如何通過體壓分布測量探究汽車座椅的靜態(tài)舒適性？

汽車座椅的舒適性是車輛開發(fā)的過程中需要重點關(guān)注的部分之一，汽車座椅作為駕駛員直接接觸的汽車部件，除了影響駕駛員乘坐的安全性外，汽車座椅的舒適度也直接影響著他們的主觀感知。提高汽車座椅的舒適度能夠減少人體脊椎的承受力，減少人體疲憊，讓駕駛員可以更舒適的駕駛，減少安全事故的發(fā)生。

汽車座椅舒適性與體壓分布

汽車座椅舒適性設(shè)計的目標就是讓駕駛員對座椅整體的主觀感知是舒適的，包括短時入座的舒適、長途行駛中的舒適和行駛后的舒適。汽車座椅的舒適性一般包括靜態(tài)舒適性、動態(tài)舒適性和操作舒適性三類，其中汽車座椅的靜態(tài)舒適性是指在靜止狀態(tài)下座椅的舒適性表現(xiàn)，其主要與座椅的表面支撐度，貼合度和軟硬程度有關(guān)。

汽車座椅靜態(tài)舒適性會隨著環(huán)境改變（如溫度、光照、乘坐時長），駕駛員的心情起伏而變。目前，測試舒適度沒有統(tǒng)一的標準，本文主要通過體壓分布測量來對汽車座椅舒適性進行探討。

體壓分布是指體重在靠背和座墊上的分布情況，而人體的坐姿決定了體壓的分布情況。以人機工程學(xué)為依據(jù)可以得出在人體坐姿處于舒適的狀態(tài)下，乘坐人員的體壓分布應(yīng)該滿足以下要求：

應(yīng)該保證壓力盡可能大面積地合理地施加到座墊和靠背上，以保證每一點的壓強都比較??；壓力的分布狀況比較均勻連續(xù),，免突然的數(shù)值相差較大的跳變。人體重在座椅上表現(xiàn)出的壓力分布是不均勻的，應(yīng)該在人體的各部位有不舒適的反應(yīng)之前，根據(jù)人體各不同部分能夠承受的壓力的不同對其進行比較合理的分布。根據(jù)體壓在座墊上的分布情況可以得出，人體的坐骨部分承受的壓力值最大，從其周圍向臀部外圍所承受的壓力逐漸減小，與座墊接觸的大腿所承受的壓力值最小。在靠背的腰靠部位上所分布的體壓值是最大的。

試驗樣件和設(shè)備

試驗樣椅通常由座椅廠商提供，試驗樣椅通常應(yīng)包覆完整并具有代表性。試驗前，樣椅應(yīng)在試驗室恒溫恒濕環(huán)境下存放24h及以上。試驗樣椅在進行體壓分布測試時一般需要安裝在車身或者專用工裝上進行固定，安裝應(yīng)牢固可靠。壓力傳感器應(yīng)在校準周期內(nèi)，并且狀態(tài)完好。

該試驗需用到壓力分布測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析終端組成。壓力傳感器為柔性織布，傳感器陣列式安裝在織布上，壓力傳感器為例，每隔小方格代表一個長寬12.7mm的測點，傳感器的壓力范圍為0.7-27Kpa，當(dāng)測點壓力小于閾值時壓強數(shù)據(jù)顯示為零。

壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行濾波和量化編碼，最后通過計算機進行數(shù)字信號分析和處理，輸出體壓數(shù)據(jù)，對壓力分布進行量化和可視化，將傳感墊上的壓力以2D平面彩圖的形式輸出。座椅設(shè)計壓力成像能以一種快速的方式提供生物力學(xué)可視化表達，只需讓測試員坐在傳感器上即可得到汽車座椅的壓力分布。

壓力傳感器大量應(yīng)用于座椅設(shè)計領(lǐng)域，提供柔性、纖薄、舒適的傳感器，數(shù)據(jù)輸出極為精準。

傳感器能夠在2-3小時的長時間駕駛試驗中提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

無需反復(fù)標定校準，對多個對象進行連續(xù)的舒適性測試，降低實驗室的停機時間成本。

傳感器具有全量程±5％的精度，并且能夠始終如一地測量低至0.1psi的壓力。

試驗方法

將測試座椅安裝在整車上，或者依照在車輛中的實際安裝情況固定。將壓力傳感器鋪設(shè)于座椅上，保證其鋪滿整個座椅，且表面表面平整、左右對稱無褶皺。

測試員乘坐到座椅上，調(diào)節(jié)座椅到合適位置，腳放到腳踏板或者車身地毯上，雙手放置在雙腿或者方向盤上，測試員臀部與坐墊充分接觸，身軀處于自然放松狀態(tài)倚在靠背上，測試過程中保持姿態(tài)不變。然后開始采集數(shù)據(jù)，為了保證數(shù)據(jù)準確性，采集時長至少5分鐘。

試驗配重

為了盡可能得到大范圍具有代表性的人體特征的座椅壓力分布，選取接近5%、50%、95 %三種百分位人體尺寸的真人進行測量，一般要包含如下三種：[3]

5%的女性：身高150±5cm，體重47±10kg

50%的男性：身高175±5cm，體重75±10kg

95%的男性：身高185±5cm，體重98±10kg

測試指標

體壓分布情況以體壓分布指標和調(diào)查被測者的主觀感受為依據(jù)，常用的評判指標有最大壓力、平均壓力、最大壓力梯度、平均壓力梯度、接觸面積、不對稱系數(shù)等以下8個指標：

最大壓力Pm

最大壓力即全部測點中的最大值為 P=max(P,P2,.....Pv)（N為測點數(shù)）。從座椅的物理特性角度看，P體現(xiàn)了座墊的剛度，較硬的座墊P較大，較軟的座墊較小。從人的生理結(jié)構(gòu)看，最大壓力的位置應(yīng)在人的坐骨結(jié)節(jié)部位。否則，體壓分布不合理。剛度是座墊最重要的物理參數(shù)之一。因此，P是表征座墊舒適性的重要指標。

平均壓力Pv

平均壓力為全部受壓點壓力的算術(shù)平均值。對平均壓力最直接的影響還是坐墊的剛度，但是即使同一材質(zhì)的座椅，由于表面形狀的差異，使得受壓點數(shù)不同，也會產(chǎn)生加大的影響。

最大壓力梯度Gm

壓力梯度是壓力沿某一方向的變化率，最大壓力梯度為各點壓力梯度最大的值。最大壓力梯度體現(xiàn)了坐墊的剛度和材質(zhì)分布。剛度較大的坐墊最大壓力梯度也較大，材質(zhì)分布較為合理的坐墊最大壓力梯度較小，人體感受也較為舒適。這可以為座椅提供一個改進設(shè)計的參考標準。結(jié)合人體的生理結(jié)構(gòu)，最大壓力梯度也應(yīng)在人體臀部坐骨結(jié)節(jié)附近。

平均壓力梯度Gv

平均壓力梯度為各點壓力梯度的算術(shù)平均值。平均壓力梯度體現(xiàn)坐墊材質(zhì)的分布是否合理以及坐墊的剛度大小，坐墊的形狀也會產(chǎn)生重要的影響。同一材質(zhì)的坐墊，合理的材質(zhì)分布或符合人體生理特點的形狀，平均壓力梯度較小，這也提供了一個改進座椅設(shè)計的參考標準。

不對稱系數(shù)C

試驗表明，人的坐姿是決定體壓分布的關(guān)鍵性因素之一。坐姿的不同會造成體壓分布較大的差異。為了表征這一因素的影響，引入了不對稱系數(shù)指標，用以判定體壓分布的不對稱程度，它是左右對稱測點壓力差的絕對值之和與總壓力的比值。顯然，當(dāng)C=0時，體壓分布wanquan對稱，當(dāng)C=1時，體壓集中于一側(cè)，C越大則體壓分布越不對稱。

引入不對稱系數(shù)的實際意義在于，一方面，統(tǒng)計結(jié)果可以作為某一座椅好壞的判定條件之一，對稱性好的座椅更加合理；同時，在單一的試驗中，可以用于判定試驗結(jié)果的有效性，由于不符合試驗要求的坐姿，勢必造成試驗結(jié)果的較大離散，我們可以依據(jù)不對稱系數(shù)予以剔除。此外，坐墊本身的形狀以及坐墊材質(zhì)分布是否均勻也對不對稱系數(shù)產(chǎn)生很大的影響。

縱向壓力分布曲線PL

將重直于屋椅縱向?qū)ΨQ軸的各截面上的壓力積分，以縱向?qū)ΨQ軸為橫坐標軸，以壓力積分結(jié)果方級坐標軸畫出的曲線，稱頭級同壓力分布曲線。

縱向壓力分布曲線反映了人體受壓的分布情況，包括臀部和腿部的受壓以及壓力的變化趨勢，綜合反映了坐墊的剛度、形狀、坐墊離地高度等幾何物理特性，從而可以把臀部、腿部的舒適感以及壓力梯度等聯(lián)系起來。

縱向力矩分布曲線

將垂直于座椅縱向?qū)ΨQ軸的各截面的壓力取矩積分，以縱向?qū)ΨQ軸為橫坐標軸，以力矩積分結(jié)果為縱坐標畫出的曲線，稱之為縱向力矩分布曲線。

座椅支撐人體，使人體保持平穩(wěn)，所以分析人體承受的力矩式是非常重要的，從力學(xué)角度，看，對力矩的分析應(yīng)該著眼于力矩的量值以及力矩的分布，基于這一目的，我們引入了縱向力矩分布曲線，它也是一個綜合性反映坐墊幾何物理特性的指標。

人體臀部各部分受力對于保持人體平衡的貢獻是不一樣的，力矩則反映了這一權(quán)重，很顯然，距離縱向?qū)Τ奢S遠的點的受力對保持人體平衡有較大的影響。較好的座椅，縱向力矩曲線向上偏移，在腿部與臂部區(qū)域力矩的分布合理，在重力，穩(wěn)定感、腿部舒適性以及臂部舒適性得以體現(xiàn)。

側(cè)傾穩(wěn)定性系數(shù)S

穩(wěn)定感是影響座椅舒適性的關(guān)鍵因素之一，所謂側(cè)傾穩(wěn)定性系數(shù)就是當(dāng)乘員發(fā)生側(cè)傾時，座墊的支撐力使之恢復(fù)到平衡位置的能力。

座墊可以簡化為一個分布彈簧系統(tǒng)，人坐在座墊上，當(dāng)發(fā)生側(cè)傾時，座墊將產(chǎn)生一個恢復(fù)力矩使人體恢復(fù)平衡，不同的座墊使人體恢復(fù)平衡的能力是不同的，同樣的側(cè)傾角，穩(wěn)定性好的或形狀合理的座椅產(chǎn)生的恢復(fù)力矩較大。假設(shè)人坐在非常軟的座墊上，比如棉花上，會經(jīng)常感到有側(cè)傾的危險，不得不經(jīng)常調(diào)整自己以保持平衡，很容易疲勞，在顛簸道路形式工況下，側(cè)傾穩(wěn)定性是影響舒適性的重要因素。顯然，較大的S穩(wěn)定性較好，座椅的縱舒適性評價也較高。[4]

數(shù)據(jù)分析

對于座墊，以坐骨節(jié)處承受的壓力最大，同時以坐骨節(jié)處為中心向四周不斷減少，直到座墊前端和大腿接觸處趨于zui低值，膝蓋后面腘窩不受壓，沒有突變的峰值出現(xiàn)，左右兩側(cè)的壓力對稱，具有較好的包裹性。對于靠背，最大壓力應(yīng)在腰椎處，其他位置無明顯的壓力集中區(qū)域，左右兩側(cè)的壓力對稱，具有較好的包裹性。

基于人體的構(gòu)造，可以將座墊和靠背的測試區(qū)域劃分為臀部、腿部、側(cè)翼三個區(qū)域，將靠背劃分為腰部、肩部、側(cè)翼四個區(qū)域。可分別考察各個區(qū)域的最大壓力、平均壓力。

使用壓力測量系統(tǒng)分析軟件分析上圖兩款A、B兩款座椅的壓力分布情況，從對比圖上可以直觀地看出A、B兩款座椅的左右壓力對稱，說明兩款座椅的包裹性都不錯。同時，B款座椅坐墊和靠背的總體壓強大于A款，所以B款座椅更堅固，支撐性更好。