基于體壓分布與道路模擬振動(dòng)的座椅乘坐舒適性研究

徐 霖，黃迪青，陳 誠(chéng) Xu Lin，Huang Diqing，Chen Cheng

基于體壓分布與道路模擬振動(dòng)的座椅乘坐舒適性研究

徐 霖，黃迪青，陳 誠(chéng)
Xu Lin，Huang Diqing，Chen Cheng

（上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805）

通過(guò)體壓分布與道路模擬振動(dòng)對(duì)比研究汽車座椅靜態(tài)乘坐舒適性與動(dòng)態(tài)乘坐舒適性，建立一套汽車座椅的乘坐舒適性試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法。

車內(nèi)乘員；座椅乘坐舒適性；試驗(yàn)方法

0 引 言

近些年汽車大量普及，為避免駕乘疲憊和對(duì)健康的不利影響，并滿足人們對(duì)汽車性能日益增高的要求，汽車的乘座舒適性變得越來(lái)越重要。乘坐舒適性一直是汽車座椅研發(fā)過(guò)程中的難點(diǎn)，也是各主機(jī)廠拉升品牌價(jià)值的重要參數(shù)。目前各座椅生產(chǎn)廠商和各主機(jī)廠商對(duì)舒適性的評(píng)價(jià)方法各不相同，各評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)存在一定的差異，如何更為準(zhǔn)確、全面、有效地評(píng)價(jià)車輛乘坐舒適性已成為消費(fèi)者和廠商關(guān)注的問(wèn)題。

1 乘坐舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及其發(fā)展

乘坐舒適性是指行駛中的汽車對(duì)乘員身心影響程度的評(píng)價(jià)。主要分為主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)，前者考慮乘員的主觀反應(yīng)，后者主要通過(guò)各種物理量（頻率、振幅、位移和加速度等）進(jìn)行評(píng)價(jià)。

乘坐舒適性研究始于1931年，由德國(guó)學(xué)者Reiher和Meister通過(guò)10名被測(cè)人員在振動(dòng)臺(tái)上的試驗(yàn)，對(duì)一般情況下人體對(duì)振動(dòng)的敏感性進(jìn)行研究[1]。

20世紀(jì)60年代ISO（International Organization for Standardization，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）著手制定“人體承受全身振動(dòng)的評(píng)價(jià)指南”，并于1974年頒布ISO 2631-1974，該標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵是3個(gè)界限：暴露界限、疲勞－降低工效界限和降低舒適性界限；標(biāo)準(zhǔn)中明確給出了振動(dòng)頻率、振動(dòng)強(qiáng)度、振動(dòng)方向以及暴露時(shí)間對(duì)人體主觀感受的影響，對(duì)全面系統(tǒng)地研究人體對(duì)振動(dòng)的反應(yīng)有重大的指導(dǎo)意義。

為了在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試車輛座椅傳遞給乘員的機(jī)械振動(dòng)，ISO在1992年制定了ISO 10326-1：1992：，進(jìn)一步明確了測(cè)量和分析方法，可以將不同實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

我國(guó)參照ISO 2631和ISO 10326-1分別制定了GB/T 4970和GB/T 18707.1。最新版本為GB/T 4970－2009《汽車平順性試驗(yàn)方法》[2]對(duì)應(yīng)ISO 2631-1：1997：，為非等效采用；GB/T 18707.1－2002《機(jī)械振動(dòng)評(píng)價(jià)車輛座椅振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室方法第1部分：基本要求》等同采用ISO 10326-1：1992[3]。

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，出現(xiàn)了一批如加拿大Xsensor、美國(guó)Tekscan、加拿大FSA等品牌的人體壓力分布測(cè)量系統(tǒng)。按所采用的壓力傳感器來(lái)劃分，主要有電容式、壓阻式、應(yīng)變式等，其中電容式和壓阻式壓力測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，能實(shí)時(shí)測(cè)量連續(xù)的坐臥壓力分布[4]，大部分汽車座椅廠家會(huì)使用體壓分布測(cè)量系統(tǒng)來(lái)測(cè)試產(chǎn)品、改良產(chǎn)品以及開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。

2 更全面的車輛舒適性研究的意義

目前主機(jī)廠主要使用主觀評(píng)價(jià)的方法，邀請(qǐng)專業(yè)的乘坐舒適性評(píng)價(jià)專家在車內(nèi)分別進(jìn)行靜態(tài)體驗(yàn)和動(dòng)態(tài)乘坐體驗(yàn)，并進(jìn)行主觀評(píng)分，通過(guò)調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和分析對(duì)車輛進(jìn)行評(píng)價(jià)，這種方法貼近實(shí)際使用狀態(tài)，但基于個(gè)人的主觀感受，每位評(píng)價(jià)專家都有自己特定的評(píng)分方法，無(wú)法進(jìn)行推廣。座椅廠商一般無(wú)法在整車上進(jìn)行行駛中的動(dòng)態(tài)乘坐評(píng)價(jià)，只以靜態(tài)體壓分布結(jié)果作為主要的客觀評(píng)價(jià)參數(shù)，缺少實(shí)車環(huán)境下乘員對(duì)乘坐空間的感受以及對(duì)車輛行駛中振動(dòng)舒適度的考量。

我國(guó)在1993年發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 55－1993《汽車座椅動(dòng)態(tài)舒適性試驗(yàn)方法》，規(guī)定了汽車座椅動(dòng)態(tài)舒適性試驗(yàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)程序和數(shù)據(jù)處理[5]，標(biāo)準(zhǔn)中采用靜載試驗(yàn)、頻響特性試驗(yàn)和垂向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行汽車座椅的動(dòng)態(tài)舒適性試驗(yàn)，但受限于當(dāng)時(shí)的試驗(yàn)技術(shù)設(shè)備，不進(jìn)行前后、左右方向的振動(dòng)加速度測(cè)試，當(dāng)時(shí)無(wú)法全面地對(duì)汽車座椅的乘坐舒適性進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量。

當(dāng)下采用體壓分布與道路模擬振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)乘坐舒適性試驗(yàn)，得到乘員靜態(tài)和動(dòng)態(tài)舒適度之間、主客觀舒適度之間的定量關(guān)系，旨在形成一套有效的乘坐舒適性試驗(yàn)方法，幫助汽車主機(jī)廠及座椅生產(chǎn)廠商優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善產(chǎn)品的舒適性，提高消費(fèi)者的滿意度。

3 試驗(yàn)內(nèi)容與試驗(yàn)方法

3.1 樣車準(zhǔn)備

分別選取首次購(gòu)車時(shí)消費(fèi)者青睞的A0級(jí)入門轎車以及對(duì)乘坐舒適性有較高要求的商務(wù)消費(fèi)者所青睞的D級(jí)豪華轎車，分別進(jìn)行靜態(tài)評(píng)價(jià)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)試驗(yàn)。每次試驗(yàn)前檢查車輛的胎壓、懸架狀態(tài)以及各種與車輛行駛姿態(tài)有關(guān)的軟、硬件設(shè)置，確保車輛在正常的使用狀態(tài)。

3.2 人員分布

吉林大學(xué)孫琳琳[6]對(duì)2款座椅進(jìn)行舒適性研究，認(rèn)為測(cè)試者年齡和性別對(duì)其身體局部不舒適度等級(jí)劃分影響不大，而身高或身高體重比影響較大。試驗(yàn)的評(píng)價(jià)人員選擇2名男性和1名女性，體型覆蓋中國(guó)人體尺寸5%女性和95%男性，見(jiàn)表1，其中50%男性為身高168～182 cm，體重72～86 kg。參加試驗(yàn)的評(píng)價(jià)人員身體健康，無(wú)疼痛病史，試驗(yàn)前無(wú)劇烈運(yùn)動(dòng)；試驗(yàn)室環(huán)境溫度為（23±5）℃，濕度適宜，周圍環(huán)境布置簡(jiǎn)單整潔，無(wú)鮮麗色彩及異味等額外刺激因素影響測(cè)試者主觀感受，外界因素未對(duì)測(cè)試者造成不舒適影響。

表1 試驗(yàn)人員

3.3 乘坐舒適度主觀評(píng)價(jià)評(píng)分表

本研究參考GB/T 4970－2009 附錄A表A 6 （見(jiàn)表2）中人的主觀感覺(jué)，結(jié)合人體不同身體部位對(duì)舒適度影響的權(quán)重系數(shù)設(shè)計(jì)了乘坐舒適度主觀評(píng)價(jià)評(píng)分表。評(píng)分表將肩部、背部、腰部、臀部和大腿這5個(gè)部位的局部不舒適度指標(biāo)劃分為6點(diǎn)量表等級(jí)，見(jiàn)表3，對(duì)應(yīng)不同的舒適性分?jǐn)?shù)，分別為極不舒服（0分）、很不舒服（0.167分）、不舒服（0.333分）、比較不舒服（0.5 分）、有些不舒服（0.833 分）和沒(méi)有不舒服（1 分）。各部位權(quán)重系數(shù)從大到小依次為背部0.267，腰部0.236，臀部0.218，肩部0.144，大腿0.135。計(jì)算各部位分值時(shí)通過(guò)加權(quán)計(jì)算獲得[7]，最終評(píng)分結(jié)果為0～1，見(jiàn)表4。

表2 總加權(quán)加速度均方根值與人主觀感覺(jué)關(guān)系

表3 乘坐舒適度主觀評(píng)價(jià)評(píng)分表

表4 分值轉(zhuǎn)化表

3.4 靜態(tài)評(píng)測(cè)

3.4.1 主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)

在主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)中，3位不同體型的評(píng)價(jià)人員分別對(duì)肩部、背部、腰部、臀部和大腿5個(gè)部位的舒適度進(jìn)行評(píng)分，將5個(gè)部位的評(píng)分結(jié)合各自的權(quán)重系數(shù)求和得到整體舒適度分值，具體公式為

式中：為舒適度分值，為每一個(gè)位置的感受程度，為該感受程度所對(duì)應(yīng)的分值（表4）。

為了避免上一個(gè)評(píng)價(jià)人員對(duì)座椅發(fā)泡產(chǎn)生的壓縮影響，同一座椅每次評(píng)價(jià)之前需要空置30 min，評(píng)分結(jié)果如圖1所示。從結(jié)果中可以看出，同一乘坐位置D級(jí)車的舒適性要好于A0級(jí)車。同時(shí)從同一車型的不同乘坐位置來(lái)看，主觀評(píng)價(jià)分值主駕明顯優(yōu)于副駕和后排乘員座椅，顯然廠家更注重使用率最高的主駕座椅的舒適性。

圖1 靜態(tài)主觀評(píng)價(jià)對(duì)比圖

3.4.2 體壓分布試驗(yàn)

1）試驗(yàn)設(shè)備。

體壓分布試驗(yàn)的壓力分布測(cè)量系統(tǒng)主要由以下部分組成：①壓力分布毯（坐墊），型號(hào)：LX210：48.48.02；②壓力分布毯（背墊），型號(hào)：LX100：40.64.02。具體參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 壓力分布毯技術(shù)指標(biāo)

2）試驗(yàn)步驟。

（1）將壓力分布毯平整覆于坐墊及靠背中央主體面，中間不能有褶皺；

（2）在墊子4個(gè)邊緣，用單面絕緣黑膠帶貼在座椅周圍，為避免壓力分布毯滑落盡量使用膠帶的寬度部分粘，并避免墊子接觸金屬，防止可能存在的電信號(hào)影響試驗(yàn)結(jié)果；

（3）如果需要同時(shí)采集坐墊和靠背，則坐、靠接合處墊子不能干涉，墊子分別要嵌入中間縫隙；如坐、靠分別采集，可以將墊子覆蓋超過(guò)接縫處2格（蓋到另一邊上去）；

（4）檢查分型過(guò)渡面如側(cè)翼相接處，若不能平整貼附，可在墊子背面粘貼易撕的雙面膠，此法可能影響內(nèi)部應(yīng)力，且膠帶可能會(huì)傷墊子，因此盡量不使用，此過(guò)程也可以配合調(diào)整墊子4個(gè)邊緣的膠帶；

（5）在安裝壓力分布毯的過(guò)程中需要在自然無(wú)加載的狀態(tài)下，除膠帶本身粘著力以外無(wú)其他內(nèi)部應(yīng)力；在安裝過(guò)程中可開(kāi)啟軟件，理論上不能出現(xiàn)大于所設(shè)置上限壓力值的點(diǎn)；安裝好的壓力分布毯如圖2所示。

圖2 壓力分布毯安裝圖

3）試驗(yàn)結(jié)果分析與導(dǎo)出。

以時(shí)間曲線方式顯示試驗(yàn)結(jié)果值，如圖3所示，清晰地反映整個(gè)壓力分布毯的平均值隨時(shí)間的變化規(guī)律。顯示不同壓力范圍內(nèi)壓力分布頻率（即壓力的分布密度統(tǒng)計(jì)），如圖4所示。體壓分布試驗(yàn)結(jié)果如圖5～圖10所示。

圖3 壓力隨時(shí)間變化曲線

圖4 壓力分布密度統(tǒng)計(jì)

圖5 坐墊平均壓強(qiáng)

圖6 坐墊最大壓強(qiáng)

圖7 坐墊接觸面積

圖8 靠背平均壓強(qiáng)

圖10 靠背接觸面積

從圖5～圖10試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，體壓分布的測(cè)量數(shù)據(jù)與主觀評(píng)價(jià)評(píng)分高度吻合，同一乘坐位置D級(jí)車的平均壓強(qiáng)和最大壓強(qiáng)低于A0級(jí)車，而D級(jí)車人體與座椅的接觸面積則大于A0級(jí)車。從舒適性上來(lái)講，人體與座椅之間的接觸面積越大，受到的平均壓強(qiáng)和最大壓強(qiáng)越小，舒適性越好；因此，可以認(rèn)為體壓分布是有效的座椅舒適性測(cè)量手段。

3.5 路譜合成

利用四立柱輪胎耦合道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)cRPC軟件模擬迭代試車場(chǎng)道路譜（比利時(shí)路、繩索路、鋸齒路、坑洼路），配合Fatigue軟件分析復(fù)現(xiàn)試車場(chǎng)道路真實(shí)反饋，并補(bǔ)充各種國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的道路情況繪制出乘座舒適性評(píng)價(jià)特定加載譜，如圖11所示。

3.6 動(dòng)態(tài)評(píng)測(cè)

3.6.1 動(dòng)態(tài)主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)主觀評(píng)價(jià)評(píng)分表填寫(xiě)方式與靜態(tài)主觀評(píng)價(jià)一致，先對(duì)局部舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)，再將局部舒適性的分值轉(zhuǎn)換為整體舒適性分值。為了避免上一次試驗(yàn)對(duì)下一次試驗(yàn)的影響，每次試驗(yàn)前需要將車輛和座椅靜置30 min，以便恢復(fù)車輛和座椅的狀態(tài)。評(píng)分結(jié)果如圖12所示。

圖11 試驗(yàn)道路譜

由于D級(jí)車配有空氣懸架，并且可以切換懸架模式為舒適模式，所以從評(píng)分中可以看出D級(jí)車的動(dòng)態(tài)舒適性明顯好于A0級(jí)車，并且同一車型的不同位置的動(dòng)態(tài)舒適性評(píng)分，主駕分值優(yōu)于副駕和后排乘員座椅，這與靜態(tài)舒適性的趨勢(shì)一致。

3.6.2 加載道路譜的三軸加速度采集試驗(yàn)

1）加速度采集設(shè)備。

試驗(yàn)設(shè)備采用B&K 4529B加速度傳感器和PCB 356B41坐墊加速度傳感器，其參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 加速度傳感器參數(shù)表

2）試驗(yàn)步驟。

在主駕、副駕、后排座位分別布置B&K 4529B加速度傳感器和PCB 356B41坐墊加速度傳感器，如圖13～圖14[3]。

圖13 坐墊及靠背加速度傳感器布置圖

圖14 平臺(tái)加速度傳感器布置圖

試驗(yàn)過(guò)程中采集得到的加速度如圖15所示。根據(jù)國(guó)標(biāo)對(duì)不同位置的加速度傳感器采集得到的數(shù)值進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，獲得每個(gè)位置的總加權(quán)加速度均方根值。計(jì)算公式為[2]

圖15 加速度采集曲線

3）試驗(yàn)結(jié)果。

測(cè)得試驗(yàn)人員在不同車型不同位置的加速度，進(jìn)行后處理如圖16所示。可以看到，A0級(jí)車的總加權(quán)加速度均方根值顯著高于D級(jí)車，A0級(jí)及D級(jí)車座椅的總加權(quán)加速度均方根值中后排乘員座椅高于副駕座椅和駕駛員座椅，更高的加速度會(huì)引起乘員不適，這是主觀評(píng)分降低的原因之一。

圖16 動(dòng)態(tài)客觀評(píng)價(jià)對(duì)比圖

4 結(jié) 論

依托實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況及試驗(yàn)?zāi)芰?，著眼于常?jiàn)的試驗(yàn)形式，基于四立柱輪胎耦合道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)、壓力分布毯與三軸加速度采集系統(tǒng)，測(cè)量動(dòng)、靜態(tài)乘坐舒適性相關(guān)的客觀參數(shù)，并結(jié)合主觀評(píng)價(jià)得到乘員靜態(tài)和動(dòng)態(tài)舒適度之間、主客觀舒適度之間的定量關(guān)系。通過(guò)研究積累了車內(nèi)乘員主觀體驗(yàn)與客觀參數(shù)相互關(guān)聯(lián)的研究方法，形成了一套有效的乘坐舒適性試驗(yàn)方法，可以幫助汽車主機(jī)廠及座椅生產(chǎn)廠商優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善產(chǎn)品的舒適性，提高消費(fèi)者的滿意度。

[1]GRIFFIN M J . Effects of Vibration on People[M]//Handbook of Noise and Vibration Control. John Wiley & Sons，Ltd，2008.

[2]全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 汽車平順性試驗(yàn)方法：GB 4970―2009[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3]全國(guó)機(jī)械振動(dòng)與沖擊標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 機(jī)械振動(dòng)評(píng)價(jià)車輛座椅振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室方法第1部分：基本要求：GB/T 18707.1―2002[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[4]莊燕子，蔡萍，周志鋒，等. 人體壓力分布測(cè)量及其傳感技術(shù)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，18（2）：313-317.

[5]全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 汽車座椅動(dòng)態(tài)舒適性試驗(yàn)方法：QC/T 55―1993[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2008.

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2019-12-24

U461.4

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.03.006

1002-4581（2020）03-0022-06