【正文】 計(jì)的重要性 42 座椅舒適度的研究方法 42 預(yù)壓彈簧設(shè)計(jì) 42 座椅安全性設(shè)計(jì) 45第五章 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析 47 汽車座椅行業(yè)調(diào)研 47 數(shù)據(jù)獲取 48 舒適性影響因素分析 48 其它因素對(duì)舒適性評(píng)價(jià)的影響分析 49 本章小結(jié) 52結(jié)論 53參考文獻(xiàn) 54謝辭 55附錄一 中文譯文……………………………………………………………………………ⅰ附錄二 外文資料原文………………………………………………………………………ⅱ沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 汽車座椅舒適度研究第一章 緒論隨著人們生活水平的提高，汽車的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣，同時(shí)對(duì)汽車的要求也越來越高。汽車座椅的動(dòng)力學(xué)參數(shù)——固有頻率和阻尼比對(duì)座椅的減振性能有重要影響，同時(shí)座椅的設(shè)計(jì)尺寸與人體測(cè)量數(shù)據(jù)密切相關(guān)。全身振動(dòng)是指通過人體的支撐表面（如站著的人體的腳部、坐著的人體的臀部、躺著的人體的背部支撐面等）傳給人體的振動(dòng)。座椅傳給乘員的振動(dòng)負(fù)荷主要通過人體臀部和座椅座墊接觸面?zhèn)鬟f進(jìn)入人體的，其強(qiáng)度用臀部與座墊接觸界面中心垂直方向的振動(dòng)加速度、振動(dòng)頻率、受振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間來描述。汽車振動(dòng)主要來源于地面不平度的隨機(jī)激勵(lì)。乘坐振動(dòng)通過乘員的臀部、腰部傳給乘員，激起人體的全身振動(dòng)。 靜態(tài)舒適性座椅與人體的匹配關(guān)系和為乘員提供坐資的舒適程度，稱為靜態(tài)舒適性。通常在做汽車總布置設(shè)計(jì)時(shí)，通過一系列的約束條件，最終確定假人的H點(diǎn)，從而確定假人的坐姿。人體姿勢(shì)由相鄰關(guān)節(jié)的距離及每個(gè)關(guān)節(jié)的角度來確定?！?15176。因此，坐墊深度一般取400～500mm；②坐高。為宜。范圍內(nèi)為宜；④坐墊寬度。(3) 體壓分布與測(cè)量人坐在座椅上時(shí)，人體重力作用在坐墊和靠背上，其壓力分布情況稱為體壓分布。通過某公司開發(fā)的一款汽車座椅的體壓分布平面圖和立體圖，我們可以了解整個(gè)人體壓力狀況比較合理，接觸面積大，左右平均度好，無明顯的硬塊。座椅動(dòng)態(tài)舒適性是指人體處于振動(dòng)環(huán)境中所感受到主觀上的相對(duì)舒適程度。 汽車座椅舒適性研究現(xiàn)狀早在20世紀(jì)70年代，國(guó)外的許多汽車生產(chǎn)廠家就已經(jīng)注意到駕駛室設(shè)計(jì)的舒適性對(duì)汽車車輛作業(yè)效率的影響，人們開始將人機(jī)工程學(xué)理論應(yīng)用于汽車座椅的設(shè)計(jì)上。這都體現(xiàn)了人機(jī)工程學(xué)上最佳的宜人性設(shè)計(jì)的原則。到20世紀(jì)70年代，涌現(xiàn)出了以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631為代表的大量研究成果，并在不斷完善，成為評(píng)價(jià)舒適性的方法及依據(jù)。當(dāng)前，美國(guó)ROHO集團(tuán)已經(jīng)開發(fā)出一種車用充氣坐墊，可以有效地提高駕駛員乘坐的舒適性。我國(guó)對(duì)汽車座椅動(dòng)態(tài)舒適性的研究起步較晚，相對(duì)落后。鑒于此，急需投入一定的技術(shù)力量，以有效地開展適合我國(guó)現(xiàn)狀的座椅動(dòng)態(tài)舒適性研究工作。 汽車座椅動(dòng)態(tài)模型從汽車整體上，在舒適性和安全性等方面研究很成熟。在對(duì)這三個(gè)模型的分析設(shè)計(jì)中，都力求從各個(gè)模型分析中得到的固有頻率都能有效的避開人體敏感頻率48Hz。而汽車座椅是與人體直接相接觸的部位，研究汽車座椅的減振性將直接影響乘員乘坐的舒適性。影響駕駛疲勞的振動(dòng)主要是行駛中車輛的隨機(jī)振動(dòng)和車輛。 在座椅設(shè)計(jì)中可采取的措施有：減小座椅共振頻率，降低座椅10Hz附近振動(dòng)傳遞率，以減輕彈簧一下的共振的印象和減少來自座椅靠背的高頻振動(dòng)；把路面輪胎、減震懸掛、座椅人體三者看作一個(gè)整體大動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，尋求在各個(gè)路面隨機(jī)輸入情況下，乘員不易疲勞的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。“人椅系統(tǒng)”的垂直方向上的單自由度模型：僅考慮地面不平等引起的振動(dòng)傳給汽車然后傳給座椅的垂直方向上的振動(dòng)（垂直方向的振動(dòng)比其它方向的分量要大，且座椅對(duì)各方向的動(dòng)態(tài)參數(shù)是獨(dú)立的），并將人體簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的剛性質(zhì)量塊。由于人體內(nèi)部阻尼的作用，使整個(gè)座椅系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的峰值有峰值頻率大大降低。所以在座椅動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該充分考慮人體的非剛體特性。因此該模型更接近于實(shí)際應(yīng)用。我國(guó)已經(jīng)有了自己的人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)：GB1000088，中國(guó)成年人人體尺寸。椅面高度在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮兩點(diǎn)：椅面過高會(huì)使大腿肌肉受壓，椅面過低就會(huì)增加背部肌肉負(fù)荷。椅面傾角主要考慮為防止人體臀部向前滑動(dòng)，此角不易過大，否則會(huì)增加大腿下平面與座墊前緣的壓力，從而減少雙腳著地的負(fù)荷，阻礙血液循環(huán)，引起身心疲勞。汽車座椅上的許多調(diào)節(jié)功能都能在一定程度上保持人體主要關(guān)節(jié)處于舒適的角度。研究“H點(diǎn)”的位置（真實(shí)人體乘坐在汽車座椅上時(shí)“H點(diǎn)”的位置）能更準(zhǔn)確的了解人體處于復(fù)雜環(huán)境（隨機(jī)不平的路面?zhèn)鹘o汽車座椅的垂直振動(dòng)分量在人體上所引起的不舒適性）時(shí)所感覺到的舒適度指標(biāo)。大量文獻(xiàn)研究表明，汽車座椅的位置與座椅的“H點(diǎn)”高度密切相關(guān)，駕駛室內(nèi)的所有參數(shù)，沒有一個(gè)能與座椅“H點(diǎn)”高度更密切相關(guān)了。僅僅根據(jù)人體尺寸并不能全面了解人體疲勞機(jī)理，不能在振動(dòng)環(huán)境中有效的分析脊柱曲線（與人的臉等一樣，不同人體有不同的脊柱曲線）與脊柱受力情況，以及脊柱在日常生活中所表現(xiàn)出來的作用，不了解脊柱變形所產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)；不正確的坐姿使椎間盤離開正常位置，因?yàn)榉钦５膲毫捌涑志眯栽斐勺甸g盤突出；壓迫血管和神經(jīng)；肌肉疲勞等等，這樣而設(shè)計(jì)的汽車座椅并不能滿足大多數(shù)乘員舒適坐姿的需要。因此，按照SAE標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出來的汽車座椅將比適合于中國(guó)人體要求的座椅尺寸偏大，相應(yīng)的也不能適應(yīng)大多數(shù)人的乘坐舒適性的要求，應(yīng)該根據(jù)我國(guó)具體的人體尺寸進(jìn)行座椅的設(shè)計(jì)和制造。乘員乘坐在座椅里時(shí)，為了保持乘坐姿勢(shì)，座椅對(duì)乘員身體支撐部分壓力的大小分布稱為體壓分布。理想的坐墊體壓分布曲線見圖11（圖中封閉曲線為等壓力線，數(shù)值的壓力為102Pa），這種情況使得座椅要有振動(dòng)舒適性、坐墊與靠背要有軟硬感。另外，為了使腹部與大腿之間的血管不受壓迫且血流通暢，軀干與大腿之間應(yīng)保持一鈍角：90～115176。同時(shí)小腿可前伸，保持大腿與小腿、小腿與腳之間達(dá)到105～115176。若體壓分布不合理，會(huì)使局部壓力過大，出現(xiàn)血液循環(huán)不暢、局部麻木的現(xiàn)象等，加速疲勞，所以要充分注意。 維持脊柱正常的生理彎曲根據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論，首先腰椎承受人的上體全部質(zhì)量，同時(shí)承受因汽車振動(dòng)等而產(chǎn)生的沖擊載荷：如果不正確的坐姿使腰部脊椎[5]超出正常生理彎曲弧形，將會(huì)產(chǎn)生附加的椎間盤壓力，腰椎部分最容易受到損傷。骨盆的每一側(cè)由3塊融合在一起的骨頭組成，形成剛性非常大的骨組織。人體站立時(shí)，脊柱呈彎曲狀，稱為脊柱的正常生理彎曲。這樣的結(jié)構(gòu)不僅可以減輕振蕩、有效地保護(hù)臟器，而且還能承受較大的負(fù)荷，滿足人類生活和勞動(dòng)的需要。椎管是由連續(xù)的椎骨及椎孔形成。為了維持人體的某種姿勢(shì)，往往要靠肌肉纖維的交替收縮以保持一定的張力，肌肉使脊柱具有運(yùn)動(dòng)功能并保持相對(duì)穩(wěn)定。圖14 椎間盤受力及壓迫脊椎神經(jīng)末梢圖示 橫向振動(dòng)的抵抗能力由于椎間盤有較大的壓縮潛力和很好的彈性，所以，脊柱能忍受較強(qiáng)的縱向振動(dòng)。人機(jī)工程學(xué)作為一門新興的學(xué)科，在它自身的發(fā)展過程中，有機(jī)地吸收和融合各相關(guān)學(xué)科的理論，不斷地完善本學(xué)科的基本概念、理論體系、研究方法、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。(2) 根據(jù)人體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建立人體坐姿模型和數(shù)學(xué)模型，以人體各關(guān)節(jié)的舒適活動(dòng)角度為約束條件，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)繪制小身材女性、中等身材男性和大身材男性駕駛員舒適駕駛位置時(shí)的H點(diǎn)區(qū)域圖，為座椅的布置和調(diào)整提供理論依據(jù)。不同的心理品質(zhì)和身體素質(zhì)，對(duì)振動(dòng)的敏感程度也不同。如果把產(chǎn)生同樣的舒適性的各點(diǎn)連接起來，即可繪制出人體對(duì)振動(dòng)反應(yīng)的等舒適性曲線。（當(dāng)駕駛員承受的振動(dòng)強(qiáng)度在此界限內(nèi)，能準(zhǔn)確靈敏地反應(yīng)，正常地進(jìn)行駕駛）；(3) 保持健康與安全界限（或稱受振極限）：它是人體所能承受振動(dòng)的上限，超過此界限將使乘員的健康受到損害。從圖中可以看出，在每一條表示界限的圖線上，到達(dá)規(guī)定的同一受振持續(xù)時(shí)間，在不同的頻率時(shí)的振動(dòng)加速度有效值是不同的，但人體的感覺程度相同。為了便于測(cè)試分析和比較，把180Hz頻率范圍分為20個(gè)區(qū)段，稱作頻帶。研究表明腰托裝置的設(shè)計(jì)及安裝對(duì)人體的體壓分布有顯著影響，設(shè)計(jì)合理的腰托裝置可明顯改善汽車座椅的舒適性。有研究表明腰托裝置比彈性元件更能夠改善人體腰部的支撐，提高人體的乘坐舒適性。當(dāng)人體以正常姿勢(shì)入座時(shí)，脊骨腰椎部分承受的負(fù)荷最大，此時(shí)的腰曲易出現(xiàn)前傾變形，使脊柱處于非正常生理彎曲狀態(tài)。腰托的安裝位置在座椅靠背結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中十分重要。 圖24 人體脊骨生理結(jié)構(gòu) 圖25 H點(diǎn)及腰托裝置極限位置 座椅腰托的客觀性評(píng)價(jià)試驗(yàn)為了測(cè)試座椅靠背有無腰托裝置人體壓力分布的變化情況，采用Tekscan System人體壓力測(cè)試設(shè)備測(cè)量了靜態(tài)人體壓力分布?？v向壓力分布曲線反映人體受力的分布情況及變化趨勢(shì)，綜合反應(yīng)靠背剛度、形狀以及靠背離地高度等幾何物理特征對(duì)體壓的影響。評(píng)測(cè)者的相關(guān)生理結(jié)構(gòu)參數(shù)見表21。顯然，安裝腰托之后的座椅在靠背腰部區(qū)域給予了人體比較大的支撐，這種合理的支撐適應(yīng)了人體凸向前的腰曲弧形，使身體各部分肌肉均處于放松狀態(tài)，屈伸部位的角度以及受到的壓力都有利于人體保持正常的血液循環(huán)，滿足人體的生理結(jié)構(gòu)上的需要。根據(jù)人體靠背的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看出，乘坐時(shí)，人體靠背的主要受力點(diǎn)就是腰曲部位的支承。 座椅腰托的主觀性評(píng)價(jià)試驗(yàn)為了清晰地說明客觀試驗(yàn)結(jié)果對(duì)乘坐舒適性的影響，進(jìn)行了主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)，試驗(yàn)中選取的測(cè)試者與客觀試驗(yàn)相同。對(duì)11個(gè)數(shù)值進(jìn)行處理獲得均值。圖29 汽車行駛時(shí)的典型地板譜在f==，在f==，分別對(duì)應(yīng)汽車行駛時(shí)的懸架和輪胎共振頻率。 加速度劑量法圖211為圖29所示在汽車座椅實(shí)驗(yàn)時(shí)，汽車在水平道路上（一級(jí)公路）行駛時(shí)的三個(gè)坐標(biāo)軸上的實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)時(shí)間為3min（圖中分別選取了某時(shí)間段的曲線圖示）。以上計(jì)算都基于比較平坦的公路進(jìn)行的，如果汽車行駛的道路比較崎嶇，或鄉(xiāng)村路面，其輸入給汽車（座椅）的加速度將會(huì)顯著增加，因此帶來的后果是相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果會(huì)接近或者超過人體所能忍受的界限，從而使人體產(chǎn)生嚴(yán)重的不舒服感覺，甚至頭昏、眼花、嘔吐等癥狀而嚴(yán)重影響人體的正常機(jī)能，因此，對(duì)于這樣的駕駛條件會(huì)使人極不舒服。發(fā)現(xiàn)座椅的阻尼系數(shù)在c1=490N/ms1左右，剛度系數(shù)在k1=20000N/m左右的某一特定值時(shí)，對(duì)于不同質(zhì)量的乘員，座椅都能很好的衰減傳給人體的振動(dòng)能量。正負(fù)剛度彈簧并聯(lián)機(jī)構(gòu)則可以很好的解決上述問題。定義式為 31式中dF—彈性元件所承受的載荷增量；dx—彈性元件的變形量。K為負(fù)值時(shí)為負(fù)剛度，即隨著載荷的增加變形量反而減少，負(fù)剛度值為Kn。圖31c為既具有正剛度區(qū)又具有負(fù)剛度區(qū)的彈性元件。以下是正負(fù)剛度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的隔振原理。由牛頓第二定律，并聯(lián)彈簧在平衡位置處的微幅運(yùn)動(dòng)方程為 32此時(shí)系統(tǒng)的固有頻率為，因?yàn)椋?。因?yàn)?，故，即并?lián)負(fù)剛度后的傳遞率比正剛度彈簧要小，隔振效果要好。(1) 倒立擺水平負(fù)剛度機(jī)構(gòu)倒立擺為一最簡(jiǎn)單的負(fù)剛度機(jī)構(gòu)。圖33　倒立擺負(fù)剛度機(jī)構(gòu)(2) 歐拉壓桿負(fù)剛度機(jī)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)的壓桿在其軸向力大于臨界載荷時(shí)，將發(fā)生失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)如圖34所示。以上為連桿彈簧負(fù)剛度機(jī)構(gòu)。在三種負(fù)剛度實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)中，倒立擺多用于水平隔振，歐拉壓桿不便于在座椅中的布置，因此我們選用了連桿彈簧負(fù)剛度機(jī)構(gòu)與正剛度彈簧并聯(lián)。正剛度曲線斜率Kp為正值，表現(xiàn)為正剛度特性。 本章小結(jié)本章首先引入了正剛度與負(fù)剛度的概念及其的載荷與變形關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用連桿彈簧負(fù)剛度機(jī)構(gòu)與正剛度彈簧并聯(lián)，設(shè)計(jì)了汽車座椅減振機(jī)構(gòu)。座椅動(dòng)態(tài)舒適性的試驗(yàn)研究主要有座椅靜載試驗(yàn)、頻響特性試驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)等，主要是通過使用各種專用設(shè)備如振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，應(yīng)用不同測(cè)量方法來模擬不同的實(shí)際工況。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種機(jī)械力學(xué)仿真分析軟件。 振動(dòng)理論振動(dòng)理論是研究機(jī)械系統(tǒng)和工程結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及其在動(dòng)態(tài)激勵(lì)下振動(dòng)響應(yīng)分析方法的一門科學(xué)[13]。系統(tǒng)特性響應(yīng)（輸出）y（t）p（t）激勵(lì)（輸入）圖41　系統(tǒng)輸入輸出圖振動(dòng)力學(xué)問題的解決途徑如下。具體方法如下。離散系統(tǒng)分析方法如下。與力和加速度存在如下關(guān)系 41線性彈簧模型被抽象為無質(zhì)量和阻尼的元件，只具有彈性，質(zhì)量不計(jì)。連續(xù)系統(tǒng)主要由弦、梁、桿、板、殼或組成。動(dòng)靜法多用于分析簡(jiǎn)單的力學(xué)問題；哈密爾頓原理經(jīng)常應(yīng)用于建立連續(xù)彈性體的運(yùn)動(dòng)微分方程；拉格朗日方程主要應(yīng)用于建立有限自由度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程[15]。這樣一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)問題就變成了一個(gè)簡(jiǎn)單的靜力平衡問題，通過靜力學(xué)平衡方程即可得到質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)微分方程。其中定性分析可以了解系統(tǒng)的平衡形態(tài)，精確分析法適用于簡(jiǎn)單系統(tǒng)，近似解析法和數(shù)值解析法適用于復(fù)雜的非線性問題。由于座椅與人體直接接觸，而且在大多數(shù)情況下，座椅懸架系統(tǒng)是用來控制低頻和大振幅振動(dòng)的僅有的機(jī)械裝置，所以，座椅的懸架實(shí)際上是削弱垂直振動(dòng)的最簡(jiǎn)單，最有效的選擇。；縱向位置可調(diào)130mm等；(3) 同時(shí)汽車座椅應(yīng)有使駕乘人員隨時(shí)保持舒適坐姿的能力，座椅靠背設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)需求設(shè)計(jì)合理結(jié)構(gòu)和尺寸以給腰部充分的支撐，達(dá)到使人乘坐時(shí)其腰脊能正常彎曲狀態(tài)。座椅的設(shè)計(jì)就是要調(diào)節(jié)剛度和阻尼，使其符合人體生理特性，降低振動(dòng)傳遞率。除此之外，人體在不同的姿態(tài)下所表現(xiàn)出來的振動(dòng)特性也各不相同。因此，座椅應(yīng)能減小人體敏感的48Hz的振動(dòng)。座椅的幾何尺寸是影響座椅舒適度的因素，但研究發(fā)現(xiàn)這并非唯一最主要的影響因素。因此，座椅的腰托是影響舒適性的關(guān)鍵因素。壓力分布是導(dǎo)致不舒適的最主要的生物力學(xué)因素，通過界面壓力對(duì)座椅舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià)是一種重要客觀、有效的方法。具體化階段是按照在概念化階段設(shè)定的設(shè)計(jì)方案，解決座椅的構(gòu)造、功能和美觀問題并創(chuàng)造出其基本形狀；座椅周詳設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是將重點(diǎn)放在符合整體的外觀和核心架構(gòu)的設(shè)計(jì)上。目前，國(guó)內(nèi)在座椅舒適度的研究上還存在一些缺陷：沒有針對(duì)中國(guó)人體特征尺寸的座椅舒適性研究；對(duì)于座椅靜態(tài)舒適性評(píng)價(jià)還沒有形成一套客觀系統(tǒng)的體系；在應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模