汽车座椅包覆性研究

概述

乘用车座椅包覆性定的话题，既不同于居家沙发那样只强调坐垫靠背的平坦舒适，也不同于赛车座椅那样将乘员牢牢夹紧在座椅上，而是通过合适的支撑措施将其固定到所期望的调整过的座椅位置。

我们注意到，不同品牌,级别车型的座椅在造型，配色和装备上虽然千差万别，但是也都有一些共性的特征，比如向后倾斜的靠背，两侧隆起的侧翼，坐垫前高后低的倾斜坡度。这是因为我们要使座椅能够适应如下的动态驾驶工况，即乘员在加速时有倾斜的靠背可以抑制上身向后倒的趋势；在车辆转弯时尽可能地支持并抵抗身体的侧向离心力；在正面碰撞中，乘员不能在腰带和座椅之间滑出，业内称之为“下潜”。

现在让我们更详细地了解各个功能的设计实践。

乘客固定

2.1 静止时的定位

对乘客的固定有两个因素：整个座椅表面的几何形状以及衣服和座椅蒙皮之间的摩擦。

大家可能都已经注意到座椅靠背总是略微向后倾斜。当然，这也是为了保证在总布置设计时的腿部空间。如果不做这种倾斜设计，我们将不得不持续施加腿部肌肉力量，以免从座椅上滑落。

除了座椅表面的倾斜外，座椅表面的特定轮廓还用于将臀部，更准确地说是将骨盆移动到特定位置。骨盆的正确定位和支撑对于放松和无疲劳坐姿至关重要。座椅靠背允许乘客在没有持久肌肉收缩的情况下保持适当的直立坐姿，侧翼则用来限制乘客在Y方向的坐姿。

2.2 加速和制动时的支撑

让我们假设当猛踩油门踏板时座椅或靠背会突然向后移动几厘米。我们会不由自主地松开油门，因为我们会有种不安全感的印象：“出问题了，哪里不对劲！“显然这种假设这有点夸张，但却清楚地表明座椅的一个基本功能是提供足够的刚度，使我们认识到到需要始终与车辆紧密相连。这并不是说座椅可以没有弹性。而是说在施加力量或卸载力量的情况下不能有太大的位移，或称之为自由间隙。所有部件，尤其是座椅骨架和调整系统，都应始终满足高刚性和无间隙的要求。

2.3 防下潜

下潜是指在发生正面碰撞时，乘员在座椅和腰带之间下降滑出的过程。这种情况是很危险的，因为此时乘员身体的姿态已经与安全带起作用时要求姿态大相径庭，安全带甚至会起到相反的作用，必须防止其发生。法规制定者在座位布置设计中已经要求了这一点，要求在特定区域内设计足够的阻力元件作为所谓的防下潜坡道。该区域定义如下：

首先通过H点放置一个水平面，其次H点和坐盆骨架上的防下潜坡道前缘相连形成一个平面(400mm宽度)，两个平面的夹角最大不能超过20度，以提供足够的防下潜保护。通常，该斜面由座椅骨架的金属盆面形成，在某些情况下，塑料底座或硬泡沫插件也可以充当该斜面的作用。

2.4 侧向支持

现在让我们来讨论一下侧向支撑这一热门话题。这里我们首先遇到一个基本问题：出于成本原因，大多数座椅都不可能调整座垫芯部的宽度，或者说两个侧翼之间的距离。但是，乘客的身材差异非常大，一个45公斤重的年轻女子在侧向支撑方面的基本需求与一个120公斤重的两米高男子是完全不同的。

因此，当进行座椅的宽度设计时，我们通常必须做出妥协。那么座椅应该具有什么样的特性，从而使侧向支撑具有适应性呢。针对偏舒适型的座椅，通常有宽的平坦侧翼，乘员也比较容易入座，针对偏运动型的座椅，需要具备明显更高的侧翼，以展示其运动性，并且还旨在获得明显更多的侧向支撑。当然也有介于舒适和运动两者之间的中间解决方案。

如下图所示：

侧翼必须具备以下导向功能：

骨盆引导：放松躯干和背部肌肉

上身引导：放松躯干和背部肌肉

肩部引导：放松颈部和上背部肌肉

腿部引导：放松躯干和下背部肌肉

在转弯时，我们的脊椎也受到非常强烈的侧向负荷，在这个方向上它非常容易受力变形。下面插图非常清楚地显示了转弯时脊柱会发生什么，以及适当的侧向支撑是如何有效缓解着这种情况的。

由于车辆侧倾时，乘员的骨盆已经从原来的正常位置倾斜到弯道外侧，我们不由自主地试图用肌肉来对抗这种趋势，这会使我们重新竖起上半身。这会导致脊柱侧向弯曲，并且随着侧向力的增加这种趋势会越发明显。侧向支撑限制了这种侧向位移，从而减少了脊柱的侧向弯曲。

在设计座椅侧翼时，座椅骨架和座椅泡沫之间的协调非常重要。一方面,座椅骨架必须与乘员保持足够的距离，以实现良好的乘坐舒适性。另一方面，仅靠座椅泡沫很难建立足够的侧向支撑强度。

如果打算在同一款座椅骨架上构建不同的泡沫造型特征，则在设计座椅骨架的框架和衬板时，应考虑到使其适配到最柔软和最宽的那个泡沫变体。在这种情况下，如果想开发一种可以做更多侧向支撑的泡沫变型也是有解决方案的，即可以在泡沫中发泡一根支撑钢丝，这样就可以显著提升侧向支撑效果。

当然对于运动座椅，必须使用强度更大的支撑方案。通常将实心支撑支架焊接到座椅骨架上，即所谓的运动弯弓。这就形成了一个非常清晰的横向定位，非常坚固。缺点是，即使在直线行驶时，这些支撑弯弓也是刚性的，这使得运动型座椅比任何其他座椅变型都更不舒适。

靠背侧翼的设计理念与座垫侧翼的设计基本相同。通过理论设计基本上可以得到一个粗略的轮廓，但是如果涉及到精确轮廓则必须通过大量的试验尤其是实车路试才能确定。通过无极调节侧翼的展开角度和高度，可以实现被动调节座椅的最佳侧向支撑。这允许每位乘客都可以在舒适性和侧向支撑之间找到最佳设置。

主动式侧向支撑

当然更进一步地，如果有一种侧向支撑装置，能够主动地在转弯时提供准确的侧向支撑，在进入到直线行驶时，又恢复到完全感觉不到侧向支撑的状态，那就完美了。使运动包裹性和常规驾驶时的活动空间达到最佳平衡。戴姆勒-克莱斯勒公司正是遵循这一原则，制造了其所谓的动态驾驶座椅。该方案在靠背侧翼下方安装了一个气动系统，可以通过充放气改变侧翼的高度和曲率，并且左右侧翼可以进行单独控制。

相配套的车载电子控制系统需要使用已有的关于车辆行驶速度、转向角和横向加速度等信息来计算控制靠背侧翼所需的参数。例如，控制转弯弯道外侧的侧翼做出相应调整以提供支撑乘员所需的横向力。

李尔公司开发加速度补偿座椅(BKS)代表了在这个领域开展的更进一步的尝试。开发理念是除了控制靠背之外，还通过机电装置将座垫向曲线中心倾斜，这大大减少了骨盆的错位，就像我们文章开头讨论的那样。还通过机电手段将座垫倾斜到曲线的中心，从而消除骨盆的倾斜，我们在侧向支持主题的开头讨论了这一点，这种座椅给人的主观印象就像是在弯道上骑摩托车一样。测量表明，仅使用这种系统，骨盆区域的横向受力就可以减少约40%。如果系统安装在带有电子底盘的车辆上，其中车身的横向倾斜被抵消，则补偿程度将增加到65–70%。