基于發(fā)泡硬度分布的汽車座椅舒適性分析

董明 戴善其

（泛亞汽車技術中心有限公司）

汽車座椅作為消費者駕駛、乘坐和享受汽車的主要安全件和功能件，受到消費者的特別關注和評價。座椅的乘坐舒適性已經成為汽車廠商關注的主要內容之一，其包括靜態(tài)舒適性和動態(tài)舒適性，前者主要與尺寸參數(shù)、表面質量以及調節(jié)特征有關，后者則需要保證駕駛員較長時間工作而不感覺到疲勞[1]。目前汽車座椅系統(tǒng)的機械結構主要由頭枕、靠背、座墊、滑道等總成組成。其中座椅座墊由座墊骨架、彈性元件、座墊發(fā)泡以及面套組成[2]。有研究表明，調節(jié)座墊發(fā)泡的密度以及硬度，可以有效地改善乘坐舒適性。文章通過大量的客觀試驗，分析了發(fā)泡硬度分布對乘坐舒適性的影響；通過對座墊不同區(qū)域發(fā)泡硬度的定義，在保持靜態(tài)舒適性的同時，改善了汽車駕乘過程中的動態(tài)舒適性；綜合主觀試驗評價對研究成果進行了驗證。

1 座椅舒適性因素與多硬度發(fā)泡

1.1 影響舒適性的關鍵因素

1.1.1 H 點

H 點（Hip-Point）是指二維或三維人體模型樣板中人體軀干與大腿的連接點，即胯點。H 點既是整車總布置的基準點，也是座椅設計的基準點。H 點的位置是決定與駕駛員操作方便性、乘坐舒適性相關的車內尺寸的基準[3]。如果實際H 點與設計H 點相差較大，將直接影響座椅的舒適性，同時也與國家法規(guī)相違背，因此對H 點的控制對座椅舒適性特別重要[4]。

1.1.2 發(fā)泡壓陷力與壓陷系數(shù)

發(fā)泡壓陷力（F）是把發(fā)泡壓縮到原始厚度的50%所需的載荷，一般定義為50%IFD，如圖1所示。發(fā)泡壓陷力將直接影響到乘員在乘坐時的壓陷量，以及人體的受力均勻性，最終影響靜態(tài)舒適性。該值越大，說明發(fā)泡越硬，所以又稱之為硬度[5]。

圖1 發(fā)泡壓陷力（50% IFD）示意圖

一般來講，長距離乘坐時，硬度高的發(fā)泡體會比硬度低的發(fā)泡體給人帶來更好的動態(tài)乘坐舒適性，人不容易疲勞；但是，短距離乘坐或處于靜態(tài)時，硬度低的發(fā)泡體反而會提供更高的靜態(tài)舒適性。

發(fā)泡壓陷系數(shù)（Sag Factor）一般是指65%IFD 除以25%IFD 的值。該值越高，在長距離駕乘過程中，動態(tài)舒適性會越好。在汽車用座椅的發(fā)泡體中，一般要求該值大于2.7。

1.2 多硬度發(fā)泡

座椅的發(fā)泡設計在座椅的舒適性開發(fā)過程中起著尤為重要的作用。一方面，座椅發(fā)泡在經過面套包覆后，需要滿足整椅H 點的法規(guī)要求以及造型的外觀需求；另一方面，發(fā)泡作為主要支撐零件，需要滿足乘員的舒適性要求。由1.1.2 節(jié)可知：發(fā)泡硬度值越高，動態(tài)舒適性越好；發(fā)泡硬度值越低，靜態(tài)舒適性越好，這形成了一對天然的技術矛盾。通過TRIZ 的空間分離原則，對不同區(qū)域的發(fā)泡硬度分別定義，如圖2所示，用來更好地平衡汽車座椅的靜態(tài)舒適性與動態(tài)舒適性。圖2中，可以定義：區(qū)域2 硬度值最低，主要用來滿足乘員進入汽車時的靜態(tài)舒適性要求；區(qū)域1 硬度值中等，主要用來滿足乘員的側向支撐需求；區(qū)域3 硬度值最高，主要用來滿足乘員的動態(tài)舒適性要求。

圖2 多硬度汽車座椅發(fā)泡

2 多硬度發(fā)泡的客觀以及主觀評價

2.1 客觀性評價試驗

2.1.1 發(fā)泡壓陷系數(shù)與壓縮系數(shù)

為了更好地分析發(fā)泡的硬度對舒適性的影響，分別對傳統(tǒng)發(fā)泡與多硬度發(fā)泡進行壓陷系數(shù)與壓縮系數(shù)的測量，如表1所示。

表1 常規(guī)發(fā)泡與多硬度發(fā)泡相關系數(shù)

由表1可以看出，多硬度發(fā)泡與傳統(tǒng)發(fā)泡的壓陷系數(shù)比較接近，這表明多硬度發(fā)泡在短距離乘坐時，可以提供常規(guī)發(fā)泡的靜態(tài)舒適性；而多硬度發(fā)泡的壓縮系數(shù)比傳統(tǒng)發(fā)泡的壓縮系數(shù)高很多，可以使座椅的壓力分布更加均勻，從而在長距離駕乘時提供較好的動態(tài)舒適性。

2.1.2 整椅的H 點測量以及壓力分布

汽車座椅不僅需要發(fā)泡，同時還需要經過面套的包覆。面套材料的選擇（皮面套還是織物面套）、材料的延伸率、回彈率和手感等對整椅的H 點以及舒適性均有一定影響。通過選用不同材料的面套對多硬度發(fā)泡進行包覆，測量出整椅實際H 點以及壓力分布。表2示出汽車座椅多硬度發(fā)泡H 點測量值。

表2 汽車座椅多硬度發(fā)泡H 點測量表 mm

由表2可知，多硬度發(fā)泡在經過包覆后，整椅的實際H 點能夠滿足整車的H 點要求，即與理論H 點距離小于20 mm，駕乘人員能夠在駕乘過程中將坐姿調整到設計的舒適性坐姿，從而獲得很好的支撐以及操控舒適性。

為了更形象地體現(xiàn)多硬度發(fā)泡對座椅舒適性的改善，分別對傳統(tǒng)發(fā)泡以及多硬度發(fā)泡包覆的座墊進行了發(fā)泡壓陷對比測試以及人體壓力分布測試，圖3示出發(fā)泡壓陷對比測試圖。

圖3 汽車坐墊發(fā)泡壓陷對比測試圖

由圖3可知，在發(fā)泡壓陷對比測試中，在壓陷量小于40%時，垂直雙硬度發(fā)泡比普通發(fā)泡更軟，能讓人感覺到柔軟；壓陷量大于40%時，垂直雙硬度發(fā)泡比普通發(fā)泡更硬，能給人提供更均勻的支撐，獲得更好的舒適性。

人體壓力分布是指乘員坐在座椅上時，人體與座椅之間接觸區(qū)域的壓力變化。圖4示出汽車座椅座墊壓力分布云圖。從圖4可以看出，傳統(tǒng)發(fā)泡在座墊中間位置出現(xiàn)了局部壓力過大的紅點，而多硬度發(fā)泡的座墊比傳統(tǒng)發(fā)泡的座墊壓力分布更加均勻，這表明多硬度發(fā)泡可以解決局部壓力過大的問題，從而給人體提供更加均勻的支撐，這種均勻支撐可以使身體的各部分肌肉處于放松狀態(tài)。同時，多硬度發(fā)泡的座墊壓力峰值也比傳統(tǒng)發(fā)泡的壓力峰值低，這可以使得駕乘人員在長途駕駛過程中不會感受到局部發(fā)酸發(fā)麻。

圖4 汽車座椅座墊壓力分布云圖

2.2 主觀性評價試驗

為了更加清晰地說明客觀分析的結果對駕乘舒適性的影響，分別邀請了10 位不同百分位的人員參與主觀性評價試驗，如表3所示。

表3 汽車座椅舒適性主觀評價測評人員身高體質量表

座椅舒適性主觀評價表，如表4所示。分別從座墊的側向支撐、對尾骨的壓力、大腿下面的支撐等維度進行分析，最終每位測評者根據表格對座墊的總體舒適性進行主觀打分。

表4 座椅舒適性主觀評估表

測評者在經過10 min 的靜態(tài)評估以后，發(fā)動整車，經過1 h 的動態(tài)駕乘，再次對座椅進行1 h 的動態(tài)評估打分。10 位測評人員的主觀評價分值，如圖5所示。通過主觀測評可以看出，盡管測評人員的性別、身高、體質量不同，但使用多硬度發(fā)泡的座椅不僅具有相當?shù)撵o態(tài)舒適性，而且提供了更加優(yōu)越的動態(tài)舒適性，進一步驗證了客觀試驗的結果。

圖5 座椅舒適性主觀評估對比

3 結論

研究表明，通過對發(fā)泡硬度在不同區(qū)域的分別定義，可以較好地平衡汽車座椅的靜態(tài)舒適性與動態(tài)舒適性的矛盾，明顯改善座墊對人體的支撐，使人體臀部壓力減小，保持肌肉處于放松狀態(tài)，從而提高駕乘人員的駕乘舒適性。同時，結合主觀與客觀評價的研究方法，能更好地反映出汽車座椅舒適性的真實狀態(tài)。