功能，采用彈性更柔軟的泡沫，使身體最大限度地抵抗重力，減輕肌肉骨骼壓力，減少橫膈膜和脊柱的壓力，讓身體完全放松并處于自然狀態，為駕乘人員提供更加舒適的駕乘體驗，人體零重力坐姿如圖4所示。

圖4 人體零重力坐姿

3.1 零重力座椅功能實現

零重力座椅功能實現需要調整座椅參數值，當駕乘人員需要使用零重力坐姿位置時，通過在車輛娛樂按鈕或者門板上的物理按鈕輸入具體角度調整命令，座椅總成控制模塊輸出信號給座椅電機，座椅電機運動使座椅調整到零重力姿態。

坐墊傾角調節依靠座椅半盆骨架繞靠背旋轉中心旋轉，采用電機驅動座盆前抬機構，通過前抬功能實現座盆旋轉。頭枕方案采用四向電動頭枕，可以上下前后調節，有利于不同人體頭部與頭枕的有效接觸，并合理支撐頭部。為實現座椅腿托功能，腿托總成安裝于座椅半盆骨架前端，采用電機驅動腿托內四連桿機構，實現腿托展開與關閉狀態，該功能設計主要是方便駕乘人員躺在座椅上休息時候放松身體，同時腿托可前后調節，同時腿托的伸縮距離也可以調節[3]。

西華大學李娟[4]采用身體壓力分布分析與舒適度量化評分相結合的評價思路，分析了恒定坐姿條件下，座椅靠背和坐墊形面特征與人體關鍵部位的舒適度關系，并據此提出了座椅初版造型面(Concept A Surface,CAS)人機優化設計建議。體壓分布試驗結果表明：座椅壓力分布值反映壓力分布均勻程度，能有效表征駕乘人員身體舒適度。

3.2 零重力座椅人機布置要求

零重力座椅是基于NASA研究，即當重心足夠低，人體脊椎受到的壓力越小，舒適感越強。零重力座椅角度定義如表3所示。

表3 零重力座椅人機布置參數 （°）

吉林大學任金東[5]通過選取一系列人機工程設計有關的人體尺寸統計數據，獲得人體尺寸分布邊界和人機工程設計的關鍵人體數據，建立了適合乘用車人機布置參數。

3.3 零重力座椅評價

零重力座椅的舒適性評價工具有客觀評價工具（圖5）和主觀評價工具。其中，客觀評價工具有H點測量、壓力分布、頭枕與頭部間距的測量、座椅輪廓掃描測量。

圖5 舒適性評價

主觀評價工具主要包括駕乘測試和問卷調查。通過駕乘測試，可以直接感受座椅的動態舒適性，體驗在座椅支撐定位下的操作舒適性[3]。實車評價時，通過科學的座椅參數對座椅進行客觀評價，保證座椅產品達到最佳舒適狀態。

3.4 零重力座椅布置優化設計

座椅理論輪廓能明顯影響駕乘人員身體壓分布，座椅中心斷面是影響人-車-椅界面舒適性的重要因素[6]，零重力座椅布置優化設計以中心斷面為基準。驗證座椅舒適狀態過程如下：將座椅壓力測試墊鋪設并固定在座椅上方[7]，將座椅高度調節器、座椅滑軌、座椅靠背位置調整至零重力座椅狀態，被試者在零重力座椅上開始模擬休息姿態，手臂可以自由放置，頭部與頭枕接觸，小腿放置于腿托，進行測試分析。一汽大眾杜曉明[7]在以H點為原點的坐標系中，選取人腰部特征點分布上下、前后方向的4個極限點來確定座椅腰部支撐面的位置和調節量，結合人-椅壓力分布仿真結果，反求椅背泡沫的初始形面。該正向設計方法能保證人體背部與座椅之間合理的壓力分布，使人體背部特征點與變形后靠背特征部位有效貼合，增加座椅的貼合感和支撐性，從而有效提高駕乘人員的舒適性。重慶理工大學肖燕[8]應用人機工程學理論和方法選取了汽車座椅的結構參數，建立了汽車座椅數學模型，導入、設置并定位男性數字人，對給定駕駛員開車姿勢下的身體不同部位或整體姿勢下的舒適度進行分析，給出符合舒適身體姿態設計參考范圍。通過對一定汽車座椅條件下數字人的姿勢預測和舒適度分析，使人-車達到最佳匹配狀態，為駕乘人員達到最佳舒適度提供參考。

為實現零重力座椅布置，按照文獻[9-17]擬定設計參數，可實現人體舒適休息模式，人體舒適休息模式如圖6所示。該舒適休息模式解決了座椅給駕乘人員有限固有模式，增添了座椅更多使用場景。

圖6 人體舒適休息模式

經大量數據測試歸納總結，零重力座椅經過靜態舒適性分析和動態舒適性評價，人機工程參數在表4設計范圍內，人體最舒適。

表4 零重力座椅布置設計參數 mm

4 結論

傳統座椅設計注重安全并且必須滿足國家法規要求，座椅設計不僅涉及安全也越來越注重駕乘人員乘坐舒適性。傳統座椅由于功能的局限性，當駕乘人員需要休息時，座椅背靠無法對駕乘人員的腰部和背部進行有效支撐，而且更不能提供座椅睡眠姿態。主機廠在零重力座椅設計和布置時，結合傳統車成熟的座椅布置參數分析，應用零重力座椅設計理論和實踐，優化座椅布置設計參數，然后進行實物模擬驗證，通過規范的設計參數實現零重力座椅布置和設計開發，使座椅產品更加舒適。通過主觀和客觀評價，持續迭代并優化座椅設計，零重力座椅能最大限度保持駕乘人員乘坐時舒適性，因此可以提升整車產品市場競爭力。