汽車座椅系統動態舒適性的研究綜述

梁鶴

摘要：汽車乘坐舒適性是汽車設計開發中的重要問題。汽車乘坐舒適性包括靜態舒適性和動態舒適性，前者主要與尺寸參數、表面質量、調節特性等有關，后者則主要與振動特性有關。

關鍵詞：汽車；座椅系統；動態舒適性

隨著人們生活質量的提高，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，減少事故的發生，即便出現意外，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40 年代，就有國外學者對汽車座椅舒適性進行研究；到了60 年代，隨機振動理論興起，借助這個理論，對汽車行駛中的振動也進行了更深入研究，找到了對人體影響最大的振動。在理論研究的同時，國外學者也不斷地改進座椅設計，進行了大量的實驗。例如，人-椅系統的傳遞特性、不同姿態下人體振動模型等，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 為首的研發機構，已經研制出了充氣坐墊椅，這一革新技術，極大改善了駕駛體驗，也越來越被汽車生產廠家重視。

2.我國對汽車動態座椅舒適性的研究。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80 年代，計算機在我國開始普及，極大地提高了汽車座椅動態參數的建模，優化分析能力，各大車企產出了豐富的研究成果。不過，總的說來，我國汽車座椅動態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。由于我國起步晚，加之國外對最前沿技術的壟斷封鎖，我國研究人員缺少必要的理論支撐，自主創新能力又不足。座椅減振是一項綜合技術，涉及系統動力學，機械振動等，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行。（2）監管層面不夠重視。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，所以大多數企業不夠重視，很少對座椅舒適性進行專門的針對性研究和改善。未來隨著客戶需求的提升，必然要求企業加強對座椅舒適度的研究。

三、汽車座椅系統動態舒適性分析

1.座椅系統動態分析與優化。對于有懸架的座椅系統，影響其動態特性的因素有：座墊的剛度和阻尼系數，懸掛系統的質量、剛度和阻尼系數以及座椅系統連接件的摩擦；對于非懸架座椅系統主要考慮座墊的剛度、阻尼以及座椅剛架結構的動態性能。剛度決定座椅的共振頻率，而阻尼系數決定座椅的振動衰減特性。雖然座椅系統的質量和結構連接件的摩擦會影響整個系統的動態性能，但由于質量和摩擦受其他因素限制而不會變化太大，所以，剛度參數與阻尼系數就成為影響整個座椅系統動態性能的主要因素。由于座椅與人體直接接觸，而且在大多數情況下，座椅懸架系統是用來控制低頻和大振幅振動的僅有的機械裝置，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，應不斷研究通過改進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，會產生強烈的橫向和縱向振動。對于帶有懸架的座椅系統有許多優化研究。優化目標一般有三種：一是傳入人體的能量為最??；二是使人體在敏感頻率區域動態響應為最??；三是傳給人體的加速度均方根值最小。優化參數為：懸架及座墊的質量、剛度和阻尼以及連接件的摩擦。顯然，無論對于哪種優化目標，座墊與座椅懸架的剛度越小優化結果越好，但是相應地變形量會越大，反而會增加人體的不舒適度，因此，對于座椅系統的座墊和懸架的剛度采取最小值限制。座椅動態模型由+ 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位移激勵進行仿真的基礎上計算出來。但是，研究中并沒有提供座墊的優化阻尼，模型包含一個自由度的無質量懸架和自由度人體模型。優化結果顯示：座墊和懸架應取原始限制的下限；優化后的座椅懸架和座墊的質量在不考慮剛度下限的情況下是不變的；優化的阻尼系數嚴重依賴于剛度下限值，阻尼系數隨剛度下限的增加而增加。研究表明：座椅懸架系統的質量大時對人體動態舒適性有利，但考慮到材料成本和其質量又不能太大，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越小，對人體動態舒適性越有利；適當降低座椅懸架的液壓減振器的阻尼系數對舒適性有利。

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生向前移動的現象。（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“側傾”的抑制。要抑制側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行改進。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行分析改進。側傾現象對人體的舒適性有很大的影響，針對該現象，從兩個方面進行了改進：第一、限制側傾的移動距離，增加限位裝置，即防側傾支架；第二、減緩側傾時的側擺速度，即加大座椅靠背海綿的阻尼系數，加入鑲塊海綿。（1）防側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。根據試驗得到的結果，選擇在座椅靠背骨架離下結點（靠背與坐墊的連接點）250mm（支架中心）的地方增加兩個防側傾支架。

汽車座椅的動態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。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，還是汽車企業提高核心競爭力的需要。

參考文獻：

[1]陳家瑞等.汽車構造，北京：人民交通出版社，2018

[2]王碹，李宏光等.現代汽車安全.北京：人民交通出版社，2017

[3]黃世霖.汽車碰撞與安全.|B京：清華大學出版社，2017