汽车座椅系统动态舒适性的研究综述

梁鹤

摘要：汽车乘坐舒适性是汽车设计开发中的重要问题。汽车乘坐舒适性包括静态舒适性和动态舒适性，前者主要与尺寸参数、表面质量、调节特性等有关，后者则主要与振动特性有关。

关键词：汽车；座椅系统；动态舒适性

随着人们生活质量的提高，对汽车的需求量也随之增加。提高汽车座椅的舒适性是车企增强竞争力的重要途径，同时还可以提高驾驶的安全性，因此对汽车座椅动态舒适性的研究就显得极为重要。

一、作用

汽车座椅在汽车使用中有着如下重要作用：（1）给驾驶员和乘客有力支撑。通过为人体提供合宜的体压分布，座椅能够充分保证汽车行驶中驾驶员和乘客的平衡和稳定。（2）固定驾驶员位置。良好的视野，便捷的挂档、刹车等操作是平稳驾驶的重要前提，座椅能够固定驾驶员的位置，加上安全带，能够保障驾驶员舒适地驾驶汽车。（3）保证驾驶员和乘客安全。舒适的座椅能够降低驾驶员的疲劳度，减少事故的发生，即便出现意外，座椅也能减轻对人员的伤害。简而言之，汽车座椅能够在规定的条件下，保障驾驶员和乘客的舒适度，并且能够保障安全驾驶，减轻意外伤害。

二、国内外对座椅舒适性的研究

1.国外对汽车座椅舒适性的研究。早在上世纪40 年代，就有国外学者对汽车座椅舒适性进行研究；到了60 年代，随机振动理论兴起，借助这个理论，对汽车行驶中的振动也进行了更深入研究，找到了对人体影响最大的振动。在理论研究的同时，国外学者也不断地改进座椅设计，进行了大量的实验。例如，人-椅系统的传递特性、不同姿态下人体振动模型等，这些实验、模型都取得了不错的成果。直到90 年代，有企业成功研制出了空气悬挂式座椅，这极大地改善了载货汽车和大客车驾驶员的驾驶体验。并且逐渐成为汽车座椅动态舒适性研究的一个新方向，吸引着研究者前仆后继。目前以美国ROHO 为首的研发机构，已经研制出了充气坐垫椅，这一革新技术，极大改善了驾驶体验，也越来越被汽车生产厂家重视。

2.我国对汽车动态座椅舒适性的研究。我国在这一块研究起步较晚，与世界前沿有着明显的差距。上世纪80 年代，计算机在我国开始普及，极大地提高了汽车座椅动态参数的建模，优化分析能力，各大车企产出了丰富的研究成果。不过，总的说来，我国汽车座椅动态舒适性的研究还是比较落后，归纳原因，有以下几点。（1）研究方法不够先进。由于我国起步晚，加之国外对最前沿技术的垄断封锁，我国研究人员缺少必要的理论支撑，自主创新能力又不足。座椅减振是一项综合技术，涉及系统动力学，机械振动等，而我国在这些方面的研究也跟不上，所以，我国汽车座椅舒适性研究只能缓慢进行。（2）监管层面不够重视。在我国座椅舒适度没有硬性要求，不作为出厂检测的强制指标，所以大多数企业不够重视，很少对座椅舒适性进行专门的针对性研究和改善。未来随着客户需求的提升，必然要求企业加强对座椅舒适度的研究。

三、汽车座椅系统动态舒适性分析

1.座椅系统动态分析与优化。对于有悬架的座椅系统，影响其动态特性的因素有：座垫的刚度和阻尼系数，悬挂系统的质量、刚度和阻尼系数以及座椅系统连接件的摩擦；对于非悬架座椅系统主要考虑座垫的刚度、阻尼以及座椅刚架结构的动态性能。刚度决定座椅的共振频率，而阻尼系数决定座椅的振动衰减特性。虽然座椅系统的质量和结构连接件的摩擦会影响整个系统的动态性能，但由于质量和摩擦受其他因素限制而不会变化太大，所以，刚度参数与阻尼系数就成为影响整个座椅系统动态性能的主要因素。由于座椅与人体直接接触，而且在大多数情况下，座椅悬架系统是用来控制低频和大振幅振动的仅有的机械装置，所以，座椅的悬架实际上是消弱垂直振动的最简单、最有效的选择。因此，应不断研究通过改进坐姿和座椅的消振性能来降低驾驶员不舒适度。汽车运行时，会产生强烈的横向和纵向振动。对于带有悬架的座椅系统有许多优化研究。优化目标一般有三种：一是传入人体的能量为最小；二是使人体在敏感频率区域动态响应为最小；三是传给人体的加速度均方根值最小。优化参数为：悬架及座垫的质量、刚度和阻尼以及连接件的摩擦。显然，无论对于哪种优化目标，座垫与座椅悬架的刚度越小优化结果越好，但是相应地变形量会越大，反而会增加人体的不舒适度，因此，对于座椅系统的座垫和悬架的刚度采取最小值限制。座椅动态模型由+ 个自由度的人体、一个自由度座椅和一个自由度车辆模型组成。座垫和座椅的刚度由静态的力—位移特性确定。座椅与座垫的阻尼特性建立在使用正弦函数位移激励进行仿真的基础上计算出来。但是，研究中并没有提供座垫的优化阻尼，模型包含一个自由度的无质量悬架和自由度人体模型。优化结果显示：座垫和悬架应取原始限制的下限；优化后的座椅悬架和座垫的质量在不考虑刚度下限的情况下是不变的；优化的阻尼系数严重依赖于刚度下限值，阻尼系数随刚度下限的增加而增加。研究表明：座椅悬架系统的质量大时对人体动态舒适性有利，但考虑到材料成本和其质量又不能太大，另外还要考虑到与座椅刚度的配合；座椅连接件的摩擦系数越小，对人体动态舒适性越有利；适当降低座椅悬架的液压减振器的阻尼系数对舒适性有利。

2.乘坐时驾乘人员“前滑”的控制。前滑是指汽车在紧急制动的情况下人体与座椅接触面产生向前移动的现象。（1）“防前滑鼓包”的形状的確定。“防前滑鼓包”的形状及安装位置必须按照人体在座椅上的最佳座姿来确定。最佳座姿一般通过测定“体压分布”来确定。根据对汽车座椅的舒适性分析可知防前滑鼓包的最高点到坐垫后端点P的连线与水平面的夹角在10～15度为最佳。（2）“防前滑鼓包”的安装位置及形状的确定。首先，对其安装位置进行了分析，并初步确定其位于臀部和大腿后部之间的某个位置上，也就是离座骨节点150mm（离坐垫后端270mm）以外的地方。其次，确定“防前滑鼓包”最高点的位置，也即确定了它的高度。最后，为验证安装位置的效果，专门测定了5个不同的人5次在60km/h速度情况下急刹车的前滑距离的平均值。

3.乘坐时驾乘人员“侧倾”的抑制。要抑制侧倾给驾乘人员带来的不快感和疲劳感，就必须对座椅的靠背进行改进。在舒适座椅的靠背上，第三腰椎骨附近承受的压力集中。因此可以针对这一部位进行分析改进。侧倾现象对人体的舒适性有很大的影响，针对该现象，从两个方面进行了改进：第一、限制侧倾的移动距离，增加限位装置，即防侧倾支架；第二、减缓侧倾时的侧摆速度，即加大座椅靠背海绵的阻尼系数，加入镶块海绵。（1）防侧倾支架位置及形状的确定首先，要测定人体第三腰椎骨到座椅坐垫的后端点的距离，测试时选定了10位不同身高（身高1.55m～1.78m）的人作为被测对象，这10个人的选定情况为：符合第五百分位2个、符合第五十百分位4个、符合第九五百分位2个。人体第三腰椎骨到座椅坐垫的后端点P的距离在250mm附近，范围在230mm～280mm之间。根据试验得到的结果，选择在座椅靠背骨架离下结点（靠背与坐垫的连接点）250mm（支架中心）的地方增加两个防侧倾支架。

汽车座椅的动态舒适性是汽车驾驶体验的重要组成部分，也是消费者购买欲望的重要参考指标。提高座椅的舒适性不仅是迎合消费者心理的需要，更是保障驾驶员生命安全的需要，还是汽车企业提高核心竞争力的需要。

参考文献：

[1]陈家瑞等.汽车构造，北京：人民交通出版社，2018

[2]王碹，李宏光等.现代汽车安全.北京：人民交通出版社，2017

[3]黄世霖.汽车碰撞与安全.|B京：清华大学出版社，2017