汽車座椅系統(tǒng)動態(tài)舒適性的研究綜述

梁鶴

摘要：汽車乘坐舒適性是汽車設(shè)計開發(fā)中的重要問題。汽車乘坐舒適性包括靜態(tài)舒適性和動態(tài)舒適性，前者主要與尺寸參數(shù)、表面質(zhì)量、調(diào)節(jié)特性等有關(guān)，后者則主要與振動特性有關(guān)。

關(guān)鍵詞：汽車；座椅系統(tǒng)；動態(tài)舒適性

隨著人們生活質(zhì)量的提高，對汽車的需求量也隨之增加。提高汽車座椅的舒適性是車企增強競爭力的重要途徑，同時還可以提高駕駛的安全性，因此對汽車座椅動態(tài)舒適性的研究就顯得極為重要。

一、作用

汽車座椅在汽車使用中有著如下重要作用：（1）給駕駛員和乘客有力支撐。通過為人體提供合宜的體壓分布，座椅能夠充分保證汽車行駛中駕駛員和乘客的平衡和穩(wěn)定。（2）固定駕駛員位置。良好的視野，便捷的掛檔、剎車等操作是平穩(wěn)駕駛的重要前提，座椅能夠固定駕駛員的位置，加上安全帶，能夠保障駕駛員舒適地駕駛汽車。（3）保證駕駛員和乘客安全。舒適的座椅能夠降低駕駛員的疲勞度，減少事故的發(fā)生，即便出現(xiàn)意外，座椅也能減輕對人員的傷害。簡而言之，汽車座椅能夠在規(guī)定的條件下，保障駕駛員和乘客的舒適度，并且能夠保障安全駕駛，減輕意外傷害。

二、國內(nèi)外對座椅舒適性的研究

1.國外對汽車座椅舒適性的研究。早在上世紀(jì)40 年代，就有國外學(xué)者對汽車座椅舒適性進(jìn)行研究；到了60 年代，隨機(jī)振動理論興起，借助這個理論，對汽車行駛中的振動也進(jìn)行了更深入研究，找到了對人體影響最大的振動。在理論研究的同時，國外學(xué)者也不斷地改進(jìn)座椅設(shè)計，進(jìn)行了大量的實驗。例如，人-椅系統(tǒng)的傳遞特性、不同姿態(tài)下人體振動模型等，這些實驗、模型都取得了不錯的成果。直到90 年代，有企業(yè)成功研制出了空氣懸掛式座椅，這極大地改善了載貨汽車和大客車駕駛員的駕駛體驗。并且逐漸成為汽車座椅動態(tài)舒適性研究的一個新方向，吸引著研究者前仆后繼。目前以美國ROHO 為首的研發(fā)機(jī)構(gòu)，已經(jīng)研制出了充氣坐墊椅，這一革新技術(shù)，極大改善了駕駛體驗，也越來越被汽車生產(chǎn)廠家重視。

2.我國對汽車動態(tài)座椅舒適性的研究。我國在這一塊研究起步較晚，與世界前沿有著明顯的差距。上世紀(jì)80 年代，計算機(jī)在我國開始普及，極大地提高了汽車座椅動態(tài)參數(shù)的建模，優(yōu)化分析能力，各大車企產(chǎn)出了豐富的研究成果。不過，總的說來，我國汽車座椅動態(tài)舒適性的研究還是比較落后，歸納原因，有以下幾點。（1）研究方法不夠先進(jìn)。由于我國起步晚，加之國外對最前沿技術(shù)的壟斷封鎖，我國研究人員缺少必要的理論支撐，自主創(chuàng)新能力又不足。座椅減振是一項綜合技術(shù)，涉及系統(tǒng)動力學(xué)，機(jī)械振動等，而我國在這些方面的研究也跟不上，所以，我國汽車座椅舒適性研究只能緩慢進(jìn)行。（2）監(jiān)管層面不夠重視。在我國座椅舒適度沒有硬性要求，不作為出廠檢測的強制指標(biāo)，所以大多數(shù)企業(yè)不夠重視，很少對座椅舒適性進(jìn)行專門的針對性研究和改善。未來隨著客戶需求的提升，必然要求企業(yè)加強對座椅舒適度的研究。

三、汽車座椅系統(tǒng)動態(tài)舒適性分析

1.座椅系統(tǒng)動態(tài)分析與優(yōu)化。對于有懸架的座椅系統(tǒng)，影響其動態(tài)特性的因素有：座墊的剛度和阻尼系數(shù)，懸掛系統(tǒng)的質(zhì)量、剛度和阻尼系數(shù)以及座椅系統(tǒng)連接件的摩擦；對于非懸架座椅系統(tǒng)主要考慮座墊的剛度、阻尼以及座椅剛架結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能。剛度決定座椅的共振頻率，而阻尼系數(shù)決定座椅的振動衰減特性。雖然座椅系統(tǒng)的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)連接件的摩擦?xí)绊懻麄€系統(tǒng)的動態(tài)性能，但由于質(zhì)量和摩擦受其他因素限制而不會變化太大，所以，剛度參數(shù)與阻尼系數(shù)就成為影響整個座椅系統(tǒng)動態(tài)性能的主要因素。由于座椅與人體直接接觸，而且在大多數(shù)情況下，座椅懸架系統(tǒng)是用來控制低頻和大振幅振動的僅有的機(jī)械裝置，所以，座椅的懸架實際上是消弱垂直振動的最簡單、最有效的選擇。因此，應(yīng)不斷研究通過改進(jìn)坐姿和座椅的消振性能來降低駕駛員不舒適度。汽車運行時，會產(chǎn)生強烈的橫向和縱向振動。對于帶有懸架的座椅系統(tǒng)有許多優(yōu)化研究。優(yōu)化目標(biāo)一般有三種：一是傳入人體的能量為最?。欢鞘谷梭w在敏感頻率區(qū)域動態(tài)響應(yīng)為最??；三是傳給人體的加速度均方根值最小。優(yōu)化參數(shù)為：懸架及座墊的質(zhì)量、剛度和阻尼以及連接件的摩擦。顯然，無論對于哪種優(yōu)化目標(biāo)，座墊與座椅懸架的剛度越小優(yōu)化結(jié)果越好，但是相應(yīng)地變形量會越大，反而會增加人體的不舒適度，因此，對于座椅系統(tǒng)的座墊和懸架的剛度采取最小值限制。座椅動態(tài)模型由+ 個自由度的人體、一個自由度座椅和一個自由度車輛模型組成。座墊和座椅的剛度由靜態(tài)的力—位移特性確定。座椅與座墊的阻尼特性建立在使用正弦函數(shù)位移激勵進(jìn)行仿真的基礎(chǔ)上計算出來。但是，研究中并沒有提供座墊的優(yōu)化阻尼，模型包含一個自由度的無質(zhì)量懸架和自由度人體模型。優(yōu)化結(jié)果顯示：座墊和懸架應(yīng)取原始限制的下限；優(yōu)化后的座椅懸架和座墊的質(zhì)量在不考慮剛度下限的情況下是不變的；優(yōu)化的阻尼系數(shù)嚴(yán)重依賴于剛度下限值，阻尼系數(shù)隨剛度下限的增加而增加。研究表明：座椅懸架系統(tǒng)的質(zhì)量大時對人體動態(tài)舒適性有利，但考慮到材料成本和其質(zhì)量又不能太大，另外還要考慮到與座椅剛度的配合；座椅連接件的摩擦系數(shù)越小，對人體動態(tài)舒適性越有利；適當(dāng)降低座椅懸架的液壓減振器的阻尼系數(shù)對舒適性有利。

2.乘坐時駕乘人員“前滑”的控制。前滑是指汽車在緊急制動的情況下人體與座椅接觸面產(chǎn)生向前移動的現(xiàn)象。（1）“防前滑鼓包”的形狀的確定?！胺狼盎陌钡男螤罴鞍惭b位置必須按照人體在座椅上的最佳座姿來確定。最佳座姿一般通過測定“體壓分布”來確定。根據(jù)對汽車座椅的舒適性分析可知防前滑鼓包的最高點到坐墊后端點P的連線與水平面的夾角在10～15度為最佳。（2）“防前滑鼓包”的安裝位置及形狀的確定。首先，對其安裝位置進(jìn)行了分析，并初步確定其位于臀部和大腿后部之間的某個位置上，也就是離座骨節(jié)點150mm（離坐墊后端270mm）以外的地方。其次，確定“防前滑鼓包”最高點的位置，也即確定了它的高度。最后，為驗證安裝位置的效果，專門測定了5個不同的人5次在60km/h速度情況下急剎車的前滑距離的平均值。

3.乘坐時駕乘人員“側(cè)傾”的抑制。要抑制側(cè)傾給駕乘人員帶來的不快感和疲勞感，就必須對座椅的靠背進(jìn)行改進(jìn)。在舒適座椅的靠背上，第三腰椎骨附近承受的壓力集中。因此可以針對這一部位進(jìn)行分析改進(jìn)。側(cè)傾現(xiàn)象對人體的舒適性有很大的影響，針對該現(xiàn)象，從兩個方面進(jìn)行了改進(jìn)：第一、限制側(cè)傾的移動距離，增加限位裝置，即防側(cè)傾支架；第二、減緩側(cè)傾時的側(cè)擺速度，即加大座椅靠背海綿的阻尼系數(shù)，加入鑲塊海綿。（1）防側(cè)傾支架位置及形狀的確定首先，要測定人體第三腰椎骨到座椅坐墊的后端點的距離，測試時選定了10位不同身高（身高1.55m～1.78m）的人作為被測對象，這10個人的選定情況為：符合第五百分位2個、符合第五十百分位4個、符合第九五百分位2個。人體第三腰椎骨到座椅坐墊的后端點P的距離在250mm附近，范圍在230mm～280mm之間。根據(jù)試驗得到的結(jié)果，選擇在座椅靠背骨架離下結(jié)點（靠背與坐墊的連接點）250mm（支架中心）的地方增加兩個防側(cè)傾支架。

汽車座椅的動態(tài)舒適性是汽車駕駛體驗的重要組成部分，也是消費者購買欲望的重要參考指標(biāo)。提高座椅的舒適性不僅是迎合消費者心理的需要，更是保障駕駛員生命安全的需要，還是汽車企業(yè)提高核心競爭力的需要。

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