汽车座椅弹簧设计及优化研究

魏小红 林金源

摘 要：汽车座椅弹簧的作用是在汽车形式过程中达到减震的作用，提高驾驶人的舒适感，当车辆长期在不平整的路面时，座椅能够降低车辆振动对人体机能带来的伤害，避免驾驶人由于血液循环等问题对视觉造成影响而带来交通安全问题。本文首先分析汽车机械振动对驾驶人的影响，通过确定座椅高度等内容研究汽车座椅弹簧设计重点，通过进行弹簧性能实验等内容研究汽车座椅弹簧设计优化方式。

关键词：汽车座椅 弹簧设计 优化方式

Abstract：The role of car seat spring is to achieve shock absorption in the process of automobile form， and improve the driver's comfort. When the vehicle runs on uneven road surface， the seat can reduce the vehicle vibration to the human body function damage， to avoid the driver due to blood circulation and other problems on the visual impact and bring traffic safety problems. This paper first analyzes the influence of automobile mechanical vibration on the driver， studies the key points of automobile seat spring design by determining the seat height and other contents， and studies the optimization method of automobile seat spring design by conducting spring performance experiments.

Key words：car seat， spring design， optimization method

1 引言

现代人们对汽车的需求逐渐增大，汽车座椅的舒适度以及安全稳定能力影响汽车整体评价以及销售量，汽车振动对人体腰椎间盘的伤害是巨大的，尤其是长时间的驾驶会造成驾驶人的疲劳，对道路交通安全造成威胁，汽车座椅内弹簧设计影响着汽车行驶过程中驾驶人的动态舒适度以及能否稳定控制汽车的程度，汽车座椅弹簧设计优化能够提高汽车座椅的安全性与稳定性，提高汽车企业的经济效益。

2 汽车机械振动对驾驶人的影响

汽车在行驶过程中会出现没有规律的、不同强度的振动，直接影响车内人员的身体躯干动作以及惯性的生理应激反应，最常见问题是晕车。由于汽车振动会影响人体的肌肉系统、呼吸系统等，在振动频率比较低的情况下，人体机能不会出现强烈的应激反应，但当振动频率不规范时，肌肉系统面临长期的应激反应，始终保持紧张状态没有放松机会，带来的主要问题是对人体的脊椎造成伤害，尤其是腰椎间盘部分。汽车的不规律振动会影响到驾驶人的头部血液循环，造成驾驶人视网膜呈现的影像模糊，进而由于视力减退引发交通事故问题。头部血液循环出问题还会影响到驾驶人的情绪以及思考能力，例如在高速公路上行驶时，不能及时发现四周存在的安全风险隐患，容易引发严重的交通事故。汽车座椅弹簧能够降低汽车振动对人体带来影响，为汽车安全行驶提供保障[1]。

汽车的振动会加速驾驶人的疲劳进程，原因在于驾驶人需要在汽车行驶过程中长时间保持对外界环境的敏感度，思维保持活跃状态，不断增加身体机能的能量消耗，由此带来道路交通安全隐患问题。

3 汽车座椅弹簧设计重点

汽车指轿车、5座或者7座的SUV（运动型多功能车，俗称越野车）、MPV（商务车内，多用途汽车，是从旅行轿车演变而来，它集旅行车宽大乘员空间、轿车的舒适性、和厢式货车的功能于一身，一般为两厢式结构，可以坐7-8人）、跑车（底盘低）、微型面包车以及客货两用皮卡车。以下举例汽车座椅弹簧设计重点根据这六种车型使用特点进行研究。

3.1 确定座椅高度

不同的座椅高度影响着汽车驾驶员的驾驶状态，结合汽车类型首先设计汽车座椅的高度，通常轿车以及越野车的座舱高度范围在1.2米-1.5米之间，驾驶人的头与顶部存在空间，结合正常人体上半身与下半身的分配比例，座椅的高度通常在20厘米-35厘米之间，根据座椅高度以及车辆的使用类型，根据汽车座椅平面位置的面积大小，分析各个部位需要弹簧承担的力，合理分布座椅内的弹簧数量以及各个部分的弹簧高度与硬度[2]。

3.2 弹簧材质选择

弹簧的类型多樣并且重力缓冲能力各不相同，弹簧与减震器连接，因此分在弹簧上的力也出现不同，当发生车祸问题时座椅的机械力缓冲作用需要达到对驾驶人伤害减轻到最低，即座椅能够消化车辆碰撞时对驾驶人造成的势能能量伤害，这就需要弹簧的重力承受能力以及能量储存能力得到保障，符合汽车使用目的，因此，座椅内弹簧通常会选择钢质材料[3]。

3.3 弹簧的静力能力计算

汽车座椅性能以及质量反映在汽车座椅的悬架系统上，影响悬架系统质量的主要是弹簧的刚度，为了实现汽车座椅性能的保障，运用合适的弹簧分布提高座椅的机械能缓冲能力。通过计算座椅弹簧的最大应力以及其位移程度，结合两种计算结果计算弹簧的静刚度，得出弹簧的最大静力荷载，了解弹簧出现压死圈的问题原因并提出设计优化方案[4]。

3.4 符合人体振动频率

人体振动频率以及在汽车振动影响下，主要振动部分为腰部，影响着驾驶人员对汽车的控制能力，因此，汽车座椅弹簧设计既需要符合人体振动的幅度与频率，还需要重视对驾驶人腰部位置的保护。为了实现弹簧设计的这一个功能，需要汽车座椅弹簧设计人员选择不同的体重或者体型的人员参与到人体的频率振动实验当中来，为弹簧设计提供数据参考[5]。

4 汽车座椅弹簧设计优化方式

4.1 进行弹簧性能实验

弹簧在低荷载范围内，刚度变化小，而在高荷载范围内容易出现压死圈的问题，但同时弹簧的刚度出现增加的情况，为了实现弹簧功能符合不同类型车型对座椅质量以及性能的要求，满足不同体重驾驶人的舒适感以及安全性要求，汽车企业需要研究出能够随着荷载力变化而变化的弹簧。弹簧设计优化的前提是需要对各种弹簧实施不同变量的实验，提高对弹簧的性能以及刚性的了解，结合汽车应用目的，促进弹簧设计的优化。

圆形截面圆柱螺旋压缩弹簧，压缩弹簧的圈与圈之间有固定的间隙，当受到外载荷时弹簧收缩变形以及储存变形，缓冲性能以及减震性能较好，能承受相对大的载荷，而且当载荷大而径向尺寸有限制时，可将两个直径不同的压缩弹簧套在一起使用，成为组合弹簧，进一步提高弹簧的荷载能力。这样的弹簧制作方便，应用范围广泛。图1为圆形截面圆柱螺旋压缩弹簧。

圆锥形螺旋弹簧缓冲性能较好，能承受较大载荷力并且能储存较多能量，及时恢复到原来的形状，这种弹簧稳定性强，并且弹簧在受到外界荷载力变化时，它的自振频率是不固定的，有效防止座椅与驾驶人共振的情况发生，缓和了地面的冲击对车身的影响，提高驾驶人的安全。但圆锥形螺旋弹簧制作工艺复杂，需要汽车设计人员合理结合汽车使用目的等进行弹簧设计。图2为圆锥形螺旋弹簧。

圆锥螺旋弹簧的应用范围比较广，并且性能更加符合座椅性能需求，因此，在弹簧设计优化过程的实验中，提高圆锥螺旋弹簧的旋绕比，提高弹簧的软度，当荷载力比较小的时候也能实现能量缓冲作用，提高驾驶人的舒适度。弹簧性能的实验结合不同类型的汽车座椅设计进行，了解弹簧在不同类型的汽车中的需要具有的荷载力以及不同机械力的缓冲能力，为汽车座椅弹簧设计优化提供丰富的数据参考。

4.2 加强高素质人员团队建设

汽车座椅弹簧设计优化需要设计人员清晰了解各种弹簧的性能以及弹簧在座椅上的具体分布，还需要了解各类汽车性能以及振动频率等问题，例如各种弹簧在汽车座椅内不同位置的作用以及汽车在行驶过程中产生的各种能量对驾驶人造成的影响等问题，在座椅弹簧设计方面既需要提高座椅与人体身体构造符合的程度，保障对驾驶人腰部的保护，还需要达到在减振缓冲过程中驾驶人依旧能够妥善控制行驶汽车，避免发生交通事故的问题。汽车企业在招聘这类专业人员的过程中重视对其进行物理相关知识的考察，要求设计人员对某种汽车车型性能等有自身深入的见解，对汽车座椅弹簧设计优化工作有强大的积极性，不怕麻烦与困难，在弹簧设计过程中能够积极探索创新，提高汽车座椅的的舒適度。汽车座椅弹簧设计优化需要结合人体的H点与汽车类型两方面综合设计座椅的厚度以及弹簧分布，包括各个部分弹簧应用的最佳材质，提高汽车座椅的合理性与舒适度。弹簧设计人员需要对人体构造有所了解，人体脊柱是S型曲线，弹簧设计优化工作需要结合座椅的弯曲程度进行弹簧长度等内容的调整，积极进行实验研究，扩大对不同类型弹簧的了解范畴，为汽车座椅质量与性能的提高做出贡献。

目前我国汽车座椅弹簧设计能力还没有达到世界先进水平，因此，企业需要加强对这类设计人员的知识与技术能力的培训，提供这类人员到发达技术的国家进行学习的机会，了解更多具备专业数据的座椅弹簧设计方案，提高自身的知识储备量，有能力独立进行汽车座椅弹簧的设计优化。对这类人员培训汽车整体性能以及内部构造的相关知识，加强汽车设计与座椅弹簧设计两个部门的沟通与交流，互相之间了解对方的需求并找到合理的解决方法，提高座椅弹簧设计与发动机加速度变化等数据变量的联系紧密度，进而提高汽车的整体性能，保障汽车在行驶过程中的协调性。

要求汽车座椅弹簧设计人员能够使用专业的3D显示技术将座椅弹簧设计优化方案进行展示，并通过这项技术开展不同惯性以及荷载力等变化的实验，了解座椅弹簧设计优化后的质量与性能，尤其是座椅能否最大限度达到对驾驶人的控制，降低汽车振动对是人体的伤害，保障驾驶人的安全稳定驾驶。

4.3 提高实验研发投入

在原有的座椅弹簧设计上，分析座椅在承载力提高的情况下，结合人体构造提高座椅弹簧设计的合理性。弹簧设计优化还需要结合座椅的材质使用等问题提高弹簧与座椅的协调性，由于我国目前还没有全面自主研发汽车座椅的能力，因此，汽车企业需要提高自身对科学研究的投资力度，促进我国的自主研发座椅工作的进展，设计符合我国人民身高以及驾驶热人习惯发力方向的座椅，让内部弹簧设计发挥应有作用。

目前市场上存在着一种空气弹簧，是在软性的塑胶物充进有一定工作压力的气体，运用气体的膨胀性来建立其延展性作用，达到汽车行驶过程中的能量缓冲以及能量储存作用。但这种空气弹簧造价比较高，应用于汽车座椅当中会增加汽车的销售价格，降低汽车整体设计的合理性，针对这类弹簧加大其研究投入，从材质的研发创新出发，逐步降低空气弹簧的生产造价，并通过其优异的延展性提高与驾驶人身体结构的贴合度，提高汽车座椅弹簧设计的科学性。空气弹簧的使用方案需要研究人员以及设计人员合作开展，在符合汽车企业对座椅质量的要求下，研究如何合理利用空气弹簧并安装在合理的位置，丰富我国汽车座椅内的弹簧类型。

座椅弹簧设计优化还需要加大研究力度在汽车加速度以及转弯时的支撑能力，对于对汽车来说，无论是急加速还是急转弯，其纵向或是横向的加速度基本可以达到0.7G、0.8G左右，而转弯时的侧向支撑能够保障限制住驾驶人身体的来回移动，消除驾驶人在合成加速度状态下产生的不适感，因此，在这两个方面需要提高弹簧的能量储存能力，提高座椅侧方弹簧的刚性。汽车座椅弹簧设计与座椅的填充物、骨架、调节装置和车身连接件等内容有关，由于座椅的使用频度极高，因此安全性能是其最重要的需求，在弹簧设计优化方面需要加强弹簧的耐用能力，提高弹簧与座椅内其他物件的连接质量。加强科研研发可以在弹簧材质的重新加工构造方面，结合常用的弹簧材质进行刚性的重新调整，满足座椅不同部分对弹簧刚性的要求。

汽车企业加强与专业院校以及实验研究所的合作，提供丰富的座椅弹簧研究材料以及相应的数据，提供研究人员来到汽车座椅加工厂学习了解的机会，丰富研究人员对座椅弹簧的了解与认识，将自身对弹簧设计优化的主要要求同步给到研究人员，让研究人员有针对性的开展研究工作。提供新研发弹簧的实验机会，不断进行各种变量的变化了解新弹簧的荷载承受范围等，并将其应用到实际的汽车座椅生产当中对整车进行实验，选择赛车手进行座椅评估，因为赛车手对汽车座椅的要求与了解是高于普通驾驶人员的，邀请赛车手开展新研发座椅弹簧设计的实验工作能够为研究人员提供更加全面并且具体的意见。

汽车座椅弹簧的设计优化工作还可以加强对减震器构造的研究，计算出减震器在运动颠簸过程中的各种状态，为了达到颠簸过程中的平衡，如何与弹簧的作用结合提高减震器的缓冲能力。不断加强新技术的研发力度能够提高我国在汽车设计与生产方面的技术能力，降低企业在零件采买上的经济成本，提高企业的经济效益，促进汽车行业的可持续发展。

4.4 加强与客户沟通

汽车座椅弹簧设计优化需要改进的部分有哪里，或者座椅弹簧存在的质量等问题都可以与汽车消费人员进行问卷调查，了解消费者在日常驾驶过程中对座椅舒适度以及不平整路面的减震缓冲能力的评价，了解汽车座椅在加速度以及转弯的过程中，座椅靠背是否达到了在车速放缓时的状态回弹，了解座椅侧边区域对驾驶人的限制能力以及是否随着使用次数的增加，座椅的限制效果在逐渐降低的情况，当路面不平整时，驾驶人是否可以接触到汽车控制部分等，在进行调查与沟通的过程中了解不同體型人员对汽车座椅的要求，了解弹簧设计过程中需要注意的细节性问题，提高弹簧设计优化的全面性。

汽车座椅弹簧设计优化需要结合汽车发动机的功率以及惯性力的大小等因素，因此，在与消费者沟通的过程中，设计人员通过对消费者的体型以及常用路面平整度等因素的了解，分析座椅各个部分弹簧的承受力是否存在的不均匀的情况，在优化过程中为设计人员提供充分的数据基础，进而找到合适的解决方法为座椅的安全稳定性负责。当汽车经常在不平整路面行驶时，座椅舒适度大概多久会降低，在这个过程中能否感觉到力的缓冲，帮助设计人员了解座椅弹簧设计优化的主要方向以及重点。重视与汽车维修部门的联系，了解消费者在汽车座椅上的维修主要内容，为汽车座椅弹簧设计优化提供参考。

5 结语

汽车座椅弹簧设计需要从座椅高度、弹簧材质、弹簧力的缓冲能力计算等内容出发，结合不同的车型设计弹簧的长度以及直径等，汽车座椅弹簧设计优化需要加强对弹簧性能的实验与考察，了解不同弹簧在实际应用中性能的差异，提高弹簧设计人员的技术能力，丰富其对汽车整体性能以及各个设备质量连接的影响的了解，汽车企业加强科技研发，影响弹簧设计优化工作不断发展，促进汽车整体质量的提高。

参考文献：

[1]战磊，陈丽洁.汽车座椅手动调角器卷簧设计研究[J].汽车零部件，2020（02）：28-31.

[2]李赟，贺福强，薛亚军，徐浩然.基于DFMEA的汽车座椅调角器设计与分析[J].现代制造工程，2020（11）：113-119+112.

[3]李洒.越野车座椅减震机构设计[J].现代制造技术与装备，2020（01）：92-96.

[4]林柄宏，黄志辉，王玉辉，穆云飞.异形汽车座椅弹簧的刚度及应力分析[J].华侨大学学报（自然科学版），2021，42（06）：720-724.

[5]邱汉青.基于空气弹簧力学特性的汽车座椅载荷自适应隔振仿真研究[D].哈尔滨工业大学，2021.