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汽车座椅舒适度研究毕业设计论文

毕业论文

毕业论文题目汽车座椅舒适度研究

摘要

汽车已经在人们的生活中越来越普及，安全、舒适、方便是现代汽车设计所追求的最优目标。

汽车座椅是汽车的重要组成部分，它直接关系到乘员驾乘的安全、舒适和工作效率。

为解决现代汽车座椅传统的经验设计方法中对舒适性分析的不足，本文以人机工程学的理论为基础，结合计算机技术，对汽车座椅的动态、静态舒适性和评价进行了综合分析和深入研究，为座椅和其它类似机械的舒适性设计和检验提出了一些新的思路。

研究结果对于提高中国汽车座椅的设计水平具有重要的指导意义，并可以广泛应用于其它座椅的舒适性设计。

本文概述了人体承受全身振动的舒适性评价方法，并建立了汽车人-座椅系统的三自由度模型，针对特定汽车的地板输入谱特性，运用Matlab进行仿真研究该模型的动态特性，合理设计座椅的动力学参数，结合ISO2631对模型进行人体振动舒适性的定量评价。

将人体H点是汽车驾驶室设计的基准点，将坐姿舒适性要求与坐姿角度相结合，建立人体坐姿杆系模型和数学模型。

另外，正负刚度并联弹簧作为一种新型非线性被动控制减振元件，对提高汽车舒适性具有重要意义。

本文基于正负刚度并联相消原理设计了新型汽车座椅弹性元件,并建立了其力学及数学模型进行分析。

基于人机工程学原理和脊柱测量数据，研究舒适性汽车座椅的结构设计和适合我国人体测量的座椅结构尺寸，为舒适性座椅的设计提供了一种有效的手段。

关键词：

舒适性；隔振；H点；人机工程学

Abstract

Vehiclesarebecomingmoreandmorepopularinpeople’sdailylife.Safety,comfortandefficiencyarethemainobjectiveofdirectlyguaranteethedriver’ssafety,comfortandworkefficiency.Inordertoovercomethedeficiencyoftraditionalexperientialdesignmethodforvehicleseatincomfort.Ergonomicstheoryisusedinthisthesis,withthehelpofcomputertechnology,thedynamic,staticcomfortandevaluationindexareexploredbasedonthecharacteristicsofvehicleseat.Inthisthesis,somenewconceptionsaboutcomfortdesignandtestingaresuggested,whichwillbebeneficialforthedesignofavehicleseat.Thecontentsofthisstudyinclude:

Thispapersummarizesthehumanbodyvibrationcomfortunderevaluatingmethods,andestablishthecarseatsystemforcertainthreedofmodelcar,thefloorinputspectrumcharacteristics,usingMatlabsimulationresearchthismodel,thedynamiccharacteristicofreasonabledesignofdynamicparametersoftheseat,combinedwithISO2631,themodelofquantitativeevaluationbodyvibrationcomfort.WillhumanHpointisthebenchmark,automobilecabindesignrequirementsandposturewillposturecomfortisestablishedbycombiningthehumanbodyAngleofmodelandsittingstemmathematicalmodel.Inaddition,plusorminusstiffnessparallelspringasanewnonlinearpassivecontroltoimprovevibrationisolationcomponents,automobilecomforttohavetheimportantmeaning.Basedonthepositiveandnegativestiffnessparalleldestructivelyprincipledesignedanewtypeofcarseatelasticcomponents,andestablisheditsmechanicsandmathematicalmodelisanalyzed.Basedontheergonomicprinciplesandspinalmeasurementdata,astudyofautomobileseatingcomfortofstructuraldesignandsuitableforChina'santhropometricseatstructuresize,thedesignforcomfortseatsprovidesaneffectivemeans.

Keywords：

Comfort;Vibrationisolation;H-Point;Ergonomics

附录一中文译文……………………………………………………………………………ⅰ

附录二外文资料原文………………………………………………………………………ⅱ

汽车座椅舒适度研究

第一章绪论

随着人们生活水平的提高，汽车的应用已经越来越广，同时对汽车的要求也越来越高。

安全、舒适、方便是现代汽车座椅设计的最优目标。

它应该在安全、舒适、方便等各方同都能很好的适合不同个人的特殊需求。

汽车座椅是汽车的重要组成部分，它的主要功能是支撑驾驶员及乘坐人员的身体，减缓路面不平传给人体的冲击并衰减由此引起的振动，给驾乘者提供舒适、安全的乘坐环境，便于驾驶者操作的良好工作条件。

汽车座椅的动力学参数——固有频率和阻尼比对座椅的减振性能有重要影响，同时座椅的设计尺寸与人体测量数据密切相关。

因此座椅的舒适性越来越多的成为广大工程科技人员研究的对象。

1.1舒适性

1.1.1振动舒适性

乘员所受的机械振动可分为局部振动和全身振动两大类：

所谓局部振动是指作用开人体特殊部位（如头部和四肢）的振动，经由方向盘、脚踏板和各种操作手柄传递到乘员的手或脚的振动。

局部振动一般不会给乘员造成伤害，只对操作的精度和准确度有影响。

全身振动是指通过人体的支撑表面（如站着的人体的脚部、坐着的人体的臀部、躺着的人体的背部支撑面等）传给人体的振动。

汽车乘员承受的乘坐振动属于全身振动，是对乘员可能造成严重伤害的主要振动形式。

人体承受全身振动而引起的舒适性问题，称为振动舒适性。

人体承受全身振动将产生机械的、生理的、病理的和心理的效应。

座椅传给乘员的振动负荷主要通过人体臀部和座椅座垫接触面传递进入人体的，其强度用臀部与座垫接触界面中心垂直方向的振动加速度、振动频率、受振动的持续时间来描述。

很多文献研究表明：

人体承受长期的全身振动对于腰脊柱和相关的神经系统的不良影响是持续增加的，而通常，这对于人体健康的伤害需要数年才能产生。

尽管对于人体承受振动的剂量做过各种假定，但由于个体、环境的差异，目前并没有一个特定的量来衡量人体承受振动对健康的影响。

通过座椅及车辆等部件，可以隔离、缓各、吸收和衰减行驶及作业中所产生的各种冲击和振动，最终使传给乘员身体的振动强度处于人体所能承受振动的舒适性范围之内。

汽车振动主要来源于地面不平度的随机激励。

汽车本身运转质量的不平衡或者各种作业载荷的波动也会引起汽车的振动。

汽车大都采用弹性悬架结构，车身与地面之间有轮胎和车辆悬架机构两级弹性支撑元件。

改善其动态舒适性相当重要。

乘坐振动通过乘员的臀部、腰部传给乘员，激起人体的全身振动。

当振动激励频率接近于人体主要器官的固有频率时，将引起相应器官的共振而产生相对位移，从而使人感到不舒适，严重时将危害人的身体健康。

关于坐着的人体承受垂直振动时的振动特性，许多测量和研究结果基本一致。

人体对4-8Hz频率范围的垂直振动以及1-2Hz频率范围的水平振动的能量传递率最大，其生理响应也最大。

1.1.2静态舒适性

座椅与人体的匹配关系和为乘员提供坐资的舒适程度，称为静态舒适性。

静态舒适性要研究和解决的问题，是依据人体舒适坐姿的要求和人体测量数据，合理布置、优化设计和充分考虑座椅的结构、尺寸和调整参数，以及驾驶室内各操作按钮和驾驶员的视野等。

（1）人机工程学[1]与H点

在汽车驾驶室里驾驶者和仪表盘、方向盘、变速箱操纵杆、手刹拉杆、座椅及踏板之间构成了人机界面，这就要求设计者要充分的考虑人机工程的因素以保证驾驶员能方便地操作，使车辆安全行驶，并保证人体经常处于良好的姿势状态，以缓解疲劳。

目前，汽车在设计驾驶室时选用的假人模型，一般为SAE95分值假人。

通常在做汽车总布置设计时，通过一系列的约束条件，最终确定假人的H点，从而确定假人的坐姿。

H点是指人体身躯与大腿的连接点，即跨点（HipPoint），它是与损人方便性及坐姿舒适性相关的车内尺寸的基准点。

人体工程学对座椅的舒适性提出了具体的要求：

①座椅的尺度必须参照人体测量学数据确定；

②座椅可适当调节，以满足坐姿变换；

③座椅的位置要与其作业空间相协调，便于人员作业。

（2）最终姿势与座椅外形

人体在座椅上坐着时的姿势，称为最终姿势。

人体姿势由相邻关节的距离及每个关节的角度来确定。

通常情况下，各关节之间的距离是不能调整的，但每个关节的角度可以改变。

在关节角度可变范围内存在改变的最佳区间，在此区间内人不易疲劳。

由坐姿生物力学分析，最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移，使上体略向上后倾斜，保持上体与大腿间角度在90°～115°。

同时，小腿向前伸，大腿与小腿、小腿与脚踝之间也应达到一定角度。

为了使不同身高的驾驶员获得良好的静态舒适性，并自如地进行操作，必须使座椅的尺寸合适、驾驶位置合理，通常对于座椅来说，以下外形尺寸必须在规定的范围之内：

①坐垫深度。

对于身材高大的驾驶员来说，坐垫太浅会因大腿下面无足够的支撑面而感到不适，反之，身材稍小的驾驶员则会因为坐垫太深而背部不能与靠背接触，势必要端坐，长时间的端坐更易疲劳。

因此，坐垫深度一般取400～500mm；

②坐高。

即坐垫上表面至地板的距离，坐垫的高度应保证双脚能自如踏在地板上，并可以自由地前伸后驱，坐垫过高，身材稍小的驾驶员踩踏板困难，大腿下面过分胎神压而使血液流动不畅，以致麻木而很快疲劳；反之，坐垫过低，会使身材高大的驾驶员因小腿与大腿的角度变小而很快疲劳。

因此，坐垫高度一般以取350～400mm为宜，最低不小于300mm，最高不大于400mm；

③坐垫角度及靠背与坐垫的夹角。

坐垫上表面若是水平的，则人坐上去身体会产生向前滑动的趋势，为保证驾驶员身体不向前滑动，垫面一般设计成前高后低的倾斜状，一般以取5～8°为宜。

由于坐垫有水平夹角而造成靠背与坐垫夹角减小，如果角度过小，则腰椎就会由正常弯曲变直，使腰部很快疲劳。

因此，一般靠背部设计成可调，使其后倾，以增大躯干和大腿之间的夹角。

对于汽车座椅，躯干和大腿间夹角以在95～105°范围内为宜；

④坐垫宽度。

坐垫稍宽些，有利于驾驶员调整姿势，但太宽会影响操作方便性，一般取450～500mm；

⑤靠背宽度。

靠背与坐垫的宽度可以相同，也可以比坐垫稍窄些，但太窄会破坏座椅的整体造型，为了造型美观及不影响上肢活动而设计成上窄下宽的外型。

目前座椅设计时一般取相等宽度。

（3）体压分布与测量

人坐在座椅上时，人体重力作用在坐垫和靠背上，其压力分布情况称为体压分布。

坐姿的体压分布是影响乘坐舒适性的重要因素。

人就坐时，身体重量的大部分（约80%）经过臀部、背部隆起部分及其附着的肌肉压在座椅面上。

目前，GM，Ford,Toyota,Honda,BMW,Volvo,Delphi,JohnsonControls等大公司都在广泛应用美国Teksean公司的压力分布测量系统来解决座椅舒适度问题，该系统主要通过在座椅的坐垫和靠背上布置4000个以上的传感单元来测量面套的支撑和泡绵硬度等对座椅的压力分布和舒适度的影响效果。

通过某公司开发的一款汽车座椅的体压分布平面图和立体图，我们可以了解整个人体压力状况比较合理，接触面积大，左右平均度好，无明显的硬块。

1.1.3操作舒适性

主要是驾驶员进行驾驶操作时的舒适性程度称为操作舒适性。

操作舒适性所要研究和解决的问题主要是车辆驾驶员室、驾驶员、座椅、操纵装置、显示装置、车外视野的合理匹配。

汽车座椅的动态舒适性与座椅及人体的振动特性密切相关。

座椅动态舒适性是指人体处于振动环境中所感受到主观上的相对舒适程度。

振动对驾驶员的直接影响涉及躯干和身体局部的动态反应行为，生理反应，性能减退和敏感度障碍。

人体在振动环境中会加速疲劳过程，当振动环境中的振动特性处于人体神经系统的敏感区域时，这种刺激频繁传入大脑皮质，引起大脑皮持细胞兴奋。

当达到一定限度时，皮质细胞的工作强度将减弱，人就会感到疲劳，工作效率明显下降。

1.2汽车座椅舒适性研究现状

早在20世纪70年代，国外的许多汽车生产厂家就已经注意到驾驶室设计的舒适性对汽车车辆作业效率的影响，人们开始将人机工程学理论应用于汽车座椅的设计上。

但当时的研究水平仅限于对座椅的尺寸、形状等与人体尺寸相适应的静态问题。

近年来，国外开发研究了舒适性较高的汽车驾驶室。

驾驶室内部趋于多功能化，并尽显豪华风格：

仪表板上的中央部位安排了更大的易于辨认的、动感十足的数字显示，很容易看得清楚；电视摄像机和显示器可以作为可选的一种装置，随时监视汽车行驶的路面状况；易于进出的驾驶室车门有特殊的安全锁定装置；其高品质的电动升降门窗十分宜人；视野十分广阔等等的这一切都应该集中于汽车座椅的位置布置，座椅上下、左右及角度可调，头枕高度可调和可拆卸的座椅，使每个座椅都能活动自如。

这都体现了人机工程学上最佳的宜人性设计的原则。

国外对汽车座椅舒适性的研究是伴随着汽车的诞生而逐渐展开的，至今已发展得十分成熟。

早在20世纪40年代，国外学者就对乘坐舒适性开始了研究。

20世纪60年代，随机振动理论蓬勃发展，人们对道路的路面特性有了一个明确的认识，汽车振动学也随之发展并日趋完善。

到20世纪70年代，涌现出了以国际标准ISO2631为代表的大量研究成果，并在不断完善，成为评价舒适性的方法及依据。

在理论研究的同时，国外学者对座椅这个减振环节进行了大量的试验研究，比如对人-椅系统的传递特性、三种姿态下的人体振动模型、座垫阻尼特性的研究，均取得了丰富的成果。

随着人们对座椅舒适性的要求不断提高，以及科学技术的不断进肯，国外加强了对新型减振座椅的研究，在机械减振座椅出现的基础上，于20世纪90后代开发出了空气悬挂式座椅，极大地提高了载货汽车及大客车驾驶员座椅的动态舒适性。

这种新型座椅的出现，已成为座椅动态舒适性研究的一个新热点，但其研究成果尚不全面。

当前，美国ROHO集团已经开发出一种车用充气坐垫，可以有效地提高驾驶员乘坐的舒适性。

随着中国汽车工业的蓬勃发展，国内也注意到了汽车驾驶室的舒适问题，国内多家汽车生产厂家开始测绘和仿制国外先进的汽车座椅，驾驶员操作手柄形状以及驾驶室内设施的布置等，并开始人机工程学在汽车座椅设计上的应用的研究，并取得了一系列成果，同时驾驶室舒适性问题引起了更多的关注。

这极大的推动了国产汽车舒适性方面的设计和制造水平。

但是应用人机工程学来研究汽车座椅舒适性问题，国内还处于初级阶段。

我国对汽车座椅动态舒适性的研究起步较晚，相对落后。

自20世纪80年代开始，电子计算机的普及，使人们对汽车座椅的动态参数进行优化等研究成为可能，涌现出了大量的研究成果。

在此期间，洛阳拖拉机研究所等对矿用车和拖拉机用的剪式悬挂座椅（带减振器、金属弹簧）进行了研究，并取得了一定的成果，另外清华大学等也同时开展了对人体振动模型的研究。

不过，我国对座椅舒适性的研究尚处于相对落后的状态，主要原因有三个：

国内座椅产品设计人员尚未掌握先进的研究方法（如系统动力学的方法），也未对座椅的减振性能进行深入的研究，这影响了座椅设计及研究的发展；在我国，座椅舒适性还不是强制检测的要求内容，一些企业认为只要在安全性上满足座椅强度的检测要求就可以了，而座椅的舒适性则是次要的；我国许多座椅生产厂家对舒适性的认识也还只是停留在仅仅满足国家法规要求上，而座椅舒适性试验方法行业标准，以及一些大企业的相关标准制定较早，由于没有对近几年才出现的空气悬挂式座椅进行研究，导致认识上的不确定、不清晰，这也是造成舒适性研究落后的另一个重要原因。

鉴于此，急需投入一定的技术力量，以有效地开展适合我国现状的座椅动态舒适性研究工作。

根据影响汽车驾驶座椅舒适性的人-机-环分析，安全舒适的汽车驾驶座椅的设计必须满足坐姿舒适性（静态舒适性）和振动舒适性（动态舒适性）的要求。

开展人机工程学研究，并将其研究成果应用到国内汽车座椅设计中，对提高汽车产品的设计水平，增强产品竞争力具有重要的意义。

目前，在汽车研究方面，人们建立了各种各样的关于汽车-人-环境的模型。

1.2.1汽车座椅动态模型

从汽车整体上，在舒适性和安全性等方面研究很成熟。

人们建立了许多汽车动力学分析的数学模型。

我们知道，任何控制系统的设计都依赖于描述真实系统模型的准确性，常见的汽车数学模型有三种：

仅考虑汽车车轮和悬架系统的自由度（前后轮、前后悬架）的1/2（将车辆视为左右对称）车辆模型；在1的基础上增加座椅和乘员的自由度车辆模型；以及在2的基础上增加发动机的自由度车辆模型。

其中最为准确的为模型三，即用此模型来分析随机路面输入的频率响应对乘员的影响。

在对这三个模型的分析设计中，都力求从各个模型分析中得到的固有频率都能有效的避开人体敏感频率4-8Hz。

如果分析得到的汽车固有频率接近人体敏感频率，那么在汽车行驶过程中将使人体产生共振，而严重影响乘员乘坐的舒适性，甚至对人体产生严重的健康隐患。

因此为了汽车的减振而提高人体的舒适性，人们在汽车悬架上安装各种各样的减振弹簧、减振液压系统以及空气弹簧等，控制汽车的固有频率并增加阻尼，从一定程度上提高了人体的舒适性。

降低轮胎的使用寿命；同时降低汽车悬架刚度并增加阻尼也有利于减少振动，但会影响汽车操纵和自动的稳定性，所以汽车悬架必须有相当的刚度用于抵抗路面等外界对汽车的冲击。

而汽车座椅是与人体直接相接触的部位，研究汽车座椅的减振性将直接影响乘员乘坐的舒适性。

同量座椅的结构相对汽车整体来说简单，设计方便，改变座椅的动态参数能显著改变人体振动舒适性，对汽车的使用性能没有影响，而且制造成本低，周期短。

现在越来越多的人将目光转移到直接研究汽车座椅上来：

研究座椅悬架系统，采取切实可行的技术措施隔离由于地面激励引起的通过汽车轮胎和悬架传给汽车座椅的振动，从而改变传递到人体的振动。

驾驶用座椅动态舒适性[2]主要与振动特性有关。

影响驾驶疲劳的振动主要是行驶中车辆的随机振动和车辆。

驾驶员受到纵向、横向及垂直三个方向的线振动与角振动，这几个振动中，以垂直和绕纵、横坐标轴的角振动对驾驶员的影响较大。

振动通过座椅传递到人体的臀部、背部而引起的全身性振动。

因此，在设计汽车座椅时应尽量隔离人体敏感的振动。

在座椅设计中可采取的措施有：

减小座椅共振频率，降低座椅10Hz附近振动传递率，以减轻弹簧一下的共振的印象和减少来自座椅靠背的高频振动；把路面-轮胎、减震悬挂、座椅-人体三者看作一个整体大动力学系统，寻求在各个路面随机输入情况下，乘员不易疲劳的最优结构。

此外，对于座椅的动态特性可按照传入人体的能量最小、是人体在敏感频率区域动态响应最小、传给人体的加速度均方根值最小等目标进行优化，与汽车的减震系统相匹配，使驾驶员处于更合适的振动环境，这些都是驾驶疲劳的重要措施。

从汽车座椅舒适性的局部研究来看，人们对于汽车座椅提出了很多的动力学模型，并根据人体测量数据进行座椅结构及尺寸设计，进行了很有成效的研究。

汽车座椅的动态性能研究：

关于座椅的动态性能，人们设计了“人-椅系统”的动力学模型，为了研究座椅的振动性能对人体舒适性的影响，进而采取相应的措施降低振动，提高乘坐舒适性。

“人-椅系统”的垂直方向上的单自由度模型：

仅考虑地面不平等引起的振动传给汽车然后传给座椅的垂直方向上的振动（垂直方向的振动比其它方向的分量要大，且座椅对各方向的动态参数是独立的），并将人体简化为一个简单的刚性质量块。

即将人体与汽车座椅的总质量计为M，汽车座椅的刚度系数（弹性）计为K，座椅振动阻尼为C，路面不平传给座椅的响应作为汽车座椅的输入X，而座椅的振动响应为Y，作为座椅传给人体的输入，它将影响人体乘坐的舒适性。

经过分析，该模型结果与实际人体在座椅上的试验结果相比较存在很大的差异：

用刚性质量块代替人体作试验得到的座椅传递函数的峰值比实际人体测得的座椅传递函数峰值要高，而且峰值频率也高。

原因是人体不是一个简单的质量块，它不仅有一定的质量，而且有一定的阻尼和刚度。

由于人体内部阻尼的作用，使整个座椅系统的传递函数的峰值有峰值频率大大降低。

这种变化对座椅动态参数的优化设计的影响是非常大的。

由于振动对人体最有害的频率范围，在垂直方向为4-8Hz，正好是人体内脏器官的共振频率，因此在座椅设计时为了保证振动对人体最敏感的频率的振动能进行有效的衰减，座椅系统（包括人体）的固有频率常常设计成小于3Hz，而汽车车身的固有频率常常为2-4Hz。

正因为单自由度“人-椅系统”的动力学参数与实际“人-椅系统”的动力学参数存在很大的差异，也就难以获得“人-椅系统”与汽车车身系统振动的最佳匹配关系，也就使乘员座椅因为振动而使乘坐舒适性大为下降。

所以在座椅动态参数优化设计的过程中，应该充分考虑人体的非刚体特性。

“人-椅系统”在垂直方向上的多自由度模型：

考虑到人体实际上存在一定的阻尼和刚度，常常将人体模型设计为单质量块的单自由度模型或两质量块的二自由度模型，而常常以人体二自由度模型最为理想，得到的“人-椅系统”模型为三自由度模型。

这样，在“人-椅系统”模型设计上增加了人体的刚度和阻尼。

将此模型与真实“人-椅系统”进行试验对比，测得系统传递函数非常相近。

因此该模型更接近于实际应用。

但该模型并没有将座椅质量进行考虑，其实，座椅为非刚性的，其质量对于“人-椅”系统的动态特性的影响是很大的。

“人体-座椅”模型的建立主要研究座椅的振动性能对人体舒适度的影响，进而采取相应的措施降低振动，提高舒适性。

1.2.2汽车座椅静态舒适性

从人机工程学角度上来看，我国汽车座椅的研究应该以我国人体测量数据为基础的。

我国已经有了自己的人体尺寸标准：

GB10000-88，中国成年人人体尺寸。

基于此标准，国内的研究者们在此基础上为座椅的空间尺寸提供了很有成效的参考数据，对于汽车座椅乘坐人体的舒适度[3]有很大的影响。

座椅的静态舒适性设计须考虑的因素很多，设计中应突出以下几点。

（1）座椅的形式和尺度与