汽車座椅坐墊懸簧的舒適性設(shè)計研究

馬增輝

（一汽奔騰轎車有限公司，長春130012）

主題詞：汽車座椅 舒適性 坐墊懸簧

1 引言

現(xiàn)代乘用車已經(jīng)不僅僅是傳統(tǒng)意義上的載運工具，隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，特別是互聯(lián)網(wǎng)和汽車技術(shù)的不斷深入結(jié)合，它已經(jīng)成為了“人、汽車和環(huán)境”的有機結(jié)合體[1]，是汽車消費者長期駕乘、旅途娛樂和工作的重要環(huán)境場景之一。因此，人們對汽車的駕乘體驗要求也隨之越來越高，“安全、舒適、智聯(lián)”已經(jīng)成為現(xiàn)代乘用車的優(yōu)選目標(biāo)。汽車座椅作為汽車直接支撐人體的承載裝置，在汽車座艙系統(tǒng)中起到了重要作用。汽車座椅不僅減緩路面顛簸給人體帶來的振動和不適，還為駕乘者提供了舒適、便捷的乘坐體驗[2]。因此，提高座椅舒適性成為了各大車輛制造廠家和座椅供應(yīng)商研發(fā)設(shè)計的重要研究方向[3-4]。

此外，隨著乘用車市場的快速發(fā)展，用戶在購車時，多通過內(nèi)飾的直觀感受和實際操作使用來完成對汽車的初版評價，直接影響了消費者的購車意愿。而座椅作為內(nèi)飾的重要組成部分，是人與內(nèi)飾直接交互的重要部件，在消費者駕乘過程中，提供了安全和舒適性多種功能體驗。在安全方面，座椅可以提供側(cè)氣囊的乘員保護、安全帶的乘員保護、防下潛保護；而舒適性的范圍較為寬泛，便利的操作、舒適的身體感觸、悅耳的聲音、良好的外觀視覺。在操作便利性方面，前排座椅可以前后調(diào)節(jié)、上下調(diào)節(jié)、靠背角度調(diào)節(jié)、坐墊傾角調(diào)節(jié)，后排座椅可以前后調(diào)節(jié)、靠背角度調(diào)節(jié)、折疊、翻轉(zhuǎn)，頭枕可以上下、前后調(diào)節(jié)；在人體感觸舒適性方面，座椅在用戶駕駛、坐乘、休息等場景中提供了與用戶交互最為直接的體驗；在聲音體驗方面，座椅在操作和與人體接觸過程中不可產(chǎn)生噪音；在座椅外觀方面，座椅體現(xiàn)的整體造型、面料材質(zhì)、色彩搭配更加直觀。因此，座椅的舒適性已成為消費者購車的主要關(guān)注點之一，也是各大汽車廠家提高內(nèi)飾品質(zhì)的亮點之一。很多消費者在4S 店對比車輛或者選擇車輛時，在汽車內(nèi)飾中，最直觀和最直接的車內(nèi)接觸部件就是座椅，座椅的舒適性、風(fēng)格、配置、造型、顏色、觸感、材質(zhì)、氣味都會影響消費者對車輛是否購車的意愿，且舒適性又涵蓋了造型、觸感、材質(zhì)、風(fēng)格。

2 座椅舒適性

舒適是人身處在環(huán)境之間，心理、生理和物理上的相對平衡的狀態(tài)，當(dāng)身體感觸到平衡時，則可稱之為舒適；但因外在因素改變，而被打破此種平衡狀態(tài)時，則可能認(rèn)為有不舒適的感覺產(chǎn)生[5-7]。而舒適性是舒適程度的一種主觀感受。在一般情況下多數(shù)體驗者對舒適性感到滿意，則認(rèn)為此時的舒適性好。就座椅而言，要滿足人的靜態(tài)和動態(tài)使用，要滿足駕乘者坐和其他姿態(tài)的需要，要滿足駕乘者在駕駛或乘坐過程中，對汽車內(nèi)飾零部件在觸感、聽覺、視覺直觀感知具有良好的感受[8-10]。因此，座椅舒適性的好壞直接影響了消費者對車輛評價的高低，進(jìn)而影響了消費者的購車欲望。

汽車座椅舒適性主要分為座椅靜態(tài)舒適性、座椅動態(tài)舒適性、座椅操作舒適性。

圖1 座椅舒適性[10]

2.1 座椅舒適性部件簡介

汽車座椅的舒適性部件是汽車座椅中為人體提供舒適體驗的部件[11]，滿足人體對舒適性需求的重要組成部分，多以通過氣動結(jié)構(gòu)、機械機構(gòu)、物化性能來實現(xiàn)。汽車座椅的舒適性部件一般由腰托、坐墊懸簧、按摩、腿托、靠背發(fā)泡、坐墊發(fā)泡、頭枕和一些提高人體舒適性體驗的調(diào)節(jié)機構(gòu)組成（圖2）。

圖2 汽車座椅舒適性部件

座椅舒適性部件是以座椅骨架為基礎(chǔ)，在骨架上連接或者安裝各種舒適性部件，達(dá)到對人體姿態(tài)調(diào)節(jié)（包括腿部、臀部、腰部、肩部、肘部、頭部）和人體對舒適性的體驗需求。

2.2 座椅的舒適性設(shè)計

汽車座椅的舒適性設(shè)計包括了斷面校核設(shè)計、面套設(shè)計、發(fā)泡設(shè)計、操作便利性、結(jié)合骨架設(shè)計和裝備功能定義的舒適性部件設(shè)計[1,12,13]。

（1）斷面校核設(shè)計，通過對造型的特征斷面的舒適性分析，以不同的座椅參數(shù)，適當(dāng)調(diào)整造型形面，提高舒適性；

（2）面套設(shè)計，通過對面套顏色、外觀、觸感、透氣性、吊緊位置設(shè)計提高舒適性；

（3）發(fā)泡設(shè)計，通過發(fā)泡密度、硬度、滯后率、A面設(shè)計和B面設(shè)計提高舒適性；

（4）舒適性部件設(shè)計，在骨架平臺上，以裝備功能定義為依據(jù)，添加滿足功能要求的舒適性部件，結(jié)合座椅參數(shù)，設(shè)計舒適性部件的連接形式、性能和形狀；

其中，舒適性部件的布置和設(shè)計，是顯著提升座椅舒適性的方法之一。坐墊懸簧作為汽車座椅必備的舒適性部件，它的舒適性設(shè)計尤為重要[14-15]。

3 坐墊懸簧的設(shè)計

坐墊懸簧多配置在前排座椅上，前端掛在坐墊骨架半盆上或者前橫管上，后端掛在后橫管上。本體材質(zhì)多為彈簧鋼，形狀多為蛇形對稱結(jié)構(gòu)，或者蛇形順次排列結(jié)構(gòu)。主要提供發(fā)泡支撐、線束連接和面套掛接作用。

坐墊懸簧作為汽車座椅舒適性部件的重要組成之一，對舒適性的提升具有一定作用。

3.1 坐墊懸簧的整體結(jié)構(gòu)

目前，市場上的坐墊懸簧主要采用如下結(jié)構(gòu)形式，包括鋼絲連接+鋼絲掛接（圖3），通過鋼絲結(jié)構(gòu)將四個單獨的鋼絲連接在一起；鋼絲連接+塑料管包鋼絲掛接（圖4），每根鋼絲的前掛點和后掛點用塑料管包裹，并通過鋼絲結(jié)構(gòu)將四個單獨的鋼絲連接在一起；包塑連接+包塑結(jié)構(gòu)掛接（圖5），對每根鋼絲的前掛點和后掛點包塑，通過塑料結(jié)構(gòu)將各個鋼絲連接在一起。

綜上，結(jié)合目前主流車型，坐墊懸簧多為兩端掛接部分為包塑，各個鋼絲間通過包塑結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。本文推薦坐墊懸簧的整體結(jié)構(gòu)使用關(guān)于XZ平面的對稱結(jié)構(gòu)，可以使人體臀部兩側(cè)的觸感一致，整體使用鋼絲折彎結(jié)構(gòu)，每根鋼絲的兩端都進(jìn)行包塑，各根鋼絲間使用注塑結(jié)構(gòu)連接。

圖3 包括鋼絲連接+鋼絲掛接

圖4 鋼絲連接+塑料管包鋼絲掛接

圖5 包塑連接+包塑結(jié)構(gòu)掛接

表1 坐墊懸簧結(jié)構(gòu)

3.2 懸簧的材料

對標(biāo)國內(nèi)外各主流車型，推薦鋼絲材料符合標(biāo)準(zhǔn)EN 10270-1《機械彈簧用鋼絲》或者相關(guān)性能要求標(biāo)準(zhǔn)對等的國家標(biāo)準(zhǔn)。推薦使用直徑3 mm的鋼絲進(jìn)行折彎。

3.3 懸簧的舒適性設(shè)計

舒適性包括外觀的視覺感受、操作的便捷性、身體接觸的感受、嗅覺感受、聽覺感受，是駕乘者對座椅舒適性的直觀感受和重要體驗。舒適性設(shè)計，將以這些方向為基礎(chǔ)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計。坐墊懸簧可以結(jié)合身體接觸感受和聽覺感受2 方面進(jìn)行舒適性設(shè)計，推薦如下。

從聽覺感受方面，由于坐墊懸簧主體為鋼絲結(jié)構(gòu)，且安裝點處也都是金屬結(jié)構(gòu)，所以減少異響成為聽覺舒適性的重要設(shè)計理念。綜合考慮工藝可行性和輕量化的要求，推薦采用在鋼絲兩端進(jìn)行包塑，包塑結(jié)構(gòu)推薦為3 mm 厚的塑料結(jié)構(gòu)形式，各根鋼絲間通過塑料結(jié)構(gòu)連接。前后掛接結(jié)構(gòu)包塑，可以有效避免因為坐墊發(fā)泡和坐墊骨架在相對運動時，鋼絲和前后橫管、鋼絲和半盆之間的金屬間摩擦而產(chǎn)生的異響，提高了人體對聲學(xué)的舒適性需求。

從身體接觸方面，減少由于鋼絲形變對H點的影響(圖6)，增加對人體臀部的有效支撐為設(shè)計要點，來提高舒適性。坐墊懸簧的鋼絲在XZ 方向上，鋼絲方向改變處推薦為接近過H 點所在鉛垂線。鋼絲形變方向，在接近過H 點處的鉛垂線處改變，可以減小鋼絲的彈性變形對H點的影響；同時，主體采用4根蛇形鋼絲，增加坐墊懸簧和坐墊B 面的有效接觸面積，提高人體在駕乘時，坐墊懸簧間接對人體的有效支撐，提高舒適性。

圖6 鋼絲折彎方向在H點處改變

同時，鋼絲的形變趨勢如果可以符合人體臀部的外形走勢（圖7），這樣可以使腿部的人體到金屬的距離（英文全稱meat to metal，即MTM）值更均勻，使人體在駕乘時，不會因為坐墊懸簧的與腿部間的MTM 值突變而感受到異物感或突兀感，提高了人體腿部和坐墊的接觸觸感，提高了舒適性。

圖7 鋼絲折彎的趨勢

考慮舒適性的同時，也不能忽略座椅安全。在碰撞時，人體會相對座椅產(chǎn)生下潛的情況，此時，座椅的防下潛設(shè)計也很重要。在兼顧舒適性設(shè)計的基礎(chǔ)上，推薦坐墊懸簧的前掛點掛接在前橫管或者半盆上的掛接槽中，在滿足防下潛區(qū)域要求的基礎(chǔ)上，滿足R＞55 mm，α＞25°，見圖8。其中R 為坐墊懸簧前端與前橫管連接鋼絲的有效長度，α為與前橫管連接平面與水平面的夾角。在考慮人體舒適性的前提下，滿足了對人體的保護，滿足了座椅安全性需要。

圖8 座墊懸簧防下潛參數(shù)

此外，坐墊懸簧剛度也對舒適性有一定影響，推薦參照坐墊整體剛度，避免與人體產(chǎn)生共振，來選擇坐墊懸簧剛度。人體垂直方向最敏感的頻率范圍是4～12 Hz，由式可 知，坐 墊 的 固 有 頻 率fs≤3 Hz，且不易太小，造成撓度過大，在顛簸路況時，給人體帶來更大的沖擊，甚至長期處在此種路況下產(chǎn)生眩暈的感覺。

3.4 懸簧與發(fā)泡的匹配

懸簧和發(fā)泡的匹配推薦零貼的方式，即坐墊懸簧最上形面和發(fā)泡的B面貼合，防止兩者之間存在間隙或者空洞，使人體在乘坐時感到不適；在前后掛接部分，扣除發(fā)泡和坐墊懸簧之間可能干涉的部分，防止因局部干涉，引起發(fā)泡局部壓縮，使人體乘坐時感受到異物感。此外，坐墊懸簧也為線束和面套提供連接基礎(chǔ)，懸簧的包塑結(jié)構(gòu)推薦考慮線束的連接，做一些凸臺、凹坑結(jié)構(gòu)；鋼絲在X 方向的折彎位置也需考慮面套的掛接位置。

4 結(jié)束語

隨著中國汽車市場的高速發(fā)展，汽車消費已經(jīng)日趨成熟，消費者對汽車的駕乘體驗和內(nèi)飾舒適性的要求也越來越高，座椅作為內(nèi)飾的重要子系統(tǒng)，作為直接承載人體的零部件，對提升內(nèi)飾品質(zhì)、提高駕乘體驗都起著重要作用。汽車座椅的舒適性和安全性設(shè)計要求也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽撌孢m性和檔次感的要求。在現(xiàn)代汽車座椅設(shè)計中，舒適性設(shè)計已成為重要的研發(fā)方向，如何提高座椅舒適性尤為重要；同時，提高安全性的作用也不言而喻。提高汽車座椅的舒適性，對于降低駕駛員的疲勞、提高駕乘者的愉悅駕乘體驗，對減少由于駕駛員疲勞和困乏而引起交通事故的發(fā)生具有積極用作。

因此，舒適性部件的優(yōu)化設(shè)計作為提高座椅舒適性的有效手段之一，對提高座椅舒適性有著積極意義。隨著汽車電氣化的快速發(fā)展，汽車市場對舒適性部件的要求也越來越高，如何實現(xiàn)定制化、低噪音、低成本、便捷裝配將成為未來舒適性部件方面的研究課題。