如何通過體壓分布測量探究汽車座椅的靜態舒適性？

汽車座椅的舒適性是車輛開發的過程中需要重點關(guan) 注的部分之一，汽車座椅作為(wei) 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(men) 的主觀感知。提高汽車座椅的舒適度能夠減少人體(ti) 脊椎的承受力，減少人體(ti) 疲憊，讓駕駛員可以更舒適的駕駛，減少安全事故的發生。

汽車座椅舒適性與(yu) 體(ti) 壓分布

汽車座椅舒適性設計的目標就是讓駕駛員對座椅整體(ti) 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後的舒適。汽車座椅的舒適性一般包括靜態舒適性、動態舒適性和操作舒適性三類，其中汽車座椅的靜態舒適性是指在靜止狀態下座椅的舒適性表現，其主要與(yu) 座椅的表麵支撐度，貼合度和軟硬程度有關(guan) 。

汽車座椅靜態舒適性會(hui) 隨著環境改變（如溫度、光照、乘坐時長），駕駛員的心情起伏而變。目前，測試舒適度沒有統一的標準，本文主要通過體(ti) 壓分布測量來對汽車座椅舒適性進行探討。

體(ti) 壓分布是指體(ti) 重在靠背和座墊上的分布情況，而人體(ti) 的坐姿決(jue) 定了體(ti) 壓的分布情況。以人機工程學為(wei) 依據可以得出在人體(ti) 坐姿處於(yu) 舒適的狀態下，乘坐人員的體(ti) 壓分布應該滿足以下要求：

應該保證壓力盡可能大麵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小；壓力的分布狀況比較均勻連續,，免突然的數值相差較大的跳變。人體(ti) 重在座椅上表現出的壓力分布是不均勻的，應該在人體(ti) 的各部位有不舒適的反應之前，根據人體(ti) 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。根據體(ti) 壓在座墊上的分布情況可以得出，人體(ti) 的坐骨部分承受的壓力值最大，從(cong) 其周圍向臀部外圍所承受的壓力逐漸減小，與(yu) 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(ti) 壓值是最大的。

試驗樣件和設備

試驗樣椅通常由座椅廠商提供，試驗樣椅通常應包覆完整並具有代表性。試驗前，樣椅應在試驗室恒溫恒濕環境下存放24h及以上。試驗樣椅在進行體(ti) 壓分布測試時一般需要安裝在車身或者專(zhuan) 用工裝上進行固定，安裝應牢固可靠。壓力傳(chuan) 感器應在校準周期內(nei) ，並且狀態完好。

該試驗需用到壓力分布測試係統，該係統由壓力傳(chuan) 感器、數據采集係統、數據分析終端組成。壓力傳(chuan) 感器為(wei) 柔性織布，傳(chuan) 感器陣列式安裝在織布上，壓力傳(chuan) 感器為(wei) 例，每隔小方格代表一個(ge) 長寬12.7mm的測點，傳(chuan) 感器的壓力範圍為(wei) 0.7-27Kpa，當測點壓力小於(yu) 閾值時壓強數據顯示為(wei) 零。

壓力傳(chuan) 感器將壓力信號轉換成電信號，然後通過數據采集係統進行濾波和量化編碼，最後通過計算機進行數字信號分析和處理，輸出體(ti) 壓數據，對壓力分布進行量化和可視化，將傳(chuan) 感墊上的壓力以2D平麵彩圖的形式輸出。座椅設計壓力成像能以一種快速的方式提供生物力學可視化表達，隻需讓測試員坐在傳(chuan) 感器上即可得到汽車座椅的壓力分布。

壓力傳(chuan) 感器大量應用於(yu) 座椅設計領域，提供柔性、纖薄、舒適的傳(chuan) 感器，數據輸出極為(wei) 精準。

傳(chuan) 感器能夠在2-3小時的長時間駕駛試驗中提供高質量數據。

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

傳(chuan) 感器具有全量程±5％的精度，並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(chuan) 感器鋪設於(yu) 座椅上，保證其鋪滿整個(ge) 座椅，且表麵表麵平整、左右對稱無褶皺。

測試員乘坐到座椅上，調節座椅到合適位置，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(yu) 坐墊充分接觸，身軀處於(yu) 自然放鬆狀態倚在靠背上，測試過程中保持姿態不變。然後開始采集數據，為(wei) 了保證數據準確性，采集時長至少5分鍾。

試驗配重

為(wei) 了盡可能得到大範圍具有代表性的人體(ti) 特征的座椅壓力分布，選取接近5%、50%、95 %三種百分位人體(ti) 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(ti) 重47±10kg

50%的男性：身高175±5cm，體(ti) 重75±10kg

95%的男性：身高185±5cm，體(ti) 重98±10kg

測試指標

體(ti) 壓分布情況以體(ti) 壓分布指標和調查被測者的主觀感受為(wei) 依據，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、接觸麵積、不對稱係數等以下8個(ge) 指標：

最大壓力Pm

最大壓力即全部測點中的最大值為(wei) P=max(P,P2,.....Pv)（N為(wei) 測點數）。從(cong) 座椅的物理特性角度看，P體(ti) 現了座墊的剛度，較硬的座墊P較大，較軟的座墊較小。從(cong) 人的生理結構看，最大壓力的位置應在人的坐骨結節部位。否則，體(ti) 壓分布不合理。剛度是座墊最重要的物理參數之一。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(wei) 全部受壓點壓力的算術平均值。對平均壓力最直接的影響還是坐墊的剛度，但是即使同一材質的座椅，由於(yu) 表麵形狀的差異，使得受壓點數不同，也會(hui) 產(chan) 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(wei) 各點壓力梯度最大的值。最大壓力梯度體(ti) 現了坐墊的剛度和材質分布。剛度較大的坐墊最大壓力梯度也較大，材質分布較為(wei) 合理的坐墊最大壓力梯度較小，人體(ti) 感受也較為(wei) 舒適。這可以為(wei) 座椅提供一個(ge) 改進設計的參考標準。結合人體(ti) 的生理結構，最大壓力梯度也應在人體(ti) 臀部坐骨結節附近。

平均壓力梯度Gv

平均壓力梯度為(wei) 各點壓力梯度的算術平均值。平均壓力梯度體(ti) 現坐墊材質的分布是否合理以及坐墊的剛度大小，坐墊的形狀也會(hui) 產(chan) 生重要的影響。同一材質的坐墊，合理的材質分布或符合人體(ti) 生理特點的形狀，平均壓力梯度較小，這也提供了一個(ge) 改進座椅設計的參考標準。

不對稱係數C

試驗表明，人的坐姿是決(jue) 定體(ti) 壓分布的關(guan) 鍵性因素之一。坐姿的不同會(hui) 造成體(ti) 壓分布較大的差異。為(wei) 了表征這一因素的影響，引入了不對稱係數指標，用以判定體(ti) 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(yu) 總壓力的比值。顯然，當C=0時，體(ti) 壓分布wanquan對稱，當C=1時，體(ti) 壓集中於(yu) 一側(ce) ，C越大則體(ti) 壓分布越不對稱。

引入不對稱係數的實際意義(yi) 在於(yu) ，一方麵，統計結果可以作為(wei) 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，可以用於(yu) 判定試驗結果的有效性，由於(yu) 不符合試驗要求的坐姿，勢必造成試驗結果的較大離散，我們(men) 可以依據不對稱係數予以剔除。此外，坐墊本身的形狀以及坐墊材質分布是否均勻也對不對稱係數產(chan) 生很大的影響。

縱向壓力分布曲線PL

將重直於(yu) 屋椅縱向對稱軸的各截麵上的壓力積分，以縱向對稱軸為(wei) 橫坐標軸，以壓力積分結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(ti) 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(cong) 而可以把臀部、腿部的舒適感以及壓力梯度等聯係起來。

縱向力矩分布曲線

將垂直於(yu) 座椅縱向對稱軸的各截麵的壓力取矩積分，以縱向對稱軸為(wei) 橫坐標軸，以力矩積分結果為(wei) 縱坐標畫出的曲線，稱之為(wei) 縱向力矩分布曲線。

座椅支撐人體(ti) ，使人體(ti) 保持平穩，所以分析人體(ti) 承受的力矩式是非常重要的，從(cong) 力學角度，看，對力矩的分析應該著眼於(yu) 力矩的量值以及力矩的分布，基於(yu) 這一目的，我們(men) 引入了縱向力矩分布曲線，它也是一個(ge) 綜合性反映坐墊幾何物理特性的指標。

人體(ti) 臀部各部分受力對於(yu) 保持人體(ti) 平衡的貢獻是不一樣的，力矩則反映了這一權重，很顯然，距離縱向對成軸遠的點的受力對保持人體(ti) 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(yu) 臂部區域力矩的分布合理，在重力，穩定感、腿部舒適性以及臂部舒適性得以體(ti) 現。

側(ce) 傾(qing) 穩定性係數S

穩定感是影響座椅舒適性的關(guan) 鍵因素之一，所謂側(ce) 傾(qing) 穩定性係數就是當乘員發生側(ce) 傾(qing) 時，座墊的支撐力使之恢複到平衡位置的能力。

座墊可以簡化為(wei) 一個(ge) 分布彈簧係統，人坐在座墊上，當發生側(ce) 傾(qing) 時，座墊將產(chan) 生一個(ge) 恢複力矩使人體(ti) 恢複平衡，不同的座墊使人體(ti) 恢複平衡的能力是不同的，同樣的側(ce) 傾(qing) 角，穩定性好的或形狀合理的座椅產(chan) 生的恢複力矩較大。假設人坐在非常軟的座墊上，比如棉花上，會(hui) 經常感到有側(ce) 傾(qing) 的危險，不得不經常調整自己以保持平衡，很容易疲勞，在顛簸道路形式工況下，側(ce) 傾(qing) 穩定性是影響舒適性的重要因素。顯然，較大的S穩定性較好，座椅的縱舒適性評價(jia) 也較高。[4]

數據分析

對於(yu) 座墊，以坐骨節處承受的壓力最大，同時以坐骨節處為(wei) 中心向四周不斷減少，直到座墊前端和大腿接觸處趨於(yu) zui低值，膝蓋後麵膕窩不受壓，沒有突變的峰值出現，左右兩(liang) 側(ce) 的壓力對稱，具有較好的包裹性。對於(yu) 靠背，最大壓力應在腰椎處，其他位置無明顯的壓力集中區域，左右兩(liang) 側(ce) 的壓力對稱，具有較好的包裹性。

基於(yu) 人體(ti) 的構造，可以將座墊和靠背的測試區域劃分為(wei) 臀部、腿部、側(ce) 翼三個(ge) 區域，將靠背劃分為(wei) 腰部、肩部、側(ce) 翼四個(ge) 區域。可分別考察各個(ge) 區域的最大壓力、平均壓力。

使用壓力測量係統分析軟件分析上圖兩(liang) 款A、B兩(liang) 款座椅的壓力分布情況，從(cong) 對比圖上可以直觀地看出A、B兩(liang) 款座椅的左右壓力對稱，說明兩(liang) 款座椅的包裹性都不錯。同時，B款座椅坐墊和靠背的總體(ti) 壓強大於(yu) A款，所以B款座椅更堅固，支撐性更好。