汽车座椅坐垫悬簧的舒适性设计研究

马增辉

（一汽奔腾轿车有限公司，长春130012）

主题词：汽车座椅 舒适性 坐垫悬簧

1 引言

现代乘用车已经不仅仅是传统意义上的载运工具，随着人们物质生活水平的不断提高，特别是互联网和汽车技术的不断深入结合，它已经成为了“人、汽车和环境”的有机结合体[1]，是汽车消费者长期驾乘、旅途娱乐和工作的重要环境场景之一。因此，人们对汽车的驾乘体验要求也随之越来越高，“安全、舒适、智联”已经成为现代乘用车的优选目标。汽车座椅作为汽车直接支撑人体的承载装置，在汽车座舱系统中起到了重要作用。汽车座椅不仅减缓路面颠簸给人体带来的振动和不适，还为驾乘者提供了舒适、便捷的乘坐体验[2]。因此，提高座椅舒适性成为了各大车辆制造厂家和座椅供应商研发设计的重要研究方向[3-4]。

此外，随着乘用车市场的快速发展，用户在购车时，多通过内饰的直观感受和实际操作使用来完成对汽车的初版评价，直接影响了消费者的购车意愿。而座椅作为内饰的重要组成部分，是人与内饰直接交互的重要部件，在消费者驾乘过程中，提供了安全和舒适性多种功能体验。在安全方面，座椅可以提供侧气囊的乘员保护、安全带的乘员保护、防下潜保护；而舒适性的范围较为宽泛，便利的操作、舒适的身体感触、悦耳的声音、良好的外观视觉。在操作便利性方面，前排座椅可以前后调节、上下调节、靠背角度调节、坐垫倾角调节，后排座椅可以前后调节、靠背角度调节、折叠、翻转，头枕可以上下、前后调节；在人体感触舒适性方面，座椅在用户驾驶、坐乘、休息等场景中提供了与用户交互最为直接的体验；在声音体验方面，座椅在操作和与人体接触过程中不可产生噪音；在座椅外观方面，座椅体现的整体造型、面料材质、色彩搭配更加直观。因此，座椅的舒适性已成为消费者购车的主要关注点之一，也是各大汽车厂家提高内饰品质的亮点之一。很多消费者在4S 店对比车辆或者选择车辆时，在汽车内饰中，最直观和最直接的车内接触部件就是座椅，座椅的舒适性、风格、配置、造型、颜色、触感、材质、气味都会影响消费者对车辆是否购车的意愿，且舒适性又涵盖了造型、触感、材质、风格。

2 座椅舒适性

舒适是人身处在环境之间，心理、生理和物理上的相对平衡的状态，当身体感触到平衡时，则可称之为舒适；但因外在因素改变，而被打破此种平衡状态时，则可能认为有不舒适的感觉产生[5-7]。而舒适性是舒适程度的一种主观感受。在一般情况下多数体验者对舒适性感到满意，则认为此时的舒适性好。就座椅而言，要满足人的静态和动态使用，要满足驾乘者坐和其他姿态的需要，要满足驾乘者在驾驶或乘坐过程中，对汽车内饰零部件在触感、听觉、视觉直观感知具有良好的感受[8-10]。因此，座椅舒适性的好坏直接影响了消费者对车辆评价的高低，进而影响了消费者的购车欲望。

汽车座椅舒适性主要分为座椅静态舒适性、座椅动态舒适性、座椅操作舒适性。

图1 座椅舒适性[10]

2.1 座椅舒适性部件简介

汽车座椅的舒适性部件是汽车座椅中为人体提供舒适体验的部件[11]，满足人体对舒适性需求的重要组成部分，多以通过气动结构、机械机构、物化性能来实现。汽车座椅的舒适性部件一般由腰托、坐垫悬簧、按摩、腿托、靠背发泡、坐垫发泡、头枕和一些提高人体舒适性体验的调节机构组成（图2）。

图2 汽车座椅舒适性部件

座椅舒适性部件是以座椅骨架为基础，在骨架上连接或者安装各种舒适性部件，达到对人体姿态调节（包括腿部、臀部、腰部、肩部、肘部、头部）和人体对舒适性的体验需求。

2.2 座椅的舒适性设计

汽车座椅的舒适性设计包括了断面校核设计、面套设计、发泡设计、操作便利性、结合骨架设计和装备功能定义的舒适性部件设计[1,12,13]。

（1）断面校核设计，通过对造型的特征断面的舒适性分析，以不同的座椅参数，适当调整造型形面，提高舒适性；

（2）面套设计，通过对面套颜色、外观、触感、透气性、吊紧位置设计提高舒适性；

（3）发泡设计，通过发泡密度、硬度、滞后率、A面设计和B面设计提高舒适性；

（4）舒适性部件设计，在骨架平台上，以装备功能定义为依据，添加满足功能要求的舒适性部件，结合座椅参数，设计舒适性部件的连接形式、性能和形状；

其中，舒适性部件的布置和设计，是显著提升座椅舒适性的方法之一。坐垫悬簧作为汽车座椅必备的舒适性部件，它的舒适性设计尤为重要[14-15]。

3 坐垫悬簧的设计

坐垫悬簧多配置在前排座椅上，前端挂在坐垫骨架半盆上或者前横管上，后端挂在后横管上。本体材质多为弹簧钢，形状多为蛇形对称结构，或者蛇形顺次排列结构。主要提供发泡支撑、线束连接和面套挂接作用。

坐垫悬簧作为汽车座椅舒适性部件的重要组成之一，对舒适性的提升具有一定作用。

3.1 坐垫悬簧的整体结构

目前，市场上的坐垫悬簧主要采用如下结构形式，包括钢丝连接+钢丝挂接（图3），通过钢丝结构将四个单独的钢丝连接在一起；钢丝连接+塑料管包钢丝挂接（图4），每根钢丝的前挂点和后挂点用塑料管包裹，并通过钢丝结构将四个单独的钢丝连接在一起；包塑连接+包塑结构挂接（图5），对每根钢丝的前挂点和后挂点包塑，通过塑料结构将各个钢丝连接在一起。

综上，结合目前主流车型，坐垫悬簧多为两端挂接部分为包塑，各个钢丝间通过包塑结构进行连接。本文推荐坐垫悬簧的整体结构使用关于XZ平面的对称结构，可以使人体臀部两侧的触感一致，整体使用钢丝折弯结构，每根钢丝的两端都进行包塑，各根钢丝间使用注塑结构连接。

图3 包括钢丝连接+钢丝挂接

图4 钢丝连接+塑料管包钢丝挂接

图5 包塑连接+包塑结构挂接

表1 坐垫悬簧结构

3.2 悬簧的材料

对标国内外各主流车型，推荐钢丝材料符合标准EN 10270-1《机械弹簧用钢丝》或者相关性能要求标准对等的国家标准。推荐使用直径3 mm的钢丝进行折弯。

3.3 悬簧的舒适性设计

舒适性包括外观的视觉感受、操作的便捷性、身体接触的感受、嗅觉感受、听觉感受，是驾乘者对座椅舒适性的直观感受和重要体验。舒适性设计，将以这些方向为基础，进行结构和功能设计。坐垫悬簧可以结合身体接触感受和听觉感受2 方面进行舒适性设计，推荐如下。

从听觉感受方面，由于坐垫悬簧主体为钢丝结构，且安装点处也都是金属结构，所以减少异响成为听觉舒适性的重要设计理念。综合考虑工艺可行性和轻量化的要求，推荐采用在钢丝两端进行包塑，包塑结构推荐为3 mm 厚的塑料结构形式，各根钢丝间通过塑料结构连接。前后挂接结构包塑，可以有效避免因为坐垫发泡和坐垫骨架在相对运动时，钢丝和前后横管、钢丝和半盆之间的金属间摩擦而产生的异响，提高了人体对声学的舒适性需求。

从身体接触方面，减少由于钢丝形变对H点的影响(图6)，增加对人体臀部的有效支撑为设计要点，来提高舒适性。坐垫悬簧的钢丝在XZ 方向上，钢丝方向改变处推荐为接近过H 点所在铅垂线。钢丝形变方向，在接近过H 点处的铅垂线处改变，可以减小钢丝的弹性变形对H点的影响；同时，主体采用4根蛇形钢丝，增加坐垫悬簧和坐垫B 面的有效接触面积，提高人体在驾乘时，坐垫悬簧间接对人体的有效支撑，提高舒适性。

图6 钢丝折弯方向在H点处改变

同时，钢丝的形变趋势如果可以符合人体臀部的外形走势（图7），这样可以使腿部的人体到金属的距离（英文全称meat to metal，即MTM）值更均匀，使人体在驾乘时，不会因为坐垫悬簧的与腿部间的MTM 值突变而感受到异物感或突兀感，提高了人体腿部和坐垫的接触触感，提高了舒适性。

图7 钢丝折弯的趋势

考虑舒适性的同时，也不能忽略座椅安全。在碰撞时，人体会相对座椅产生下潜的情况，此时，座椅的防下潜设计也很重要。在兼顾舒适性设计的基础上，推荐坐垫悬簧的前挂点挂接在前横管或者半盆上的挂接槽中，在满足防下潜区域要求的基础上，满足R＞55 mm，α＞25°，见图8。其中R 为坐垫悬簧前端与前横管连接钢丝的有效长度，α为与前横管连接平面与水平面的夹角。在考虑人体舒适性的前提下，满足了对人体的保护，满足了座椅安全性需要。

图8 座垫悬簧防下潜参数

此外，坐垫悬簧刚度也对舒适性有一定影响，推荐参照坐垫整体刚度，避免与人体产生共振，来选择坐垫悬簧刚度。人体垂直方向最敏感的频率范围是4～12 Hz，由式可 知，坐 垫 的 固 有 频 率fs≤3 Hz，且不易太小，造成挠度过大，在颠簸路况时，给人体带来更大的冲击，甚至长期处在此种路况下产生眩晕的感觉。

3.4 悬簧与发泡的匹配

悬簧和发泡的匹配推荐零贴的方式，即坐垫悬簧最上形面和发泡的B面贴合，防止两者之间存在间隙或者空洞，使人体在乘坐时感到不适；在前后挂接部分，扣除发泡和坐垫悬簧之间可能干涉的部分，防止因局部干涉，引起发泡局部压缩，使人体乘坐时感受到异物感。此外，坐垫悬簧也为线束和面套提供连接基础，悬簧的包塑结构推荐考虑线束的连接，做一些凸台、凹坑结构；钢丝在X 方向的折弯位置也需考虑面套的挂接位置。

4 结束语

随着中国汽车市场的高速发展，汽车消费已经日趋成熟，消费者对汽车的驾乘体验和内饰舒适性的要求也越来越高，座椅作为内饰的重要子系统，作为直接承载人体的零部件，对提升内饰品质、提高驾乘体验都起着重要作用。汽车座椅的舒适性和安全性设计要求也逐渐转变为座舱舒适性和档次感的要求。在现代汽车座椅设计中，舒适性设计已成为重要的研发方向，如何提高座椅舒适性尤为重要；同时，提高安全性的作用也不言而喻。提高汽车座椅的舒适性，对于降低驾驶员的疲劳、提高驾乘者的愉悦驾乘体验，对减少由于驾驶员疲劳和困乏而引起交通事故的发生具有积极用作。

因此，舒适性部件的优化设计作为提高座椅舒适性的有效手段之一，对提高座椅舒适性有着积极意义。随着汽车电气化的快速发展，汽车市场对舒适性部件的要求也越来越高，如何实现定制化、低噪音、低成本、便捷装配将成为未来舒适性部件方面的研究课题。