乘用車零重力座椅布置及優(yōu)化設(shè)計(jì)

張程

（北汽瑞翔汽車有限公司汽車研究院，重慶 401520）

縮略語(yǔ)

ZGPS Zero Gravity Position Seat

HPM H-Point Machine

NASA National Aeronautics and Space Administration

0 引言

座椅舒適性一直以來(lái)都是消費(fèi)者購(gòu)車過(guò)程中最關(guān)注的要素之一。對(duì)于舒適性的追求，也讓越來(lái)越多的消費(fèi)者把選車關(guān)注點(diǎn)集中在座椅調(diào)節(jié)功能和娛樂(lè)功能上。座椅舒適功能主要包括：獨(dú)立肩部調(diào)節(jié)、多擋位通風(fēng)、柔性氣袋按摩、無(wú)縫一體式腿托全面支撐、隨動(dòng)頭枕、一鍵調(diào)節(jié)零壓坐姿、自動(dòng)匹配乘員身高體型及自動(dòng)進(jìn)行4個(gè)方向的電動(dòng)調(diào)節(jié)頭枕。提升座椅舒適性包括優(yōu)化坐墊的尺寸和坐姿深度，滿足不同人群的舒適要求。在休息模式或身心放松時(shí)，零重力座椅（Zero Gravity Position Seat,ZGPS）能夠?qū)崿F(xiàn)人體零壓和懸浮放松感。

1 零重力座椅設(shè)計(jì)理論

零重力座椅指零重力健康姿勢(shì)座椅，該座椅是各大汽車企業(yè)不斷改進(jìn)的新技術(shù)。零重力座椅可以最大限度為乘員提供最優(yōu)舒適性，零重力可狹義理解為坐姿失重。在這種情況下，座椅表面對(duì)身體支撐的壓力等于自身重力，人會(huì)有一種漂浮的感覺(jué)，相當(dāng)于處于失重的環(huán)境中。該姿態(tài)下人體的重心在臀部，其它各部位壓力均衡。該模式下人體會(huì)感受到放松、身心愉悅，坐在座椅上有一種遨游太空的感覺(jué)。零重力技術(shù)核心在于人機(jī)工程學(xué)在座椅優(yōu)化設(shè)計(jì)上的應(yīng)用，包括人體背面與座椅發(fā)泡完美貼合、柔軟的座椅面套合理布置。

零重力座椅由座椅四向舒適頭枕、座椅舒適靠背總成、舒適坐墊總成和腿托總成組成，如圖1所示。零重力座椅四向舒適頭枕提供上下和前后調(diào)節(jié)，滿足乘員對(duì)頭部有效支撐的需求，其尺寸大于普通頭枕，在人體躺下后，頭部可完全放松。舒適靠背含有柔軟的軟發(fā)泡層，減輕背部硬物感。舒適坐墊可以調(diào)整坐墊傾角，使大腿完全貼合于坐墊面。舒適腿托可以有效支撐腿部減少負(fù)重感，提高座椅舒適性。

圖1 零重力座椅結(jié)構(gòu)

2 傳統(tǒng)座椅布置設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)座椅設(shè)計(jì)以H點(diǎn)為基準(zhǔn)布置，H點(diǎn)即胯點(diǎn)（HipPoint）。汽車設(shè)計(jì)時(shí)將HPM 裝置（H-Point Ma?chine,HPM）人體模型按照規(guī)范步驟放入汽車座椅中，調(diào)整坐姿，座椅坐墊上人體模型大腿與軀干相連的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)就是駕乘人員胯關(guān)節(jié)在車身中的位置，即整車布置車輛設(shè)計(jì)的參考點(diǎn)[1]。H點(diǎn)是汽車車身總布置設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)點(diǎn)，也是座椅系統(tǒng)設(shè)計(jì)所有尺寸的基準(zhǔn)點(diǎn)。

2.1 傳統(tǒng)座椅人機(jī)布置

人體處于最佳駕駛坐姿時(shí)，體重會(huì)得到均衡分配。駕乘人員大腿呈自然前翹的自然放松狀態(tài)，雙腳踵點(diǎn)著地，手臂不承受身體壓迫的自然狀態(tài)下，此布置為駕乘人員人機(jī)布置最佳位置。人處于正常坐姿時(shí)，身體約75%的重力由座椅坐墊承受，因此座椅的設(shè)計(jì)必須使得駕乘人員的臀部承受壓力均勻分布。人體最佳駕乘坐姿姿態(tài)如圖2所示。

圖2 人體最佳駕乘坐姿姿態(tài)

上海交通大學(xué)王正華教授[2]提出提高人體在腰部區(qū)域的支撐力度，使人體腰部壓力增大，減輕了腰椎所承受的負(fù)荷，避免脊柱變形，保持腰部肌肉處于松弛休息狀態(tài)，從而明顯提高駕乘人員的乘坐舒適度。在傳統(tǒng)車型布置中，腰部支撐與靠背角密切相關(guān)，座椅靠背角成了人機(jī)布置第一要素。

從人體生物學(xué)角度來(lái)看，駕乘人員的最佳坐姿是臀部離開(kāi)座椅靠背并稍向前移，駕乘人員的上半身和大腿之間的夾角保持95°～115°，大腿和小腿的角度為100°～145°，詳細(xì)見(jiàn)表1。

表1 傳統(tǒng)座椅人機(jī)布置參數(shù)

H30定義為腳踵點(diǎn)至H點(diǎn)的垂直高度，直接影響駕乘人員坐姿感受，影響駕駛員開(kāi)車時(shí)坐姿。坐墊傾角恒定的狀況下：H30過(guò)大，則5%分位女性駕駛員會(huì)產(chǎn)生“懸空”的感覺(jué)，坐墊對(duì)大腿的擠迫感也會(huì)非常明顯。H30值過(guò)大還會(huì)限制使用者腳部活動(dòng)，導(dǎo)致無(wú)法踩加速踏板，會(huì)誤認(rèn)為座椅高度設(shè)計(jì)不合理。H30值過(guò)小，駕乘人員大腿部位得不到有效支撐，會(huì)產(chǎn)生儀表板過(guò)高的錯(cuò)覺(jué)，使駕乘人員認(rèn)為座椅高度不夠。

坐墊傾角設(shè)計(jì)值為坐墊與水平線的角度，直接影響座椅坐墊與地面的傾斜程度。在座椅高度固定的情況下：坐墊傾角a5過(guò)大，則坐墊前端大腿離去點(diǎn)過(guò)大，對(duì)大腿膝窩干涉感明顯，大腿不舒適；坐墊傾角a5過(guò)小，則坐墊前端大腿離去點(diǎn)過(guò)小，大腿有懸空感、支撐不足。

2.2 傳統(tǒng)座椅布置設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)座椅設(shè)計(jì)角度與駕乘舒適度密切相關(guān)，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)理論，對(duì)座椅布置參數(shù)和駕乘人員產(chǎn)生疲勞的原因進(jìn)行總結(jié)，降低駕駛疲勞，提高健康舒適性。座椅布置參數(shù)如圖3 所示，該參數(shù)是座椅設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)。

圖3 傳統(tǒng)座椅布置參數(shù)

通過(guò)市場(chǎng)競(jìng)品車對(duì)標(biāo)分析，快捷并可靠地提取座椅關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)用到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)實(shí)際布置方案，能夠縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。通過(guò)逆向工程技術(shù)不僅規(guī)范了對(duì)標(biāo)分析基準(zhǔn)，而且為后期車型開(kāi)發(fā)豐富了座椅知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)[2]。

當(dāng)駕乘人員坐到汽車座椅上時(shí)，座椅的舒適感體現(xiàn)在座椅貼合身體的尺寸，包括靠背、臀部和腿部尺寸。傳統(tǒng)座椅布置設(shè)計(jì)參數(shù)包括靠背和坐墊壓陷量、大腿離去點(diǎn)與H點(diǎn)距離、坐墊頭枕與人體有效高度和距離等，詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

座椅靠背對(duì)駕乘人員的腰部和背部進(jìn)行有效支撐，緩解長(zhǎng)時(shí)間坐姿不變引起的疲勞。第1 支撐在5～6 胸椎之間，保證駕乘人員的肩部有所依靠，頸部不會(huì)變形。第2支撐在脊柱部位，讓駕乘人員在駕駛姿勢(shì)下也能保證正常的腰曲弧度。

3 零重力座椅布置及設(shè)計(jì)

零重力姿勢(shì)被稱為最舒適的乘坐姿勢(shì)，身體所有部位處于不受外力狀態(tài)。零重力座椅根據(jù)人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)原理，具有調(diào)整座椅的斷面和改進(jìn)座椅骨架調(diào)節(jié)功能，采用彈性更柔軟的泡沫，使身體最大限度地抵抗重力，減輕肌肉骨骼壓力，減少橫膈膜和脊柱的壓力，讓身體完全放松并處于自然狀態(tài)，為駕乘人員提供更加舒適的駕乘體驗(yàn)，人體零重力坐姿如圖4所示。

圖4 人體零重力坐姿

3.1 零重力座椅功能實(shí)現(xiàn)

零重力座椅功能實(shí)現(xiàn)需要調(diào)整座椅參數(shù)值，當(dāng)駕乘人員需要使用零重力坐姿位置時(shí)，通過(guò)在車輛娛樂(lè)按鈕或者門板上的物理按鈕輸入具體角度調(diào)整命令，座椅總成控制模塊輸出信號(hào)給座椅電機(jī)，座椅電機(jī)運(yùn)動(dòng)使座椅調(diào)整到零重力姿態(tài)。

坐墊傾角調(diào)節(jié)依靠座椅半盆骨架繞靠背旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)座盆前抬機(jī)構(gòu)，通過(guò)前抬功能實(shí)現(xiàn)座盆旋轉(zhuǎn)。頭枕方案采用四向電動(dòng)頭枕，可以上下前后調(diào)節(jié)，有利于不同人體頭部與頭枕的有效接觸，并合理支撐頭部。為實(shí)現(xiàn)座椅腿托功能，腿托總成安裝于座椅半盆骨架前端，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)腿托內(nèi)四連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)腿托展開(kāi)與關(guān)閉狀態(tài)，該功能設(shè)計(jì)主要是方便駕乘人員躺在座椅上休息時(shí)候放松身體，同時(shí)腿托可前后調(diào)節(jié)，同時(shí)腿托的伸縮距離也可以調(diào)節(jié)[3]。

西華大學(xué)李娟[4]采用身體壓力分布分析與舒適度量化評(píng)分相結(jié)合的評(píng)價(jià)思路，分析了恒定坐姿條件下，座椅靠背和坐墊形面特征與人體關(guān)鍵部位的舒適度關(guān)系，并據(jù)此提出了座椅初版造型面(Concept A Surface,CAS)人機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。體壓分布試驗(yàn)結(jié)果表明：座椅壓力分布值反映壓力分布均勻程度，能有效表征駕乘人員身體舒適度。

3.2 零重力座椅人機(jī)布置要求

零重力座椅是基于NASA研究，即當(dāng)重心足夠低，人體脊椎受到的壓力越小，舒適感越強(qiáng)。零重力座椅角度定義如表3所示。

表3 零重力座椅人機(jī)布置參數(shù) （°）

吉林大學(xué)任金東[5]通過(guò)選取一系列人機(jī)工程設(shè)計(jì)有關(guān)的人體尺寸統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，獲得人體尺寸分布邊界和人機(jī)工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵人體數(shù)據(jù)，建立了適合乘用車人機(jī)布置參數(shù)。

3.3 零重力座椅評(píng)價(jià)

零重力座椅的舒適性評(píng)價(jià)工具有客觀評(píng)價(jià)工具（圖5）和主觀評(píng)價(jià)工具。其中，客觀評(píng)價(jià)工具有H點(diǎn)測(cè)量、壓力分布、頭枕與頭部間距的測(cè)量、座椅輪廓掃描測(cè)量。

圖5 舒適性評(píng)價(jià)

主觀評(píng)價(jià)工具主要包括駕乘測(cè)試和問(wèn)卷調(diào)查。通過(guò)駕乘測(cè)試，可以直接感受座椅的動(dòng)態(tài)舒適性，體驗(yàn)在座椅支撐定位下的操作舒適性[3]。實(shí)車評(píng)價(jià)時(shí)，通過(guò)科學(xué)的座椅參數(shù)對(duì)座椅進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，保證座椅產(chǎn)品達(dá)到最佳舒適狀態(tài)。

3.4 零重力座椅布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

座椅理論輪廓能明顯影響駕乘人員身體壓分布，座椅中心斷面是影響人-車-椅界面舒適性的重要因素[6]，零重力座椅布置優(yōu)化設(shè)計(jì)以中心斷面為基準(zhǔn)。驗(yàn)證座椅舒適狀態(tài)過(guò)程如下：將座椅壓力測(cè)試墊鋪設(shè)并固定在座椅上方[7]，將座椅高度調(diào)節(jié)器、座椅滑軌、座椅靠背位置調(diào)整至零重力座椅狀態(tài)，被試者在零重力座椅上開(kāi)始模擬休息姿態(tài)，手臂可以自由放置，頭部與頭枕接觸，小腿放置于腿托，進(jìn)行測(cè)試分析。一汽大眾杜曉明[7]在以H點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中，選取人腰部特征點(diǎn)分布上下、前后方向的4個(gè)極限點(diǎn)來(lái)確定座椅腰部支撐面的位置和調(diào)節(jié)量，結(jié)合人-椅壓力分布仿真結(jié)果，反求椅背泡沫的初始形面。該正向設(shè)計(jì)方法能保證人體背部與座椅之間合理的壓力分布，使人體背部特征點(diǎn)與變形后靠背特征部位有效貼合，增加座椅的貼合感和支撐性，從而有效提高駕乘人員的舒適性。重慶理工大學(xué)肖燕[8]應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)理論和方法選取了汽車座椅的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了汽車座椅數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)入、設(shè)置并定位男性數(shù)字人，對(duì)給定駕駛員開(kāi)車姿勢(shì)下的身體不同部位或整體姿勢(shì)下的舒適度進(jìn)行分析，給出符合舒適身體姿態(tài)設(shè)計(jì)參考范圍。通過(guò)對(duì)一定汽車座椅條件下數(shù)字人的姿勢(shì)預(yù)測(cè)和舒適度分析，使人-車達(dá)到最佳匹配狀態(tài)，為駕乘人員達(dá)到最佳舒適度提供參考。

為實(shí)現(xiàn)零重力座椅布置，按照文獻(xiàn)[9-17]擬定設(shè)計(jì)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)人體舒適休息模式，人體舒適休息模式如圖6所示。該舒適休息模式解決了座椅給駕乘人員有限固有模式，增添了座椅更多使用場(chǎng)景。

圖6 人體舒適休息模式

經(jīng)大量數(shù)據(jù)測(cè)試歸納總結(jié)，零重力座椅經(jīng)過(guò)靜態(tài)舒適性分析和動(dòng)態(tài)舒適性評(píng)價(jià)，人機(jī)工程參數(shù)在表4設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，人體最舒適。

表4 零重力座椅布置設(shè)計(jì)參數(shù) mm

4 結(jié)論

傳統(tǒng)座椅設(shè)計(jì)注重安全并且必須滿足國(guó)家法規(guī)要求，座椅設(shè)計(jì)不僅涉及安全也越來(lái)越注重駕乘人員乘坐舒適性。傳統(tǒng)座椅由于功能的局限性，當(dāng)駕乘人員需要休息時(shí)，座椅背靠無(wú)法對(duì)駕乘人員的腰部和背部進(jìn)行有效支撐，而且更不能提供座椅睡眠姿態(tài)。主機(jī)廠在零重力座椅設(shè)計(jì)和布置時(shí)，結(jié)合傳統(tǒng)車成熟的座椅布置參數(shù)分析，應(yīng)用零重力座椅設(shè)計(jì)理論和實(shí)踐，優(yōu)化座椅布置設(shè)計(jì)參數(shù)，然后進(jìn)行實(shí)物模擬驗(yàn)證，通過(guò)規(guī)范的設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)零重力座椅布置和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，使座椅產(chǎn)品更加舒適。通過(guò)主觀和客觀評(píng)價(jià)，持續(xù)迭代并優(yōu)化座椅設(shè)計(jì)，零重力座椅能最大限度保持駕乘人員乘坐時(shí)舒適性，因此可以提升整車產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。