汽車座椅體壓分布研究

劉 鵬，雷明星，段小剛

汽車座椅體壓分布研究

劉 鵬1，雷明星1，段小剛2

（1.東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院，武漢 430057；2.東風(fēng)李爾云鶴座椅汽車座椅有限公司，武漢 430056）

在汽車人機(jī)工程學(xué)中，通過(guò)汽車座椅體壓分布檢測(cè)，研究影響體壓分布的若干汽車座椅結(jié)構(gòu)因素，在汽車座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，關(guān)注這些影響體壓分布的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)使人與座椅接觸界面的壓力分布變化均勻平緩，提高乘坐舒適性。

汽車座椅；體壓分布；舒適性

1　前言

隨著汽車的普及，人機(jī)工程研究在汽車領(lǐng)域的重要性越來(lái)越高，并且應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。汽車設(shè)計(jì)是否符合人機(jī)工程的要求，這不僅關(guān)系到有效利用車內(nèi)空間、提高乘用舒適性、提高效率，而且會(huì)影響整車內(nèi)外造型和尺寸參數(shù)，進(jìn)而影響整車性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此進(jìn)行汽車人機(jī)界面設(shè)計(jì)方法的研究已成為人機(jī)工程學(xué)研究的一個(gè)重要課題。

汽車座椅作為內(nèi)飾的重要組成部分，不僅體現(xiàn)在安全、造型方面，它的主要功能是支撐駕駛員和乘員的重量，衰減或緩和車身地板傳來(lái)的振動(dòng)和沖擊，給乘員一個(gè)舒適安全的乘坐環(huán)境和良好便捷的操縱條件。

汽車座椅的設(shè)計(jì)制造要滿足良好的靜態(tài)特性：即座椅的尺寸和形狀應(yīng)該滿足人體的舒適坐姿，良好的體壓分布，良好的觸感，并能調(diào)節(jié)不同位置和尺寸以滿足人們的舒適性和操作方便性及良好的視野［1］。座椅良好的靜態(tài)性能是汽車人機(jī)接觸界面研究的重要組成部分，也是體現(xiàn)舒適性的最直觀指標(biāo)，客觀評(píng)價(jià)靜態(tài)性能的主要試驗(yàn)手段之一是做座椅的體壓分布試驗(yàn)。

2　舒適性評(píng)價(jià)方法

針對(duì)座椅舒適性測(cè)試，由于每一個(gè)座椅針對(duì)每個(gè)乘員的感受都是不同的，可以將座椅舒適性評(píng)價(jià)方法劃分為主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)。

主觀評(píng)價(jià)主要的目的是模擬成員乘坐在座椅上的時(shí)間跨度以確認(rèn)座椅隨著時(shí)間跨度對(duì)乘員所帶來(lái)的各種支撐效果。主觀評(píng)價(jià)需要有資質(zhì)的專業(yè)主觀評(píng)價(jià)人員來(lái)評(píng)價(jià)，或者需要數(shù)量較多的隨機(jī)樣本進(jìn)行評(píng)價(jià)后統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

客觀評(píng)價(jià)是基于舒適性研究的不斷深入及新手段的使用，利用人機(jī)工程學(xué)原理分析人體感受能力的差別，同時(shí)得出有關(guān)座椅的客觀評(píng)價(jià)方法［2］。

在汽車座椅設(shè)計(jì)領(lǐng)域，常用的評(píng)價(jià)靜態(tài)舒適性的方法主要有兩種：一是斷面分析評(píng)價(jià)法，這種方法是在理論人機(jī)布置狀態(tài)下，即人體和座椅之間的匹配處于設(shè)計(jì)狀態(tài)的條件下，通過(guò)一系列規(guī)定好的空間平面對(duì)人體和座椅零部件進(jìn)行剖切，得出斷面，測(cè)量斷面中人體與座椅泡沫、骨架、裝飾件等配合的尺寸，例如壓陷量、MTM（人體到剛性骨架距離）值等，再通過(guò)比較舒適性校核推薦值或推薦范圍，來(lái)判斷座椅是否舒適；另一種是體壓分布試驗(yàn)評(píng)價(jià)，即通過(guò)人體（或假人）坐在座椅上時(shí)，人體重量分布在坐墊和靠背上而產(chǎn)生的壓力情況的分析，來(lái)評(píng)價(jià)舒適性。其中，斷面分析評(píng)價(jià)法用于座椅設(shè)計(jì)過(guò)程中，體壓分布測(cè)量法用于座椅已有工裝模具樣件的情況，從試驗(yàn)中可驗(yàn)證前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，是否滿足舒適性要求。

在汽車座椅舒適性評(píng)價(jià)領(lǐng)域內(nèi)，體壓分布試驗(yàn)（壓力場(chǎng)測(cè)繪）被廣泛認(rèn)為是最合適的工具。

3　座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中影響體壓分布的若干因素

體壓分布試驗(yàn)作為一種分析手段，對(duì)于汽車座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、舒適性評(píng)價(jià)有重要的意義。通過(guò)研究體壓分布圖，總結(jié)出影響體壓分布的若干因素，在座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中關(guān)注這些設(shè)計(jì)要點(diǎn)，優(yōu)化座椅結(jié)構(gòu)使人與座椅接觸界面的壓力分布變化均勻平緩，就能提高乘坐舒適性。

體壓分布的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是：以坐骨節(jié)處承受的壓力最大，同時(shí)以坐骨節(jié)處為中心向四周不斷減少，直到坐墊前端和大腿接觸處趨于最低值，并且沒有突變的壓力峰值出現(xiàn)，左右兩邊的壓力應(yīng)對(duì)稱［3］。

當(dāng)人體的理論坐姿確定后，體壓分布特性很大程度上取決于座椅的外型面（即STO）及其剛度，這是最基礎(chǔ)的影響體壓分布的因素，當(dāng)座墊和靠背與人體放松狀態(tài)下的臀部、腿部、肩背部、腰部的曲線相符合，乘員入座后座椅的表面形狀與體壓分布能使肌肉處于放松狀態(tài)，并能支撐到腰椎部位，不會(huì)因血液循環(huán)不良而引起肢體麻木和疲勞。STO確定后，影響體壓分布的結(jié)構(gòu)因素，主要有以下方面：

3.1坐墊支撐

坐墊泡沫覆蓋于坐墊支撐上，支撐將泡沫撐起并使整個(gè)坐墊具有剛性，實(shí)現(xiàn)承載人體的功能。坐墊框架上表面結(jié)構(gòu)與承載人體相關(guān)，對(duì)體壓分布起到重要的作用。

在坐墊框架的鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足舒適性要求的MTM值后，要重點(diǎn)關(guān)注臀部的減振結(jié)構(gòu)，如坐墊鋼絲等。鋼絲設(shè)計(jì)位置不合理或結(jié)構(gòu)不合理，會(huì)造成臀部受力局部出現(xiàn)峰值，且范圍集中不規(guī)則。如圖1所示，由于坐墊鋼絲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，局部與臀部的MTM值接近，在壓力分布圖中，可明顯識(shí)別出鋼絲所在的位置出現(xiàn)了壓力峰值的“條形”區(qū)域，這將使乘員在乘坐時(shí)臀部與鋼絲接近的部位感到支撐力大，長(zhǎng)時(shí)間乘坐影響血液循環(huán)和神經(jīng)傳導(dǎo)［4］，必將造成乘坐不適。因此針對(duì)此座椅需要重新校核假人臀部的MTM值，控制在合理的推薦范圍內(nèi)，或盡量采用簧架或坐盆的結(jié)構(gòu)，來(lái)消除此處的“條形”峰值區(qū)域。

3.2坐墊護(hù)套固定結(jié)構(gòu)（碼釘?shù)龋?/p>

坐墊護(hù)套固定碼釘?shù)淖饔檬菍⒆鴫|護(hù)套與泡沫固定在一起，使面套與泡沫形狀相匹配。固定碼釘需要與預(yù)先嵌入泡沫的鋼絲配合使用，才能拉緊面套，使面套舒展的貼合在泡沫上。

如果固定碼釘在面套設(shè)計(jì)時(shí)位置不合理、或制造中裝配有誤，則會(huì)造成臀部在固定碼釘?shù)狞c(diǎn)出現(xiàn)壓力集中，對(duì)人體造成不適，如圖2中標(biāo)記方塊的區(qū)域所示。造成這種情況的原因一般是：護(hù)套總成上是否有較硬的區(qū)域，如不合理的型條縫制位置或不合理的縫紉接口處；由于泡沫槽深度不足造成的碼釘全部埋在泡沫中。可通過(guò)護(hù)套設(shè)計(jì)避免硬性區(qū)域、合理設(shè)計(jì)泡沫槽深、采用成本更高的刺毛條固定護(hù)套結(jié)構(gòu)等來(lái)消除這種壓力集中的情況。

3.3坐墊防下潛支架

在剎車或前撞過(guò)程中，乘客有向前向下滑的趨勢(shì)，有可能由保險(xiǎn)帶底下滑出，這種現(xiàn)象就叫下潛。防下潛的目的就是阻止乘客在剎車或前撞過(guò)程中向前運(yùn)動(dòng)，這是靠坐墊骨架上的防下潛支架來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能的。

如圖3所示，從臀部至大腿處壓力值并未均勻降低，在大腿靠前部位處壓力值較大，即防下潛支架角度過(guò)于垂直或與大腿之間的MTM值較大造成，需重新調(diào)整設(shè)計(jì)尺寸避免大腿受壓力過(guò)大。

3.4安全帶扣

安全帶扣經(jīng)常安裝于坐墊骨架側(cè)面，帶扣本身、帶扣與坐墊連接部位的支架都對(duì)人體產(chǎn)生變化較急劇的壓力分布。

如圖4所示，方框中所示的帶扣安裝點(diǎn)支架對(duì)臀部側(cè)面造成了壓力峰值，經(jīng)檢查，由于此安裝支架到人體的距離比較接近，基本接近舒適性推薦范圍的下限，造成了此處的缺陷。為了保證臀部舒適性，需重新校核此處安全帶固定點(diǎn)MTM值，在滿足操縱的前提下向外側(cè)調(diào)整安全帶位置。

3.5調(diào)角器護(hù)板

座椅作為汽車內(nèi)飾的重要組成部分，塑料裝飾件應(yīng)用于調(diào)角器外側(cè)遮擋內(nèi)部的金屬機(jī)構(gòu)。塑料裝飾件的設(shè)計(jì)經(jīng)常完全覆蓋座椅左、右兩側(cè)，緊貼座椅面套，如果塑料裝飾件位置靠近人體臀部，或阻礙坐墊泡沫在乘坐時(shí)正常的變形，則會(huì)對(duì)體壓分布造成影響。

如圖5方框內(nèi)所示，左側(cè)的調(diào)角器飾板對(duì)臀部側(cè)面形成了壓力，但壓力較小，屬合理范圍。

3.6坐墊是否均勻、對(duì)稱、無(wú)傾斜

由于大家從未使用過(guò)這種膠帶纏繞機(jī)，國(guó)內(nèi)也沒有同類產(chǎn)品，負(fù)責(zé)此類工程的研究所工程師尹伯衡，靠著一本工具書，一張說(shuō)明書，同其他技術(shù)人員一起，白天在現(xiàn)場(chǎng)做防腐底膠試驗(yàn)，晚上又到實(shí)驗(yàn)室搞化驗(yàn)、計(jì)算，經(jīng)常夜以繼日地工作，累了就伏在案頭打個(gè)盹，就憑這樣刻苦鉆研的精神，他們硬是掌握了纏繞機(jī)的性能與操作。

如果坐墊設(shè)計(jì)或裝配過(guò)程中出現(xiàn)不均勻、不對(duì)稱、傾斜的情況，則壓力分布一定會(huì)出現(xiàn)臀部一邊受力大、另一邊受力小的情況，影響人體血液循環(huán)和神經(jīng)傳導(dǎo)而使人體感到不適。

3.7靠背鋼絲

靠背鋼絲起到支撐靠背泡沫的作用，它同坐墊鋼絲一樣，如果與人體的距離過(guò)近，會(huì)造成人體背部明顯感到較大的壓力，且壓力部位集中成條形，使乘員感到不適。如圖6所示，經(jīng)檢查分析，壓力較大的條形區(qū)域正是靠背鋼絲的位置。與坐墊鋼絲的布置一樣，也需要重新校核假人背部的MTM值，控制在合理的推薦范圍內(nèi)，來(lái)消除此處的峰值區(qū)域。

3.8靠背護(hù)套固定結(jié)構(gòu)（碼釘?shù)龋?/p>

同坐墊護(hù)套固定碼釘一樣，如果固定碼釘在靠背面套設(shè)計(jì)時(shí)位置不合理，背壓分布就會(huì)出現(xiàn)壓力集中，對(duì)人體造成不適。

3.9靠背上的其它功能件

由于汽車座椅是最接觸人體的零部件，其它功能性的零件也會(huì)集成于座椅上，如肩部安全帶導(dǎo)向裝置、肩部喇叭等等，這些功能性的零件及其安裝結(jié)構(gòu)，會(huì)造成體壓發(fā)布的不均勻。如圖7所示，肩部出現(xiàn)的明顯的壓力增大，是集成于座椅上的安全帶吊環(huán)安裝支架與人體的距離較近所導(dǎo)致的。

3.10靠背是否均勻、對(duì)稱、無(wú)傾斜

同坐墊一樣，如果靠背設(shè)計(jì)或裝配過(guò)程中出現(xiàn)不均勻、不對(duì)稱、傾斜的情況，則會(huì)明顯出現(xiàn)體壓分布不均勻，背部一邊受力大、另一邊受力小的情況，影響人體血液循環(huán)和神經(jīng)傳導(dǎo)而使人體感到不適。如圖8所示，靠背左右兩側(cè)明顯受力不均勻，人體乘坐后背部左邊支撐明顯，右邊支撐較弱，乘員為保證正面乘坐姿勢(shì)，則腰背部肌肉未處于松弛狀態(tài)，背部血液循環(huán)受到影響，長(zhǎng)時(shí)間一定會(huì)感到疲勞［5］。

上述汽車座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，影響體壓分布的要點(diǎn)貫穿于座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，因此想要達(dá)到良好的體壓分布結(jié)果，就需要在這些零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不僅關(guān)注功能、工藝、成本，也要關(guān)注影響舒適性的設(shè)計(jì)要素，為整椅達(dá)成優(yōu)良的靜態(tài)舒適性提供基礎(chǔ)保證。

4 總結(jié)

本文通過(guò)研究多款汽車座椅結(jié)構(gòu)及其體壓分布試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)了對(duì)異常體壓分布產(chǎn)生影響的若干結(jié)構(gòu)因素。在座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，關(guān)注這些影響體壓分布的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使人與座椅接觸界面的壓力分布變化均勻平緩，能提高乘坐舒適性，獲得優(yōu)異的感知質(zhì)量，提高整椅乃至整車的商品競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］羅衛(wèi)東，李鵬，邱望標(biāo).基于人機(jī)工程的汽車座椅設(shè)計(jì)［D］. 貴陽(yáng):貴州大學(xué)，2008:59～60.

［2］曹渡.汽車內(nèi)外飾設(shè)計(jì)與實(shí)戰(zhàn)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:303～305.

［3］張鄂等.汽車人機(jī)接觸界面體壓分布的實(shí)驗(yàn)與評(píng)價(jià)研究［J］. 西安:西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，41 （5）: 538～542.

［4］張昆，韓印.汽車座椅設(shè)計(jì)與人機(jī)工程［J］. 昆明:云南大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，13（1）:68～69.

［5］任金東.汽車人機(jī)工程學(xué)［M］. 北京:北京大學(xué)出版社，2010:242～243.

專家推薦

何力：

該文介紹應(yīng)用座椅體壓分布分析開展座椅座墊設(shè)計(jì)的方法，不僅考慮座墊的承載舒適性，還考慮了座椅附件的設(shè)計(jì)對(duì)舒適性的影響。內(nèi)容翔實(shí)、考慮全面細(xì)致，對(duì)從事座椅設(shè)計(jì)有很好的借鑒。

The Research on Body Pressure Distribution of Vehicle Seat

LIU Peng1，LEI Ming-xing1， DUAN Xiao-gang2
（1. Commercial Product R&D Institute， Dongfeng Automobile Co.，Ltd.， Wuhan 430057， China； 2.Lear-DFM Automotive Seating Co.，Ltd.， Wuhan 430056， China）

According to the principle of ergonomics and the results of body pressure distribution tests， factors of seat structure which affect the body pressure distribution are studied. In the process of seat designing， more attention shall be paid to those influencing factors， so as to optimize seat structure，make body pressure well-distributed in the man-machine interface and improve ride comfort.

vehicle seat； body pressure distribution； seating comfort

U463.83

A

1005-2550（2015）02-0023-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.02.006

2014-08-21