【正文】 國內(nèi)外研究中，建立的模型主要有如下3種：利用模糊理論建立的模型、線性模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。產(chǎn)品的外觀、座椅的造型以及穩(wěn)定的構(gòu)造應(yīng)該既反映其精湛設(shè)計(jì)，又能實(shí)現(xiàn)人們對(duì)舒適的要求，這就是汽車座椅設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。對(duì)椅子設(shè)計(jì)概念化進(jìn)行設(shè)定的過程，涉及椅子相關(guān)的功能性、構(gòu)造和材料以及形狀等問題。 汽車座椅舒適性設(shè)計(jì)的重要性關(guān)于人機(jī)工程學(xué)在汽車座椅設(shè)計(jì)中的應(yīng)用的提出，其可行性可以分為概念化階段、具體化階段、周詳設(shè)計(jì)階段及檢驗(yàn)校核階段等多階段進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，座椅的調(diào)節(jié)特性對(duì)座椅的舒適度影響很大，已成為座椅舒適度設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的因素。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。從人機(jī)工程學(xué)的角度來講，腰部是體現(xiàn)座椅功能的關(guān)鍵部位。許多文獻(xiàn)都提及腰部支撐的重要作用。目前的研究工作實(shí)踐證明，座椅懸架系統(tǒng)的質(zhì)量較大時(shí)對(duì)人體動(dòng)態(tài)舒適性有利，但需考慮到與座椅剛度的配合，座椅連接間的摩擦系數(shù)越小，對(duì)人體動(dòng)態(tài)舒適性越有利，適當(dāng)降低座椅懸架的阻尼系數(shù)對(duì)舒適性有利。且不與車身發(fā)生共振。另外振動(dòng)頻率高，人體會(huì)感覺不舒適。研究結(jié)果表明：椅面垂直軸向的頻率加權(quán)函數(shù)最敏感頻率范圍按國際標(biāo)準(zhǔn)ISO ，在48Hz這個(gè)頻率范圍內(nèi)，人的內(nèi)臟器官產(chǎn)生共振；，對(duì)人的脊椎系統(tǒng)影響很大；隨著頻率的增高，敏感度下降。短暫時(shí)間內(nèi)可以容忍的振動(dòng)，時(shí)間一長就很可能變成不能容忍的了。人體是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，人體對(duì)各段頻率的生理反應(yīng)并不相同，實(shí)驗(yàn)證明，人對(duì)頻率為4赫茲到8赫茲的振動(dòng)感覺最敏感，頻率高于8赫茲或低于4赫茲，敏感性就逐漸減弱。一般來說，當(dāng)其共振頻率在合適的頻率范圍內(nèi)，并且最大傳遞率盡量小時(shí)，座椅的減振性能好，其動(dòng)態(tài)舒適性也好。同時(shí)，座椅安裝位置的尺寸也很重要，它直接影響到使用者的便利性和舒適性，座椅布置需符合人體工程學(xué)的要求。 座椅舒適度設(shè)計(jì)指標(biāo)根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，為保證良好的舒適度，針對(duì)靜態(tài)舒適度，設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循以下原則：(1) 座椅尺寸應(yīng)與人體測(cè)量尺寸d相適宜（一般d取40～60cm）；(2) 汽車內(nèi)部座椅應(yīng)按人體坐高坐姿不同而合理設(shè)計(jì)成可自由調(diào)節(jié)，以便不同駕乘人員根據(jù)自己的客觀條件和需求來達(dá)到滿足自身坐姿要求的舒適度，如沃爾沃公司的F7型汽車坐高可調(diào)65mm；傾斜度可調(diào)64176。汽車運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的橫向和縱向振動(dòng)，目前的研究表明固有頻率低的極柔軟的座椅懸架能有效的降低橫向振動(dòng)，但是這種懸架帶來的相當(dāng)大的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)變形會(huì)造成人體的不舒適。 汽車座椅設(shè)計(jì) 汽車座椅舒適性設(shè)計(jì)通過對(duì)座椅靜態(tài)舒適性、動(dòng)態(tài)舒適性的分析，對(duì)我們座椅的設(shè)計(jì)提供了很多舒適性方面的要求，我們要得到乘坐舒適的座椅，應(yīng)該要從以下幾個(gè)方面去考慮：確保座椅的實(shí)際H點(diǎn)在測(cè)量時(shí)，與其設(shè)計(jì)位置的偏差在規(guī)定的范圍內(nèi)；座椅的各個(gè)外形尺寸必須設(shè)計(jì)在合適的范圍內(nèi)，以滿足人機(jī)工程不的要求；測(cè)評(píng)過調(diào)整泡綿、座椅面套等座椅零部件材料的相關(guān)性能來獲得合理的體壓分布；選用增加舒適性能的座椅結(jié)構(gòu)及部件，如座墊采用懸架系統(tǒng)，座墊和靠背用彈簧結(jié)構(gòu)來吸收振動(dòng)，增加腰部支撐機(jī)構(gòu)，選用透氣、透濕性能好的座椅面套材料等；減小座椅的共振頻率，降低對(duì)體最有影響的高頻區(qū)，降低共振時(shí)的振動(dòng)傳遞率，與汽車的其它減振系統(tǒng)相匹配，降低乘員10Hz附近的振動(dòng)傳動(dòng)率；在設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)，對(duì)座椅舒適性進(jìn)行主觀性評(píng)價(jià)試驗(yàn)，通過選取不同身高、體重人員來對(duì)汽車座椅具體項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)分，以驗(yàn)證座椅的舒適性。在第三章中我們應(yīng)用了動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS進(jìn)行分析求解，ADAMS的求解應(yīng)用的是吉爾（Gear）的剛性分析計(jì)算法以及稀疏矩陣技術(shù)。非線性微分方程很難得到精確解，但可以根據(jù)復(fù)雜程度，采取定性分析法、精確分析法、近似解析法、數(shù)值解析法。這就是動(dòng)靜法。 45上式可改寫為 46則式（46）表明，作用在質(zhì)點(diǎn)上的所有實(shí)際存在的力（F）的合力同與加速度相反的慣性力（）平衡。本文應(yīng)用的是動(dòng)靜法。振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程的建立方法有很多，主要分為兩大類：一是基于牛頓第二定律的動(dòng)靜法，也稱為達(dá)朗貝爾原理方法；二是基于能量描述與變分方法的拉格朗日方法和哈密爾頓原理方法。 本文并未涉及，故不做詳細(xì)介紹。用公式表示為 44(2) 連續(xù)系統(tǒng)的慣性、彈性和阻力等是連續(xù)分布的。當(dāng)存在相對(duì)位移x時(shí)，產(chǎn)生恢復(fù)力，恢復(fù)力公式為 42對(duì)于非線性彈簧，其彈性元件的剛度可表示為 43阻尼器是耗能元件，沒有慣性也沒有彈性，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生阻力。圖42　離散系統(tǒng)力學(xué)模型圖質(zhì)量模型只具有慣性，在力學(xué)模型中被抽象為剛體。(1) 離散系統(tǒng)是由質(zhì)量、彈簧、阻尼器三種集中參數(shù)元件組成的。本文采用離散系統(tǒng)分析了正負(fù)剛度隔振原理。 力學(xué)模型振動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型按特性參數(shù)分布特點(diǎn)可分為離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)。最后將計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際進(jìn)行比較，如不能滿足則需重新修改模型，重復(fù)上述過程。首先，根據(jù)具體工程問題的振動(dòng)特點(diǎn)和要求提煉出合理的力學(xué)模型，接著應(yīng)用力學(xué)和數(shù)學(xué)知識(shí)建立該力學(xué)模型。系統(tǒng)、激勵(lì)與輸出的關(guān)系可用下圖表示。其目的在于探究振動(dòng)產(chǎn)生原因、分析運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其影響，尋求控制消除振動(dòng)或利用振動(dòng)的方法。理解振動(dòng)理論和各種軟件的計(jì)算分析方法有助于更好的建立模型，進(jìn)行分析。如機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS，有限元分析軟件ANSYS等。它可以實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能，從而縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)費(fèi)用。同時(shí)，由于座椅上的振動(dòng)直接傳遞給人，相應(yīng)的也有各種人體振動(dòng)試驗(yàn)。第四章 汽車座椅的隔振 汽車座椅振動(dòng)研究汽車座椅動(dòng)態(tài)舒適性的研究可分為試驗(yàn)研究及計(jì)算機(jī)仿真分析兩種方法。并給出了它的力學(xué)及數(shù)學(xué)模型，分別得到其正、負(fù)剛度彈簧及正負(fù)剛度彈簧并聯(lián)的載荷變形曲線。介紹了三種負(fù)剛度實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，倒立擺、歐拉壓桿、連桿彈簧及它們的剛度計(jì)算公式。指出了正負(fù)剛度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛度特性。因此本設(shè)計(jì)就是要選取適當(dāng)?shù)膮?shù)，使系統(tǒng)特性曲線落在ab范圍內(nèi)，并取得最佳效果[11]。正負(fù)剛度彈簧并聯(lián)后，系統(tǒng)的總剛度為，比只有正剛度彈簧時(shí)的剛度減小，固有頻率隨之降低，由前面討論可知它的振動(dòng)傳遞率也隨之減小，隔振效果更好。圖37　彈簧載荷變形曲線如圖37可知，在a到b范圍內(nèi)，負(fù)剛度曲線斜率Kn為負(fù)值，即表現(xiàn)出負(fù)剛度特性。圖36　正負(fù)剛度并聯(lián)機(jī)構(gòu)圖設(shè)正剛度彈簧S1的剛度為KS1。圖中M為人和座椅的總質(zhì)量， L為連桿長度。正負(fù)剛度并聯(lián)座椅隔振機(jī)構(gòu)物理模型如圖36所示。單獨(dú)的負(fù)剛度機(jī)構(gòu)具有靜力不穩(wěn)定性，因此我們要將它與正剛度彈簧并聯(lián)，作為座椅的減振機(jī)構(gòu)，使其具有良好的支撐剛度的同時(shí)，具有很低的運(yùn)動(dòng)剛度。如圖35。質(zhì)量塊與連桿，連桿與彈簧之間可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。圖34　歐拉壓桿負(fù)剛度機(jī)構(gòu)壓桿在中心處的剛度為 36其中軸向力與臨界力之比，；撓度最大值；軸向力P=0時(shí)桿在中點(diǎn)處的橫向剛度，(3) 連桿彈簧負(fù)剛度機(jī)構(gòu)連桿彈簧負(fù)剛度機(jī)構(gòu)如圖35所示。在右端B處作用一橫向載荷Q，兩端受軸向力P作用。發(fā)生失穩(wěn)后的壓桿成為歐拉壓桿。其剛度表達(dá)式為 34則 35這說明系統(tǒng)在平衡位置處剛度為負(fù)，其大小與質(zhì)量M成正比，與擺長L成反比。如圖33所示。下面介紹幾種實(shí)際中切實(shí)可行的負(fù)剛度機(jī)構(gòu)[10]。 負(fù)剛度機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)負(fù)剛度現(xiàn)象在生產(chǎn)生活中經(jīng)常遇到，但負(fù)剛度元件由于靜力學(xué)的不穩(wěn)定性，在目前使用中較少遇到。由振動(dòng)理論可知當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)才起隔振作用，此時(shí)T隨的增大而減小，越小隔振效果越好。這說明通過并聯(lián)負(fù)剛度彈簧降低了系統(tǒng)的固有頻率。并聯(lián)后系統(tǒng)的總剛度（Kn0），故兩簧并聯(lián)后的總剛度K在負(fù)簧的負(fù)剛度區(qū)比正簧的剛度要小，其減少的部分是由負(fù)簧造成的，這就是正負(fù)剛度并聯(lián)相消原理。圖32是由正剛度彈簧和負(fù)剛度彈簧并聯(lián)組成的組合彈簧。 （a）正剛度 （b）負(fù)剛度 （c）正負(fù)剛度并聯(lián)圖31　正負(fù)剛度載荷變形圖 正負(fù)剛度并聯(lián)機(jī)構(gòu)隔振原理正負(fù)剛度并聯(lián)機(jī)構(gòu)是通過減小機(jī)構(gòu)的總剛度，來降低固有頻率，減小振動(dòng)隔振傳遞率，從而獲得良好的隔振效果的。AB段具有負(fù)剛度特性，在BC和AD段具有正剛度特性，在A、B點(diǎn)剛度為零。由并聯(lián)彈簧的總剛度公式（Kn0，Kp0）可知，并聯(lián)后的總剛度KKp即并聯(lián)后的系統(tǒng)的總剛度比正剛度彈簧機(jī)構(gòu)的總剛度減低了。如圖31b所示。如圖31a所示。圖31為載荷與變形量關(guān)系曲線圖。即載荷增量dF與變形增量dx之比。由于增加了負(fù)剛度彈簧使機(jī)構(gòu)的總剛度減小，而并聯(lián)了正剛度彈簧則保持了機(jī)構(gòu)的承載能力，因此使系統(tǒng)在具有很高的支撐剛度的同時(shí)具有極低的運(yùn)動(dòng)剛度。因此，如何調(diào)節(jié)系統(tǒng)的剛度，使其在具有良好的承載能力的同時(shí)獲得較好的隔振效果成為了減振機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的難題。應(yīng)用Matlab進(jìn)行仿真，我們獲取了振動(dòng)舒適性的定量評(píng)價(jià)結(jié)果：汽畫在平坦公路上行駛時(shí)，人體脊柱感受的等效靜壓力S=，因此該座椅對(duì)于乘員來說是舒適的。本章將人和座椅作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，考慮了人體的阻尼和不同個(gè)體的不同質(zhì)量特性，同時(shí)考慮了座椅質(zhì)量的影響，建立了人椅系統(tǒng)三自由度模型并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。 本章小結(jié)研究表明通過安裝腰托裝置可明顯提高人體在腰部區(qū)域的支撐力度，使人體腰部壓力增大，減輕了腰椎所承受的負(fù)荷，避免腰曲的變形，保持腰部肌肉處于松弛休息狀態(tài)，從而明顯提高人體的乘坐舒適度。以汽車駕駛員為被測(cè)對(duì)象，假設(shè)以每個(gè)工作日承受60分鐘的相當(dāng)于的被測(cè)試時(shí)的加速度劑量，于是每天的等效加速度劑量可得：Dxd = (60/3)1/6=Dyd = (60/3)1/6=Dzd = (60/3)1/6=該結(jié)果表明該座椅有較好的舒適性，對(duì)人體的健康影響比較少，通常人們都能承受而不會(huì)因此產(chǎn)生身體上的損害。（a）座椅在x軸方向上的振動(dòng)加速度（b）座椅在y軸方向上的振動(dòng)加速度（c）座椅在z軸方向上的振動(dòng)加速度圖211 座椅振動(dòng)加速度（a）x軸振動(dòng)（b）y軸振動(dòng)（c）z軸振動(dòng)乘員的腰椎在X軸、Y軸和Z軸的加速度響應(yīng)用Matlab計(jì)算所得到的圖像如圖212所示。因此座椅有較好的振動(dòng)舒適性能，能很好的衰減汽車地板傳給座椅的振動(dòng)。圖210 頭部對(duì)于汽車地板譜的加速度響應(yīng)由圖210可見，人體頭部的加速度譜峰值與汽車地板加速度譜峰值所在的頻率幾乎相同， m/s2。圖29為應(yīng)用于試驗(yàn)的汽車在水泥路面上以45Km/h車速行駛時(shí)的實(shí)測(cè)地板譜。圖28 座椅的主觀評(píng)價(jià)對(duì)比通過以上主觀評(píng)價(jià)，可以看出盡管評(píng)測(cè)者的性別、身高以及體重不同，但安裝腰托的座椅主觀舒適度明顯高于未安裝腰托的座椅，進(jìn)一步驗(yàn)證了客觀試驗(yàn)結(jié)果的正確性。表22 主觀舒適性評(píng)估表評(píng)價(jià)指標(biāo)感受程度(1)靠背壓力太小適中太強(qiáng)3210123(2)靠背中部承重太小適中太強(qiáng)3210123(3)支持力度太小適中太強(qiáng)3210123(4)靠背中部舒適度太小適中太強(qiáng)3210123(5)肩膀承重太小適中太強(qiáng)3210123(6)操作性能困難適中3210總體評(píng)價(jià)(滿分為10分)11位評(píng)測(cè)者的主觀評(píng)價(jià)經(jīng)處理后的評(píng)分值見圖28。設(shè)計(jì)的主觀舒適性評(píng)價(jià)試驗(yàn)由表22說明，通過每位評(píng)測(cè)者的打分對(duì)座椅總體舒適性進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。如圖27（b）所示。這一點(diǎn)是乘坐舒適的憑靠點(diǎn)，而且其承受的壓力最大，并沿著兩點(diǎn)向外逐漸減小。腰托裝置的增加還為胸曲部分的肩胛骨提供了憑靠，減輕胸曲變形。據(jù)醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)，幾乎95%的病變均發(fā)生于第4和第5腰椎的椎間盤，所以該試驗(yàn)選擇在這個(gè)位置放置腰托裝置。圖26 安裝與未安裝腰托座椅靠背壓力曲線對(duì)比圖27 靠背壓力分布云圖比較圖2圖27可知，安裝有腰托裝置的座椅在腰部的壓力值明顯大于未安裝腰托裝置的座椅。表21 評(píng)測(cè)者相關(guān)生理結(jié)構(gòu)參數(shù)序號(hào)性別身高/cm體重/kg序號(hào)性別身高/cm體重/kg1男184887男165752女164598女162503男160619女180614男1807710男175805男1839111男171846女17274測(cè)試者按照正常駕駛位置入座，傳感墊紀(jì)錄測(cè)試者整個(gè)靠背壓力分布。試驗(yàn)用座椅安裝在模擬車身的夾具上，選取11位測(cè)試者，分別對(duì)有、無腰托裝置的座椅進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)包括有腰托和無腰托兩個(gè)座椅，有腰托座椅采用雙向手動(dòng)腰托款式?？勘硥毫Ψ植纪ǔＪ菍⒋怪庇谧慰勘晨v向?qū)ΨQ軸上的壓力進(jìn)行積分，以縱向?qū)ΨQ軸為橫坐標(biāo)，以人體靠背骶骨區(qū)域?yàn)榛鶞?zhǔn)點(diǎn)，等間隔分布測(cè)點(diǎn)，以壓力積分結(jié)果為縱坐標(biāo)繪制出曲線，即縱向壓力分布曲線。人體壓力分布是指乘員坐在座椅上時(shí)，人體與座椅之間接觸區(qū)域的壓力變化。由圖可見，相對(duì)于人體靠背與座椅接觸的表面而言，腰托最凸出與最凹進(jìn)的兩個(gè)位置被稱為腰托裝置最前與最后極限位置。乘員正常入座時(shí)，人體身軀與大腿的連接點(diǎn)—胯點(diǎn)（hip point）簡稱H點(diǎn)，H點(diǎn)的位置是決定駕駛員操作方便、乘坐舒適性相關(guān)的車內(nèi)尺寸的基準(zhǔn)。為了適應(yīng)凸向前的腰曲弧形，給予腰部合理的支撐，現(xiàn)代汽車座椅通常都設(shè)計(jì)有腰托裝置，可以避免因?yàn)檠?