座椅模擬人體進出耐久測試的評價參數研究

杜長江，田澤洋，從云鵬，李鋼，金劍

(中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

根據CATARC調研的數據，汽車的舒適性已經日益成為消費者選購車型的關鍵因素之一，如圖1所示。汽車座椅作為車輛上直接與駕乘人員接觸的部件，其可靠性和舒適性直接影響駕乘人員的駕車體驗和感受，也是影響汽車舒適性的重要因素之一[1]。目前，對于座椅舒適性和可靠性的測試評價，各國均沒有強制性的法規要求，而是多以行業標準或者企業標準的形式進行規定，涉及座椅總成及關鍵部件如頭枕、坐墊、靠背、扶手等多方面，主要項目包括模擬人體進出耐久、顛簸蠕動、振動特性、操作耐久等[2]。

其中，座椅的模擬人體進出耐久測試是一種比較符合實際使用情況的座椅舒適性和可靠性測試方法，能夠對座椅的性能進行全面的測試和評價，為當前行業中公認的舒適性測試方法。研究發現：目前行業中沒有統一的測試方法和評價參數，行業標準和企業標準方法各異，且評價參數簡單、主觀性強，既不能實現座椅性能的全面評價，又不能更好地為后續的座椅改進提供合理的指標參考。鑒于此，本文作者擬對模擬人體進出耐久測試的評價參數進行深入研究，為后續標準的制修訂提供合理的參考。

1 模擬人體進出耐久測試介紹

模擬人體進出耐久測試主要是對帶面套的座椅進行護面耐磨性測試，以考核座椅的耐磨性和舒適可靠性。目前行業參考標準為QC/T 740-2017[3]。

試驗開展時，使用的設備為多自由度機器人和與之匹配的三維假人模型，如圖2所示。如果對樣品有嚴格的氣候環境要求，則需要將多自由度機器人安裝在環境箱中開展測試，如圖3所示。其中假人模型選用符合SAE J826[4]的50百分位假人，并在假人表面包一層12 mm的泡沫和牛仔布。

圖2 常溫進出耐久測試

圖3 環境箱中的進出耐久測試

將座椅固定在試驗臺上，并將座椅調整至設計位置。準備就緒后，需要根據標準要求的試驗路徑，對機器人進行編程和路徑規劃模擬，最終實現整個測試過程的自動化運行。需要強調一下，行業標準QC/T 740-2017給出了兩種不同的路徑編制方法，可供企業參考，同時大部分企業標準又有自己的路徑確定方法和要求，比如Volvo、PSA、現代、通用等。但歸根結底，所有的路徑確定方法來源于對人員上下車過程的真實模擬，路徑雖有差別，卻也是大同小異。

行業標準給出了兩種路徑確定方法，參考如下：

方法一：使用座椅壓力分布墊采集人體進出座椅的軌跡和壓力值，一般采集5個關鍵位置點，90°、45°、0°、45°、90°(角度分別為人體進入座椅側，95%男性真人縱向中心面與車輛行駛方向的夾角)，然后使用機器人在相同的位置模擬真人進出座椅的過程，并使采集的壓力分布與真人的壓力分布接近，記錄位置點，并以此作為機器人的運行程序，開展試驗。具體采集及模擬過程如圖4所示。

圖4 真人上下車過程及機器人模擬

方法二：按照標準規定的模擬人體進出座椅的軌跡，直接定義機器人的運行程序，不同企業標準定義的試驗路徑千差萬別，或詳細或簡潔，大都能夠體現出整個人員上下車的全過程。行業標準也有給出參考路徑，詳見QC/T 740-2017的5.6條款。

試驗要求方面，行業標準和大多數的企業標準中以主觀檢查和評價為主，客觀化和量化的評價參數較少，缺乏說服力；同時，也無法為企業的產品改進提供支撐和參考。行業標準的評價要求為：模擬人體進出進行15 000次的整椅試驗，試驗后的座椅護面不應出現斷裂、結團，不應脫散和露底，不允許出現損傷，縫線不允許斷裂。

2 模擬人體進出耐久的評價參數研究

通過研究和學習國內外相關測試標準以及各大企業的標準，深入細致地研究適合于模擬人體進出耐久測試的評價參數，并給出合理的評價方法，使企業能夠更好地利用該測試項目服務于產品的測試、驗證和改進，也為后續標準的修訂提供研究支撐。

研究發現：可用于模擬人體進出耐久測試項目試驗前后的評價參數有座椅H點變化、面套表面狀態、座椅總成靜剛度、座椅表面變形量、座椅側翼剛度、體壓分布、表面溫度(帶加熱墊)、加熱墊阻值變化等。接下來將一一開展研究。

2.1 座椅H點變化

設計H點是指在汽車總布置時的設計基準點。實際H點是指當H點三維人體模型按規定步驟安放在汽車座椅中時，人體模型上左右H點標記連接線的中點。它表示汽車駕駛員或乘員入座后胯關節在車身中的位置。汽車的實際H點在汽車車身總布置設計中有重要意義。因此，在試驗前后，最好對H點的坐標進行測量，而且要求其各個坐標值的變化不得過大(一般要求在±12.5 mm內)，否則認為座椅發泡耐磨性能不好或者發泡出現塌陷等，需要對座椅進行深入測試或驗證。H點測試如圖5所示。

圖5 座椅H點測試

2.2 面套表面狀態

面套表面狀態檢查為主觀性檢查和判斷，也是目前行業標準和大部分企業標準采用最多的評價參數，其最大的優點是可以直觀地判斷座椅面套是否出現磨損或破壞，缺點是可能會出現邊界狀況，給試驗人員的最終評價和判定造成困難。常見的試驗現象有褶皺、磨損、脫落、塌陷、起毛、線斷裂等，如圖6所示。

針對這種情況，建議對座椅面套表面狀態開展更加客觀化的檢查，使試驗后的評價更加準確。比如使用色差儀測量座椅面套試驗前后的顏色變化，并要求其ΔE值在合理范圍內(比如ΔE≤1.0)；使用顯微鏡檢查座椅面套的微觀組織變化情況，對肉眼無法判斷的邊界破壞情況進行準確檢查和評價等。

圖6 座椅面套表面狀態

2.3 座椅總成靜剛度

使用GB 11559-1989規定的坐墊及靠背形狀的加載板，按照標準QC/T 55-1993[5]中規定的加載位置和方向，分別對座椅的坐墊和靠背施加700 N和300 N的載荷，以加載板的載荷中心作為施力點，按照150～300 mm/min的速度進行加載和卸載，記錄載荷-撓度曲線。

（4）科技進步對產城融合發展水平的提升具有較強的提升作用。科技進步變量的影響系數為1.952，這表示在其他因素均保持不變時，R&D占GDP的比重每上升1%，則產城融合發展指數會提升1.962%。這可能是因為新疆的科技進步一方面在一定程度上促進了本區產業的轉型升級和產業結構的調整，為城鎮的發展提供更為堅實的產業基礎；另一方面加速了人口流動，促進了城鎮化的推進，同時也為城鎮發展提供了產業支撐。

座椅的靜剛度定義為在規定的載荷(坐墊500 N，靠背250 N)下，加載曲線上該點切線的斜率，單位為N/m。

座椅總成靜剛度反映了座椅坐墊和靠背發泡整體的軟硬情況，可以很好地反映進出耐久試驗前后座椅發泡性能的變化情況。

進出耐久試驗前后，開展座椅總成的靜剛度測試。圖7和圖8分別為坐墊和靠背進行靜剛度試驗的照片，圖9和圖10分別為坐墊剛度加載曲線和靠背剛度加載曲線。通過曲線，可以計算靜剛度。

試驗前靜剛度為：K坐墊=42.98 N/m，K靠背=21.36 N/m；

故可以計算出試驗前后，坐墊的靜剛度變化率為1.2%，靠背的靜剛度變化率為5.3%。

圖7 座椅坐墊靜剛度測試

圖8 座椅靠背靜剛度測試

圖9 座椅坐墊靜剛度曲線 圖10 座椅靠背靜剛度曲線

2.4 座椅表面變形量

座椅進出耐久試驗的過程中，假人模型會不斷地與坐墊和靠背的大部分區域接觸并產生磨損和壓陷，因此，座椅總成上大部分區域都會發生不同程度的變形和下陷。如何更好地測量和找到最大變形點，以及測出座椅總成的變形分布狀況，也是試驗前后座椅狀態變化的一個重要評價項目。

推薦采用非接觸式的光學測量設備，如圖11所示，利用該設備可以測量微小的變形量。對進出耐久試驗前后的座椅進行光學測量，測量后，將兩次測量結果在同一基準下進行對比，可以直觀地獲得座椅的變形分布狀況，并獲取座椅表面的最大變形位置和變量值，如圖12所示。在利用該項參數對座椅進行評價時，一般要求座椅的最大變形值需位于±10 mm內。

圖11 光學微變形測量設備

圖12 座椅變形量分布

2.5 座椅側翼剛度

開展座椅進出耐久試驗時，假人模型一般都是從接觸、壓縮座椅側翼開始，慢慢進入座椅的整個區域，然后再從座椅側翼移出座椅，如圖13所示。

圖13 側翼開始試驗

因此，座椅側翼部分的受力和耐磨損頻次是最高的，側翼部位的剛度也是一項重要的參數。如圖14所示，試驗前后，對座椅側翼局部區域進行剛度測試，采用一個加載頭，對側翼重要位置施加載荷(一般施加196 N)，獲取側翼位置的剛度曲線，獲取加載點的最大位移值。

對比試驗前后座椅側翼的剛度變化情況，可以很好地評價座椅側翼的變化和發泡壓縮情況。

圖14 側翼剛度試驗

2.6 座椅體壓分布

測試座椅體壓分布可以很好地測量出乘客坐在座椅上時，座椅每個點位的壓力值以及座椅坐墊、靠背上的壓力分布狀況，是一種很好的座椅發泡特性以及承壓能力的評價手段。因此，進出耐久試驗后，對座椅的體壓分布進行測試，通過對比試驗前后的體壓分布數據，可以對座椅的承載能力和發泡、面套的磨損變化做出很好的評價[6]。

如圖15所示，將壓力墊平整地鋪設在座椅上，真人按照舒適姿態乘坐在座椅上后，開始采集座椅的體壓分布數據。獲得如圖16所示的體壓分布圖譜，通過圖譜，可以直觀讀出座椅的體壓分布狀況。

圖15 真人體壓分布測試

圖16 體壓分布圖譜

利用體壓分布數據進行座椅狀況的評價，一般有以下幾個重要參數[7]：

(1)最大壓力值。計算體壓分布圖譜中，最大壓力點的位置及數值；

(2)平均壓力值。計算所有單元壓力的平均值；

(3)承壓面積。計算所有具有壓力數據的單元格的面積。

實驗前后，通過對比以上幾個參數值的變化情況，可以對座椅的承壓能力進行準確的評價。

2.7 表面溫度(帶加熱墊)

帶有加熱墊的座椅，其加熱墊的升溫特性也是很重要的評價參數。因此，進出耐久試驗前后，對座椅加熱墊的升溫特性進行比較。如圖17(a)—17(c)所示，為某款座椅加熱墊在開展進出耐久試驗前的升溫特性，分別展示了加熱墊工作0、12和24 min時，座椅表面的溫度分布狀況和基準點的溫度值；圖17(d)—17(f)為該座椅進行完進出耐久試驗后，加熱墊的升溫特性，同樣，還是展示了加熱墊工作0、12和24 min時，座椅表面的溫度分布狀況和基準點的溫度值。可以看出：試驗后，座椅加熱墊的升溫特性有比較明顯的變化，升溫速度變得更快。

圖17 加熱墊的升溫特性

2.8 加熱墊阻值變化

對試驗前后的加熱墊阻值進行測量，記錄阻值的變化情況。一般要求電阻值的變化量小于1 Ω。

3 結束語

模擬人體進出耐久測試是一種常見的座椅舒適性和可靠性測試方法，目前行業中沒有統一的、客觀化的評價參數，本文作者對行標中的進出耐久測試方法進行總結，并重點研究了進出耐久測試的客觀評價參數。研究表明：座椅的H點變化、面套表面狀態、座椅總成靜剛度、座椅表面變形量、座椅側翼剛度、座椅體壓分布、表面溫度、加熱墊阻值等客觀參數在進出耐久試驗前后，會出現不同程度的變化，這些參數可以用于試驗前后座椅性能變化情況的合理評價，使測試結果能夠更好應用于產品的改進和完善。文中的研究工作可以為相關行業標準的修訂工作提供支撐。