不同类型汽车的座椅阅读次数统计-汽车座椅舒适性研究综述
摘要
提高汽车座椅舒适度在汽车开发设计过程中非常重要。本文综述了国内外汽车座椅舒适性的研究进展。首先介绍了汽车座椅舒适性的相关概念，然后深入分析了影响舒适性的因素。最后介绍了座椅舒适度的主观评价、客观行为评价和生理参数评价方法，并分别分析了它们的优点和可能存在的问题。本文将为汽车座椅舒适性的后续发展提供大量的理论依据和重要的参考意义。
关键词
座椅舒适度；主观评价；客观行为评价；生理参数评估
主要内容
坐姿是人们工作和生活中最常用的姿势之一。但是，长时间处于静态坐姿会引起腰痛、颈椎痛、坐骨神经痛等。这些痛苦状况会使人感到不舒服，会严重影响人们的工作和生活效率。此外，动态坐姿下人的舒适性也需要特别注意，尤其是汽车驾驶和飞机驾驶带来的碰撞等特殊情况对...的影响。人们的日常生活离不开汽车，在当今社会，汽车作为一种越野车或交通工具，已经与每个人建立了联系。中国正处于快速发展时期，随着生活水平的提高，会有更多的人买车。人们对汽车的要求越来越高，从过去的防碰撞伤害到现在的舒适性要求。汽车座椅与驾驶员密切相关。相关数据显示，中国的汽车数量已经超过1亿辆，与此同时，患有背痛的司机人数超过1亿。因此，提高汽车舒适性，尤其是乘坐舒适性，在汽车的开发和设计中变得尤为重要。近年来，汽车座椅舒适性作为一个独特的课题被研究。
目前，对工厂和办公室座椅舒适性的研究已经很多，但对汽车座椅舒适性的研究相对较少。汽车乘坐舒适性的研究方法主要包括实验、计算机模拟和预测。实验主要包括车辆舒适性主观调查分析、坐姿分析、...压力分布测量、性能观察和基于生理的肌电图等。此外，考虑到仿真计算的方便性和低成本，越来越多的研究者开始通过仿真来评价汽车驾驶舒适性，如驾驶员视野最大化分析、方向盘和方向舵控制距离分析等。Liqun等人。利用MATLAB建立了座椅的多体动力学模型，分析了对汽车座椅振动传递特性影响最大的因素，并做出了相应的改进。加拿大温莎大学的Kolich利用神经网络方法预测了汽车座椅的舒适性，而美国克莱姆森大学的Grujicic利用有限元方法研究了驾驶员和汽车座椅的压力，并以此来评价汽车座椅的舒适性。下面详细介绍汽车乘坐舒适性的研究方法和理论。
一、舒适性研究方法与理论
汽车座椅的舒适性主要包括静态舒适性、动态舒适性(也称振动舒适性)和操作舒适性。静态舒适性是指座椅在静态下给...提供的舒适特性，主要与座椅尺寸参数、表面、质量、调节特性等有关。动态舒适性是指车辆在运动状态下通过座椅骨架和坐垫向...传递振动的舒适特性，它主要与振动特性有关；操作舒适性是指驾驶员座椅的舒适性，即驾驶过程中完成驾驶动作的舒适性特征。为了系统地了解汽车座椅的舒适性，这里解释以下概念：
(a)静态特性
座椅的静态特性主要包括座椅的形式和尺寸、座椅使用的材料以及座椅位置与工作空间的协调性。
(b)动态特性
座椅的动态特性是指...在振动环境中感受到的相对主观舒适性。驾驶座椅的动态特性主要与振动特性有关。振动主要来自车辆本身的随机振动和机械振动。它主要给驾驶员带来垂直、纵向和横向的线性和角度振动。纵向和横向的垂直振动和角振动影响最大。
(c)传输速率
座椅振动传递率，又称加速度传递率，是座椅与...接触面上的加速度与车辆底盘激励的输入加速度之比。座椅振动的传递率由...和座椅系统的动态行为决定。表观质量是施加到系统上的激励和系统对它的响应之间的比值。例如，...在垂直方向上的表观质量是在垂直方向上施加在...上的力F和...产生的加速度a之间的比值。那就是M = F/a。...振动敏感频率实验结果表明，...上下振动的敏感频率在4 ~ 8hz范围内，在1 ~ 2hz范围内，...某些部位发生共振。
(d)WILL概念座椅
WILL概念座椅的设计原则是在发生碰撞时同步为整个脊柱和头部提供安全支撑。当发生追尾碰撞时，WILL 概念座椅的后排将提高车身和座椅之间的适配性。
(e)正负刚度并联减振原理
刚度定义为弹簧的载荷与变形之比。当载荷随着变形的增大而增大时，为正刚度，反之为负刚度。当正刚度弹簧和负刚度弹簧并联时，负弹簧负刚度区的系统总刚度小于正弹簧。这种减少是由负弹簧引起的，这是正负刚度平行消除的原理。
(f)...座椅的五自由度模型
在该模型中，...座椅系统在垂直方向上分为五个部分：头部、上躯干、下躯干、臀部、腿部和座椅。相应的刚度和阻尼系数被添加到模型中。
二、汽车乘坐舒适性的影响因素
在汽车乘坐舒适性的众多影响因素中，汽车座椅是连接乘员和驾驶员与车身的重要部件，对舒适性的影响最为直接。车辆座椅舒适性是一个系统工程，几乎涉及到汽车的所有部件，包括动力、变速器、底盘、悬架、车形、玻璃、座椅、轮胎、音响、空调、电子配置、噪声等。这些因素会对车内驾驶员和其他乘客产生不同的感官刺激，从而从不同的方面不同程度地决定全车的驾驶和乘坐舒适性。影响汽车座椅舒适性的因素大致可以分为车辆因素、社会因素、个人因素和乘坐因素。车辆因素主要包括座椅高度、踏板和方向盘方向、车身扩展空间和变速摇杆的形状设置。社会因素主要包括汽车品牌和价格，不同品牌和价格的汽车座椅舒适度不同。个体因素主要包括人口统计学因素、...测量参数、文化和坐姿。座椅因素主要包括座椅刚度、几何参数、织物透气性和座椅风格。
此外，车内外的噪音环境、空调性能、操作面板、行李厢等也不同程度地影响了骑手对乘坐舒适性的评价。
三、评估方法
目前，汽车乘坐舒适性的评价方法主要分为三种：主观评价、行为检测评价和生理参数评价。每种舒适度评价都有几种相应的评价方法。
3.1主观评价
主观评价是一种古老而实用的评价方法，能够直接、清晰地反映汽车的驾驶舒适性。因此，主观评价方法得到了广泛的应用和研究。国内对汽车舒适性的研究大多基于主观评价方法。主观评价的方法有很多。本文简要介绍了几种典型的评价方法：
(一)多层次模糊综合评价
多级模糊综合评价是通过构造层次模糊子集(确定隶属度)对反映被评价事物的模糊指标进行量化，然后利用模糊变换原理对指标进行综合评价。优点是：数学模型简单，脉络清晰，多因素多层次的复杂问题评价效果是其他数学分支和模型无法比拟的。通过该方法选择的座椅的评估因素包括座椅高度、座椅宽度和深度、座椅角度、腰部高度、腰部倾斜度和腰部形状曲率。
(二)身体不适部位的尺寸
这种方法将身体分成几个部分，受试者指出自己感到不适的部位，并在量表上选择不适的程度。然后对不适感进行分类处理。最后，得到不适的BPD指数。
(三)心理测量
一些研究者合作利用心理测量中的标准差方法，根据车身振动、室内环境、乘员的心理和生理状况对汽车乘坐舒适性进行主观评价。引入模糊理论中的模糊测度和模糊积分，构建了汽车平顺性主观评价的层次模型。结果表明，分层模糊积分模型适用于汽车平顺性的主观评价，具有较好的计算精度。
3.2客观行为评价
客观行为的评价主要是提供量化的检测结果。已经开发了许多评估方法。同时，随着测试技术的发展，客观行为的测试也越来越科学。但是...舒适度是一个非常模糊的概念，很难准确定位，所以现有的检测方法还有很多需要改进的地方。
(a)...压力分布的测量方法
当人坐在椅子上时，...的重力作用在坐垫和靠背上。压力分布称为身体压力分布或身体应力分布。当一个人坐下时，身体的大部分重量(约80%)%u901A过臀部、背部凸起和附着的肌肉压在座椅表面。车身压力的合理分配是影响乘坐舒适性的重要因素。目前，通用、福特、Toyot、本田、宝马、沃尔沃、德尔福等公司都在广泛使用Tekscan的压力分布测量系统来解决乘坐舒适性问题。在这个系统中，超过4000个传感器被布置在座垫和靠背上，以测量盖子的支撑和海绵的硬度对座椅的压力分布和舒适性的影响。目前，...压力分布测试方法已经成为一种相对简单易操作的座椅舒适性测试方法。
(b)表观质量法
驾驶过程中驾驶员处于全身振动状态。振动对驾驶员操作的影响主要表现在视觉操作效率的下降和操作精度的下降。在振动环境中，...会加速疲劳过程。如果...某个区域或器官发生共振，就会引起相应的生理变化，涉及肌肉系统、呼吸系统、血液循环系统、植物神经系统和感觉系统。当达到一定极限时，皮质细胞的工作强度会减弱，人会感到疲劳，工作效率会明显降低。表观质量法是在不同的振动频率下对人-座椅系统施加作用力，测量模型各部分的加速度，利用公式M = F/a计算相应部分的表观质量，得到表观质量与振动频率的关系曲线。分析座椅的动态性能，确定对...影响较大的振动频率，从而改善和优化座椅的固有频率等参数。
(c)比较法
测试结果表明，影响座椅动态特性的因素有座垫的刚度和阻尼系数、悬架系统的质量、刚度和阻尼系数以及座椅骨架结构的动态性能，其中刚度和阻尼系数起着决定性的作用。刚度参数决定座椅的共振频率，而阻尼系数决定座椅的振动衰减特性。比较方法是测量刚性座椅和弹性座椅在不同振动频率下的传递率，比较两种座椅的传递率。
(d)汽车座垫材料性能测试
当人们暴露在高湿度和高温下时，他们经常感到不舒服，四肢无力，工作不能持续太久。土耳其的Tulin和日本的Kazuaki对热环境对驾驶员驾驶舒适性影响的研究表明，靠背和坐垫材料的透气性严重影响汗液散发。此外，研究还表明，喜欢软垫和软背的司机容易受到冲击，但硬垫不容易疲劳。因此，坐垫和靠背材料的透气性和软硬度可以作为舒适性的评价指标。
e)工作绩效测试
据有关部门统计，全球每年发生的道路交通事故多达10亿起。最近的研究表明，25-30%的车祸原因是由驾驶疲劳引起的。驾驶疲劳影响驾驶员的警觉性和行车安全。工作表现测试是通过观察驾驶员在驾驶汽车一段时间后的表现是否下降来评价座椅的舒适性。
(f)建模与仿真方法
由于具有重复性好、省时省力等优点，越来越多的研究者开始使用仿真方法来研究汽车的驾驶舒适性。其中，对汽车座椅振动传递特性和驾驶员姿态预测的研究较多。A. Siefert等人。利用ABAQUS有限元方法对汽车座椅和驾驶员模型进行了计算，并根据仿真结果对模型的舒适性进行了评价。这种方法可以在座椅开发和生产的早期阶段优化座椅的结构和舒适性，并可以大大降低制造商的生产成本。该方法利用神经网络对汽车座椅的主观评价进行预测，取得了良好的效果，大大减少了评价人员的数量，节省了主观评价座椅舒适性的时间和人力。其他人使用优化的非线性主动悬架座椅进行安全性和舒适性分析，评估不同悬架座椅的舒适性性能，并得出结论。半主动或主动悬架的乘坐舒适性性能提高了20%–30%。此外，国内有人利用MATLAB仿真计算座椅的振动传递率，也有不错的效果。
3.3生理参数评估
(a)肌电图
肌电图主要通过测试驾驶员的肌电信号来评价驾驶员的疲劳程度。测试的主要肌肉是左右斜方肌、竖脊肌和内斜方肌。通过肌电图信号分析，获得左右斜方肌、竖脊肌和内斜肌的中位频率。中值频率可用于确定肩部和腰部肌肉是否因垫子的类型和持续时间(或两者)而疲劳。信号数据采集系统的肌电信号通常由六个电极采集。
研究表明，它能反映肌肉功能的变化。当肌肉疲劳发生时，肌电信号的功率谱密度向低频方向逐渐压缩。这是由于与膜兴奋直接相关的神经传导速度降低，导致信号的低频成分增加，并且通过表面电极和活性肌纤维之间的低通滤波器增强了这种效果。从功率谱计算是测量这种频谱压缩的非常可靠的指标。乳酸堆积引起的肌纤维神经传导速度的变化与频谱压缩和疲劳程度的增加有关，随疲劳程度的增加而降低。
(b)温度和湿度
驾驶员的舒适温度为18–23?C，舒适湿度为40%–60%，代谢能力为1.0–2.0 met，高于或低于此范围都会增加驾驶员的疲劳程度。驾驶座椅对驾驶员热环境的主要影响因素是座椅表面的温度和湿度。座椅表面的温湿度特性会影响背部、臀部、下半身的散热性能和皮肤的呼吸功能。当座椅表面的温湿度特性不适应...的生理功能时，就会引起...局部不适，从而加速...疲劳的形成。在温湿度测试方法中，将主测试传感器放置在测试现场进行测试。需要测试大腿内侧、腹部、胸部、腰部、臀部和背部等皮肤表面湿度的数据。
(c)脑电图
驾驶员疲劳时，大脑对红绿灯、限速、行人等交通信号反应缓慢，脑组织相应的电信号变弱。EEG是通过脑电测试仪对驾驶员的脑电信号进行测试，对脑电信号进行分析，判断与驾驶相关的脑电是否减弱，进而得出驾驶员疲劳的结论。
(d)眼动
受乘坐不适感影响，驾驶员在长时间驾驶后容易疲劳，眼睛观察能力减弱，眼球运动速度降低。眼动测量是用眼动仪测试视觉信息，如眼睛扫描轨迹、眼数、用眼时间、扫描范围、感兴趣区域等。通过眼睛的这些基本特征，我们可以判断驾驶员在开车时是否疲劳。目前，作为一种研究手段，该方法已被广泛应用于驾驶员疲劳的评价，但它不同于座椅舒适性评价。
(e)血氧饱和度
测量臀部组织的氧饱和度是客观评价受试者舒适度和耐力的重要指标。血氧饱和度测试的方法是利用血氧计采集受试者坐着时下肢的血氧饱和度，以反映驾驶员在汽车座椅上的舒适度。测量方法无创、低负荷。用近红外光传感器测量腓肠肌内侧的主要部分。
四、结论
汽车座椅舒适性逐渐引起普通消费者和特殊工作者的关注，座椅不适引起的下背痛、脊柱损伤、压疮等疾病会严重影响工作者的身体健康和工作效率，还会增加社会医疗负担。对乘坐舒适性的研究有助于了解与乘坐舒适性相关的指标，对座椅的评价和改进以及驾驶舒适性的提高具有重要价值。从不同研究角度出发，可以发挥实验和仿真的优势，有助于加速兼顾舒适性和安全性的座垫设计。
文献来源:
Xiaoli Fan, Chaoyi Zhao, Xuemei Chen, et al.Review of the Research on Car Seating Comfort[C].International Conference on Applied Human Factors and Ergonomics(2019):296-304.
汽车虚拟仿真技术是Dr.Yu团队建立的专业汽车CAE技术的微信公众号，致力于普及汽车CAE知识，传播汽车CAE技术。其所推广内容包括但不限于以下方面：【汽车CAE技术】【汽车CFD仿真技术】【NVH仿真技术】【动力性与经济性仿真】【CAE软件】【多相流仿真】【耦合场】【新能源汽车行业】【案例分析】【心得经验】……
欢迎感兴趣的专业人士阅读、关注、共享！
再次欢迎关注《汽车虚拟仿真技术》微信公众号！
技术交流邮箱:
yuhanlin_2008@163.com。
微信公众号（点击下方名片或长按二维码即可关注）