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汽车座椅系统设计探究

2020-12-23 11:53 来源:汽车设计论文 人参与在线咨询

座椅舒适性是评价汽车性能的主要指标。为了提高座椅舒适性,座椅设计要利用人机工程学合理布置人体模型、合理优化座椅外形尺寸、合理进行腰部支撑的设计,科学地设计座椅有效旋转点,从而达到座椅舒适性设计。座椅舒适性评价分为客观和主观评价,通过人体体压测试和动态客观评价进行舒适性验证,再结合主观感知评判座椅的舒适性。座椅舒适性是评价汽车性能的主要指标,其中座椅的舒适性设计已成为内外饰设计的主要内容。驾驶员座椅组成(图1)主要由头枕、靠背骨架、坐垫骨架、腰托、头枕管、侧气囊、靠背泡沫总成、坐垫泡沫总成等组成。座椅的舒适性影响因素多,比如不同人体对同一座椅感受是不一样的;所以,从整车总布置开始,人机工程原理上采用95%假人模型分析座椅舒适性;选用经验尺寸数据设计座椅再制作样件,然后通过大量的客观试验,分析座椅对人体压力分布的影响;结合主观试验评价对座椅舒适性进行验证。

一、汽车座椅舒适性设计

1.座椅人机工程学。汽车座椅人机工程学的设计理念是座椅设计的基础。座椅舒适性分为静态舒适性和动态舒适性两类,静态舒适性是动态舒适性的前提。汽车座椅靠背舒适性主要取决于人体脊骨是否处于正常生理弯曲状态。利用人体模板及参考参数(图2)能直观了解和评价座椅人机工程设计。将人体模板1:1布置于模型和样车,充分校核座椅设计的可行性和合理性。结合精致的人体模板,调节靠背角、臀部角、膝盖角等人体参数便可得到人体最佳舒适位置。合理布置背部和腰部的支撑,座椅设计时应对靠背形状和位置提供良好的腰部和肩部支撑。肩部支承位于人体第5~6胸椎之间,作为肩靠减轻劲曲变形。腰部支承位于腰椎偏下第3~5节区域,能保证乘坐姿势正常腰曲弧线,有利于减轻长途驾驶疲劳。

2.座椅尺寸设计。座椅的几何尺寸是影响座椅舒适度的因素,所以座椅必须优化外形尺寸。利用人体模板考察车辆室内主要人机工程学设计参数,用以了解和评价汽车的人机工程设计。以人体参数为基础建立的人体模型是描述人体形态特征和力学特性的有效工具,是对人机系统进行考察研究、分析评价、试验设计不可缺少的重要辅助手段。乘员正常入座时,人体身躯与大腿的连接点—胯点(简称H点)。H点的位置是决定驾驶员操作方便、乘坐舒适性相关的车内尺寸的基准。座椅尺寸设计主要参数包括:坐垫的深度、最大压陷深度坐垫倾角;靠背的高度、宽度和倾角。座椅所有尺寸的布置以H点为基准。座椅靠背与坐垫的景中宽度影响乘客活动自由舒适度,座椅的侧翼高度直接影响乘客乘坐包裹性。H点高度影响:过高会使大腿肌肉受压,过低则增加背部肌肉负荷。对于座椅宽度,通常设计应以满足最宽人体需要为准,同时要校核环境数据尺寸空间。座椅深度其尺寸应满足:腰部得到靠背的支承,椅面前缘与小腿之间留有适当距离,以保证大腿肌肉不受挤压,腿弯部分不受阻碍。坐垫倾角(推荐值为12~18°)主要考虑为防止人体臀部向前滑动,靠背最大压陷量16~25mm,从而减少双脚着地的负荷,阻碍血液循环,引起身心疲劳。座椅舒适尺寸推荐值如表1。座椅腰托设计人体直立时,脊柱呈S型,称为脊柱的正常生理弯曲。成人脊柱总长约70cm,由26块独立的骨块组成。由于脊骨的定位是借助于肌腱的作用,一旦脊椎偏离自然状态,肌腱组织就会受到拉力或压力的作用,使肌肉活动量增加,长时间会引起腰酸等不适的感觉。因此,汽车乘员长时间处于坐姿状态,首先感到疲劳的部位是腰部。为了适应凸向前的腰曲弧形,给予腰部合理的支撑,汽车座椅通常都设计有腰托装置,可以避免因为腰曲部位悬空而带来的身体不适感觉。腰托的结构种类分为:钢丝网格悬浮架、钢丝弹簧悬浮架、手动腰托总成、电动腰托总成等。腰托布置位于人体沿躯干线距H点135~150mm处。座椅有效旋转点座椅靠背调节的实际旋转点的位置,对乘员调节座椅靠背,以及对人体姿势、靠背是否舒适起到决定性因素。有效旋转点过高,靠背旋转时靠背容易抵腰,增加腰部不适,同时靠背底部已出现露缝,造成客户可视底部缝纫线及无纺布等缺陷。有效旋转点过低,靠背旋转时靠背皮套易与坐垫皮套摩擦产生异响。结合工程经验舒适性座椅靠背的有效旋转点在距H点:X≥+100mm;Z≤-50mm。

二、座椅舒适性评价方法

1.座椅静态舒适性客观性评价。座椅静态舒适性是指静止状态下,座椅提供给人体的乘座支撑舒适特性,主要分析座椅表面的压力分布。静态舒适性客观性评价通常采用TekscanTMSystem人体压力测试设备测量了静态人体压力分布来分析座椅舒适性。人体压力分布是指乘员坐在座椅上时,人体与座椅之间接触区域的压力变化。95%假人模型放置在座椅,模拟压力分布测试,测试压力分布如图3所示。座椅系统的体压分布为坐垫和靠背压力分布。靠背压力分布通常是将垂直于座椅靠背纵向对称轴上的压力进行积分,以纵向对称轴为横坐标,以人体靠背骶骨区域为基准点,等间隔分布测点,以压力积分结果为纵坐标绘制出曲线,即纵向压力分布曲线。试验用座椅安装在模拟车身的工装夹具上,选取不同人体测试者,对座椅进行测试。测试者按照正常驾驶位置入座,传感垫纪录测试者坐垫压力分布。试验所获得的纵向压力分布云图(图4)。图示为坐垫压力云图,可以直观得到整个坐垫平均压力0.7N/cm2。

2.座椅动态舒适性客观性评价。座椅动态舒适性是指汽车在运动状态下,通过座椅将振动传递到人体,人体主观感受到的舒适程度,主要分析座椅对振动的频响;驾驶用座椅动态舒适性主要与振动特性有关。人体对垂直振动最敏感的频率范围是4~8Hz;人体对水平振动最敏感的频率范围是≤2Hz;眼部的共振频率为20~25Hz,如果通过座面与靠背传递给人体的振动频率在20~30Hz,会造成驾驶员视线变化范围太大而无法正常操作;座椅+人体的固有频率与车身的固有频率不能相差太大而靠近人体的主共振频率,否则,增加人体不适感,甚至造成伤害。座椅舒适性主观性评价为了清晰地说明客观试验结果对乘坐舒适性的影响,进行了主观评价试验,试验中选取的测试者与客观试验不同人体模特相同。座椅主观舒适性评价好坏,通过每位评测者对座椅主观舒适性评价表(表2)的打分对座椅总体舒适性进行主观评价。最后,通过总分统计,得到座椅主观舒适性高低排名。

三、结语

在消费者进行购买汽车的时候,汽车座椅的舒适性很大的影响到汽车的性价比问题。汽车座椅的所选用的材料、构成、尺寸都会成为影响消费者的购买因素;汽车座椅的安全性和舒适性也是最要的考虑因素。座椅舒适性设计开发中,座椅是个复杂的系统,对其舒适性影响的因素很多。工程经验表明:座椅总成只有在符合人机工程学、合理的操作空间、对人体有良好的支撑包裹性的条件下,才能对人体各部位压力有效分解,才能为乘客提供良好的舒适效果。结合对座椅总成的主观与客观评价方法,可有效提升座椅舒适性设计水平。

作者:张程 单位:宜宾凯翼汽车有限公司汽车研究院

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