汽车座椅舒适度及安全性研究

汽车座椅舒适度及安全性研究

杜磊磊于凤超杜明港

安徽理工大学机械工程学院安徽淮南232001

摘要：随着当前汽车生产数量的不断增加，在汽车行驶过程中的座椅舒适性和安全性就成为突出的问题，在设计的过程中要充分考虑座椅的舒适性和安全性。

关键词：汽车座椅；舒适度；安全问题

1前言

在汽车行驶的过程中，驾驶人员的安全性和舒适性有待提升，减少不必要的事故发生。

2座椅安全性设计

座椅安全性设计的内容主要包括以下几个方面:座椅强度的设计、座椅结构型式的设计、靠背的设计、坐垫的设计、头枕的设计。

2.1座椅强度的设计

座椅强度的设计是安全性设计的首要内容。汽车行驶中,座椅要承受复杂的载荷。汽车座椅必须有足够的强度,以确保座椅上的人所受的伤害最小;座椅的寿命应足够长,不致过早变形或损坏;受冲击载荷作用时,座椅不应发生断裂、严重变形等损坏现象。所以设计座椅时必须对汽车座椅的强度进行计算,尽量以最少的材料、最小的质量满足强度要求。

2.2座椅结构型式的设计

座椅整体结构的安全性设计应考虑的是其对其他约束系统效能的影响及与其他约束系统之间的连接方式等。

2.3靠背的设计

靠背的安全性设计应考虑靠背的强度、倾角、基本尺寸及其形状。靠背的强度设计不但应该在“追尾”等后部碰撞时给乘员提供良好的保护,而且也要考虑侧碰时对乘员的保护。而靠背倾角、基本尺寸及其形状对尾部碰撞的严重程度有很大影响。

2.4坐垫的设计

坐垫一般不会造成对乘员的直接冲击伤害,但坐垫的结构可以影响到乘员运动过程、约束力加到乘员身体上的方式及外部载荷(加速度、力等)的绝对值大小。坐垫深度设计的原则是在充分利用靠背的情况下,使臀部得到合理的支撑。坐垫深度不应该超过人的大腿长度。

2.5头枕的设计

头枕是一种用以限制乘员头部相对于躯干向后移位的弹性装置,其作用是在发生碰撞时,减轻乘员颈椎可能受到的损伤。尤其是在汽车受到追尾碰撞时,可抑制乘员头部后倾,防止或减轻颈部损伤。现多采用模拟计算和试验验证相结合的研究方法,该方法重复性好、存储信息量大、开发周期短且开发费用低。

一般的座椅是由几千个零件组装而成,在建模前首先需要对座椅的整体结构进行分析,确定各个零件对强度特性的影响,根据影响程度的不同对零件进行筛选。对于座椅中主要的支撑性零部件,应精确建模,以保证模型的正确性;对静强度特性影响不大的零件,只要抓住其主要的几何形状进行建模即可;汽车座椅骨架属于空间杆系和空间板系的组合结构,由于各种调节机构设计,导致结构不完全对称;对于这种复杂结构,利用有限元方法对座椅系统进行各种情况仿真,具有明显优越性,不仅能节省大量的人力、物力、财力,还能取得良好效果。

早期的汽车座椅骨架大都采用简单的钢管结构,因此最早采用空间梁单元进行强度分析。受硬件设备与软件水平的限制,当时的座椅有限元模型都比较简单,单元和节点数目较少。随着座椅结构形式的不断变化,单纯用梁单元已不足以精确地描述座椅骨架的结构,于是越来越多地使用了其他的单元形式建模。目前可用于座椅强度分析的有限元软件有MSC.NAS-TRAN、ABAQUAS、ANSYS、SAP、PAM-CRASH、DYNA-3D等。座椅在承受外部载荷时,主要受力部件是骨架,骨架表面的蒙皮及软垫等覆盖物对外部载荷的分配很少,基本上不能承受外部带来的较大载荷力。因此,对于软垫和蒙皮的处理采取在有限元建模时不予考虑。基于以上分析,在对座椅进行强度特性分析时,只考虑对座椅骨架总成进行几何建模。几何建模采用MSC.PA-TRAN软件。MSC.PATRAN是世界上著名的有限元前、后处理软件,已广泛应用于航空、航天、汽车、造船、国防等各大领域。ABAQIJS是国际上最先进的大型通用非线性有限元力学分析软件之一,在采用MSC.PATRAN完成座椅总成强度有限元计算模型建立后,即可将其打包生成分析文件并运用ABAQUS进行计算。

3人机接触面分析

人体与汽车座椅的硬界面的构成要通过对人体形态的分析得到。在汽车座椅的人机系统中，形成人机关系的部分主要有；

3.1头部与汽车座椅头枕

头部支撑在驾驶过程中作用并不明显，因为驾驶时驾驶人并不都需要头枕支撑，而在驾驶人休息时，或其他乘客座椅，头枕会为头部提供外力支撑来减轻颈部疲劳。现代汽车座椅对颈部的设计还未延伸至舒适方面，最新的头枕科技是ＷＨＩＰＳ保护系统，该系统主要运用于防止颈椎甩鞭式损伤的座椅安全功能。然而，头部与头枕接触时必然产生人机接触面，研究头枕的人机形态，尤其是头枕对头部的支撑与固定作用，是有利于提高汽车座椅整体舒适性的。

3.2背部与汽车座椅靠背

人体背部是舒适性研究的关键部位，背部的人机分析对人体的影响最大。汽车座椅靠背在人机系统中与人的健康关系最密切，因为脊柱部分与汽车靠背贴合，才能获得支撑，而坐姿也会影响脊柱的健康。座椅靠背的形态结构比较复杂，包含着侧異、腰托等结构，这些结构都会对人机接触面产生一定的影响。

3.3臀部、腿部与汽车座椅坐垫

臀部在坐姿中主要作用是承受身体压力，为人体提供主要支撑，在座椅系统中人与坐垫的接触压力最大，坐垫前缘与大腿也有一定的接触。坐垫形态能保障人体在坐垫上无位移，有利于舒适性的提高，而坐垫的侧缘和前缘则可固定臀部位置、平衡压力、增大接触面。因此在汽车座椅甚至其他座椅的研究中，坐垫都是主要研究的对象。

3.4手臂与汽车座椅扶手

现代汽车的座椅扶手属于汽车座椅系统，但对于轿车级别的汽车，扶手可能出现于车口内侧，也可能没有扶手。扶手有助于平衡臀部受到的反作用力，人的手臂通过扶手对支撑力进行了分解，有效地减少了臀部压力。

4人体形态划分

国外研究将人体分割为19个部分进行舒适性评价，主要有左手、右手、左前臂、右前臂、左大臂、右大臂、颈部、左肩肿、右肩肿、左背、右背、腰部左侧、腰部右侧、左臀、右臀、左小腿、右小腿、左脚和右脚。对这些部位进行舒适度调查，用实验的方法采集数据，Ｗ综合判断人体的舒适性。通过前文的描述，可知人体与汽车座椅的人机接触界面主要集中在头部、颈部、背部、肩部、臀部、腿部等部位，因此，将人体按上图细分，可得到汽车座椅人机分析的主要形态接触部位，有头部、颈部、肩部、上背、中背、左右侧背、腰部、左右腰部、坐骨、臀部、大腿等部位，

4.1汽车座椅形态与人体形态的呼应

汽车座椅在逐步发展中，功能和结构都得到了相应发展，从简单结构的座椅，到拥有各种调节机构的多项调节座椅，都标志着汽车在人机工程学方面有更高的水准和发展空间。现代汽车座椅按照功能结构的划分，主要有Ｗ下几个部分，分别为：头枕、靠背、坐垫、调节机构和骨架，

4.2汽车座椅的人机形态与结构

汽车座椅在与人体接触时，同样会产生人机界面，本文所研究的人机形态就属于人机界面。人机界面被定义为人与机器交流时实现沟通的显示器、控制器，人机界面分为硬界面和软界面，硬界面指人与人使用的有形体的构件所构成的界面，软界面就是上文提到的人与构件形成的信息交流界面。因此，汽车座椅人机形态就是人与汽车座椅的人机硬界面。

5结束语

综上所述，在当前社会经济的发展，人们对驾驶人员的要求越来越严格，从不同的角度来保证座椅的安全。

参考文献:

[1]王正华,喻凡,庄德军.汽车座椅舒适性的主观和客观评价研究[J].汽车工程,2016(9):817.

[2]蔡志鸿.汽车座椅安全振动舒适度分析[J].科技资讯,2016(19):231.