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(diǎn)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(jì)的目標(biāo)就是讓駕駛員對座椅整體的主觀感知是舒適的，包括短時(shí)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(dòng)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?fàn)顟B(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(huì)隨著環(huán)境改變（如溫度、光照、乘坐時(shí)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(biāo)準(zhǔn)，本文主要通過體壓分布測量來對汽車座椅舒適性進(jìn)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(jī)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(diǎn)的壓強(qiáng)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(jìn)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(yàn)樣件和設(shè)備

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

該試驗(yàn)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(gè)長寬12.7mm的測點(diǎn)，傳感器的壓力范圍為0.7-27Kpa，當(dāng)測點(diǎn)壓力小于閾值時(shí)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)顯示為零。

壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行濾波和量化編碼，最后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)分析和處理，輸出體壓數(shù)據(jù)，對壓力分布進(jìn)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(jì)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(dá)，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(jì)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(zhǔn)。

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

無需反復(fù)標(biāo)定校準(zhǔn)，對多個(gè)對象進(jìn)行連續(xù)的舒適性測試，降低實(shí)驗(yàn)室的停機(jī)時(shí)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(yàn)方法

將測試座椅安裝在整車上，或者依照在車輛中的實(shí)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(gè)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(zhǔn)確性，采集時(shí)長至少5分鐘。

試驗(yàn)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(jìn)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(biāo)

體壓分布情況以體壓分布指標(biāo)和調(diào)查被測者的主觀感受為依據(jù)，常用的評(píng)判指標(biāo)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(gè)指標(biāo)：

最大壓力Pm

最大壓力即全部測點(diǎn)中的最大值為 P=max(P,P2,.....Pv)（N為測點(diǎn)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(biāo)。

平均壓力Pv

平均壓力為全部受壓點(diǎn)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(diǎn)數(shù)不同，也會(huì)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(diǎn)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(gè)改進(jìn)設(shè)計(jì)的參考標(biāo)準(zhǔn)。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(diǎn)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(huì)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(diǎn)的形狀，平均壓力梯度較小，這也提供了一個(gè)改進(jìn)座椅設(shè)計(jì)的參考標(biāo)準(zhǔn)。

不對稱系數(shù)C

試驗(yàn)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(huì)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(biāo)，用以判定體壓分布的不對稱程度，它是左右對稱測點(diǎn)壓力差的絕對值之和與總壓力的比值。顯然，當(dāng)C=0時(shí)，體壓分布wanquan對稱，當(dāng)C=1時(shí)，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(shí)際意義在于，一方面，統(tǒng)計(jì)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(shí)，在單一的試驗(yàn)中，可以用于判定試驗(yàn)結(jié)果的有效性，由于不符合試驗(yàn)要求的坐姿，勢必造成試驗(yàn)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(biāo)軸，以壓力積分結(jié)果方級(jí)坐標(biāo)軸畫出的曲線，稱頭級(jí)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(biāo)軸，以力矩積分結(jié)果為縱坐標(biāo)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(gè)綜合性反映坐墊幾何物理特性的指標(biāo)。

人體臀部各部分受力對于保持人體平衡的貢獻(xiàn)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(yuǎn)的點(diǎn)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(shí)，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(gè)分布彈簧系統(tǒng)，人坐在座墊上，當(dāng)發(fā)生側(cè)傾時(shí)，座墊將產(chǎn)生一個(gè)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(huì)經(jīng)常感到有側(cè)傾的危險(xiǎn)，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(píng)價(jià)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(shí)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(gè)區(qū)域，將靠背劃分為腰部、肩部、側(cè)翼四個(gè)區(qū)域?？煞謩e考察各個(gè)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(cuò)。同時(shí)，B款座椅坐墊和靠背的總體壓強(qiáng)大于A款，所以B款座椅更堅(jiān)固，支撐性更好。