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淺析汽車座椅舒適性開發(fā)和研究
2020-09-24 22:53:44· 來源：上汽安全與CAE技術(shù)
1．座椅舒適性開發(fā)的研究背景汽車座椅作為駕乘人員最直接接觸的汽車部件，除其外觀品質(zhì)能給消費(fèi)者帶來最直觀的感受外，乘坐的舒適性也直接影響著客戶的主觀感知
1．座椅舒適性開發(fā)的研究背景
汽車座椅作為駕乘人員最直接接觸的汽車部件，除其外觀品質(zhì)能給消費(fèi)者帶來最直觀的感受外，乘坐的舒適性也直接影響著客戶的主觀感知，因此汽車座椅的舒適性能也成為了國內(nèi)各大廠商比較關(guān)注并努力改善的地方。而研究汽車座椅的舒適性，也是為了在設(shè)計(jì)汽車座椅的時(shí)候能夠更加人性化，減少人體脊椎的承受力，減少人體疲憊，讓消費(fèi)者可以更舒適更安全的駕駛，這對(duì)企業(yè)提升顧客服務(wù)和自身產(chǎn)品價(jià)值有著重要的指導(dǎo)意義。
圖1 不同的造型/材質(zhì)的汽車座椅
2．汽車座椅舒適性設(shè)計(jì)要點(diǎn)
2.1 座椅舒適性設(shè)計(jì)的原則
座椅舒適性設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是滿足消費(fèi)者對(duì)座椅整體主觀感知是舒適的，短時(shí)入座的舒適，長(zhǎng)途行駛中和行駛后的舒適，因此從舒適性角度來看，對(duì)座椅的舒適性設(shè)計(jì)應(yīng)該要滿足以下原則:
圖2 舒適座椅的基本特征
2.2 座椅舒適性分類
座椅的舒適性一般包括靜態(tài)舒適性、動(dòng)態(tài)舒適性和操作舒適性三類；靜態(tài)舒適性主要是在靜止?fàn)顟B(tài)下座椅的舒適性表現(xiàn)，其主要與座椅的表面支撐度，貼合度和軟硬程度等相關(guān)；動(dòng)態(tài)舒適性主要是在車輛行駛狀態(tài)下座椅的舒適性表現(xiàn)，其主要與汽車的振動(dòng)特性相關(guān)，反映輪胎、懸架和座椅三個(gè)減振環(huán)節(jié)的性能；操作舒適性主要是與座椅相關(guān)的操縱功能的適應(yīng)性能，其與操縱件的布置，考慮人體尺寸范圍的空間管理相關(guān)，如圖3所示：
圖3 座椅舒適性分類
3．汽車座椅舒適性影響因素和設(shè)計(jì)要素
汽車座椅的設(shè)計(jì)過程中既要滿足安全性、功能性要求，也要符合總布置的要求，滿足人機(jī)工程學(xué)，座椅的造型設(shè)計(jì)也確定了座椅的主要尺寸和型面，因此座椅的舒適性設(shè)計(jì)，要在綜合考慮這些影響因素的前提下，控制一些主要的相關(guān)設(shè)計(jì)要素來提升其整體的舒適性能，如座椅的型面設(shè)計(jì)，發(fā)泡的硬度和密度，骨架的動(dòng)態(tài)特性等，主要內(nèi)容如圖4所示：
圖4 座椅舒適性影響因素及設(shè)計(jì)要素
4 座椅舒適性仿真分析和驗(yàn)證
4.1 靜態(tài)舒適性試驗(yàn)與仿真分析
4.1.1靜態(tài)舒適性試驗(yàn)
座椅的靜態(tài)舒適度一般與座椅的材質(zhì)和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相關(guān)，目前進(jìn)行靜態(tài)舒適度的測(cè)試和驗(yàn)證常用的手段就是人體壓力分布測(cè)試，通過測(cè)試提取的壓力分布云圖，最大壓力，平均壓力值等客觀數(shù)據(jù)來初步評(píng)價(jià)座椅的靜態(tài)舒適性能。不合適的汽車座椅會(huì)導(dǎo)致人體腰部、腿部、臀部的疲勞, 增加駕乘人員的整體疲勞程度，所以一般會(huì)要求人體跟坐墊和靠背之間有較大的接觸面積，并避免最大壓力分布在腿部區(qū)域來提升座椅的舒適性能。常見的靜態(tài)體壓分布測(cè)試方法及測(cè)得的壓力分布云圖如圖5所示：
圖5 座椅人體壓力分布測(cè)試
4.1.2 靜態(tài)舒適性仿真
在座椅舒適性開發(fā)過程中，以往僅能在實(shí)物樣件出來后進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此更改范圍較小，特別是A面很難再進(jìn)行調(diào)整。這種操作方式導(dǎo)致產(chǎn)品后期發(fā)現(xiàn)的舒適性問題難以解決。所以目前在項(xiàng)目早期舒適性開發(fā)過程中，除了進(jìn)行H點(diǎn)控制分析、功能性人機(jī)分析、布置分析外，各個(gè)廠商開始進(jìn)行座椅的靜態(tài)壓力分布仿真分析研究，旨在提升座椅舒適性設(shè)計(jì)開發(fā)的能力。
通過靜態(tài)舒適性仿真獲取坐墊和靠背的壓力分布結(jié)果，主要方式建立假人和座椅模型，計(jì)算人體落座至穩(wěn)定狀態(tài)后的接觸壓力，通過分區(qū)域的壓力均值、接觸面積等參數(shù)與臺(tái)架試驗(yàn)做對(duì)比，后續(xù)對(duì)于坐墊和靠背的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供改進(jìn)的方向。
座椅模型包含發(fā)泡、面套和骨架三個(gè)部分，其中發(fā)泡根據(jù)不同的發(fā)泡硬度進(jìn)行分區(qū)域建模，面套與發(fā)泡之間的固定吊緊和包裹，也都用不同的連接方式進(jìn)行模擬；HPM假人模型根據(jù)實(shí)際重量進(jìn)行配重，并且依據(jù)其各個(gè)模塊的運(yùn)動(dòng)關(guān)系來增加鉸鏈單元；座椅仿真分析模型及假人的擺放見圖6，圖7所示。
圖6 座椅壓力分布仿真分析模型
圖7 假人模型擺放及假人H點(diǎn)穩(wěn)定過程
仿真分析體壓分布結(jié)果如圖8所示，臀部中心和大腿位置體壓分布與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。
圖8 坐墊壓力分布仿真對(duì)標(biāo)
4.2 動(dòng)態(tài)舒適性試驗(yàn)與仿真分析
4.2.1 動(dòng)態(tài)舒適性試驗(yàn)
座椅的動(dòng)態(tài)舒適度不僅與座椅的性能相關(guān)，也與整車的懸架、輪胎等相關(guān)，傳統(tǒng)的測(cè)試方法都是基于實(shí)車的試驗(yàn)方法，依靠試驗(yàn)人員實(shí)時(shí)記錄汽車的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)所需的計(jì)算數(shù)據(jù)，比如利用三軸式加速度測(cè)量?jī)x進(jìn)行加速度測(cè)量和試驗(yàn)人員主觀打分進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)于不理想的反饋結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。
目前行業(yè)內(nèi)的動(dòng)態(tài)舒適性臺(tái)架測(cè)試，一般是基于中國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T55﹣1993《汽車座椅動(dòng)態(tài)舒適性試驗(yàn)方法》進(jìn)行座椅的靜載和頻響特性試驗(yàn)，得到座椅的靜剛度和傳遞率曲線，計(jì)算座椅的固有頻率、動(dòng)剛度和阻尼比等參數(shù)，以此來評(píng)價(jià)座椅的動(dòng)態(tài)特性，為其動(dòng)態(tài)舒適性評(píng)價(jià)提供參考指標(biāo)。而國外有人提出測(cè)量和計(jì)算座椅的“乘坐舒適性指標(biāo)R”的經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法：
式中,代表座椅舒適性常數(shù)；A為座椅共振頻率所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)傳遞率；B為10Hz時(shí)的振動(dòng)傳遞率；為座椅的固有頻率。R值越大，說明座椅的動(dòng)態(tài)特性越好。
4.2.2 動(dòng)態(tài)舒適性仿真分析
目前，座椅的動(dòng)態(tài)舒適性仿真分析主要方法是基于動(dòng)力學(xué)軟件，建立多自由度的座椅-人體全模型，包括座椅和人體的多體系統(tǒng)，將模型進(jìn)行參數(shù)化建模，考慮腳部與汽車底板的接觸，即汽車底板對(duì)腳部具有振動(dòng)傳遞，以一定時(shí)長(zhǎng)的隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)作為激勵(lì)進(jìn)行仿真，以模型的加權(quán)加速度均方根值作為舒適度的量化計(jì)算方法。
5．座椅的舒適性評(píng)價(jià)
座椅的舒適性評(píng)價(jià)分主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)兩種評(píng)價(jià)方式。目前主要的主觀評(píng)價(jià)方式即通過調(diào)查問卷的形式，由不同體型和身高的大樣本人群進(jìn)行評(píng)分來綜合評(píng)估；而客觀評(píng)價(jià)方式即主要通過上述的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試獲取客觀指標(biāo)來進(jìn)行評(píng)估，由于主觀評(píng)估完全由受測(cè)人員的主觀感受決定，主觀的評(píng)價(jià)結(jié)果具有比較大的離散性，客觀評(píng)價(jià)不以人的主觀意志為轉(zhuǎn)移，一般情況下客觀評(píng)價(jià)的結(jié)果更為穩(wěn)定，在早期設(shè)計(jì)中，通過仿真分析的手段，通過客觀指標(biāo)定義來為設(shè)計(jì)提供參考具有重要的意義，但如何將客觀的分析和測(cè)試指標(biāo)與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果關(guān)聯(lián)起來，綜合提升座椅的舒適性能，將是作為座椅開發(fā)工程師所努力的主要方向。
6．總結(jié)
座椅設(shè)計(jì)開發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)集成度很高的設(shè)計(jì)工作，技術(shù)方面涉及舒適性、功能性、安全性、法規(guī)性和美觀性等要求，同時(shí)在項(xiàng)目方面還涉及成本控制和質(zhì)量要求，其中有些技術(shù)要求相互之間還存在一定沖突，因此在開發(fā)過程中經(jīng)常需要從座椅綜合性能要求和目標(biāo)市場(chǎng)客戶角度來進(jìn)行平衡，從而制定合理的設(shè)計(jì)目標(biāo)來設(shè)計(jì)出高舒適度評(píng)價(jià)的座椅。
參考文獻(xiàn)
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