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汽车座椅设计:现状和最近的发展
T.C Fai, F. delbressin和M. Rauterberg1,211
1埃因霍温工业设计学院设计智能组，Den Dolech 2，
Postbus 513, 5600 MB Eindhoven，荷兰.
2马来西亚马六甲大学，邮政信箱1200号，阿耶克罗，75450马六甲，马来西亚.
电子邮件:c.f.tan@tue.nl
摘 要
座椅是汽车中最重要的部件之一，是职业驾驶员的主要活动场所.例如，根据美国劳工部的职业前景手册，卡车司机通常每周工作50个小时或更多。卡车司机在他们每周50个小时的驾驶时间里坐着。假设有四个星期的假期和一个多星期的假期，每年大约有2350个小时的开车时间。汽车座椅与汽车乘员接触，在改善驾驶员和乘客的舒适性和工作环境方面发挥着重要作用。汽车座椅系统的改进，尤其是对驾驶员的改进，多年来一直是人们强烈关注的话题，因为驾驶员比乘客更容易感到疲劳。本文介绍了汽车、卡车、拖拉机、火车和飞机等不同类型的交通系统所使用的汽车座椅的大量研究和最新技术。本文的目的是回顾汽车座椅设计的现状。
关键词:汽车座椅，最新研发。 1.介绍
舒适是今天的消费者越来越需要的属性。在满足这些舒适的期望方面，座椅扮演着重要的角色。对于司机和其他工作人员来说，长时间坐着及其相关的副作用是他们最关心的问题。在美国，有400多万卡车司机从事州际贸易，这是由于运输、一般货物和商品广泛依赖地面运输的结果。尽管还有其他几个类别的人，比如关心坐的舒适度的病人，但司机占了很大比例。研究文献表明，影响座椅舒适性的主要因素有座椅-界面压力分布、车身整体振动和压力变化率。
商用车司机，特别是重型卡车司机，需要长时间甚至不规律地驾驶。在美国，根据联邦公路管理局的服务时间(ho)规定，卡车司机的驾驶限制是10小时。然而，几乎有20%的司机报告说他们“总是或经常”超过这一限制。商用卡车的独特之处在于，它们是专门为长途运输重型货物而设计的;高度重视耐用性和功能效率。相反，汽车的制造是为了使乘客在相对较短的距离内能够舒适地乘坐
- 个人用车强调乘坐舒适性等因素;汽车的操纵、技术和外观是汽车市场的重要组成部分。商用卡车和个人汽车的不同要求导致了座椅设计的不同方向。
考虑到长时间的运输，可以说卡车司机工作环境中最重要的部分之一是卡车座椅。然而直到最近，卡车座椅的设计才经历了重大的改进。改进强调了加强设计，以增加稳定性，并调整靠背角度，轮廓，和座位高度，以促进良好的姿态。此外，空气悬架系统的发展，使座椅更好地吸收振动从路面转移到司机[4].
本文在查阅相关期刊、技术报告和论文的基础上，对汽车座椅的研究与开发进行了综述。汽车座椅的焦点群体是汽车、公共汽车、卡车、农用拖拉机、火车、飞机和其他交通工具，如摩托车。叙述了目前的研究和发展努力以及未来发展的领域和对这些席位的更好表现的预期影响。
2.座位不舒服
“座椅舒适度”一词通常用来定义座椅对人体的短期影响。人们从不同的角度研究了座位的不舒适。根据压力或其他因素来评估舒适度的问题是，舒适度是非常主观的，不容易量化。坐着不舒服因人而异，取决于手头的任务。然而，舒适在本质上是一个模糊的概念和主观的。它通常被定义为缺乏不适的[5]。
例如，卡车司机需要长时间坐着，大约8个小时。久坐会增加背部问题、臀部麻木和不适的风险，原因是大腿下的压力过大。这种不适的来源列于表1.
表1:座椅不舒适的原因
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人类经验 |
生物力学 |
阀座/环境 |
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模式 |
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生理原因 |
工程的原因 |
源 |
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疼痛 |
循环阻塞 |
压力 |
缓冲刚度 |
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疼痛 |
缺血 |
压力 |
缓冲刚度 |
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疼痛 |
神经阻塞 |
压力 |
座位轮廓 |
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不舒服 |
- |
振动 |
车辆骑 |
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汗水 |
热 |
材料 |
塑料家具 |
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透气 |
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感知 |
视觉/听觉和触觉 |
设计/振动 |
车辆成本 |
提供的短期舒适座位相对容易确定,许多措施(1、4、7、15),最有效的是调查潜在用户的座位比较一个座位的“感觉”在很短的时间内对其他席位在同一个班。这种做法通常用于不同的车辆，从乘用车到商用车，如卡车、公共汽车和越野车。然而，主观评价的问题是它们既昂贵又耗时。因此，近年来进行了大量研究，以寻找预测座椅舒适度的客观方法。提出的一些客观测量方法包括振动、界面压力和肌肉活动。然后，将这些客观指标与主观数据进行关联，以确定与舒适度[8]相关的各项指标的相对效果。研究表明，影响座椅舒适性的主要因素有座椅-界面压力分布、车身整体振动和压力变化率[9].
3.振动的方法
汽车乘员所经历的大部分振动都是通过座椅[10]进入人体的。全身振动主要是垂直振动，对人体影响最大。这些振动通过臀部和背部的座椅[11]沿椎轴传递到臀部和背部。由于人体躯干的固有频率在4-8 Hz范围内，预计对乘客影响最大的全身振动将出现在这个频率范围[9].
许多研究人员对座椅进行了振动研究。Van Niekerk等人研究了座椅有效振幅传递率(Seat)值与实验数据的比较。实验使用了16种不同的汽车座椅，从轿车到suv和小卡车。座位值是一个人坐在振动的地板上时，在座位顶部感受到的振动与直接坐在地板上时所感受到的振动之比。座椅的隔振效率是一个被广泛应用的指标。Frechin等人研究了在主动座椅上隔离车辆设备和乘客的振动，并在一定程度上补偿各个方向的加速度。主要目的是减少振动和加速度对所载设备和乘客的负面影响。此外，还研究了不同驾驶条件下车身的振动[14-20].
由于地形崎岖和重型车辆的存在，林业设备操作人员的全身振动常常超过建议的极限。悬吊座椅可以使操作者免受冲击和振动，提高林业设备操作的整体职业健康水平。也有几种类型的座椅悬架，如磁流变(MR)座椅悬架和半主动电流变(ER)座椅悬架，并研究了它们的隔振和阻尼力可控性[21-30].
汽车座椅的振动问题还存在一些未解决的问题。表观质量函数的非线性不能用现有的测量技术来量化。这些因素可能包括受试者与座椅界面的组织动力学、体内的相对运动和肌肉的主动反应。进一步的研究应进行进一步的组合不同的轴和测试在道路上。此外，实验测试应该在不同类型的车辆和道路条件下进行。
4.压力的方法
驾驶员的舒适性与汽车的功能性和美观性设计同样重要，因为消费者越来越关注驾驶的安全性和舒适性。提高汽车座椅的舒适性，需要考虑动态振动环境下人-座椅界面的压力分布。研究了汽车整车振动作用下刚性座椅的压力分布特性。
Gyi等人对座椅压力测量技术进行了评估，该技术用于预测各种汽车座椅设计中驾驶员的不适感，并在设计过程的早期为设计师和制造商提供快速信息。Wilker等人的[33]演示了一个交易内压力测量数据库和人体测量数据，作为预测脊柱负荷的模型验证的基础。Seigler和Ahmadian
- 制定了座椅压力分布(SPD%)和区域压力变化(aPcrms)两项技术，以突出不同类型座椅垫之间的相对动态性及其对驾驶员舒适性的影响。结果表明，充气坐垫能够显著改善座椅坐垫与驾驶员之间的压力分布，从而提供更舒适的乘坐体验[35-38]。
有一组主要的客观指标用于评估舒适度。它们是在将不同的座椅设计与广泛应用于汽车行业的类似类型的座椅坐垫(即聚氨酯泡沫坐垫)进行比较的基础上创造出来的。充气坐垫与泡沫坐垫在与人体的界面上有很大的不同。应进行进一步的研究，以使用可替代的评价方法，有效地评价缓冲垫和人体之间的界面的动力学。此外，汽车座椅的设计应考虑与软座椅表面接触的软组织。
5.符合人体工程学的方法
汽车行业强烈鼓励在客观舒适评估领域的研究，特别是对座椅和相关姿势的研究[39,40]。驾驶员姿态是车辆设计过程中最需要考虑的问题之一，不仅涉及到车辆和用户[42,43]，而且还涉及到实验条件。
Alem和Strawn[44]为一辆5吨重的军用卡车设计并评估了能量吸收卡车座椅，以增强对地雷爆炸的保护。Chang等人开发了一种实用的方法来测量座椅和座椅靠背的轮廓，并给出了一种用于视觉评估的图形表示。座椅设计师可以使用这种方法来评估座椅的舒适性，如支持度、舒适度和住宿。Cho和Yoon[46]开发了一个人坐在有靠背的座椅上的生物力学模型，用于评估车辆的乘坐质量。Rakheja等人开发了一个模型来研究坐姿使用者与座椅靠背和座椅底盘的相互作用，以及垂直振动下的生物动力学响应。Wang等人研究了座椅几何形状和坐姿对坐姿使用者在垂直振动下的机械能吸收特性的影响。结果表明，人体对辐射的吸收功率随辐射水平的增加呈近似二次增长。结果还表明，人体吸收的能量与体重、脂肪和体重指数等人体测量变量密切相关。但是对于给出的变量并没有真正的证明。
Coelho和Dahlman[49]对汽车座椅侧支撑进行了中试评估和实验研究。侧支座的引入加重了座椅设计的问题，使每个人都能在座椅设计目标的调节范围内使用。侧面支撑是内置在座位的两侧和人与不同的身体宽度必须适应。操纵三个座位设计因素:盖子的摩擦特性，相对侧支座与侧支座之间的距离，以及在臀部-躯干水平处的侧支座的尺寸。用于研究座椅侧支撑的假设不足，重要因素有没有被调查。一些研究使用了坐姿男性模型[50-52]和人体测量学[53-56]来研究驾驶员的人体工程学。除了人体工程学，文献[57-58]还报道了腰痛的研究。基于一定的实验数据，在规定的试验条件下建立特定的生物动力学模型，已经进行了大量的研究;对人体坐姿数学模型的深入研究还没有得到同等程度的重视。
在今后的研究中，应着重于对全身振动与腰背疾患发生的暴露-反应关系的认识和提高，以及对其他导致腰背疾患进展的生理和心理社会因素的认识。此外，还应根据分析需要，采用优化方法建立所需复杂度的集总参数模型。目标函数是上述三个以人体人体测量数据为约束条件的生物动力学函数。通过引入车辆模型，可以对车辆-乘员系统进行评估，从而获得驾驶环境下的垂直振动响应或行驶质量。此外，座椅设计应进一步研究，以减少人类振动，从相互作用的道路轮廓和车辆。
6.仿真和建模
模拟是模型的执行，由计算机程序表示，它提供有关被研究系统的信息。分析模型的仿真方法与分析方法相反，后者分析系统的方法是纯理论的。根据模型的质量，仿真方法可能更可靠。
利用数学模型对座椅舒适性进行了虚拟仿真研究[59-60]。Bouzara和理查德
建立了三维车辆动力学行为的数学模型。利用该模型，可以研究各种类型的非线性悬架，如主动悬架和半主动悬架。仿真结果表明，主动悬架模型和半主动悬架模型在不影响道路保持能力的前提下，对道路车辆的舒适性有很大的帮助。Fatollahzadeh[60]建立了一个数学模型，用来澄清和预测驾驶员的舒适坐姿。假设身体的某些节段的长度和高度特征，以及驾驶员的体重和腰围对特定坐姿的选择有很大的影响。
De Cuyper和Verhaegen[61]提出了一种用于座椅试验台轨迹跟踪的新方法。经典的方法是基于频响函数(FRF)模型的数字傅里叶变换(DFT)方法。该方法提出了状态空间模型来识别试验台，并利用最近发展起来的稳定动态反演(SDI)来反演得到的状态空间模型。Gillberg等[62]研究并比较了专业驾驶员在卡车模拟器中的睡意和表现，比较了白天和夜间驾驶的差异。Mavrikios等[63]采用实验统计设计(statistical design of experiment, SDoE)方法分析实验运动数据，进行人体运动建模。这项工作的目标是发展半经验模型，可用于预测一个现实的可达性运动，具有输入人体测量学。Song和Ahmadian[64]通过仿真研究了两种半主动自适应控制算法:基于非模型的skyhook控制和新开发的基于模型的非线性自适应振动控制。本研究包括对悬架模型建立、动态分析方法和控制器调整的讨论。模拟装置是由一个带有磁流变阻尼器的重型卡车座椅悬架构成的。
计算机辅助工程(CAE)方法如有限元分析和仿真技术也被用于研究和开发汽车座椅[65-73
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