重型汽车座椅舒适性研究

张鑫杰，李佳，黄伟，杜涛

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

重型汽车座椅舒适性研究

张鑫杰，李佳，黄伟，杜涛

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

汽车座椅是汽车中将乘员与车身联系在一起的重要的功能件，它直接影响到整车的舒适性和安全性。座椅舒适性是座椅设计的关键性能指标。文章对座椅的静态舒适性、动态舒适性的设计原则及评价指标进行了系统研究及分析。

重型汽车；座椅；静态舒适性；动态舒适性；评价指标

CLC NO.: U463.83+6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-45-04

前言

随着社会的高速发展，安全、舒适、高效已成为现代汽车的发展趋势。在汽车的驾驶室过程中汽车座椅的舒适性、安全性以及对汽车的操作便捷性十分重要[1]。重型汽车路况复杂多变，涉及高速、国道、省道、城镇公路、矿区土路等路况，且存在长途驾驶的情况，对座椅舒适性的要求更高，要求座椅能在复杂多变的路况下，提供安全、舒适、便于操纵和不易疲劳的驾驶环境。

1 座椅舒适性

座椅舒适性可分为静态舒适性、动态舒适性、操作舒适性。

座椅与人体的匹配关系和为乘员提供坐姿的舒适程度，称为静态舒适性。静态舒适性要研究和解决的问题，是依据人体舒适坐姿的要求和人体测量尺寸，合理设计座椅的结构、尺寸和参数。

人体承受全身振动而引起的舒适性问题，称为动态舒适性。动态舒适性要研究和解决的问题，是通过座椅的合理设计，有效衰减行驶中产生的各种冲击和振动，最终使传给乘员身体的振动强度处于人体所能承受振动的舒适性范围之内。

驾驶员进行驾驶操作时的舒适性程度称为操作舒适性。操作舒适性所要研究和解决的问题主要是车辆驾驶室—驾驶员—座椅—操纵装置—显示装置—车外视野的合理匹配。

2 静态舒适性

根据人机工程学原理，为保证良好的舒适性，针对静态舒适性，设计中应遵循以下原则：

（1）座椅尺寸应与人体测量尺寸相适宜

目前使用较多的人体模型是SAE简化的人体模型，重型汽车座椅设计需满足第95百分位男性、第50百分位男性、第5百分位女性人体模型尺寸要求。座椅尺寸要与三种人体模型的尺寸相适宜。图1为SAE三种人体模型的侧视图。表1为座椅的舒适尺寸。

表1 座椅的舒适尺寸

图1 SAE三种人体模型的侧视图

（2）座椅可适当调节，使各类人体保持舒适的乘坐姿势

人体驾驶的舒适和疲劳程度与设计中选择的人体各关节角度所确定的驾驶姿势有关[2]。由坐姿生物力学分析，最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前，使上体与大腿间角在90°~115°。同时，小腿向前伸，大腿与小腿、小腿与脚掌之间也应达到一定的角度，见图2。座椅设计要保证三种人体模型都处于舒适的乘坐姿态。

图2 舒适坐姿的关节角度

（3）合适的体压分布，使脊柱接近于正常弯曲状态

人体在坐姿状态下，体重作用在座面和靠背上的压力分布称为坐姿体压分布。坐姿的体压分面是影响乘坐舒适性的重要因素。人就坐时，身体重量的大部分（约80%）经过臀部、背部隆起部分及其附着的肌肉压在座椅面上。体压分布的测量一般采用等高线的形式反映压力分布状况。座椅设计要求人体的体压分布尽量接近理想体压分布，如图3所示。

图3 人体在靠背和座垫上的理想体压分布

3 静态舒适性评价指标

3.1 主观评价

主观评价主要通过选择不同身高和体重的人员，对座椅整体的舒适度，腿部、臀部、靠背的舒适度进行评价，评分尺度10分，分5级，如图4所示。

图4 主观评价的评分尺度

3.2 人机校核

对座椅数据进行人机工程校核,座椅应满足如下要求：

（1）座椅断面尺寸满足座椅的舒适尺寸要求，见表1。

（2）人体模型与座椅的位置参数满足图5要求。

图5 人机校核参数示意图

3.3 体压分布测量

在台架上进行试验，测量座垫、靠背的体压分布。采用座椅表面压力分布测量（Pressure Distribution Measure ment：PDM）对座椅舒适性进行评价。图6为某座椅体压分布测量结果。

图6 座椅体压分布测量结果

4 动态舒适性

汽车振动主要来源于地面不平度的随机激励。乘坐振动通过乘员的臀部、腰部传给乘员，激起人的全身振动，当振动激励频率接近于人体主要器官的固有频率时，将引起相应器官的振动面产生相对位移，从而使人感到不舒适，严重时将危害人的身体健康。人体对4-8Hz频率范围的垂直振动[3][4]以及1-2Hz频率范围的水平振动的能量传递率最大，其生理响应也最大。汽车及座椅动态舒适性设计时应尽量避开这些区域。

座椅、靠背地板三个支撑面中，座椅与人体接触表面垂直方向的振动对人体的影响很大，占70%。在进行座椅动态舒适性设计时，应把座垫的垂直振动研究放在首位。

座椅减振系统由弹性元件和阻尼元件组成。座椅上乘员的垂直振动可简化为简单的单体有阻尼运动[5]，见图7。座椅的振动参数主要有2个：刚度K和阻尼系数c。座椅的固有频率：，式中f0-固有频率，K-刚度，m-簧上质量。其中m变化范围不大，因此可以认为固有频率的平方与刚度K比。而座椅阻尼值它决定了座椅的振动衰减特性。

图7 座椅减振系统简图

5 动态舒适性评价指标

5.1 主观评价

将座椅搭载整车，选择不同身高和体重的人员进行动态舒适性主观评价。主观评价项目见表2，主观评价评分准则见表3。

表2 主观评价项目

表3 主观评价评分准则

5.2 座椅动态舒适性的简便计算

式中：KO——座椅舒适性常数，估计时可取1；

A ——座椅共振频率所对应的振动传递率；

B ——10Hz时的振动传递率；

f0——座椅的固有频率（Hz）。

对于具体座椅来说，可测得A、B、f0，再求出R值，通过试验表明，R值越大，座椅动态特性越好。液压座椅R值一般为：0.4 ；空气座椅R值一般为0.6。

5.3 试验评价

（1）座椅的固有频率及最大振动传递率

测量座椅的固有频率和共振点的最大振动传递率。一般座椅的固有频率保证在2Hz~4Hz范围内，共振点最大传递率小于1.0。图8为某座椅改进前后的最大振动传递率对比。

图8 固有频率（2.6Hz）激励时的振动传递率对比

（2）整车平顺性试验

目前常用ISO 2631-1:1997[E]标准的基本评价方法-加权加速度均方根值来评价振动对人体舒适和健康的影响。加权加速度均方根值与人的主观感觉之间的关系见表4。座椅设计时一般保证座垫上频率加权加速度均方根值在0.315~0.75的范围内。

表4 加权加速度均方根值与人的主观感觉之间的关系

图9 高速路面匀速40km/h时的振动传递率曲线对比

图10 高速路面匀速50km/h时的振动传递率曲线对比

图11 高速路面匀速60km/h时的振动传递率曲线对比

图12 高速路面匀速70km/h时的振动传递率曲线对比

图13 高速路面匀速80km/h时的振动传递率曲线对比

图14 比利时路面时的振动传递率曲线对比

图15 随机激励的振动传递率曲线对比

表5 垂直方向振动传递率FRF(0-30Hz)

座椅的减振性能通常采用振动传递率来进行评价。按GB/T 4970要求将座椅搭载整车进行平顺性试验，测量座椅导轨和驾驶员坐垫位置的振动加速度信号，以导轨测点的加速度作为输入，驾驶员坐垫处的加速度作为响应，分别记录车辆在水平路面、比利时路、一般公路行驶时的座椅振动加速度时间历程。最终计算测点垂直方向（Z方向）0~30Hz加权功率谱密度的RMS值，使振动响应频域RMS值比上振动输入频域RMS值得出振动传递率。图9-15，表5为某座椅改进前后的振动传递率对比。

6 结束语

座椅是汽车的重要组成部分，人们对汽车舒适性，尤其是座椅的乘坐舒适性越来越关注。本文的研究思路和方法可以为重型汽车座椅舒适性的研究和优化提供参考。乘坐舒适性是一个系统的概念，研究座椅本身舒适性的同时还需从系统角度出发，研究座椅与周边系统的配合以及与整车的性能匹配。

[1] 刘维信.汽车设计[M].北京:清华大学出版社,2001.

[2] 廖琪梅.人体工程学在汽车车身设计中的应用[J].上海工程技术大学学报,2002.06,16(2):99~104.

[3] 周一鸣,毛恩荣.车辆人机工程学,北京理工大学出版社,1999.

[4] ISO 2631 Mechanical vibration and shock-Evaluation of human exposure to whole-body vibration,2004.

[5] John C.Dixon著,李惠彬等译.减振器手册[M].北京:机械工业出版社.2011.

Research on seat comfort for heavy truck

Zhang Xinjie, Li Jia, Huang Wei, Du Tao
( ShaanXi Heavy-duty Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

Seat is an important part combine driver with cabin,which influences comfort and safety of vehicle.Seat ride comfort is a key performance index for seat design.The article introduce and analyse design principle and evaluation of seat static comfort and dynamic comfort.

heavy truck; seat; static comfort; dynamic comfort; evaluation

U463.83+6 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)19-45-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.017

张鑫杰，就职于陕西重型汽车有限公司。