知荐 | 汽车座椅颠簸蠕动试验的现状及发展趋势

备注 | 孙金其、杨晓明：南京汽车集团有限公司汽车工程研究院，江苏南京，210028；汪宇：国家汽车零部件产品质量监督检验中心（芜湖），安徽 芜湖 241002

摘要：本文主要针对座椅颠簸蠕蠕动试验的需求，概述了国内座椅颠簸和蠕动试验项目的标准现状，针对设备进行了对比分析，最后提出座椅颠簸蠕动试验急需发展的重点以及今后的发展方向和注意事项。

关键词：汽车座椅 颠簸蠕动试验 现状 发展趋势

前 言

进入21 世纪以来，我国的道路、汽车的发展，汽车座椅的安全性和舒适度也进入大的发展，汽车的安全性和舒适性作为汽车工业可持续发展的主题，一直受到高度重视。汽车座椅涉及到电子学、人体工程学、工业设计学等方面的领域，随着汽车技术的发展， 轿车座椅已从一个简单的部件发展到一个比较复杂和精确程度要求比较高的部件。它直接关系到车上人员的乘坐舒适性和安全性。[1]

汽车座椅组成部分

汽车座椅主要由座垫、靠背，头枕和调节装置等组成，汽车座椅的各个组成部分对座椅的舒适性都能产生影响，座椅整体舒适性取决于对这些组成部分的局部舒适感觉以及座椅整体的散热排湿、减震性能等。详见图 1。

图 1 汽车座椅的组成

人体重心支撑式座椅设置了与臀部外形相适的坐骨支撑板，坐下时刚好与下半身重心所在的坐骨位置接触。在上半身重心所在的胸椎部，设置了与后背外形相符的 S 型胸椎支撑弹簧。通过对需要部位分别加以重点支撑，减轻长距离驾驶造成的疲惫。

此外，支撑部的缓冲垫具有足够的厚度和弧度，能有效地吸收振动和分散人体的压力。

座椅的作用

汽车座椅的使用情况很复杂，汽车起步和紧急制动的状态下，座椅产生很大的惯性力，乘员也会产生向后或向前的惯性运动；汽车行驶还会存在碰撞的可能性；汽车行驶的过程中，通过地面产生的振动由座椅传递给人的身体，为了满足座椅多种使用情况， 汽车座椅要满足以下要求：

汽车座椅重要的作用是支撑驾驶员和乘客的身体。为汽车减速时不使身体向获后移， 驾驶员在此中定位舒适H点域时,  通过脚跟的变化总可以找到舒适位置。静态舒适性是指座椅在静止状恋下提供给人体的舒适特性，主要与座椅尺寸参数、材质、调节特性 等有关；动态舒适性是指汽车在行驶状态下通过座椅骨架以及座垫将振动传递到人体后 给人的舒适特性；操作舒适性主要是指在驾驶过程中驾驶员操作的舒适特性。汽车座椅 舒适性研究主要集中在舒适性人机工程研究等领域[2]。

振动是影响舒适性的重要因素

振动对人体的影响与振动的频率、振幅或加速度、受振动作用的时间以及人的体位等方面的因素有关[3]。

4.1 振动的频率对人体的影响

人体是一个弹性体，骨骼接近一般固体，但比较脆；肌肉比较柔软。人体有不少的空腔和弹性系统。振动的频率对人体的主观影响通常起主导作用。因为身体各部分器官都有其固有频率，当外来的振动频率与人体上某一部分器官固有频率一致时，会引起那部分器官共振（见表1），因而对那部分器官影响也最大。

表 1人体各个主要部位的共振频率

身体部位	全身	头部	眼睛	胸部	手臂	脊柱	胃部	腹腔
共振频率（Hz）	5~6	20~30	20~25	4~6	10~20	3~5	4~5	2~12

 

4.2 振动的振幅或加速度对人体的影响

振动对人体的影响，常因振幅或加速度的不同而表现出不同的效应。当振动频率较高时， 振幅起主要作用，比如作用于全身的振动在频率为40～102Hz时，一旦振幅达0.05～1.3mm， 便对全身起有害作用。高频振动主要对人体各组织的神经末稍发生作用，引起末梢血管痉挛的最低频率是35Hz。

4.3 振动时间对人体的影响

在振动作用下的时间越长，对人体的影响就越大。短期适量的振动，不但没有害处，有时还起良好的作用，如电子按摩器等可用来消除身体疲劳，增加肌肉力量，恢复组织的营养，提高新陈代谢等。因此，评价一种振动对人体是否有危害， 必须考虑人体暴露在振动下的时间长短才行。

4.4 振动对不同体位人体的影响

立位时对垂直振动比较敏感，而卧位时对水平振动比较敏感。人的神经组织和骨胳都是振动的良好传导体，头部受振动能引起嗜眠。

国内座椅颠簸和蠕动试验项目的标准现状

汽车安全越来越受到重视，颠簸和蠕动主要模拟汽车在行驶过程中的磨擦、振动等一些实际路况，实际路况对座椅产生的一些试验数据，从而可以考核座椅的设计要求及生产工艺。QC/T 740-2005 《乘用车座椅总成》中表述如下：

5.1 技术要求

颠簸和蠕动试验验证座椅的骨架、泡沫和面套的疲劳寿命，在 100 次/min 的频率下， 进行座垫、靠背的振动试验，试验后的样品应无异常情况出现，座椅骨架无裂缝，泡沫无变形，面料和衬垫无破损，H 点最大变动在额定范围之内，见表 2。

5.2 试验方法

把试验样品固定在颠簸蠕动试验机平台上，调整样品使样品H点中心线与模拟假臀或假背中心线对齐，调整模拟假臀或假背的高低位置。模拟假臀和假背按照SAE J826-2002的50% 对假臀和假背要求。颠簸幅度(峰至峰)为30 mm。

表2 试验要求

试样	循环次数	负载，kg	频率，次/min	蠕动角度，（°）
前排座椅	100000	68	100	21
前排靠背	50000	29	100	0

汽车座椅颠簸蠕动试验是评价座椅舒适度及寿命值的重要试验，也是评价汽车性能主要指标，为了客观评价试验，需要采用专业的试验检测设备，而汽车座椅颠簸蠕动试验目国内仅有QC/T 740-2005 《乘用车座椅总成》的汽车行业标准。其试验参数要求与国外标准偏低， 此标准在对于蠕动角度的旋转频率和旋转幅度没有详细的描述，而国内的试验设备与国外相比，就很难有优势[4]。

5.3 测试目的

该试验项目一般用于考核汽车座椅座垫及靠背的耐久，要求设备能够真实地模拟汽车实际的行驶状态，车身与路面颠簸与标准假人配重的状态下，对面料、发泡、骨架以及其他辅助系统等有效的模拟试验。

为了检验座椅的舒适度是否满足使用要求，一些国外主机厂分别制定了座椅颠簸蠕动的技术要求和试验方法，联合国和欧洲共同体也制定了相应的座椅法规，这些标准法规的制定和执行，对座椅的舒适度的改进和质量提高发挥了重要作用。

现有的座椅颠簸蠕动试验设备对比

为了提高汽车座椅设计、制造和试验水平，将有关座椅颠簸蠕动试验参数进行综述， 对现有座椅颠簸蠕动检测设备的对比分析如下：

6.1 相同之处

硬件构造上基本相同，包括主控制部分；传感器部分；显示部分和电源部分；软件部分基本也是类似的。按照 QC/T 740-2005 《乘用车座椅总成》标准中要求完成上下振动的试验，试验中要求的负载、颠簸频率和颠簸幅度都可以满足。

6.2 不同之处

部分检测设备不能完成座椅颠簸蠕动中的带角度的蠕动动作及水平蠕动动作。在座椅颠簸蠕动检测方面，通过对设备的研究理解，发现检测方法与其他的检测设备是类似的，只是在座椅颠簸蠕动试验的适应性要更高。比较有代表性的是设备 A 和 D，见表 2。设备 A 和 D 可以更好地模拟实际车辆的颠簸蠕动，在颠簸的同时，可进行带角度的蠕动动作或零度的蠕动动作(即水平蠕动动作)，具体的要求负载、颠簸频率、颠簸幅度、蠕动角度、蠕动频率、蠕动幅度可根据具体的试验要求设定。

表 2座椅颠簸蠕动试验设备对比

国标	要求负载	颠簸频率	颠簸幅度	蠕动角度	蠕动频率	蠕动幅度
QC/T740-2005	68 kg	1.6Hz	±15mm	21°	---	---

设备 A	---	1.5 Hz	±20mm	0°	0.5 Hz	±50mm
		7.5 Hz	±5mm	---	0.25Hz	±15°
设备 B	49 kg	1.6 Hz	25～40mm	21°	0.064Hz	---
设备C	---	1.21～1.42 Hz	±25mm	0°	0.38 ～0.49Hz	±50mm
设备D	---	1～5Hz	±10mm	0°	0.26 Hz	±30mm
				---	0.25Hz	±15°
设备E	---	1～3Hz	---	---	0.05～0.08 Hz	15 ~ 25 °

 从试验角度来看，如果为了更真实地模拟实车状态下的试验情况，优先选择设备 A 或 D，但现在的国家标准与国外的标准还是存在一定的差异，国外的标准并不合乎中国的国情，所以急需尽早地制定出符合我国国情的汽车座椅颠簸蠕动试验的标准。

汽车座椅及颠簸蠕动试验的发展趋势

7.1 汽车座椅的发展趋势

随着国内汽车的发展，汽车座椅也在不断完善。人们除了对汽车座椅的简易要求外，更加渴望对汽车座椅人性化的追求。

7.1.1 安全性

近年来，随着汽车保有量的不断增长，汽车道路交通事故呈逐年上升的趋势，这不仅导致了乘员死亡和受伤人数的激增，而且所造成的经济损失也十分巨大。其中大部分汽车交通事故都是正面碰撞和尾部碰撞。在这些事故中，座椅作为减少损伤的安全部件起到了决定性保护作用，使其成为汽车安全性研究中的重要部件。汽车座椅是汽车中将乘员与车身联系在一起的重要内饰部件!它直接影响到整车的舒适性和安全性。所以安全的座椅永远受到人们的青睐。

7.1.2 外观性

随着家庭轿车越来越多地走进人们的生活，汽车舒适性、安全性、便利性、外观造型及包装效果开始得到越来越多的关注。因此座椅设计研究也开始受到生产制造厂商的重视。许多年轻人追求时尚个性的汽车座椅，富人追求豪华座椅，这一切给汽车座椅从外观上带来了新的竞争力。

7.1.3 舒适性

汽车乘坐舒适性除了涉及座椅的柔软程度、包覆性能等因素外，还与汽车的悬挂系统、减振性能密切相关，其中汽车座椅对舒适性的影响最直接。现在很多人在选择汽车时视舒适度为比较关心的问题，这也是选择汽车的关键要素之一。

7.2座椅颠簸蠕动试验的发展趋势

整车路谱采集的数据可以应用在颠簸蠕动试验中，而整车的路谱采集工作是一项耗力的重要条件。对于汽车生产企业而言，搞好路谱工作对后期整车各方面性能的提高起到不可替代的作用，如应用路谱得出的路面不平度生成路面文件结合动力学仿真软件及有限元软件，能完成检查干涉（静态及动态变形干涉）、随机振动分析、车辆平顺性分析、驾驶室的舒适性分析、 悬挂系统参数匹配及优化和整车部件的随机疲劳分析等工作。可见，路谱工作的完成意义非常重大。然而，不同路面状况差别较大，要大规模测试获得足够的路谱信息将有一定难度，借用国标路面等级功率谱密度再现虚拟路面不平度是一种很好的方法。现阶段，使用最为广泛的是加速度传感器测试法，该方法用法简单， 安装方便，价格低廉，适用于各种复杂环境。

将整车路谱采集的数据与颠簸蠕动试验相结合需要多方的支持和配合，整车厂家将汽车的路谱信息收集成功后，进行相应的分析和处理，并与相关配套的汽车座椅生厂家进行沟通和交流。而对于相关的检测设备制造厂家则应该：（1）实现不同负载条件的单垂直方向的三状态随机振动；（2）实现试件的模态控制试验；（3）故障条件下，实现设备和试件的安全保护；（4）实现试件响应特性的数据采集与处理；（5）数据的采集和兼容性的考虑；（6）保证数据采集的实时性和数据的精确程度。伺服控制系统记录的数据包括振动台驱动信号和液压驱动机构的响应数据，如液压缸的加速度、压差和位移、伺服阀阀芯的位移等。软件上的兼容和处理也是尤为重要的环节，只有这样方可将整车路谱采集的数据应用在颠簸蠕动试验中来。

7.3 国外试验设备优点

从现有的颠簸蠕动试验设备中，总结了国外试验设备的一些优点。

控制器: 控制器系列提供了一个完整范围的强大而且可升级的数字式控制器， 设计以多通道，多位点配置，柔性控制器发布高速，实时的闭环控制 。

伺服控制器: 提供了易用的，单伺服液压控制通道的成本效益控制。它带有易于读取的面板显示器，所有的读出器使用工程元件，并且有清晰的标签，字母顺序的键盘可使您键入您所有的测试参数。

液压油源和分配器: 经证实的，灵活的国外试验设备液压油源和分配器系统确保了峰值性能和平稳变换。

传感器 : 国外试验设备测力传感器保证了精确性，可重现和可信赖的控制。

小结

随着汽车消费的不断增加，消费者对舒适性的要求越来越高，汽车座椅的舒适性研究成为目前汽车设计中值得深入探讨的问题。在今后的研究中，应对以下几个面进行重点探讨：

（1） 由于中国人群与其他国家的人群存在着差异，因此建立适合中国人的人体模型非常重要。目前，我们使用的假人模型大多为 SAE 标准反映欧美人群特性的模型， 在实际设计往往需要对他进行修正，否则做出来的产品可 能对于欧美人群来说是舒适的，对于我们国家的人来说反 而不太舒适。

（2） 座椅的设计应该与整车设计同步进行。由于座椅与总布置关系非常密切，其舒适性与车内空间、汽车底盘悬架等系统密切相关，因此座椅的设计是整车设计中密不可分的一部分，需要与整车同步进行开发。

（3） 目前对于座椅舒适性的研究还远远不够。各大汽车厂和专业座椅公司在研发座椅时，对舒适性考虑得不多，大多数座椅的标准也没有针对座椅的舒适性进行明确的、可操作性的规定并提供试验方法。因此，建立一个可操作的、客观的、具体的座椅舒适性分析方法显得非常急迫和重要。从人机工程学的角度出发，进行汽车驾驶座椅的设计，是使驾驶座椅具有良好坐姿舒适性、振动舒适性、操作舒适性和安全性的必要手段。