一種分裂式汽車座椅設(shè)計及其舒適性評價分析

任佳澤，陶 慶，王壽棟

（新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047）

1 前言

汽車作為人們生活中使用非常常見的交通工具之一。在使用它的同時會對人體健康造成一定的危害。汽車在行駛過程中是一個動態(tài)環(huán)境，動態(tài)環(huán)境下機械系統(tǒng)會產(chǎn)生振動，在一定范圍內(nèi)的低頻振動會使駕駛員感到不舒適從而引起駕駛疲勞導致交通安全問題，危害人體健康。

為了分析，預測和改善動態(tài)環(huán)境中坐姿的舒適度，或研究滿足特定動態(tài)環(huán)境下的坐姿的振動特性，近年來，國內(nèi)外學者做了大量研究：文獻［1］基于STHT（seat-to-head transmissibility）和DPMI（driving-point mechanical impedance）建立了四自由度模型來研究人體坐姿舒適性；文獻［2］通過考慮由人體臀部和下肢的振動影響而建立的五自由度人體垂向振動模型，應(yīng)用MATLAB中的Bobe插件得到了人體各部位加速度響應(yīng)曲線；文獻［3］通過計算視在質(zhì)量，運用質(zhì)量歸一化平均處理，得到了坐姿人體垂向振動響應(yīng)的兩階固有頻率；文獻［4］通過增加轉(zhuǎn)動慣量建立六自由度模型，利用MATLAB與Isight聯(lián)合仿真識別出了六自由度模型的全部參數(shù)，為人體振動特性的研究提供了一種模型依據(jù)；文獻［5］基于自行建立的九自由度模型，對比了在相同激勵下人體各部位的振動響應(yīng)；文獻［6］通過計算男性與女性振動的吸收功率響應(yīng)，評價人體坐姿在全身振動環(huán)境中的舒適性。

在駕駛汽車過程中獲得良好的舒適性，汽車座椅是其中主要的影響元素。因此，研究汽車座椅舒適性成為當前主要研究點。利用自行設(shè)計的分裂式汽車座椅［7］開展研究，如圖1所示。該座椅可以為駕駛員的大腿提供支撐，減少人體大腿自身的肌肉力、提高駕駛員的舒適性與安全性。通過進行振動實驗，并利用建立的坐姿人體全身水平振動五自由度模型在虛擬環(huán)境下進行仿真驗證。

圖1 一種分裂式汽車座椅Fig.1 A Split Car Seat

2 坐姿人體水平振動模型

人的身體由于肌肉、骨骼的存在可以看作是一個多自由度振動系統(tǒng)。人由于身體脂肪的存在使其更具有彈性，因此，對振動的反應(yīng)與一個彈性系統(tǒng)相當。為了研究動態(tài)環(huán)境下坐姿人體主要部位的振動響應(yīng)，對于人-椅系統(tǒng)中坐姿人體，利用自行建立的坐姿人體全身水平振動五自由度模型［8］進行研究，該模型可以準確地表示坐姿人體處于動態(tài)環(huán)境時的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 坐姿人體五自由度水平振動模型Fig.2 Horizontal Vibration Model of Human Body Sitting with Five Degrees of Freedom

圖中：m3—人體頭部質(zhì)量；m1，m2—人體上軀干質(zhì)量；m4，m5—人體上肢質(zhì)量；m0—人體下軀干質(zhì)量；c1，c2，c3，c4，c5—五自由度模型中人體各部分對應(yīng)的阻尼，Ns/m；k1，k2，k3，k4，k5—五自由度模型中人體各部分對應(yīng)的剛度，kN/m；k6，c6—座椅剛度，kN/m，座椅阻尼，Ns/m。

根據(jù)牛頓第二定律，得到坐姿人體水平振動五自由度模型的振動微分方程為：

式中：[M]，[C]，[K]，[B]—坐姿人體五自由度模型的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣和激勵矩陣；{Z}—模型的輸出向量；{q}—模型的輸入向量。

對上式進行傅里葉變換，得到：

坐姿人體響應(yīng)的傳遞函數(shù)為：

H(ω)包括坐姿人體水平振動模型的頭部、上軀干、下軀干和上肢等各部位的傳遞函數(shù)。因此，人體頭部傳遞函數(shù)為：

頭部加速度傳遞函數(shù)計算公式為：

3 振動實驗

實驗在新疆大學機械工程學院力學振動實驗室完成，使用蘇州某公司生產(chǎn)的電動振動系統(tǒng)，并用DHDAS動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)對振動信號進行采集。實驗座椅為分裂式汽車座椅和普通汽車座椅。受試者共20人，其中，男女比例為6：4；年齡為（22～24）歲，身高為（162～180）cm，平均體重為72kg。所有受試者均為身體健康，沒有身體疾病的新疆大學研究生，其身體情況符合中國成年人人體尺寸標準（GB/T10000-1998E）。實驗及測試原理如圖3a所示，通過安裝在人體頭部和座椅表面的兩個振動加速度傳感器來采集人體頭部和汽車座椅表面的振動信號，并用DHDAS動態(tài)信號采集器將振動信號記錄和保存。實測圖片，如圖3（b）所示。

圖3 振動實驗Fig.3 Vibration Experiment

人體振動實驗的主要參數(shù)有：頻率、振動強度、振動時間。通過查閱文獻資料了解到汽車振動一般為（0～20）Hz的低頻振動，因此，我們選用的振動實驗頻率為2Hz，3Hz，4Hz，5Hz，6Hz，7Hz，8Hz，9Hz，10Hz共9個頻率段。按照ISO2631標準的疲勞-功效降低極限，振動臺的原始信號設(shè)定為0.3g（0.3×9.81）m/s2。我們選擇各個頻率下的最適宜振動時間為5min。

4 坐姿人體舒適性分析

4.1 傳遞率

幅頻特性曲線可以反映人體振動特性的頻域分析。通過對自行建立的坐姿人體全身水平振動五自由度模型分析，建立振動微分方程后，得到了坐姿人體頭部的加速度傳遞函數(shù)。利用絕對值峰值法［9］提取振動信號，并應(yīng)用人體頭部加速度傳遞函數(shù)計算式（6）進行計算。通過式（6）得到實驗人員在各振動頻率下的坐姿人體頭部響應(yīng)傳遞率，如表1所示。

將表1中的數(shù)據(jù)運用MATLAB進行繪圖，得到的坐姿人體頭部響應(yīng)傳遞函數(shù)曲線，如圖4所示。從中我們可以看出，兩種座椅傳遞函數(shù)曲線擁有相同的趨勢，它們的頭部傳遞率都在3Hz時出現(xiàn)峰值，證明坐姿人體在水平方向低頻動態(tài)環(huán)境中，處于3Hz時是最不舒適的。并且分裂式汽車座椅的傳遞率峰值比普通汽車座椅的小，表明自行設(shè)計的分裂式汽車座椅在舒適性方面相較于普通汽車座椅有了一定的提高。

圖4 坐姿人體頭部傳遞函數(shù)曲線圖Fig.4 Graph of Transfer Function of Human Head in Sitting Posture

表1 坐姿人體頭部振動響應(yīng)傳遞率Tab.1 Transmission Rate of Vibration Response of Human Head in Sitting Position

4.2 水平振動與垂直振動

近年來，研究者們已經(jīng)進行了大量的垂向振動試驗［10］，得出了垂向人體坐姿振動特性；但是在水平方向的研究不夠深入。因此，對兩種汽車座椅進行水平和垂向振動實驗，研究坐姿人體在水平方向與垂直方向的振動特性，并將兩者的振動特性進行對比分析。

將振動實驗得到的信號提取特征值，利用MATLAB畫出特征信號圖，如圖5所示。水平方向振動在3Hz時達到峰值，在5Hz時趨于平緩；垂直方向振動在4Hz時達到峰值，在7Hz時趨于平緩；兩種振動方向都在（2～4）Hz時達到峰值，證明坐姿人體處于這一低頻段時是最不舒適的。

圖5 水平振動與垂直振動對比圖Fig.5 Comparison of Horizontal and Vertical Vibration

5 坐姿人體振動特性仿真實驗

為了驗證得到的人體動態(tài)環(huán)境中的低頻振動傳遞函數(shù)曲線的有效性，運用國際上應(yīng)用最為廣泛的虛擬樣機仿真軟件—ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System即為機械系統(tǒng)動力學分析軟件）—進行振動仿真試驗，振動仿真試驗原理圖，如圖6所示。利用Solidworks和Adams里面的LifeMOD插件建立人-椅生物結(jié)構(gòu)模型，如圖7所示。在ADAMSMSC的插件組件ADAMS/Vibration振動模塊中進行振動仿真實驗，將虛擬振動臺的中心設(shè)為輸入通道，輸入信號為0.3g（0.3x9.81m/s2）。輸出通道設(shè)置在虛擬人的頭部與導入的座椅的質(zhì)量中心，并將輸出通道設(shè)置為加速度輸出通道。在（2～10）Hz頻率范圍內(nèi)進行振動分析。通過在ADAMS/Vibration模塊中進行振動仿真，得到了虛擬動態(tài)環(huán)境下坐姿人體處于低頻時段的頭部加速度頻率響應(yīng)曲線結(jié)果，如圖8所示。

圖6 振動仿真實驗原理圖Fig.6 Schematic Diagram of Vibration Simulation Experiment

圖7 人-椅振動仿真模型Fig.7 Man-Chair Vibration Simulation Model

由圖8可見，運用Adams/LifeMOD進行振動仿真實驗得到坐姿人體五自由度水平振動模型人體頭部加速度頻響曲線在3Hz時出現(xiàn)峰值，對比分裂式汽車座椅坐姿人體頭部傳遞率曲線，兩者運動趨勢基本一致。仿真實驗與實測實驗的一致性表明，這里設(shè)計的分裂式汽車座椅振動特性的正確性與有效性。

圖8 仿真與實驗對比圖Fig.8 Comparison of Simulation and Experiment

6 結(jié)論

通過運用電動振動臺對兩種汽車座椅進行水平振動實驗得到坐姿人體頭部傳遞函數(shù)曲線表明，在兩種汽車座椅上得到的人體頭部傳遞響應(yīng)基本相同，均在3Hz左右達到峰值；垂向振動實驗得到的坐姿人體頭部傳遞響應(yīng)與水平振動響應(yīng)趨勢存在一定差別，在4Hz左右達到峰值，水平與垂直振動實驗結(jié)果表明，人體在動態(tài)環(huán)境中處于（2～4）Hz時是最不舒適的。利用建立的五自由度振動模型在Adams/LifeMOD虛擬環(huán)境中進行振動仿真實驗，得到仿真人體頭部振動響應(yīng)曲線與振動試驗所得結(jié)果具有一致性，驗證了分裂式汽車座椅振動特性的有效性與正確性。也為汽車座椅研究提供了一種有效方法。