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淺析汽車座椅舒適性開發(fā)和研究

2020-09-24 22:53:44·  來源：上汽安全與CAE技術(shù)  
　
1．座椅舒適性開發(fā)的研究背景汽車座椅作為駕乘人員最直接接觸的汽車部件，除其外觀品質(zhì)能給消費者帶來最直觀的感受外，乘坐的舒適性也直接影響著客戶的主觀感知
1．座椅舒適性開發(fā)的研究背景
汽車座椅作為駕乘人員最直接接觸的汽車部件，除其外觀品質(zhì)能給消費者帶來最直觀的感受外，乘坐的舒適性也直接影響著客戶的主觀感知，因此汽車座椅的舒適性能也成為了國內(nèi)各大廠商比較關(guān)注并努力改善的地方。而研究汽車座椅的舒適性，也是為了在設(shè)計汽車座椅的時候能夠更加人性化，減少人體脊椎的承受力，減少人體疲憊，讓消費者可以更舒適更安全的駕駛，這對企業(yè)提升顧客服務(wù)和自身產(chǎn)品價值有著重要的指導(dǎo)意義。
 
 
 
圖1 不同的造型/材質(zhì)的汽車座椅
2．汽車座椅舒適性設(shè)計要點
2.1 座椅舒適性設(shè)計的原則
座椅舒適性設(shè)計的目標(biāo)就是滿足消費者對座椅整體主觀感知是舒適的，短時入座的舒適，長途行駛中和行駛后的舒適，因此從舒適性角度來看，對座椅的舒適性設(shè)計應(yīng)該要滿足以下原則:
 
圖2 舒適座椅的基本特征
2.2 座椅舒適性分類
座椅的舒適性一般包括靜態(tài)舒適性、動態(tài)舒適性和操作舒適性三類；靜態(tài)舒適性主要是在靜止?fàn)顟B(tài)下座椅的舒適性表現(xiàn)，其主要與座椅的表面支撐度，貼合度和軟硬程度等相關(guān)；動態(tài)舒適性主要是在車輛行駛狀態(tài)下座椅的舒適性表現(xiàn)，其主要與汽車的振動特性相關(guān)，反映輪胎、懸架和座椅三個減振環(huán)節(jié)的性能；操作舒適性主要是與座椅相關(guān)的操縱功能的適應(yīng)性能，其與操縱件的布置，考慮人體尺寸范圍的空間管理相關(guān)，如圖3所示：
 
圖3 座椅舒適性分類

3．汽車座椅舒適性影響因素和設(shè)計要素
汽車座椅的設(shè)計過程中既要滿足安全性、功能性要求，也要符合總布置的要求，滿足人機工程學(xué)，座椅的造型設(shè)計也確定了座椅的主要尺寸和型面，因此座椅的舒適性設(shè)計，要在綜合考慮這些影響因素的前提下，控制一些主要的相關(guān)設(shè)計要素來提升其整體的舒適性能，如座椅的型面設(shè)計，發(fā)泡的硬度和密度，骨架的動態(tài)特性等，主要內(nèi)容如圖4所示：
 
圖4 座椅舒適性影響因素及設(shè)計要素

4 座椅舒適性仿真分析和驗證
4.1 靜態(tài)舒適性試驗與仿真分析
4.1.1靜態(tài)舒適性試驗
座椅的靜態(tài)舒適度一般與座椅的材質(zhì)和設(shè)計結(jié)構(gòu)相關(guān)，目前進行靜態(tài)舒適度的測試和驗證常用的手段就是人體壓力分布測試，通過測試提取的壓力分布云圖，最大壓力，平均壓力值等客觀數(shù)據(jù)來初步評價座椅的靜態(tài)舒適性能。不合適的汽車座椅會導(dǎo)致人體腰部、腿部、臀部的疲勞, 增加駕乘人員的整體疲勞程度，所以一般會要求人體跟坐墊和靠背之間有較大的接觸面積，并避免最大壓力分布在腿部區(qū)域來提升座椅的舒適性能。常見的靜態(tài)體壓分布測試方法及測得的壓力分布云圖如圖5所示：
 
圖5 座椅人體壓力分布測試
   
4.1.2 靜態(tài)舒適性仿真
在座椅舒適性開發(fā)過程中，以往僅能在實物樣件出來后進行評價，因此更改范圍較小，特別是A面很難再進行調(diào)整。這種操作方式導(dǎo)致產(chǎn)品后期發(fā)現(xiàn)的舒適性問題難以解決。所以目前在項目早期舒適性開發(fā)過程中，除了進行H點控制分析、功能性人機分析、布置分析外，各個廠商開始進行座椅的靜態(tài)壓力分布仿真分析研究，旨在提升座椅舒適性設(shè)計開發(fā)的能力。
 
通過靜態(tài)舒適性仿真獲取坐墊和靠背的壓力分布結(jié)果，主要方式建立假人和座椅模型，計算人體落座至穩(wěn)定狀態(tài)后的接觸壓力，通過分區(qū)域的壓力均值、接觸面積等參數(shù)與臺架試驗做對比，后續(xù)對于坐墊和靠背的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供改進的方向。
 
座椅模型包含發(fā)泡、面套和骨架三個部分，其中發(fā)泡根據(jù)不同的發(fā)泡硬度進行分區(qū)域建模，面套與發(fā)泡之間的固定吊緊和包裹，也都用不同的連接方式進行模擬；HPM假人模型根據(jù)實際重量進行配重，并且依據(jù)其各個模塊的運動關(guān)系來增加鉸鏈單元；座椅仿真分析模型及假人的擺放見圖6，圖7所示。
 
圖6 座椅壓力分布仿真分析模型
 
圖7 假人模型擺放及假人H點穩(wěn)定過程
仿真分析體壓分布結(jié)果如圖8所示，臀部中心和大腿位置體壓分布與試驗結(jié)果基本吻合。
 
 
圖8 坐墊壓力分布仿真對標(biāo)
 
4.2 動態(tài)舒適性試驗與仿真分析
4.2.1 動態(tài)舒適性試驗
座椅的動態(tài)舒適度不僅與座椅的性能相關(guān)，也與整車的懸架、輪胎等相關(guān)，傳統(tǒng)的測試方法都是基于實車的試驗方法，依靠試驗人員實時記錄汽車的客觀評價指標(biāo)所需的計算數(shù)據(jù)，比如利用三軸式加速度測量儀進行加速度測量和試驗人員主觀打分進行評價，對于不理想的反饋結(jié)果進行改進設(shè)計。
目前行業(yè)內(nèi)的動態(tài)舒適性臺架測試，一般是基于中國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T55﹣1993《汽車座椅動態(tài)舒適性試驗方法》進行座椅的靜載和頻響特性試驗，得到座椅的靜剛度和傳遞率曲線，計算座椅的固有頻率、動剛度和阻尼比等參數(shù)，以此來評價座椅的動態(tài)特性，為其動態(tài)舒適性評價提供參考指標(biāo)。而國外有人提出測量和計算座椅的“乘坐舒適性指標(biāo)R”的經(jīng)驗評價方法：
 
式中,代表座椅舒適性常數(shù)；A為座椅共振頻率所對應(yīng)的振動傳遞率；B為10Hz時的振動傳遞率；為座椅的固有頻率。R值越大，說明座椅的動態(tài)特性越好。
 
4.2.2 動態(tài)舒適性仿真分析
目前，座椅的動態(tài)舒適性仿真分析主要方法是基于動力學(xué)軟件，建立多自由度的座椅-人體全模型，包括座椅和人體的多體系統(tǒng)，將模型進行參數(shù)化建模，考慮腳部與汽車底板的接觸，即汽車底板對腳部具有振動傳遞，以一定時長的隨機振動信號作為激勵進行仿真，以模型的加權(quán)加速度均方根值作為舒適度的量化計算方法。

5．座椅的舒適性評價
座椅的舒適性評價分主觀評價和客觀評價兩種評價方式。目前主要的主觀評價方式即通過調(diào)查問卷的形式，由不同體型和身高的大樣本人群進行評分來綜合評估；而客觀評價方式即主要通過上述的靜態(tài)和動態(tài)測試獲取客觀指標(biāo)來進行評估，由于主觀評估完全由受測人員的主觀感受決定，主觀的評價結(jié)果具有比較大的離散性，客觀評價不以人的主觀意志為轉(zhuǎn)移，一般情況下客觀評價的結(jié)果更為穩(wěn)定，在早期設(shè)計中，通過仿真分析的手段，通過客觀指標(biāo)定義來為設(shè)計提供參考具有重要的意義，但如何將客觀的分析和測試指標(biāo)與主觀評價結(jié)果關(guān)聯(lián)起來，綜合提升座椅的舒適性能，將是作為座椅開發(fā)工程師所努力的主要方向。

6．總結(jié)
座椅設(shè)計開發(fā)是一項系統(tǒng)集成度很高的設(shè)計工作，技術(shù)方面涉及舒適性、功能性、安全性、法規(guī)性和美觀性等要求，同時在項目方面還涉及成本控制和質(zhì)量要求，其中有些技術(shù)要求相互之間還存在一定沖突，因此在開發(fā)過程中經(jīng)常需要從座椅綜合性能要求和目標(biāo)市場客戶角度來進行平衡，從而制定合理的設(shè)計目標(biāo)來設(shè)計出高舒適度評價的座椅。

參考文獻
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