车辆人-椅系统主要参数对舒适度敏感性分析*

李 睿，郭立新

(1.大连民族学院机电信息工程学院,大连 116600; 2.东北大学机械工程与自动化学院,沈阳 110004)



2015015

车辆人-椅系统主要参数对舒适度敏感性分析*

李 睿1,2，郭立新2

(1.大连民族学院机电信息工程学院,大连 116600; 2.东北大学机械工程与自动化学院,沈阳 110004)

建立了一个二维人-椅系统动力学模型，以研究其主要参数对乘坐舒适性的影响。利用软件Matlab SimMechanics建立了相应的非线性仿真模型，将实验测定的路面激励数据分别输入非线性仿真模型和线性模型，比较输出的加速度功率谱密度以验证线性模型的有效性，在此基础上进行敏感性分析。结果表明，除了座椅的刚度和阻尼以外，人体身高、体质量和乘坐姿态也对舒适性有重要影响。

前言

座椅的动态舒适性一直是座椅舒适性研究的重点之一[1-2]，国内外学者做了大量关于车辆承受冲击载荷时座椅对驾驶员的保护作用和驾驶员动态响应特性的研究[3-5]。对于驾驶员来说，长时间承受振动作用，即使是低水平振动，也会造成暂时的注意力不集中和感觉恐慌，并且会诱发腰背疼痛等生理疾病。

本文中建立了一个二维人-椅系统动力学模型，旨在研究其参数对舒适度的影响。首先构建动力学方程，然后利用Matlab SimMechanics软件建立非线性系统模型，将实验测定的路面激励分别输入给仿真模型和动力学模型以验证线性模型的有效性。在此基础上进行敏感性分析，由于人-椅系统模型中很多参数对平顺性影响不大[6]，所以本文中重点分析几个重要参数对舒适度的影响。

1 模型的创建

所研究的模型是基于文献[7]中所创建的7自由度模型，将刚度k2的作用点位置由臀部转移到人体模型的背部，定位尺寸为lm，如图1所示。人体对振动产生响应的最主要部位是“胸—腹”，其固有频率是2～12Hz，因频率太高或过低对研究的实际意义不大，所以对此7自由度模型只研究固有频率在2～19.5Hz的6组模态的固有频率，见图2。当lm=0.167m时各阶模态对应的振幅最小，即激振频率等于人-椅系统固有频率时所受振动影响最小，故选取lm=0.167m作为本模型的受力位置[8]。

1.1 动力学模型的创建

人-椅系统的力学模型应该包括几何非线性、人体力学非线性、座椅刚度与阻尼的非线性等特性，只有在没进入到非线性区的平衡位置附近的小振幅的振动时才可以进行线性化处理[8-9]。7自由度模型动力学方程进行线性化处理后可表示为

(1)

其中

A1=M2sinθ1;A2=(M3+M4)sinθ2;

A3=(M5+M6)sinθ3;A4=M7sinθ4;

B1=-M2cosθ1;B2=-(M3+M4)cosθ2;

B3=-(M5+M6)cosθ3;B4=-M7cosθ4;

D1=M8cos(θ1-θ2);D2=M2sinθ1;

D3=-M2cosθ1;E1=M8cos(θ1-θ2);

E2=(M3+M4)sinθ2;

E3=-(M3+M4)cosθ2;

G1=M9cos(θ3-θ4);G2=(M5+M6)sinθ3;

G3=-(M5+M6)cosθ3;H1=M9cos(θ3-θ4);

H2=M7sinθ4;H3=-M7cosθ4;

M1=m1+m2+m3;M2=m1l2;M3=m1(l2+l3);

M4=m2l3;M5=m4(l4+l5);M6=m3l4;

M7=m4l6;M8=m1l1(l2+l3);M9=m4l6(l4+l5);

式中：ξ、ζ分别代表人体模型相对于座椅模型的水平位移和垂直位移；θ1、θ2、θ3、θ4和θs分别为头部、躯干、大腿、小腿和座椅靠背相对于x轴的转角；下标0分别表示各个变量的初始值。[K]、[C]分别为刚度矩阵和阻尼矩阵；其余各参数的含义说明见文献[6]和文献[7]。刚度系数和阻尼系数的取值见表1。

表1 线性动力学模型刚度和阻尼系数值

1.2 非线性仿真模型的建立

SimMechanics是动力学软件Matlab软件的一部分，SimMechanics立足于Simulink之上，一切工作均在Simulink环境中完成，通过一个图形用户界面操作，且系统所有非线性都可以考虑进去。进入方式为：Matlab/Simulink/Simcape/SimMechanics。人体的每部分在SimMechanics中都有它的局部参考系统,以确定它的绝对旋转。人体模型由代表小腿、大腿、躯干和头部的4个质量单元通过平面铰链和弹性阻尼原件连接，模拟人体解剖学的关节和肌肉组织。该系统假定为在垂直矢状面内运动。利用SimMechanics建立非线性人-椅系统模型如图3所示。

人-椅系统模型的7个自由度分别是：人体模型相对于座椅模型的水平与垂直位移和头部、躯干、大腿、小腿与座椅靠背的转角。

1.3 模型的有效性验证

测试车辆以25km/h恒定速度在B级路面上行驶。考虑到驾驶员的身体条件和驾驶技术的多样性，本文中采用正交试验设计方法[10]，选取8名驾驶员进行驾驶实验。将测量得到的座位底部加速度激励分别输入给线性模型和SimMechanics非线性模型，将人体与座椅之间的垂向加速度(坐垫处)Az和水平加速度(座位靠背处)Ax作为输出，通过一个频率平均值为f、带宽为Δf的带通滤波器滤波后取其平方，再对这个变化了的信号进一步加工，先得到源信号通过滤波器后的部分功率ΔAxF2/ΔAzF2，将它除以带宽Δf，就能得出功率谱密度(PSD)[11]，如图4和图5所示。系统的非线性因素对垂向加速度Az产生的影响不到0.6%，对水平加速度Ax影响不到1.2%,其中水平方向的影响更大，这是因为靠背的刚度和阻尼是高度非线性的。由此表明，运动的振幅限制在一定的范围，非线性的影响可以忽略，线性模型的输出可近似等于相应的非线性模型的输出。

2 参数灵敏度分析

最常用的舒适性评价标准是ISO 2631(24-27)。本文中采用测量身体和汽车座椅之间的频率加权加速度值评估全身振动的严重程度，见式(2)。对此有效的线性模型进行参数敏感性分析。

(2)

在沥青路面行驶时A值为0.2～1.0m/s2；崎岖的道路A值为1.0～2m/s2；A值高于2m/s2为越野车辆[6]。许多实验表明[12]，垂向加速度主要影响乘坐者的脊柱，采用Az表示垂向加权加速度值；水平加速度主要影响乘坐者的肩膀，采用Ax表示水平方向加权加速度值。身体的姿势对振动加速度的传递函数的影响是复杂的、非线性的，驾驶员的乘坐姿势会对承受振动的程度产生影响。许多专业驾驶员表示,躯干几乎垂直的姿势将会提高乘坐舒适性。本文中旨在深入分析关于乘坐者的身体尺寸和质量、乘坐姿态对加速度量级的影响程度。

因参数k5、c5、m1、l1、θ1对舒适性的影响很小[6]，故不对这些参数的敏感性进行分析。为了解人体(身高、体质量)和座椅(坐垫和靠背的刚度与阻尼)等有显著影响的参数对舒适度指数的影响，各个参数值的变化范围从名义值的0.5倍变化到1.5倍，其中每个参数的名义值选自文献[6]和文献[7]。

3 结果分析

分析结果，即各参数对舒适性评价指标的影响如图6～图11所示。由图6可见，随着l2、l3和l4增加，Az值降低，表明垂向舒适度提高；Ax值略有升高，表明水平舒适度略有恶化。

由图7可见，随着m2、m3增加，Az值降低，垂向舒适性提高；而Ax升高，水平舒适性恶化。

由图8(a)可见，随着θ3的增加，Ax和Az值皆升高，表明大腿越偏离水平位置，水平和铅垂两方向的舒适性都越差；由图8(b)可见，Ax和Az值皆随θ2和θs的增加而升高，表明座椅靠背和人体躯干越不竖直对舒适性越不利。

由图9可见，随着k1、k2增加，Ax和Az值都降低，各个方向的舒适性都得到改善。

由图10可见，随着k3、k4的增加，Ax和Az值减小，表示k在名义值的0.5～1.5倍范围内变化时，刚度k越大，水平和垂向的舒适度都越高。这个结论之所以不同于传统观点所认为的弹簧的k值越小越舒服的原因在于k3和k4的变化范围是在名义值的一个有限的范围内，而不是无限的提高刚度k值。

由图11可见，随着c1、c2、c3和c4的增加，Ax和Az值减小，表示各个方向的振动舒适度都有所改善。

4 结论

(1) 人体尺寸的增加，惯性相应地增加，导致加速度降低，舒适性提高。

(2) 人体质量大，通常水平舒适性变差，而对垂向加速度的影响不大，这可能是坐垫的泡沫材料起到的缓冲作用。

(3) 人体的姿势与乘坐舒适性有关，参数θ2、θ3、θs定义了人体的乘坐姿态，这些参数不仅依赖于座椅的类型即靠背的角度，而且与人的坐姿有关。大腿越向上倾斜而座椅靠背和人体躯干越偏离竖直位置时，人体对振动越敏感，尤其是纵向。相反，躯干接近于竖直位置和大腿呈水平姿态时，舒适性会更好。

(4) 增加座椅泡沫的阻尼值，舒适指数会提高。在名义值的0.5～1.5倍范围，座椅坐垫刚度和靠背刚度的增加，可以改善各个方向的舒适性。

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Sensitivity Analysis of Ride Comfort to the Main Parametersof the Occupant-Seat System of a Vehicle

Li Rui1,2& Guo Lixin2

1.CollegeofElectromechanical&InformationEngineering,DalianNationalitiesUniversity,Dalian116600;2.SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,NortheasternUniversity,Shenyang110004

A two-dimensional dynamics model for occupant-seat system is built for analyzing the effects of its main parameters on ride comfort with a corresponding non-linear simulation model also established by Matlab SimMechanics. The pavement excitation data obtained by experiment are input into non-linear simulation model and linear dynamic model respectively to compare their output in terms of acceleration power spectrum density for verifying the validity of linear model. On this basis, a sensitivity analysis is carried out. The results show that in addition to the stiffness and damping of seat, the height, mass and sitting posture of human body also have an important influence on ride comfort.

occupant-seat system; ride comfort evaluation; non-linear model; power spectrum density; sitting posture

*国家自然科学基金(51275082)和中央高校基本科研业务费(N130403009)资助。

原稿收到日期为2012年12月21日，修改稿收到日期为2013年4月10日。