基于體壓分布與道路模擬振動的座椅乘坐舒適性研究

徐 霖，黃迪青，陳 誠 Xu Lin，Huang Diqing，Chen Cheng

基于體壓分布與道路模擬振動的座椅乘坐舒適性研究

徐 霖，黃迪青，陳 誠
Xu Lin，Huang Diqing，Chen Cheng

（上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司，上海 201805）

通過體壓分布與道路模擬振動對比研究汽車座椅靜態乘坐舒適性與動態乘坐舒適性，建立一套汽車座椅的乘坐舒適性試驗評價方法。

車內乘員；座椅乘坐舒適性；試驗方法

0 引 言

近些年汽車大量普及，為避免駕乘疲憊和對健康的不利影響，并滿足人們對汽車性能日益增高的要求，汽車的乘座舒適性變得越來越重要。乘坐舒適性一直是汽車座椅研發過程中的難點，也是各主機廠拉升品牌價值的重要參數。目前各座椅生產廠商和各主機廠商對舒適性的評價方法各不相同，各評價標準存在一定的差異，如何更為準確、全面、有效地評價車輛乘坐舒適性已成為消費者和廠商關注的問題。

1 乘坐舒適性評價標準及其發展

乘坐舒適性是指行駛中的汽車對乘員身心影響程度的評價。主要分為主觀評價和客觀評價，前者考慮乘員的主觀反應，后者主要通過各種物理量（頻率、振幅、位移和加速度等）進行評價。

乘坐舒適性研究始于1931年，由德國學者Reiher和Meister通過10名被測人員在振動臺上的試驗，對一般情況下人體對振動的敏感性進行研究[1]。

20世紀60年代ISO（International Organization for Standardization，國際標準化組織）著手制定“人體承受全身振動的評價指南”，并于1974年頒布ISO 2631-1974，該標準的關鍵是3個界限：暴露界限、疲勞－降低工效界限和降低舒適性界限；標準中明確給出了振動頻率、振動強度、振動方向以及暴露時間對人體主觀感受的影響，對全面系統地研究人體對振動的反應有重大的指導意義。

為了在實驗室測試車輛座椅傳遞給乘員的機械振動，ISO在1992年制定了ISO 10326-1：1992：，進一步明確了測量和分析方法，可以將不同實驗室的試驗結果進行比較。

我國參照ISO 2631和ISO 10326-1分別制定了GB/T 4970和GB/T 18707.1。最新版本為GB/T 4970－2009《汽車平順性試驗方法》[2]對應ISO 2631-1：1997：，為非等效采用；GB/T 18707.1－2002《機械振動評價車輛座椅振動的實驗室方法第1部分：基本要求》等同采用ISO 10326-1：1992[3]。

近年來，隨著科學技術的不斷發展，人機工程學的應用越來越廣泛，出現了一批如加拿大Xsensor、美國Tekscan、加拿大FSA等品牌的人體壓力分布測量系統。按所采用的壓力傳感器來劃分，主要有電容式、壓阻式、應變式等，其中電容式和壓阻式壓力測試系統應用最為廣泛，能實時測量連續的坐臥壓力分布[4]，大部分汽車座椅廠家會使用體壓分布測量系統來測試產品、改良產品以及開發新產品。

2 更全面的車輛舒適性研究的意義

目前主機廠主要使用主觀評價的方法，邀請專業的乘坐舒適性評價專家在車內分別進行靜態體驗和動態乘坐體驗，并進行主觀評分，通過調查、統計和分析對車輛進行評價，這種方法貼近實際使用狀態，但基于個人的主觀感受，每位評價專家都有自己特定的評分方法，無法進行推廣。座椅廠商一般無法在整車上進行行駛中的動態乘坐評價，只以靜態體壓分布結果作為主要的客觀評價參數，缺少實車環境下乘員對乘坐空間的感受以及對車輛行駛中振動舒適度的考量。

我國在1993年發布了行業標準QC/T 55－1993《汽車座椅動態舒適性試驗方法》，規定了汽車座椅動態舒適性試驗的試驗項目、試驗設備、試驗程序和數據處理[5]，標準中采用靜載試驗、頻響特性試驗和垂向隨機振動試驗進行汽車座椅的動態舒適性試驗，但受限于當時的試驗技術設備，不進行前后、左右方向的振動加速度測試，當時無法全面地對汽車座椅的乘坐舒適性進行試驗測量。

當下采用體壓分布與道路模擬振動試驗設備進行靜態和動態乘坐舒適性試驗，得到乘員靜態和動態舒適度之間、主客觀舒適度之間的定量關系，旨在形成一套有效的乘坐舒適性試驗方法，幫助汽車主機廠及座椅生產廠商優化設計，改善產品的舒適性，提高消費者的滿意度。

3 試驗內容與試驗方法

3.1 樣車準備

分別選取首次購車時消費者青睞的A0級入門轎車以及對乘坐舒適性有較高要求的商務消費者所青睞的D級豪華轎車，分別進行靜態評價試驗和動態評價試驗。每次試驗前檢查車輛的胎壓、懸架狀態以及各種與車輛行駛姿態有關的軟、硬件設置，確保車輛在正常的使用狀態。

3.2 人員分布

吉林大學孫琳琳[6]對2款座椅進行舒適性研究，認為測試者年齡和性別對其身體局部不舒適度等級劃分影響不大，而身高或身高體重比影響較大。試驗的評價人員選擇2名男性和1名女性，體型覆蓋中國人體尺寸5%女性和95%男性，見表1，其中50%男性為身高168～182 cm，體重72～86 kg。參加試驗的評價人員身體健康，無疼痛病史，試驗前無劇烈運動；試驗室環境溫度為（23±5）℃，濕度適宜，周圍環境布置簡單整潔，無鮮麗色彩及異味等額外刺激因素影響測試者主觀感受，外界因素未對測試者造成不舒適影響。

表1 試驗人員

3.3 乘坐舒適度主觀評價評分表

本研究參考GB/T 4970－2009 附錄A表A 6 （見表2）中人的主觀感覺，結合人體不同身體部位對舒適度影響的權重系數設計了乘坐舒適度主觀評價評分表。評分表將肩部、背部、腰部、臀部和大腿這5個部位的局部不舒適度指標劃分為6點量表等級，見表3，對應不同的舒適性分數，分別為極不舒服（0分）、很不舒服（0.167分）、不舒服（0.333分）、比較不舒服（0.5 分）、有些不舒服（0.833 分）和沒有不舒服（1 分）。各部位權重系數從大到小依次為背部0.267，腰部0.236，臀部0.218，肩部0.144，大腿0.135。計算各部位分值時通過加權計算獲得[7]，最終評分結果為0～1，見表4。

表2 總加權加速度均方根值與人主觀感覺關系

表3 乘坐舒適度主觀評價評分表

表4 分值轉化表

3.4 靜態評測

3.4.1 主觀評價試驗

在主觀評價試驗中，3位不同體型的評價人員分別對肩部、背部、腰部、臀部和大腿5個部位的舒適度進行評分，將5個部位的評分結合各自的權重系數求和得到整體舒適度分值，具體公式為

式中：為舒適度分值，為每一個位置的感受程度，為該感受程度所對應的分值（表4）。

為了避免上一個評價人員對座椅發泡產生的壓縮影響，同一座椅每次評價之前需要空置30 min，評分結果如圖1所示。從結果中可以看出，同一乘坐位置D級車的舒適性要好于A0級車。同時從同一車型的不同乘坐位置來看，主觀評價分值主駕明顯優于副駕和后排乘員座椅，顯然廠家更注重使用率最高的主駕座椅的舒適性。

圖1 靜態主觀評價對比圖

3.4.2 體壓分布試驗

1）試驗設備。

體壓分布試驗的壓力分布測量系統主要由以下部分組成：①壓力分布毯（坐墊），型號：LX210：48.48.02；②壓力分布毯（背墊），型號：LX100：40.64.02。具體參數指標見表5。

表5 壓力分布毯技術指標

2）試驗步驟。

（1）將壓力分布毯平整覆于坐墊及靠背中央主體面，中間不能有褶皺；

（2）在墊子4個邊緣，用單面絕緣黑膠帶貼在座椅周圍，為避免壓力分布毯滑落盡量使用膠帶的寬度部分粘，并避免墊子接觸金屬，防止可能存在的電信號影響試驗結果；

（3）如果需要同時采集坐墊和靠背，則坐、靠接合處墊子不能干涉，墊子分別要嵌入中間縫隙；如坐、靠分別采集，可以將墊子覆蓋超過接縫處2格（蓋到另一邊上去）；

（4）檢查分型過渡面如側翼相接處，若不能平整貼附，可在墊子背面粘貼易撕的雙面膠，此法可能影響內部應力，且膠帶可能會傷墊子，因此盡量不使用，此過程也可以配合調整墊子4個邊緣的膠帶；

（5）在安裝壓力分布毯的過程中需要在自然無加載的狀態下，除膠帶本身粘著力以外無其他內部應力；在安裝過程中可開啟軟件，理論上不能出現大于所設置上限壓力值的點；安裝好的壓力分布毯如圖2所示。

圖2 壓力分布毯安裝圖

3）試驗結果分析與導出。

以時間曲線方式顯示試驗結果值，如圖3所示，清晰地反映整個壓力分布毯的平均值隨時間的變化規律。顯示不同壓力范圍內壓力分布頻率（即壓力的分布密度統計），如圖4所示。體壓分布試驗結果如圖5～圖10所示。

圖3 壓力隨時間變化曲線

圖4 壓力分布密度統計

圖5 坐墊平均壓強

圖6 坐墊最大壓強

圖7 坐墊接觸面積

圖8 靠背平均壓強

圖10 靠背接觸面積

從圖5～圖10試驗結果中可以看出，體壓分布的測量數據與主觀評價評分高度吻合，同一乘坐位置D級車的平均壓強和最大壓強低于A0級車，而D級車人體與座椅的接觸面積則大于A0級車。從舒適性上來講，人體與座椅之間的接觸面積越大，受到的平均壓強和最大壓強越小，舒適性越好；因此，可以認為體壓分布是有效的座椅舒適性測量手段。

3.5 路譜合成

利用四立柱輪胎耦合道路模擬試驗系統，通過cRPC軟件模擬迭代試車場道路譜（比利時路、繩索路、鋸齒路、坑洼路），配合Fatigue軟件分析復現試車場道路真實反饋，并補充各種國內常見的道路情況繪制出乘座舒適性評價特定加載譜，如圖11所示。

3.6 動態評測

3.6.1 動態主觀評價試驗

動態主觀評價評分表填寫方式與靜態主觀評價一致，先對局部舒適性進行評價，再將局部舒適性的分值轉換為整體舒適性分值。為了避免上一次試驗對下一次試驗的影響，每次試驗前需要將車輛和座椅靜置30 min，以便恢復車輛和座椅的狀態。評分結果如圖12所示。

圖11 試驗道路譜

由于D級車配有空氣懸架，并且可以切換懸架模式為舒適模式，所以從評分中可以看出D級車的動態舒適性明顯好于A0級車，并且同一車型的不同位置的動態舒適性評分，主駕分值優于副駕和后排乘員座椅，這與靜態舒適性的趨勢一致。

3.6.2 加載道路譜的三軸加速度采集試驗

1）加速度采集設備。

試驗設備采用B&K 4529B加速度傳感器和PCB 356B41坐墊加速度傳感器，其參數見表6。

表6 加速度傳感器參數表

2）試驗步驟。

在主駕、副駕、后排座位分別布置B&K 4529B加速度傳感器和PCB 356B41坐墊加速度傳感器，如圖13～圖14[3]。

圖13 坐墊及靠背加速度傳感器布置圖

圖14 平臺加速度傳感器布置圖

試驗過程中采集得到的加速度如圖15所示。根據國標對不同位置的加速度傳感器采集得到的數值進行加權計算，獲得每個位置的總加權加速度均方根值。計算公式為[2]

圖15 加速度采集曲線

3）試驗結果。

測得試驗人員在不同車型不同位置的加速度，進行后處理如圖16所示?？梢钥吹?，A0級車的總加權加速度均方根值顯著高于D級車，A0級及D級車座椅的總加權加速度均方根值中后排乘員座椅高于副駕座椅和駕駛員座椅，更高的加速度會引起乘員不適，這是主觀評分降低的原因之一。

圖16 動態客觀評價對比圖

4 結 論

依托實驗室實際情況及試驗能力，著眼于常見的試驗形式，基于四立柱輪胎耦合道路模擬試驗系統、壓力分布毯與三軸加速度采集系統，測量動、靜態乘坐舒適性相關的客觀參數，并結合主觀評價得到乘員靜態和動態舒適度之間、主客觀舒適度之間的定量關系。通過研究積累了車內乘員主觀體驗與客觀參數相互關聯的研究方法，形成了一套有效的乘坐舒適性試驗方法，可以幫助汽車主機廠及座椅生產廠商優化設計，改善產品的舒適性，提高消費者的滿意度。

[1]GRIFFIN M J . Effects of Vibration on People[M]//Handbook of Noise and Vibration Control. John Wiley & Sons，Ltd，2008.

[2]全國汽車標準化技術委員會. 汽車平順性試驗方法：GB 4970―2009[S]. 北京：中國標準出版社，2009.

[3]全國機械振動與沖擊標準化技術委員會. 機械振動評價車輛座椅振動的實驗室方法第1部分：基本要求：GB/T 18707.1―2002[S].北京：中國標準出版社，2002.

[4]莊燕子，蔡萍，周志鋒，等. 人體壓力分布測量及其傳感技術[J]. 傳感技術學報，2005，18（2）：313-317.

[5]全國汽車標準化技術委員會. 汽車座椅動態舒適性試驗方法：QC/T 55―1993[S].北京：中國計劃出版社，2008.

[6]孫琳琳，孔繁森，周宇，等. 基于感性工學的汽車座椅靜態舒適度的研究[J]. 人類工效學，2013（2）：62-64，93.

[7]盛潔. 基于體壓分布的人椅系統舒適性預測[D]. 重慶：重慶大學，2017.

2019-12-24

U461.4

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.03.006

1002-4581（2020）03-0022-06