基于體壓分布的汽車座椅舒適性研究*

張志飛,袁 瓊,徐中明，黃深榮，賀巖松

(1.重慶大學(xué)，機(jī)械傳動國家重點實驗室,重慶 400030； 2.重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院,重慶 400030)

前言

近年來，人們對汽車舒適性的要求不斷提高，作為直接與駕乘人員接觸的汽車座椅是人機(jī)交互的主要界面，是影響駕乘人員舒適性的主要因素，因此研究汽車座椅舒適性具有重要意義。體壓分布是研究汽車座椅舒適性的主要方法之一，且很多研究是基于試驗臺架進(jìn)行[1-3]。文獻(xiàn)[4]中用很多關(guān)于靜態(tài)舒適性的研究方法對座椅舒適性進(jìn)行研究，驗證了體壓分布與駕駛員舒適性主觀評價相關(guān)性最好。為表征體壓分布，文獻(xiàn)[5]中提出了最大壓強(qiáng)、平均壓強(qiáng)和不對稱系數(shù)等8個體壓分布指標(biāo)，并結(jié)合試驗驗證了這些指標(biāo)與舒適性具有很強(qiáng)的相關(guān)性。同時座椅的體壓分布和人體乘坐姿勢密切相關(guān)[6-8]，文獻(xiàn)[6]中結(jié)合主觀評價研究了不同坐姿下靜態(tài)體壓分布的情況；文獻(xiàn)[7]中探討了人體駕駛角度與舒適性的關(guān)系。由于車輛環(huán)境中的人椅系統(tǒng)常處于動態(tài)環(huán)境，文獻(xiàn)[9]中通過研究瞬態(tài)振動環(huán)境下體壓分布來反映駕駛舒適性；文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]中研究了在1～10Hz頻率范圍內(nèi)不同振幅的正弦垂向激勵下體壓分布的變化規(guī)律。然而實際上汽車座椅不是單純地處于靜態(tài)或某種特定激勵，而是處于復(fù)雜的行駛工況，因此有必要針對汽車實際行駛工況研究人椅系統(tǒng)體壓分布的變化規(guī)律。

本文中針對某款乘用車座椅，在等速行駛工況下對人椅系統(tǒng)進(jìn)行體壓分布試驗和振動舒適性試驗，分析試驗數(shù)據(jù)并總結(jié)體壓分布變化規(guī)律，探討動態(tài)工況和靜態(tài)工況下體壓分布特征的差異，并將動態(tài)工況下的體壓分布和振動加速度功率譜進(jìn)行對比分析，為提升座椅乘坐舒適性提供指導(dǎo)。

1 試驗方法

試驗采用61cm見方、由2 304(48×48)個電容傳感器組成的Xsensor壓力傳感器，在某型乘用車副駕駛座椅上采集人體接觸座墊的體壓分布數(shù)據(jù)，試驗時采樣頻率為45Hz，采樣時間為1min。本次試驗包含了對汽車靜態(tài)工況下11名被試者和動態(tài)工況下兩名被試者的體壓分布測量。動態(tài)試驗路面為城市快速路，車速為30、40、50、60km/h，各工況重復(fù)采樣3次。試驗時使用speedbox監(jiān)測實時車速，要求車速波動在±4%之內(nèi)，固定座椅前后位置和靠背角度，同時要求被試者處于自然放松狀態(tài)。

本次試驗11名被試者中，9名男性，2名女性，平均年齡27.5歲，平均身高、體質(zhì)量分別為167.72cm和61.92kg，身體狀況良好。

為分析動態(tài)體壓與振動的相關(guān)性，結(jié)合體壓分布動態(tài)試驗，在相同工況下，利用IMC數(shù)據(jù)采集器、B&K2647B電荷電壓轉(zhuǎn)換器、B&K4322三向座椅加速度傳感器等采集椅面加速度，采樣頻率為500Hz，采樣時間為1min。圖1為座椅體壓分布與振動試驗的現(xiàn)場測試圖。

2 試驗結(jié)果分析

對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以得到一系列的量化指標(biāo)，實現(xiàn)對舒適性的客觀評價。本文中主要應(yīng)用最大壓強(qiáng)、平均壓強(qiáng)、接觸面積、總壓力、不對稱系數(shù)、縱向壓力分布曲線和縱向壓力中心坐標(biāo)等作為評價靜態(tài)、動態(tài)工況的體壓分布指標(biāo)。

本次試驗所用Xsensor壓力傳感器左右對稱的放置在座墊上，如圖2所示，圖中每個小方格代表一個長寬均為12.7mm的測點，i表示縱向，j表示橫向。同時Xsensor壓力傳感器的閾值為1.310 05kPa，當(dāng)測點壓力值小于閾值時壓強(qiáng)數(shù)據(jù)顯示為零。

圖2線框A表示單點壓力傳感器所作用的面積ΔS(161.29mm2)，接觸面積S指臀部全部受壓點數(shù)Nt(測點壓強(qiáng)為非零的點數(shù))與ΔS之乘積。

平均壓強(qiáng)pv指全部受壓點壓強(qiáng)的算術(shù)平均值，表示人體與座椅接觸壓力大小，在一定程度上反映人體振動舒適性。

(1)

式中：pi為測點壓強(qiáng)值。

不對稱系數(shù)Cu指以圖2縱向?qū)ΨQ線為中心，左右對稱測點壓力差的絕對值之和與總壓力的比值，可用于判斷體壓分布的不對稱程度，分析試驗數(shù)據(jù)的有效性。

(2)

式中：N為壓力傳感器行列數(shù)，N=48；Pij為第i行j列的測點壓強(qiáng)值。

縱向壓力分布曲線FL(xi)綜合反映人體各部位的受力大小和壓力變化趨勢。

(3)

縱向壓力中心坐標(biāo)Cop-x指在時間歷程中壓力中心與傳感器前緣的距離，反映坐姿的改變。

(4)

式中：xi為第i行傳感器的縱坐標(biāo)。

根據(jù)圖2定義的坐標(biāo)，Cop-x實際反映縱向壓力中心至傳感器后緣(靠背一側(cè))的距離。

2.1 靜態(tài)工況下體壓分布分析

對于靜態(tài)試驗數(shù)據(jù)，為減小隨機(jī)誤差，選取連續(xù)的20幀數(shù)據(jù)計算各參數(shù)的平均值。由于不合格的試驗坐姿會造成數(shù)據(jù)的離散，因此通過計算各被試者不對稱系數(shù)來判斷試驗坐姿的有效性。不對稱系數(shù)的取值范圍為0≤Cu≤1，當(dāng)Cu=0時，體壓分布完全對稱；當(dāng)Cu=1時，體壓集中于一側(cè)，其值越大體壓分布越不對稱。通過綜合考慮，剔除不對稱系數(shù)大于0.30的3個樣本，其余被試者的不對稱系數(shù)在0.159 8～0.272 2之間波動。

利用統(tǒng)計學(xué)分析方法處理試驗數(shù)據(jù)，得出最大壓強(qiáng)、平均壓強(qiáng)、總壓力和接觸面積，并求其相關(guān)關(guān)系，結(jié)果見表1，分析可知：

(1) 最大壓強(qiáng)、平均壓強(qiáng)與接觸面積成負(fù)相關(guān)，說明人椅接觸面積增加，人體承受的最大壓強(qiáng)和平均壓強(qiáng)減?。?/p>

(2) 最大壓強(qiáng)、平均壓強(qiáng)、總壓力、接觸面積與被試者體質(zhì)量正相關(guān)，說明體壓分布除受人體坐姿影響外，還受被試者的個體參數(shù)——體質(zhì)量影響，體質(zhì)量增加各參數(shù)均增大。

表1 各參數(shù)相關(guān)系數(shù)

注：*顯著性水平為0.05；**顯著性水平為0.01。

根據(jù)式(3)計算并繪制縱向壓力分布曲線(圖3)，其能較好地反映人體受力分布情況，亦能說明各部位對壓力的敏感程度。由圖3可見，壓力峰值出現(xiàn)在人體血管、神經(jīng)分布較少且可以承重的坐骨結(jié)節(jié)附近，由坐骨周圍擴(kuò)散到臀部外圍，壓力逐漸降低，直到與座墊前緣接觸的大腿下平面趨于最低值，符合人體生理結(jié)構(gòu)的特點。

2.2 動態(tài)行駛工況下體壓分布分析

在實際情況下，人椅接觸環(huán)境主要處于動態(tài)環(huán)境，因此需進(jìn)一步研究動態(tài)條件下體壓分布變化規(guī)律。本文中通過分析等速行駛工況下最大壓強(qiáng)、平均壓強(qiáng)、接觸面積和總壓力變化規(guī)律，并分析平均壓強(qiáng)功率譜的峰值頻率與幅值；計算縱向壓力中心隨乘坐時間的變化規(guī)律；分析人體與座椅不同接觸區(qū)域的壓力變化率，從而獲得體壓分布動態(tài)特性。

對各工況的3組數(shù)據(jù)分別計算不對稱系數(shù)，選取不對稱系數(shù)最合理的一組作為動態(tài)體壓分析數(shù)據(jù)。以時間為變量，計算各工況下平均壓強(qiáng)、總壓力、最大壓強(qiáng)和接觸面積隨時間的變化規(guī)律。圖4為不同車速下平均壓強(qiáng)和接觸面積隨時間歷程的變化情況，同時提取動態(tài)工況下各參數(shù)在時間歷程的平均值，其與靜態(tài)體壓參數(shù)的對比結(jié)果如表2所示。由圖4與表2分析表明，隨車速的增加，總壓力、接觸面積和平均壓強(qiáng)呈增加趨勢，但接觸面積的變化量減小，且動態(tài)條件下最大壓強(qiáng)小于靜態(tài)時。說明在實車振動環(huán)境下，人椅接觸面積增加的同時降低了最大壓強(qiáng)值。

表2 體壓分布動態(tài)試驗參數(shù)

平均壓強(qiáng)與總壓力屬于同一類指標(biāo)，主要反映人體與座椅接觸特性的變化，做平均壓強(qiáng)功率譜(圖5)，分析得各工況均有一個明顯的峰值點(具體參數(shù)見表5)，其頻率隨車速的增加由2.461Hz單調(diào)遞增到5.273Hz，且幅值波動較小。

為分析平均壓強(qiáng)功率譜峰值點頻率的影響因素是座椅固有頻率還是車速，計算座椅傳遞函數(shù)，結(jié)果如圖6所示。由圖可見，各工況下座椅的傳遞率都在固有頻率為4～5Hz之間達(dá)到峰值，在不同車速下沒有明顯變化，說明乘員在座椅上的垂直振動頻率影響因素為車速。

根據(jù)式(4)計算體壓分布縱向壓力中心與傳感器前緣距離隨時間的變化，得出各等速工況下縱向壓力中心距座椅前緣的距離在時間歷程中逐漸減小。表明在持續(xù)的坐姿狀態(tài)下，人體受力中心向前移動，以40km/h為例給出了縱向壓力中心坐標(biāo)隨時間的變化，見圖7。

壓強(qiáng)變化率可反映對振動的敏感程度和吸振性能，同時較低的壓強(qiáng)變化率表明舒適性較好。壓強(qiáng)變化率均方根pcrms是指計算平均壓強(qiáng)在時間歷程上變化率的均方根，即

(5)

式中：p(t)為平均壓強(qiáng)在時間歷程的變化。

為研究人體與座椅不同接觸區(qū)域在各等速工況下平均壓強(qiáng)和壓力變化率的變化規(guī)律，參照文獻(xiàn)[9]，對坐墊區(qū)域左右部分劃分為臀部、大腿和接觸前緣6個區(qū)域(見圖8)。利用統(tǒng)計分析方法計算各區(qū)域平均壓強(qiáng)和根據(jù)式(5)計算各區(qū)域平均壓強(qiáng)變化率，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可見：

(1) 局部最大平均壓強(qiáng)位于臀部，最小平均壓強(qiáng)位于大腿前緣，與縱向壓力分布曲線具有一致性，進(jìn)一步驗證了壓力主要分布在臀部，同時，隨著車速的增加，局部平均壓強(qiáng)增大；

(2) 分析局部壓強(qiáng)變化率，最大值位于臀部，原因是臀部含有較大的坐骨結(jié)節(jié)、較少的軟組織，吸振性能較差，因此臀部的舒適性低于大腿和大腿前緣，同時車速的增加，導(dǎo)致各區(qū)域舒適性都降低。

為改善座椅舒適性，可采用吸振性能較好的座椅材料，提高吸振性能。

2.3 動態(tài)體壓與振動相關(guān)性分析

通過體壓分布試驗，研究了各參數(shù)的客觀變化規(guī)律。由于主觀評價試驗需耗費(fèi)大量時間和人力，成本較高且容易出錯，因此本文中采用ISO 2631—1:1997(E)推薦的加權(quán)加速度均方根來評價不同車速下人體的振動舒適性，并分析座椅垂向加速度的功率譜，與平均壓強(qiáng)功率譜進(jìn)行對比，進(jìn)一步研究體壓分布特性。

對各等速工況下座椅垂向加速度進(jìn)行功率譜分析，結(jié)果如圖10所示。采用1/3倍頻程計算加權(quán)加速度均方根aw、加權(quán)振級Law，結(jié)果如表3所示。可見隨車速的增加，加權(quán)加速度均方根增加，人體不舒適性增加，但加權(quán)加速度均方根均小于0.315m/s2，參照ISO 2631—1:1997(E)人的主觀感覺表現(xiàn)為“沒有不舒適”，說明測量工況是小幅振動情況。

表3 加權(quán)加速度均方根值

結(jié)合體壓分布動態(tài)參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)平均壓強(qiáng)、總壓力、接觸面積與加權(quán)加速度均方根具有顯著正相關(guān)(表4)，表明較大的平均壓強(qiáng)和總壓力會降低人體舒適性。

表4 體壓分布指標(biāo)與加權(quán)加速度相關(guān)系數(shù)

注：*顯著性水平為0.05；**顯著性水平為0.01。

為驗證較大的平均壓強(qiáng)會降低人體舒適性，結(jié)合人體各區(qū)域平均壓強(qiáng)，隨車速的增加平均壓強(qiáng)增加，表明舒適性降低，與壓強(qiáng)變化率有相同的結(jié)果。

分析座椅垂向振動加速度功率譜，在低頻段有一個明顯的峰值點，其頻率隨車速增加由2.918Hz增加到5.312Hz，且幅值波動較小，由表5分析比較可知，其與平均壓強(qiáng)功率譜的峰值頻率具有相同的變化趨勢，結(jié)合座椅傳遞函數(shù)，說明在汽車乘員座椅系統(tǒng)中，人體承受振動的頻率隨工況而改變。

表5 平均壓強(qiáng)與加速度功率譜峰值點頻率與幅值

綜上所述，表明體壓分布特征與振動環(huán)境有極強(qiáng)的相關(guān)性。

3 結(jié)論

(1) 靜態(tài)工況下，平均壓強(qiáng)、最大壓強(qiáng)與接觸面積負(fù)相關(guān)；平均壓強(qiáng)、接觸面積與體質(zhì)量正相關(guān)，表明體壓分布的量化指標(biāo)受被試者的個體參數(shù)(體重)影響較大。

(2) 動態(tài)工況下，隨車速的增加，總壓力、平均壓強(qiáng)和接觸面積增加，且均大于靜態(tài)工況；縱向壓力中心坐標(biāo)在各等速工況下隨乘坐時間的延長而逐漸向座墊前緣移動；同時平均壓強(qiáng)功率譜明確反映人體承受垂直振動的頻率也隨車速增加而增大，但幅值波動較??；通過分析壓強(qiáng)變化率得出臀部的舒適性較其它區(qū)域要低。

(3) 分析動態(tài)體壓和振動相關(guān)性得出，平均壓強(qiáng)與加權(quán)加速度有顯著正相關(guān)，表明較大的平均壓強(qiáng)會降低舒適性，并且加速度功率譜充分驗證了平均壓強(qiáng)功率譜，兩者具有相同的變化規(guī)律。

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