車輛人-椅系統主要參數對舒適度敏感性分析*

李 睿，郭立新

(1.大連民族學院機電信息工程學院,大連 116600; 2.東北大學機械工程與自動化學院,沈陽 110004)

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2015015

車輛人-椅系統主要參數對舒適度敏感性分析*

李 睿1,2，郭立新2

(1.大連民族學院機電信息工程學院,大連 116600; 2.東北大學機械工程與自動化學院,沈陽 110004)

建立了一個二維人-椅系統動力學模型，以研究其主要參數對乘坐舒適性的影響。利用軟件Matlab SimMechanics建立了相應的非線性仿真模型，將實驗測定的路面激勵數據分別輸入非線性仿真模型和線性模型，比較輸出的加速度功率譜密度以驗證線性模型的有效性，在此基礎上進行敏感性分析。結果表明，除了座椅的剛度和阻尼以外，人體身高、體質量和乘坐姿態也對舒適性有重要影響。

前言

座椅的動態舒適性一直是座椅舒適性研究的重點之一[1-2]，國內外學者做了大量關于車輛承受沖擊載荷時座椅對駕駛員的保護作用和駕駛員動態響應特性的研究[3-5]。對于駕駛員來說，長時間承受振動作用，即使是低水平振動，也會造成暫時的注意力不集中和感覺恐慌，并且會誘發腰背疼痛等生理疾病。

本文中建立了一個二維人-椅系統動力學模型，旨在研究其參數對舒適度的影響。首先構建動力學方程，然后利用Matlab SimMechanics軟件建立非線性系統模型，將實驗測定的路面激勵分別輸入給仿真模型和動力學模型以驗證線性模型的有效性。在此基礎上進行敏感性分析，由于人-椅系統模型中很多參數對平順性影響不大[6]，所以本文中重點分析幾個重要參數對舒適度的影響。

1 模型的創建

所研究的模型是基于文獻[7]中所創建的7自由度模型，將剛度k2的作用點位置由臀部轉移到人體模型的背部，定位尺寸為lm，如圖1所示。人體對振動產生響應的最主要部位是“胸—腹”，其固有頻率是2～12Hz，因頻率太高或過低對研究的實際意義不大，所以對此7自由度模型只研究固有頻率在2～19.5Hz的6組模態的固有頻率，見圖2。當lm=0.167m時各階模態對應的振幅最小，即激振頻率等于人-椅系統固有頻率時所受振動影響最小，故選取lm=0.167m作為本模型的受力位置[8]。

1.1 動力學模型的創建

人-椅系統的力學模型應該包括幾何非線性、人體力學非線性、座椅剛度與阻尼的非線性等特性，只有在沒進入到非線性區的平衡位置附近的小振幅的振動時才可以進行線性化處理[8-9]。7自由度模型動力學方程進行線性化處理后可表示為

(1)

其中

A1=M2sinθ1;A2=(M3+M4)sinθ2;

A3=(M5+M6)sinθ3;A4=M7sinθ4;

B1=-M2cosθ1;B2=-(M3+M4)cosθ2;

B3=-(M5+M6)cosθ3;B4=-M7cosθ4;

D1=M8cos(θ1-θ2);D2=M2sinθ1;

D3=-M2cosθ1;E1=M8cos(θ1-θ2);

E2=(M3+M4)sinθ2;

E3=-(M3+M4)cosθ2;

G1=M9cos(θ3-θ4);G2=(M5+M6)sinθ3;

G3=-(M5+M6)cosθ3;H1=M9cos(θ3-θ4);

H2=M7sinθ4;H3=-M7cosθ4;

M1=m1+m2+m3;M2=m1l2;M3=m1(l2+l3);

M4=m2l3;M5=m4(l4+l5);M6=m3l4;

M7=m4l6;M8=m1l1(l2+l3);M9=m4l6(l4+l5);

式中：ξ、ζ分別代表人體模型相對于座椅模型的水平位移和垂直位移；θ1、θ2、θ3、θ4和θs分別為頭部、軀干、大腿、小腿和座椅靠背相對于x軸的轉角；下標0分別表示各個變量的初始值。[K]、[C]分別為剛度矩陣和阻尼矩陣；其余各參數的含義說明見文獻[6]和文獻[7]。剛度系數和阻尼系數的取值見表1。

表1 線性動力學模型剛度和阻尼系數值

1.2 非線性仿真模型的建立

SimMechanics是動力學軟件Matlab軟件的一部分，SimMechanics立足于Simulink之上，一切工作均在Simulink環境中完成，通過一個圖形用戶界面操作，且系統所有非線性都可以考慮進去。進入方式為：Matlab/Simulink/Simcape/SimMechanics。人體的每部分在SimMechanics中都有它的局部參考系統,以確定它的絕對旋轉。人體模型由代表小腿、大腿、軀干和頭部的4個質量單元通過平面鉸鏈和彈性阻尼原件連接，模擬人體解剖學的關節和肌肉組織。該系統假定為在垂直矢狀面內運動。利用SimMechanics建立非線性人-椅系統模型如圖3所示。

人-椅系統模型的7個自由度分別是：人體模型相對于座椅模型的水平與垂直位移和頭部、軀干、大腿、小腿與座椅靠背的轉角。

1.3 模型的有效性驗證

測試車輛以25km/h恒定速度在B級路面上行駛。考慮到駕駛員的身體條件和駕駛技術的多樣性，本文中采用正交試驗設計方法[10]，選取8名駕駛員進行駕駛實驗。將測量得到的座位底部加速度激勵分別輸入給線性模型和SimMechanics非線性模型，將人體與座椅之間的垂向加速度(坐墊處)Az和水平加速度(座位靠背處)Ax作為輸出，通過一個頻率平均值為f、帶寬為Δf的帶通濾波器濾波后取其平方，再對這個變化了的信號進一步加工，先得到源信號通過濾波器后的部分功率ΔAxF2/ΔAzF2，將它除以帶寬Δf，就能得出功率譜密度(PSD)[11]，如圖4和圖5所示。系統的非線性因素對垂向加速度Az產生的影響不到0.6%，對水平加速度Ax影響不到1.2%,其中水平方向的影響更大，這是因為靠背的剛度和阻尼是高度非線性的。由此表明，運動的振幅限制在一定的范圍，非線性的影響可以忽略，線性模型的輸出可近似等于相應的非線性模型的輸出。

2 參數靈敏度分析

最常用的舒適性評價標準是ISO 2631(24-27)。本文中采用測量身體和汽車座椅之間的頻率加權加速度值評估全身振動的嚴重程度，見式(2)。對此有效的線性模型進行參數敏感性分析。

(2)

在瀝青路面行駛時A值為0.2～1.0m/s2；崎嶇的道路A值為1.0～2m/s2；A值高于2m/s2為越野車輛[6]。許多實驗表明[12]，垂向加速度主要影響乘坐者的脊柱，采用Az表示垂向加權加速度值；水平加速度主要影響乘坐者的肩膀，采用Ax表示水平方向加權加速度值。身體的姿勢對振動加速度的傳遞函數的影響是復雜的、非線性的，駕駛員的乘坐姿勢會對承受振動的程度產生影響。許多專業駕駛員表示,軀干幾乎垂直的姿勢將會提高乘坐舒適性。本文中旨在深入分析關于乘坐者的身體尺寸和質量、乘坐姿態對加速度量級的影響程度。

因參數k5、c5、m1、l1、θ1對舒適性的影響很小[6]，故不對這些參數的敏感性進行分析。為了解人體(身高、體質量)和座椅(坐墊和靠背的剛度與阻尼)等有顯著影響的參數對舒適度指數的影響，各個參數值的變化范圍從名義值的0.5倍變化到1.5倍，其中每個參數的名義值選自文獻[6]和文獻[7]。

3 結果分析

分析結果，即各參數對舒適性評價指標的影響如圖6～圖11所示。由圖6可見，隨著l2、l3和l4增加，Az值降低，表明垂向舒適度提高；Ax值略有升高，表明水平舒適度略有惡化。

由圖7可見，隨著m2、m3增加，Az值降低，垂向舒適性提高；而Ax升高，水平舒適性惡化。

由圖8(a)可見，隨著θ3的增加，Ax和Az值皆升高，表明大腿越偏離水平位置，水平和鉛垂兩方向的舒適性都越差；由圖8(b)可見，Ax和Az值皆隨θ2和θs的增加而升高，表明座椅靠背和人體軀干越不豎直對舒適性越不利。

由圖9可見，隨著k1、k2增加，Ax和Az值都降低，各個方向的舒適性都得到改善。

由圖10可見，隨著k3、k4的增加，Ax和Az值減小，表示k在名義值的0.5～1.5倍范圍內變化時，剛度k越大，水平和垂向的舒適度都越高。這個結論之所以不同于傳統觀點所認為的彈簧的k值越小越舒服的原因在于k3和k4的變化范圍是在名義值的一個有限的范圍內，而不是無限的提高剛度k值。

由圖11可見，隨著c1、c2、c3和c4的增加，Ax和Az值減小，表示各個方向的振動舒適度都有所改善。

4 結論

(1) 人體尺寸的增加，慣性相應地增加，導致加速度降低，舒適性提高。

(2) 人體質量大，通常水平舒適性變差，而對垂向加速度的影響不大，這可能是坐墊的泡沫材料起到的緩沖作用。

(3) 人體的姿勢與乘坐舒適性有關，參數θ2、θ3、θs定義了人體的乘坐姿態，這些參數不僅依賴于座椅的類型即靠背的角度，而且與人的坐姿有關。大腿越向上傾斜而座椅靠背和人體軀干越偏離豎直位置時，人體對振動越敏感，尤其是縱向。相反，軀干接近于豎直位置和大腿呈水平姿態時，舒適性會更好。

(4) 增加座椅泡沫的阻尼值，舒適指數會提高。在名義值的0.5～1.5倍范圍，座椅坐墊剛度和靠背剛度的增加，可以改善各個方向的舒適性。

[1] 王正華,喻凡,莊德軍.汽車座椅舒適性的主觀和客觀評價研究[J].汽車工程,2006,28(9):817-819.

[2] 馬國忠,張學盡.汽車駕駛用座椅的抗疲勞人機工程設計[J].人類工效學,2004,10(3):34-36.

[3] 肖志,Jac Wismans,蔣小晴,等.移動式安全座椅的乘員保護性能的研究[J].汽車工程,2011,33(7):603-607.

[4] Matsumoto Y, Griffin M J. Effect of Muscle Tension on Non-Linearities in the Apparent Masses of Seated Subjects Exposed to Vertical Whole-body Vibration, Special Issue on WBV Injury Conference[J]. Journal of Sound and Vibration,2002,253(1):77-92.

[5] Paddan G S, Griffin M J. Evaluation of Whole-Body Vibration in Vehicles, Special Issue on WBV Injury Conference[J]. Journal of Sound and Vibration,2002,253(1):195-213.

[6] Brogioli M, Gobbi M, Mastinu G, et al. Parameter Sensitivity Analysis of a Passenger/Seat Model for Ride Comfort Assessment[J]. Experimental Mechanics,2011,51:1237-1249.

[7] Nishiyama S. Development of Simulation System on Vehicle Occupant Dynamic Interaction (3rd Report, Influence of Parameters of Occupant-Seat System on Human Comfort)[J]. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers,1994,60(573):1509-1516.

[8] Kim H J, Choe E J. Analysis of Optimal Dynamic Absorbing System Considering Human Behavior Induced by Transmitted Force[J]. International Journal of the Korean Society Precision Engineering,2003,4(6):38-43.

[9] Jo H C, Kim Y E. A Study on the Influence of The Seat and Head Restraint Foam Stiffnesses on Neck Injury in Low Speed Offset Rear Impacts[J]. Int. J. Precis. Eng. Manuf,2009,10(2):105-110.

[10] 朱文婷,葛如海,臧綾.為啟動座椅坐墊傾角調節機構的汽車制動模式識別策略的研究[J].汽車工程,2011,33(5):438-441.

[11] 威魯麥特(德).車輛動力學模擬及其方法[M].北京:北京理工大學出版社,1998:35-36.

[12] Mansfield N J, Griffin M J. Effect of Posture and Vibration Magnitude on Apparent Mass and Pelvis Rotation During Exposures to Vertical Whole-Body Vertical Vibration, Special Issue on WBV Injury Conference[J]. Journal of Sound and Vibration,2002,253(1):93-107.

Sensitivity Analysis of Ride Comfort to the Main Parametersof the Occupant-Seat System of a Vehicle

Li Rui1,2& Guo Lixin2

1.CollegeofElectromechanical&InformationEngineering,DalianNationalitiesUniversity,Dalian116600;2.SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,NortheasternUniversity,Shenyang110004

A two-dimensional dynamics model for occupant-seat system is built for analyzing the effects of its main parameters on ride comfort with a corresponding non-linear simulation model also established by Matlab SimMechanics. The pavement excitation data obtained by experiment are input into non-linear simulation model and linear dynamic model respectively to compare their output in terms of acceleration power spectrum density for verifying the validity of linear model. On this basis, a sensitivity analysis is carried out. The results show that in addition to the stiffness and damping of seat, the height, mass and sitting posture of human body also have an important influence on ride comfort.

occupant-seat system; ride comfort evaluation; non-linear model; power spectrum density; sitting posture

*國家自然科學基金(51275082)和中央高校基本科研業務費(N130403009)資助。

原稿收到日期為2012年12月21日，修改稿收到日期為2013年4月10日。