汽车座椅舒适性设计技巧

关于座椅舒适性，近年来相关人员做了大量的研究，但对座椅的舒适性仍然没有精确的、科学的定义。舒适性是一种主观意念，对于相同的座椅，舒适性有许多不同的意见，没有任何两个人意见完全相同，但一些因素对舒适性产生影响，是大家已达成共识的。舒适性设计的真正含义是坐在座椅上的各个百分位的人都感觉舒适。

按照使用需求，座椅舒适性分为静态舒适性与动态舒适性。

1.静态舒适性设计

静态舒适性是指座椅与人体的匹配关系是否为乘员提供舒适坐姿、合适的支撑以及所能提供的舒适程度。静态舒适性一般分为前5min（或展厅舒适性）、30min（或长距舒适性）两种。

1）前5min舒适性：是用户坐在座椅上的第一印象，它一般出现在经销商的展览厅里，因此也经常称之为展厅舒适性。许多人坐在椅子上，马上就会感觉到座椅是否舒适。在这种情况下，具有软、时髦、轻松感觉的椅子会被认为很舒服。原因之一是5min的时间不会影响人体的血液循环，因此不均匀的压力分布或血液循环和肌肉紧张问题一般都不会引起注意。

2）30min舒适性：是坐在椅子上至少30min的感受，一般是在驾驶时，所以经常也叫作长距舒适性。如果座椅有压力不均、比较硬的点、使腿或其他身体部分麻木或使肌肉紧张，这段时间足可以让乘客感觉到不舒服。如果座椅的座垫角度、座垫长度、靠背角度、腰托位置都已经合适，一般情况下，硬一点的座椅在长距离中更舒适些。原因之一是硬座椅使肌肉和血管不至于因陷入座椅太深而阻止血液循环。

3）影响座椅静态舒适性的因素是总布置假人坐姿、泡沫型面、金属骨架与布置假人相对关系、支撑弹性元件刚度、泡沫硬度、面套材质和绷紧程度等。舒适性设计的要点有：

①座垫和靠背的中垫宽度应尽量保持在300mm以上以获得最大的舒适性。

②假人与座垫和靠背及侧翼的位置关系会影响舒适性，需要仔细校核。

③假人大腿在座垫上的离去点和靠背上的离去点必须保证在一定的区域内。

④头枕的位置和型面、硬度对头部支撑舒适性和挥鞭伤性能都有影响。

⑤操作手柄、开关的位置要符合人机工程学要求，用户必须能够不用前倾就可以方便地调节。

⑥靠背主要压力分布在人体的腰部，逐渐过渡到肩部，往上压力越来越小，腰托的位置设计也很重要。

⑦必须保证人体与硬物的最小距离，推荐座垫为50mm以上，靠背为35mm以上。

⑧一般情况下，硬一点的发泡能够提供比较均匀的压力分布，也易于面套包装撑型。

2.动态舒适性设计

座椅的动态特性是指其对汽车的悬架弹性元件、轮胎、车身等振动系统的冲击和振动所能起到的缓冲作用和减振特性。动态特性的研究主要应从座椅的弹性特性和减振特性两方面来考虑，即从作用在座椅上的载荷及其变形求出座垫的刚度值，以及从乘员质心在座椅上垂直振动的衰减曲线来确定乘员在座椅上的振动频率和振幅的衰减值。现已趋向于把“路面_-汽车-人”这三个方面作为一个整体系统，研究由道路状态所产生的原始振动和传到人体的实际振动之间在频率和振幅方面的差别以及在心理和生理上的感觉反应。

（1）振动对人体的影响及评价标准

1）在路面-汽车-人系统中，人是振动的承受者。人体对振动的反应，是评价汽车平顺性的基础。当汽车在不平路面上行驶时，将承受极不规则的随机振动，从而导致乘员在不同程度上产生疲劳和不适。由于人的身体素质、年龄以及生理上的差异，对振动的敏感程度会有很大不同。到目前为止，人们还不能用一个或几个简单的物理量精确地客观评价振动对人体的影响。目前广泛采用的方法，仍然是感觉评价。近年来国际标准协会（ISO）在综合大量资料的基础上所提出的《人体承受全身振动的评价》（ISO2631/1—1985）已经得到许多国家的承认和采纳。该标准用垂直和水平两个方向的加速度均方根值给出了在1～80Hz振动频率范围内，人体对振动反应的三种不同感觉极限，即暴露极限、疲劳-降低工作效率界限和舒适降低界限。在座椅研究中，主要应用疲劳-降低工作效率界限曲线（图12-35）。

图12-35 人体对振动反应的“疲劳-降低效率界限”

人体忍受垂直振动的能力大于忍受水平振动的能力。因此，除要考虑垂直振动外，还应注意水平振动的影响。

随着承受振动持续时间的加长，感觉界限所容许的加速度值下降。

人体最敏感的频率范围（即忍受加速度最小的频率范围）：对垂直振动来说为4～8Hz，对水平振动则在2Hz以下。而且在2.8Hz以下同样的持续时间内，水平振动容许的加速度值低于垂直振动，在2.8Hz以上，则相反。

2）座椅作为一个独特的隔振环节，可以在不涉及悬架、轮胎和车身悬置等结构的情况下，单独匹配改进，从而改善座椅乘坐舒适性。因此，需要获取准确的座椅动态参数。通过计算机处理得到的传递函数和相关函数，利用幅频特性求座椅的固有频率和相对阻尼系数的方法，可认为是简单有效的。

①座椅的振动参数。汽车座椅的振动参数主要有两个，一个是固有频率ω_n，刚度C决定了座椅的固有频率（圆频率）。由振动理论可知：

式中 C——座椅刚度；

m——座椅与乘员质量。

因为m变化范围不大，因此可以认为固有频率ω_n的平方与刚度C成正比。

另一个振动参数是相对阻尼系数ψ，它决定了座椅的振动衰减特性。

式中 k——座椅系统的阻力常数（kg·s/cm）；

c——座椅弹性元件的刚度（kg/cm）；

m——人体与座椅质量（kg）。(www.xing528.com)

②座椅传递特性。在行车过程中，人的臀部运动与车身地板运动是不同的。通过大量的道路实验，可以获得臀部加速度（ω²y）相对于车身地板垂直加速度（ω²x）的放大因素（y/x）与激振频率（ω/2π）的关系曲线，表示了座椅的传递特性。用传递率β₀表示为

式中 ——臀部加速度；

——地板加速度。

激振频率

由图12-36可见，当激振频率在4Hz附近时，将产生共振，此时的振幅出现峰值。

（2）参数的选择

1）座椅刚度C的选择。座椅、悬架、车轮是一个串联的弹性系统。因此，座椅刚度C的选择，要从座椅的固有频率与悬架、车轮的固有频率相匹配来考虑，既要避免与悬架、车轮的固有频率相重合，又要避开人体最敏感的4.0～8.0Hz的频率范围。一般车身在悬架上的固有频率为1.2～2.0Hz，车轮（轮轴）的固有频率为9.0～11.0Hz。当主要考虑垂直振动时，座椅的刚度与车身刚度、轮轴的刚度相互作用的试验结果如图12-37所示。其中a表示车身加速度的放大因素与激振频率的关系，b表示座椅传递率与激振频率的关系，c表示座椅与车身共同作用的叠加（表现为幅频特性的乘积）的结果，反映了某汽车座椅上人所承受传递率与激振频率（路面不平度）之间的关系。

图12-36 座椅的振动传递特性

图12-37 座椅的隔振作用

①由图12-37a可知，当激振频率分别达到1.42Hz和9.95Hz时，车身幅频特性将出现共振峰值。由图12-37b可知，当激振频率达到2.9Hz时，放大因素达到共振峰值。由图12-37c可知，当它们共同作用时，在轮轴固有频率为9.95Hz下，人所能承受的座椅加速度的放大因素的共振峰值减小，达到减振效果，但在车身固有频率1.5Hz及座垫固有频率3Hz附近，车身加速度却被放大，没能起到减振作用。因此，在设计座椅弹性元件时，一定要考虑它的影响。

②如上所述，人体最敏感的振动频率介于4.0～8.0Hz之间，应予避免。如果设计高于8.0Hz的弹性元件，会导致刚度过大（太硬），乘坐感觉不舒服，所以最好选择小于8.0Hz。

③为了避免与车身的固有频率（1.2～2Hz）相重合，如果设计低于1.0Hz的弹性元件，那么人坐上去虽然很柔软，但一方面其挠度将超过25mm，这样会给座椅布置造成困难，另一方面，当汽车在崎岖不平的坏路面上行驶时，有可能使弹簧（如弹性元件采用螺旋弹簧）各圈并紧，其效果将适得其反，非但不能缓和振动，反而会造成很大冲击。因此最好选择在2.0Hz以上。由此可见，座椅弹性元件的频率，建议选择在3.0Hz上下。座垫的刚度选择，以使其固有频率ω_n在2.0～3.0Hz为宜，刚度在78～118N/cm之间较为合适。

2）座椅相对阻尼系数的选择。座椅的相对阻尼系数ψ对振动特性的影响如图12-38所示。图中，ω为激振频率，ω_n为振动系统的固有频率，横坐标为频率比λ，纵坐标为传递率β₀。

①由图可见，当λ=1时，ω=ω_n，将发生共振；共振区域范围为0.75≤λ≤2，β₀﹥1，在此区域，相对阻尼系数越大，则传递率越小，即抑制共振效果越好。当λ﹥2时，属于减振区，此时，振动被衰减。在减振区域，相对阻尼系数越大，则传递率越大，减振效果变差。

图12-38 振动传递特性

②由上所述可知，座椅能使人最敏感的频率处于减振区，故该系统的自然频率以ω_n﹤3.0Hz为最佳。振动传递与系统阻尼有关，大阻尼可减少共振峰，但在减振区，大阻尼反而对减振不利。实践证明，系统的相对阻尼系数ψ=0.25比较合适，这样，在共振区其幅值不会太大，而高频区又能保持良好的减振效果。

3）座椅动态特性的简便计算。为了较简便地评价各种座椅的动态特性，20世纪80年代初，国外有人提出测量和计算座椅的“乘坐舒适性”的经验评价方法：

式中 K₀——座椅舒适性常数，估算时可取1；

A——座椅共振频率所对应的振动传递率；

B——10Hz时的振动传递率；

f_n——座椅的固有频率（Hz）。

只要测得A、B、f_n，即可算出R值。R越大，说明动态特性越好。由大量的统计分析表明，R值与67%的主观评价相等。R值大的座椅减振特性好。

（3）座椅动态特性优化方向

1）大量的研究证明，改变座椅的结构件或者金属件（靠背骨架、座盆、调角器和高度调节器）的固有频率，对座椅的固有频率没有多大影响，故这些零件对舒适性的影响很小。

2）假如已经将座椅的固有频率控制在规定的范围内，而且金属件对座椅固有频率的影响又非常小，那么，要将来自汽车的能量与人体隔绝开来，即提高座椅振动衰减性能，就必须借助座椅的泡沫、座垫网格、面套等进行优化。

3）面套、发泡、座垫网格这三个零件放在一起，就像一个组合弹簧，起到舒适性和振动隔绝的作用。如果是没有座垫网格的全盆结构，就只有面套和发泡起作用。通过大量的数据和CAE分析对比，各零件对于振动衰减的贡献度可参考的简单模型为：

①有座垫网格结构状态：面套占25%～35%，发泡占20%～40%，座垫网格占35%～45%；

②无座垫网格结构状态：面套占50%～60%，发泡占40%～50%。

4）数据显示，在隔绝振动的零件中，面套的作用比我们预期的要大，相反，发泡起到的作用并不是最大。如果装有悬置零件，它也起到了非常重要的作用，这对振动衰减性能的优化指出了方向。