2021年第8期
1080 引言
随着智能驾驶技术的提升，L2级和L3级辅助驾驶，
以及未来的L5级智能驾驶的应用，汽车座椅的被动安全性逐渐让步于整车的主动安全性，车内乘员可以得到更有效的保护。驾驶员可以部分时间或者全部时间由车辆接管车辆的驾驶，驾驶员可以在车内进行工作或者休息，因此座椅的舒适性越发重要。此前业内专家学者已经从不同角度提出汽车座椅舒适性开发方法，主要基于人体的几何尺寸来实现座椅的舒适性。在实践中，这些方法的不足之处在于几何尺寸并没有从舒适性的机理来提供理论支撑，对设计的指导意义不够；同时由于几何尺寸基本来自SAE假人，与不同市场的人体尺寸相差较大，基于此开发的座椅舒适性不能得到很好的认可。本文阐述如何根据人体骨骼和肌肉等生理机能相关研究来指导座椅舒适性开发，并设计出相应的静态舒适性评估和动态舒适性评估方法，对座椅的舒适性进行全面的评估，从而可以有效地指导座椅舒适性设计，并且能够用客观与主观相结合的舒适性评价方法来评估舒适性；更进一步提出建立舒适性数据库提升企业在舒适性开发上的经验积累，指明舒适性问题改善的方向。
1 座椅舒适性开发
座椅舒适性主要包括5方面性能：
•身体支撑性
•轮廓贴合性
•姿态保持性
•活动便利性
•振动过滤性
1.1身体支撑性
身体支撑性指乘客在放松的乘坐位置上时，脊椎能处于自然的曲线，没有额外的受力，臀部支撑没有塌陷，没有异物感。根据我们的研究，HIII假人在正常乘坐姿态时，座椅靠背上承载约25kg，其中靠背上部承载10kg，靠背下部承载15kg；座椅坐垫上承载约45kg，坐垫后部承载36kg，坐垫前部承载9kg。
在座椅总成上，主要承载和提供支撑性的部件是坐垫悬簧和靠背悬簧，一般用挠度来评估悬簧的支撑特性。基于上文的坐垫和靠背负载研究，我们可以在坐垫悬簧挠度曲线上选择36kg(353N)对应的变形量作为坐垫悬簧的挠度标准值，在靠背悬簧挠度曲线上选择15kg（147N）作为靠背悬簧的挠度标准值。
1.2轮廓贴合性
人体与座椅的贴合性表现在纵向和横向两个方面。纵向主要体现在靠背上，由于人体背部主要支撑是由脊柱来实现，因此在座椅靠背的设计中需要充分考虑到人体的这个生理特点。如图3所示，在良好的坐姿下，脊柱的腰椎部分前凸，而至骶骨时则后凹。压力适当地分布于各椎间盘上，肌肉组织上承受均匀的静负荷。而在非自然坐姿下，椎间盘压力分布不正常，形成压力梯度，严重时会将椎间盘从腰椎中挤出来，压迫中枢神经，产生腰部酸痛、疲劳等不适的感觉。
基于人体工程学的汽车座椅舒适性开发与评估
汤波
（诺创汽车科技（上海）有限公司上海 201804）
摘要：基于人体工程学相关研究，在汽车座椅开发过程中对骨架、悬簧和发泡等与乘坐舒适性相关的座椅部件进行设计优化，以达到符合目标的舒适性能。最后，通过静态舒适性评估和动态舒适性评估，将较为主观的舒适性感受，转化为客观能够量化的指标，从而有效地评估汽车座椅的乘坐舒适性。
关键词：
人体工程学；静态舒适性；动态舒适性；挠度；模态图1
正常乘坐时坐垫和靠背的重量分配
图2 坐垫悬簧和靠背悬簧的挠度曲线
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横向贴合性需要考虑到人体的外形轮廓。如图4所示，市场上绝大部分座椅都是中间略微凸起，行业内称为concave （凸起），一般凸起约3mm 左右。这个凸起是因为座椅面套主要为手工包覆，由于工艺条件限制，为实现包覆后座椅外观精致性而不得不做出的妥协。然而人体的轮廓横向断面正好与之相反，中间凸起较高，呈反弧形，故此在这里发生了舒适性与工艺以及精致性的冲突。解决方案是通过开发新的面套包覆工艺，使造型在这个区域（横向截面）即使有内凹，面套仍然可以很好的与发泡相贴合，降低精致性风险，同时保证良好的人体轮廓贴合性。
奔驰吉普1.3姿态保持性
由于汽车在行驶过程中存在很多不确定性，如图5所示，在车辆急加速、急刹车、急速转弯等操作时，乘员特别是驾驶员会受到比较大的离心力，这就需要汽车座椅提供良好的姿态保持性，以保证乘客和驾驶员的姿态不产生较大的变化，而这种变化会带来强烈的不舒适感。
其中车辆加速和减速人体产生的重心变化在1.1中身体
ec718支撑性中已经由坐垫和靠背悬簧的挠度来进行保证。车辆转向中产生转向力，则主要如图6所示，由座椅的侧翼来提供支撑。侧翼的乘客姿态保持性能由座椅景中的宽度以及侧翼的高度两个影响因素共同保证。景中过宽，则乘客在车辆转向时会发生滑移，导致侧翼支撑介入过迟；景中偏窄，则在正常乘坐时，背部两侧有夹背感。
文献中提到坐垫景中宽度建议值为340～380mm ，坐垫侧翼高度45～60mm 。在实践中我们发现，对于坐垫和靠背的姿态保持性能，有如下更合适的推荐值。
1.4活动便利性
活动便利性主要是因为驾驶员或者乘客在上下车或者正常驾驶过程中，人体会有一定的活动空间要求，如图7所示，座椅设计时需要考虑的这些要求：
•便于乘员上下车•驾驶员易于踩到踏板•驾驶员上肢自由活动•乘员头部自由活动
根据多款车型的统计数据，得到以下推荐值，用于保证活动便利性。
表1 姿态保持性能推荐设计值 单位mm
坐垫景中
宽度坐垫侧翼高度靠背景中宽度靠背侧翼高度320～350
25～40
285～310
40～80
表2 活动便利性推荐设计值 单位mm
便于上下车
易于踩到踏板上肢自由活动头部自由活动
坐垫H 点处侧翼高度15～25
/
/
/
坐垫H 点+300处侧翼高度/0～10//
靠背H 点+450处侧翼高度//0～10/
头枕与乘员头部距离
///25～
35
图3
脊柱受力与乘坐姿态关系
图4
人体与座椅横向贴合关系
图5 车辆运动载荷与身体动态载荷变化
图6 人体与座椅侧翼关系
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1101.5振动过滤性
车辆在行驶过程中，会遇到各种颠簸的路面，根据文
x-car献的研究，有75.4%的人发生过晕车，而在晕车因素调查中，颠簸（振动）占46.2%。汽车座椅作为直接和人体相接触的部件，对振动过滤性有很大的贡献，主要表现为两点：抑制共振和振动吸收，如图8。
这就需要座椅骨架有比较好的刚性，座椅骨架的刚性可以用固有频率或模态来进行评估。文献中研究结论是座椅固有频率推荐为14～20Hz。在实践中我们一般推荐整椅模态大于18Hz，座椅骨架的模态大于20Hz。
如何提高汽车舒适性2 座椅舒适性评估
对于座椅舒适性评估，文献分别从不同角度和不同评估手段对座椅舒适性评估进行了探讨。其中文献将舒适性评估分为主观评价和客观评价，文献评估座椅的振动传递特性对舒适性的影响，文献则从乘员对座椅的压力分布来对座椅的舒适性进行评估。
由于舒适性评估是一个系统性的工作，不是单次的行为，通常对每个车型的座椅做过舒适性评估后，评估结果需要保存在数据库中，方便后续的车型开发时确定舒适性目标和对比。故此我们将舒适性评估分为静态评估和动态评估。静态评估指在试验室环境下所做的评估，以客观试验为主，以主观评估为辅，评估的结果有具体的数值或者分值，便于录入数据库进行对比分析；动态评估指实车环境下的路试，以主观评价为主，用实际消费者的角度来进行评估，评估方式为问卷或者打分表形式居多。动态评估的结果用来和静态测试的结果进行比较，进行一致性分析和后续的改进。奔驰b150
2.1静态评估
2.1.1H点测量
H点测量是座椅所有测试的基础，只有在H点合格的前提下，所做的其他测试，包括安全性能试验如碰撞等才有意义，舒适性测试也不例外。
但对于舒适性评估的H点测量，还需要做其他前置试验，主要有座椅轮廓度扫描和发泡硬度测量。
轮廓度扫描是为了保证评估的实物座椅在造型和尺寸上符合设计目标，如图9所示，考虑到累计公差，一般要求轮廓度在±5mm以内方为合格。超过±10mm则判定样品不合格，必须重新准备舒适性评估样椅。
发泡硬度测量，目前有两种方式：IDL（Indentation Hardness Index压陷硬度，ISO 2439）和CDL（Compression Hardness Index压缩硬度，ISO 3386/1）。对于座椅舒适性评估，一般采用CDL硬度。
CCxx=Fxx/A
CCxx-发泡CDL硬度（KPa）
Fxx-发泡压缩到xx时的力
A-发泡的底部面积
H点测量可以按照《GB11563-1995汽车 H点确定程序》或者《ISO6549:1999 Road Vehicle-Procedure for H- and
图7
活动便利性关键截面图8
座椅对车身振动的传递模式图9 座椅轮廓度扫描
图10 发泡CDL硬度曲线
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R-point determination 》来进行。
2.1.2悬簧挠度测量
悬簧挠度的测量没有统一的国际标准，我们推荐用直径300mm 的圆柱形压盘来进行测试，如图11。
将压盘中心尽可能放置在2.1.1测量的实际H 点处，先进行一次预加载，以消除间隙，然后正式加载，得到如图12的悬簧挠度曲线。
2.1.3侧向支撑测量
侧向支撑测量用到2.1.1中测量H 点的装置 HPM （SAE J826：ISO 6549-1999)）或HPM-II 假人（SA
E J4002:ISO 20176-2006）。在此测量中，假人的腿应去掉，避免对结果产生影响。如图13所示分别在假人上身重心处和H 点处施加正侧向的拉力。
测量时，逐渐增加侧向拉力到200N ，记录拉力和对应的侧向位移量，形成如图14的侧向支撑曲线。
2.1.4触感测量
触感测量是模拟乘客触摸座椅表面的手感以及乘坐上座椅后的第一感觉。手感柔软的座椅会有豪华感以及舒适感。触感测量用一个直径25mm 的半球形压头，在座椅景中规定区域测量力和位移的关系，施加力最大为20N ，如图15所示。
触感测量得到的力-位移曲线，即触感特性曲线。如图16所示，红曲线代表触感更柔软。
2.1.5压力分布测量
压力分布测量虽然在十年前已经有国际性的一流座椅
图11 悬簧挠度测量设置
图12
悬簧挠度测量曲线图13 侧翼支撑测量
图14
侧翼支撑曲线
图15 触感测量
图16 触感特性曲线
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供应商开始研究，但到目前还没有完全在行业里得到广泛应用。主要的障碍在于对于压力分布图的解读。
压力分布的测量如图17所示，对于进行压力分布测量，推荐用BioRID-II 假人（Standard ATD ARA-001）来进行测量，也可以用Hybrid III 50 %假人。有时也会用真人来进行测量，但由于真人难以保持一致性，测得的数据不容易形成数据库以进行比较。
当毛细血管承受32mmHg （ 4.256kPa ）以上的压迫时，血液循环会中断。当压力在70mmHg （ 9.31
0kPa ）维持2小时，骨骼凸出位置的组织开始坏死。
皮下组织和肌肉的压力分配：臀下体压限值范围：54%；X ×0.54<4.256kPa ；X<7.88kPa ；环腰部位置体压限值范围：80%；Y ×0.80<4.256kPa ；Y<5.32kPa
如图18测量结果，靠背的压力峰值0.246N/cm2(2.46KPa)，远小于体压限制5.42KPa 所以靠背的压力分布较好。坐垫的压力峰值0.70N/cm2（7KPa ），比较接近上限7.88KPa ，需要进一步做优化。
2.1.6振动传递特性测量
座椅的振动传递特性是一个综合评价座椅骨架、悬簧、发泡和面套等组合在一起的总成对来自车身的振动过滤的性能指标。测量示意图如图19所示。传感器r2放置在滑轨上，传感器r1放置在座椅的表面，在座椅上放置BioRID-II 假人或Hybrid III 50 %假人。
测量的结果如图20所示。文献的研究表明，座椅在Z 方向的减振能力比X 方向和Y 方向要强。通过测量得到振动传递特性，我们可以了解座椅总成的在对应频率的振动过
滤性能。
2.2动态评估
静态评估是基础，是客观的；而动态评估是主观的，但更接近真实的使用场景，因此动态评估必不可少。通过动态评估的结果，和静态评估的报告进行比对，可以进一步改进静态评估的测试方法和评价指标，使动态评估结果和静态评估结果趋于一致。汽车之家报价及图片
动态评估需要把座椅安装进整车，在选定的典型路段上进行试驾（如图21）。
试驾小组成员一般由经过舒适性相关培训，清楚评估的主要关注点以及评分的标准，评估小组由舒适性专家牵头。
动态舒适性评估表单可以参考表3。原则是要涵盖舒适性的各个大类，打分的原则是尽可能既有区别，
又不要太细，
图17 压力分布测量试验
图18 压力分布测量结果
图19
振动传递特性测量设置
图20
振动传递特性特性曲线
图21 典型舒适性试驾路线
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