汽車(chē)座椅舒適性開(kāi)發(fā)分析

張敬偉

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司天津技術(shù)開(kāi)發(fā)分公司）

隨著現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，人們?cè)谶x購(gòu)汽車(chē)時(shí)，越來(lái)越多地考慮到性能的穩(wěn)定性、制造的精良性、乘坐的舒適性以及造型的美觀(guān)性等。座椅作為車(chē)內(nèi)占據(jù)視野較多且直接與人體接觸的零部件，座椅的造型及舒適性直接影響到駕乘人員的感受。近年來(lái)，雖然各方就座椅的舒適性都進(jìn)行了大量研究，但對(duì)其仍然沒(méi)有精確的、科學(xué)的定義。舒適性是一種主觀(guān)意念[1]，對(duì)于相同的座椅，不同的人對(duì)舒適性會(huì)有許多不同的意見(jiàn)。文章從設(shè)計(jì)要點(diǎn)出發(fā)，對(duì)座椅動(dòng)態(tài)舒適性和靜態(tài)舒適性的影響進(jìn)行說(shuō)明，經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)驗(yàn)證，座椅各方面的舒適性均達(dá)到預(yù)期的效果。

1 座椅舒適性類(lèi)型

按照使用需求，座椅舒適性分為靜態(tài)舒適性與動(dòng)態(tài)舒適性。

1.1 靜態(tài)舒適性

1.1.1 靜態(tài)舒適性定義

靜態(tài)舒適性是指座椅與人體的匹配能夠?yàn)槌藛T提供舒適的坐姿、合適的支撐，以及所能提供的舒適程度。

1.1.2 靜態(tài)舒適性分類(lèi)[2]

靜態(tài)舒適性分為2種。

1）短期乘坐舒適性：許多人坐在椅子上，馬上就會(huì)感覺(jué)到座椅是否舒適。原因之一是短暫的時(shí)間不會(huì)影響人體的血液循環(huán)，因此不均勻的壓力分布或血液循環(huán)和肌肉緊張問(wèn)題一般都不會(huì)引起注意。

2）長(zhǎng)距乘坐舒適性：是指在駕駛時(shí)（一般為30 min以上）的舒適性。當(dāng)座椅有壓力不均、比較硬的點(diǎn)等，使腿或身體其它部分麻木，或使肌肉緊張，就會(huì)導(dǎo)致乘坐不舒適。

1.1.3 靜態(tài)舒適性設(shè)計(jì)要點(diǎn)

影響座椅靜態(tài)舒適性的因素主要集中在總布置的假人坐姿、泡沫型面、金屬骨架與布置假人的相對(duì)關(guān)系、支撐彈性元件剛度、泡沫硬度、面套材質(zhì)和繃緊程度等。

主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：坐墊和靠背的中墊寬度；假人與坐墊和靠背的中墊及側(cè)翼的位置關(guān)系；假人大腿在坐墊上的離去點(diǎn)和靠背上的離去點(diǎn)；頭枕的位置和型面對(duì)假人頭部的放置；控制零件（手柄、開(kāi)關(guān)等）的位置，特別是調(diào)角器、滑道、腰托的操作手柄等零部件；假人靠背的壓力分布；人體與硬物的最小距離；腰托的位置和支撐力度等；發(fā)泡硬度，一般情況下，硬一點(diǎn)的發(fā)泡能夠提供比較均勻的壓力分布，也易于面套包裝撐型。

影響靜態(tài)舒適性的4個(gè)關(guān)鍵因素為：

1）假人離去點(diǎn)。離去點(diǎn)是假人與座椅坐墊以及靠背A面接觸時(shí)的相交點(diǎn)，將95百分位的假人置于設(shè)計(jì)位置，坐墊和靠背上的離去點(diǎn)在特定的區(qū)域，才能達(dá)到一定的舒適性。表1示出影響假人離去點(diǎn)的因素及其經(jīng)驗(yàn)值。

表1 影響假人離去點(diǎn)因素的經(jīng)驗(yàn)值

一般情況下，離去點(diǎn)位于坐墊上離咬合線(xiàn)65%的地方比較合適，如圖1所示。如果該值偏差過(guò)大，就會(huì)使人感覺(jué)座椅不舒服，對(duì)于較高或者較矮的人來(lái)說(shuō)，會(huì)感覺(jué)座椅對(duì)大腿的支撐不足或者過(guò)多。

圖1 假人離去點(diǎn)示意圖

2）乘客進(jìn)出和舒適性。乘客進(jìn)出性不僅與座椅自身相關(guān)，也與座椅在汽車(chē)內(nèi)的安裝位置相關(guān)。影響乘客進(jìn)出汽車(chē)的因素有座椅和門(mén)檻高度的關(guān)系、地面到門(mén)檻的高度、頭頂線(xiàn)的高度、B柱位置與座椅的關(guān)系、轉(zhuǎn)向盤(pán)位置與座椅的關(guān)系。

在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)于影響乘客進(jìn)出性的情況，如下車(chē)時(shí)座椅硌大腿，需要更改坐墊側(cè)翼高度；上車(chē)時(shí)腿部空間不足，可以通過(guò)縮短坐墊長(zhǎng)度解決該問(wèn)題。

3）腳跟點(diǎn)、坐墊長(zhǎng)度、H點(diǎn)和坐墊角度。這幾點(diǎn)的關(guān)系（如圖2所示[3]）對(duì)舒適性控制和H點(diǎn)控制非常重要。如果設(shè)置不合適，會(huì)導(dǎo)致乘客大腿壓力過(guò)大和腿部不適。例如：腳跟點(diǎn)相對(duì)于H點(diǎn)在Z方向太低，就會(huì)造成體形較小的駕駛員在操作踏板時(shí)，感覺(jué)大腿部分承受很大的壓力，如果坐墊角度太高，這種現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重，此時(shí)就需要一個(gè)較小的坐墊角度；如果腳跟點(diǎn)相對(duì)于H點(diǎn)過(guò)高，高個(gè)子的乘員會(huì)感到不舒服，因?yàn)榇笸忍珉x開(kāi)坐墊，腿部會(huì)缺乏足夠的支撐，適當(dāng)?shù)卣{(diào)高坐墊角度將會(huì)改善這種現(xiàn)象，但會(huì)對(duì)個(gè)子矮的人起到反作用。保持腳跟點(diǎn)和H點(diǎn)的相對(duì)位置一致，通過(guò)調(diào)節(jié)坐墊角度能夠彌補(bǔ)這些不足，所以出現(xiàn)了坐墊傾角可調(diào)座椅。

圖2 腳跟點(diǎn)、坐墊長(zhǎng)度、H點(diǎn)和坐墊角度的關(guān)系示意圖

對(duì)于不同類(lèi)型汽車(chē)（如小型車(chē)、客車(chē)、運(yùn)動(dòng)型車(chē)或者卡車(chē)）的座椅，腳跟點(diǎn)、H點(diǎn)、坐墊角度和坐墊長(zhǎng)度之間的關(guān)系是有差異的，每種汽車(chē)對(duì)這些點(diǎn)定義了不同的關(guān)系。故在選擇靜態(tài)舒適性參考座椅時(shí)，需注意參考座椅對(duì)應(yīng)的車(chē)型以及踏板的類(lèi)型。

4）假人的位置。在H點(diǎn)控制中，假人相對(duì)于中墊和側(cè)翼的位置非常重要，景中寬度一般設(shè)定為340～380 mm。如果座椅的景中寬度和與此相關(guān)的側(cè)翼高度有問(wèn)題，假人就無(wú)法處于坐墊或靠背的正確位置。這不僅嚴(yán)重影響舒適性，也會(huì)誤導(dǎo)對(duì)H點(diǎn)的測(cè)量。

1.1.4 座椅型面舒適性設(shè)計(jì)

型面舒適性設(shè)計(jì)要素：

1）各部位貼合度。座椅靠背、坐墊與人體背部、臀部及大腿底部相貼合，優(yōu)化接觸面積和接觸部位的形狀，能夠提升乘坐舒適性。

2）腰背支撐性。座椅應(yīng)提供形狀和位置適宜的兩點(diǎn)支撐，第一支撐位于人體第5和第6胸椎之間的高度上，作為肩靠，能減輕頸曲變形；第二支撐設(shè)置在第3至第5腰椎部位，作為腰靠，能保證乘坐姿勢(shì)下正常的腰曲弧線(xiàn)，從而提高駕駛員的舒適性。

1.1.5 座椅舒適性斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)斷面提取要求，結(jié)合型面舒適性標(biāo)桿座椅逆向數(shù)據(jù)，制作座椅舒適性斷面。需與造型設(shè)計(jì)人員充分溝通斷面數(shù)據(jù)，兼顧造型和舒適性要求，最后由雙方確認(rèn)。造型設(shè)計(jì)人員根據(jù)斷面完成座椅A面的制作，盡量保證與人體接觸的面滿(mǎn)足斷面要求，如圖3所示。

圖3 汽車(chē)座椅舒適性斷面示意圖

1.2 動(dòng)態(tài)舒適性

1.2.1 動(dòng)態(tài)舒適性定義

動(dòng)態(tài)舒適性是指汽車(chē)座椅系統(tǒng)通過(guò)隔離和衰減振動(dòng)，使傳給乘員身體的振動(dòng)強(qiáng)度處于界限內(nèi)，最終人體所能感受到的舒適特性，主要與振動(dòng)輸入信號(hào)和座椅振動(dòng)特性有關(guān)。

1.2.2 動(dòng)態(tài)舒適性影響因素及機(jī)理

人體的各個(gè)部位都有一定的固有頻率范圍，處于這個(gè)頻率范圍內(nèi)的人會(huì)感覺(jué)不舒服。汽車(chē)的每個(gè)零件（如車(chē)身、輪胎、發(fā)動(dòng)機(jī)等）也具有不同的頻率，對(duì)座椅影響最大的是車(chē)身的頻率，一般情況下，車(chē)身的固有頻率為1～2 Hz，人體的固有頻率為5～9 Hz。由此，乘客乘坐時(shí)座椅的固有頻率應(yīng)該控制在2.5～4.0 Hz，這樣就可避免因座椅共振而引起振動(dòng)過(guò)大。

在無(wú)乘客乘坐時(shí)，座椅的固有頻率不能與來(lái)自車(chē)身的能量發(fā)生共振。人體不適的頻率區(qū)域，如圖4所示。汽車(chē)零部件及人體的固有頻率，如圖5所示。了解零部件的固有頻率和人體的不適頻率，可避免出現(xiàn)共振。

圖4 人體不適的頻率區(qū)域示意圖

圖5 汽車(chē)零部件及人體固有頻率示意圖

大量研究證明，改變座椅結(jié)構(gòu)件或者金屬件（靠背骨架、坐盆、調(diào)角器和調(diào)節(jié)器）的固有頻率，對(duì)座椅的固有頻率沒(méi)有太大影響，故這些零件對(duì)舒適性的影響很小。這種研究結(jié)果同樣適用于車(chē)身或者底盤(pán)系統(tǒng)，比較各種車(chē)型（小型汽車(chē)、中型汽車(chē)、運(yùn)動(dòng)型汽車(chē)和豪華汽車(chē)），它們的頻率都在一個(gè)狹小的范圍內(nèi)波動(dòng)。

假如座椅的固有頻率已經(jīng)控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，而且金屬件對(duì)座椅固有頻率的影響又非常小，要將來(lái)自汽車(chē)的能量與人體隔絕開(kāi)來(lái)，即提高座椅的振動(dòng)衰減性能，就必須借助對(duì)座椅非結(jié)構(gòu)零件（如泡沫、坐墊網(wǎng)格、面套等）的優(yōu)化。面套、發(fā)泡、懸置件3個(gè)零件放在一起，就像一個(gè)組合彈簧，起到提供舒適性和振動(dòng)隔絕作用，如圖6所示。

圖6 汽車(chē)座椅非結(jié)構(gòu)零件示意圖

參考前期研究建立的數(shù)據(jù)，每個(gè)零件對(duì)舒適性和隔絕振動(dòng)的貢獻(xiàn)為：面套起30%～40%的作用；發(fā)泡起20%～40%的作用；懸置件起30%～40%的作用?，F(xiàn)在許多座椅上沒(méi)有懸置件，同樣需要考慮各零件對(duì)舒適性的貢獻(xiàn)。研究表明，發(fā)泡和面套取代了懸置件的作用，具體數(shù)據(jù)為：面套起50%～60%的作用；發(fā)泡起40%～50%的作用。

以上作用貢獻(xiàn)度還需要更加全面的數(shù)據(jù)加以證明，目前的數(shù)據(jù)僅起到大概率參考作用。數(shù)據(jù)顯示，在隔絕振動(dòng)的零件中，面套的作用比預(yù)期的要大，相反，發(fā)泡起到的作用并不是最大。如果裝有懸置零件，也會(huì)起到非常重要的作用。這為振動(dòng)衰減性能的優(yōu)化指出了方向。

1.2.3 座椅體壓分布測(cè)試

座椅第1次手工件、第1次工裝件以及座椅型面、泡沫物性、懸置彈性元件修改時(shí)，需要進(jìn)行座椅總成體壓分布測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果與型面舒適性標(biāo)桿座椅體壓分布測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于差異點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)原因分析，優(yōu)化不足，使體壓分布優(yōu)于參考座椅。

2 座椅舒適性?xún)?yōu)化思路

文章總結(jié)出一套完整的座椅舒適性?xún)?yōu)化思路：

1）標(biāo)桿座椅選擇：在開(kāi)始設(shè)計(jì)座椅時(shí)，首先要與市面上同級(jí)車(chē)型的座椅進(jìn)行靜態(tài)及駕駛乘坐的感官對(duì)比，挑選一款符合預(yù)期要求的座椅作為標(biāo)桿座椅（Benchmark座椅）。

2）標(biāo)桿座椅靜態(tài)評(píng)審：對(duì)標(biāo)桿座椅進(jìn)行靜態(tài)乘坐評(píng)價(jià)，包括是否夾臀（主要影響因素：坐墊寬度和側(cè)翼高度）、是否硌腿（主要影響因素：坐墊長(zhǎng)度和坐墊角度）、座椅對(duì)人體的支撐性（主要影響因素：坐墊角度和坐墊軟硬）、頭部支撐性（主要影響因素：頭枕高度和頭枕位置）等。

3）標(biāo)桿座椅信息輸出：在對(duì)標(biāo)桿座椅進(jìn)行靜態(tài)評(píng)價(jià)后，輸出標(biāo)桿座椅的關(guān)鍵參數(shù)，如坐墊和靠背寬度、景中寬度、坐墊長(zhǎng)度和角度、側(cè)翼高度、頭枕高度等；將95百分位的假人布置在座椅上，對(duì)座椅進(jìn)行體壓分布測(cè)試，得出標(biāo)桿座椅的壓力分布圖；若條件允許，可對(duì)標(biāo)桿座椅進(jìn)行逆向掃描，輸出標(biāo)桿座椅點(diǎn)云數(shù)據(jù)，方便提取標(biāo)桿座椅的舒適性斷面；對(duì)標(biāo)桿座椅進(jìn)行拆解，通過(guò)25%壓陷硬度等方式獲取泡沫硬度和體積質(zhì)量；分析和檢測(cè)標(biāo)桿座椅的面料，包括不同部位的面料厚度、復(fù)合層厚度、剛軟度、斷裂伸長(zhǎng)率等物理性能。

4）座椅舒適性目標(biāo)確定：通過(guò)對(duì)標(biāo)桿座椅的主觀(guān)評(píng)價(jià)以及標(biāo)桿座椅參數(shù)的整理，設(shè)定在研座椅的舒適性目標(biāo)。

5）座椅工程需求輸出：工程專(zhuān)業(yè)人員將設(shè)定的舒適性目標(biāo)輸出給總布置及造型專(zhuān)業(yè)人員，輸出內(nèi)容包括座椅的外形尺寸、標(biāo)桿座椅的舒適性斷面等。

6）座椅型面設(shè)計(jì)：造型人員根據(jù)工程設(shè)定的舒適性目標(biāo)及標(biāo)桿座椅的舒適性斷面，在盡量保證與人體接觸的面滿(mǎn)足斷面要求，同時(shí)兼顧造型的前提下，完成座椅A面的制作。

7）人機(jī)布置：總布置專(zhuān)業(yè)在確定整車(chē)的R點(diǎn)、足跟點(diǎn)、大腿角度、軀干線(xiàn)角度、眼瞼位置等時(shí)盡可能考慮工程設(shè)定的舒適性目標(biāo)。

以上為座椅舒適性正向開(kāi)發(fā)的流程。提前確定舒適性目標(biāo)，可以避免座椅在量產(chǎn)后出現(xiàn)舒適性問(wèn)題而導(dǎo)致的工裝變更等，從而大大縮短開(kāi)發(fā)工時(shí)、減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

3 結(jié)論

座椅舒適性對(duì)座椅的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，根據(jù)與國(guó)內(nèi)大型座椅供應(yīng)商溝通交流的寶貴經(jīng)驗(yàn)，文章對(duì)座椅舒適性的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行了介紹。對(duì)座椅舒適性的優(yōu)化設(shè)計(jì)也都經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)驗(yàn)證。期望未來(lái)國(guó)內(nèi)汽車(chē)座椅行業(yè)能夠制定出一套完整的舒適性評(píng)價(jià)流程及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以供工程師在座椅開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行參考。