第十一章座椅设计

汽车车身结构与设计第十一章座椅设计2/42汽车座椅的作用有哪些？2）为乘客创造舒适和安全的乘坐条件；3）给驾驶员提供良好的工作条件;4）缓和和衰减由车身传来的冲击和振动。1）支承乘员的质量;

座椅设计的好坏，将对乘坐舒适性、安全性及操作方便性等产生很大的影响。由此可见：概述3/42概述11.1座椅的设计要求11.2座椅的结构11.3座椅的动态特性11.4座椅的静态特性与几何参数选择11.5座椅的试验与评价4/42重点：1）掌握国、内外汽车座椅的现状与趋势。2）掌握座椅的结构组成、设计要求。3）能分析座椅的静态特性与动态特性；设计中，能根据不同的设计要求，对座椅的各种参数做出正确的选择。难点：4）掌握座椅的试验与评价方法。

座椅的静态特性与动态特性的分析、以及座椅的振动参数与几何参数的选择。5/4211.1座椅的设计要求6/42国内、外座椅发展的现状与趋势：3）有限元技术在座椅设计中的运用。2）新材料不断运用；1）新型座椅的出现；7/421）新型座椅的出现：电动座椅悬挂座椅记忆座椅8/422）新材料不断运用：(1)用非金属材料代替金属材料；(2)可再生材料代替不可再生材料；针织品、化纤面料塑料教学提示：针织品与化纤面料透气性好，重量轻。福特公司2008年将推出黄豆提炼塑料座椅9/423）有限元技术在座椅设计中不断运用。10/42

汽车座椅的设计应满足如下要求：4）.结构紧凑，外形与色彩应美观、大方；3）.有足够的结构强度、刚度、和寿命；2）.具有良好的动态特性；1）.应有良好的静态特性；11/42

不同类型的汽车座椅，其设计的侧重点：4）城市客车座椅：2）驾驶员座椅：1）乘客座椅：3）高级轿车的座椅：保证乘员的舒适和安全。保证良好的视野、操作方便、长时间工作不感到疲劳。保证各项设计性能良好。质量轻、结构紧凑、结实耐用、价格低廉等。12/42

汽车座椅的分类：1)按乘员数分类：单人座椅双人座椅多人座椅13/422)按功能分类：乘客座椅驾驶员座椅附加座椅附加座椅14/423)按翻转情况分类：不可翻转式靠背可翻转式整体可翻转式11.2座椅的结构15/4216/42

汽车座椅的组成：调节装置座垫靠背座垫靠背骨架17/42作用：固定在地板上，用以支撑整个座椅和人体的质量。1)骨架靠背骨架座垫骨架18/42分开式骨架：座垫骨架与靠背骨架连在一起；座垫骨架与靠背骨架分开；骨架的分类：整体式骨架：翻式骨架：座垫骨架与靠背骨架铰接在一起；怎样连接？19/42骨架的设计要求：3）当垂直靠背蒙皮作用载荷为1500N时，允许挠度<50mm；2）当载荷增至1200N时，允许永久变形<5mm；1）当座垫上垂直载荷为800N时，允许挠度<10mm；20/42座椅骨架的材料：钢管、铝板、树脂板、木材。制作方法：用钢管弯曲而成，或用冲压成形。21/422)弹性元件用以缓和由车身传来的冲击，通常用直径为1.2～4mm的弹簧钢丝加工而成，也有用泡沫塑料作弹性元件的。作用：常将若干弹簧排列组成弹簧架，使得乘客质量不同时，弹簧变形不太大，并有较好的稳定性，压力分部均匀，无局部陷落现象22/42弹性元件的种类：蛇形弹簧成型钢丝弹簧螺旋弹簧小型拉簧23/423)褥垫褥垫和弹簧的座椅是传统结构，其工艺复杂、成本高、性能不佳、振幅大且不易衰减等。缺点：棉絮、海绵、泡沫塑料等，材料：当采用金属弹簧时，在蒙皮与弹簧架之间常加一层褥垫，用以分散弹簧和人体间的压力，使座椅表面具有柔软的感觉，同时，它还具有吸收振动和噪声的功能。作用：24/42设有气室海绵泡沫塑料座垫只需改变气室尺寸和形状，就可调节座垫的弹性

目前汽车上广泛采用橡胶海绵、泡沫塑料作为弹性元件。橡胶海绵25/424)蒙皮作用：是包在座垫和靠背总成外表的一层材料可用它来修饰座垫的表面。常用材料：棉布、皮革、人造革、毛织品等。26/424.面料应耐脏并有良好的透气性、去湿性、尺寸稳定和阻燃性。3.面料的摩擦系数应适当；2.面料有足够的强度和耐磨性；蒙皮设计要求：1.色彩应符合车身内饰统一要求；27/425）调节机构作用：是根据乘员对座椅的乘坐的不同要求，来对座椅的形状进行调节的机构。座椅的调节方式前后调节上下调节靠背倾角调节整座倾角可调式和六向（上下、左右、前后）均可调式。28/42调节机构的种类：丝杠式、液压式、无滚珠滑轨式、有滚珠滑轨式、弹簧式等。螺母丝杠手柄教学提示：寿命长、工作可靠教学提示：调整方便、乘坐舒适、结构复杂、成本高教学提示：摩擦阻力大、易生锈、调节费力无滚珠滑轨式29/42摩擦力大、易生锈调节轻便、使用寿命长、尺寸大、成本高调节速度慢、寿命长调节方便、速度快、结构复杂、稳定性差调节方便、乘坐舒适、结构复杂、成本高30/42调节机构的设计要求：4.在整体座椅倾角可调的结构中，座椅底面和水平面间夹角变化范围为5～10度。3.靠背的调节范围不仅限于驾驶姿势的要求3～8度，而且可适应乘客从座姿到睡眠的状态6～65度。2.上、下调节量一般在30～60mm之间；1.前后方向的调节量90～140mm之间，大多不大于120mm；31/42座椅上的装备：头枕扶手安全带扶手网兜烟灰缸座椅电加热器32/4211.3座椅的动态特性33/42座椅的动态特性是指：3.座椅的动态特性座椅对从汽车的悬架、车轮、车身等振动系统传来的冲击和振动所能起到的缓冲作用和消振特性。34/42研究动态特性的方法：3.座椅的动态特性

动态特性的研究主要从座椅的弹性特性和减振特性两方面来考虑，即从作用在座椅上的载荷及其变形求出座垫的刚度C值（反映座垫的软硬程度），以及从乘员质心在座椅上垂直振动的衰减曲线来确定乘员在座椅上的振动频率和振幅的衰减值。35/42

一，振动对人体的影响

3.座椅的动态特性

近年来，国际标准化协会（ISO）在综合大量资料的基础上提出的《人体承受全身振动的评价》，该标准用垂直和水平两个方面加速度均方根值给出了在1～80HZ振动频率范围内，人体对振动反应的三种不同感觉界限，即暴露极限、疲劳－降低工作效率界限和舒适降低界限。在座椅研究中，主要应用疲劳－减低工作效率界限。36/423.座椅的动态特性垂直方向振动时人的疲劳界限37/423.座椅的动态特性水平方向振动时人的疲劳界限38/42由图可知，人对振动的反应特点主要表现为：3.座椅的动态特性4.在相同的持续时间内，在2.8HZ以下，水平振动允许的振动加速度均方根值小于垂直振动的相应值，而在2.8HZ以上，情况相反。3.在不同振动频率下，人的忍受能力不同；2.随着受振时间的增加，忍受振动的能力下降；1.忍受垂直振动的能力大于忍受水平振动的能力；39/42二，座椅的振动参数与选择3.座椅的动态特性主要减振环节轮胎悬架座椅改变座椅的振动参数的优点：不适合不适合适合1.可以单独改进，不影响整车的其它性能而获得良好的效果。2.座椅制造方便、成本低、改进周期短、见效快。40/421）座椅和乘坐质量组成一个振动系统，其物理模型：

座椅的物理模型、数学模型与参数选择mXYCk激励振动响应振动车身2）座椅的振动参数：刚度C：ωn－座椅的固有频率，与C成正比阻尼系数k：它决定了座椅的振动衰减特性，对阻尼的评价常用相对阻尼系数表示。相对阻尼系数41/423）数学模型与传递特性：mXYCk设激励为正弦波，经整理，最后表达式与图如下：传递率激励频率(ω)与固有频率(ωn)之比相对阻尼系数

传递率β0ω/ωn1Ψ=0Ψ=0.25Ψ=0.542/424）座椅相对阻尼系数ψ的选择（1）当λ=1时，ω=ωn，将发生共振。（2）共振区范围为，此区域β0>1。在此区域，相对阻尼系数越大，则β0越小。总结：在设计汽车座椅时，应充分利用区域的减振效果。但相对阻尼系数Ψ不宜取太大值，也不宜取太小值；应使座椅的固有频率尽量避开人体最敏感的4～8Hz频率区，故一般希望ωn<3Hz,Ψ=0.25。

传递率β0ω/ωn1Ψ=0Ψ=0.25Ψ=0.5（3）当

时，属于减振区，此时β0<1，振动被衰减。在减振区域，相对阻尼系数ψ越大，β0越大，减振效果反而要差些。43/425）座椅刚度C的选择1)座椅刚度C的选择，应座椅的固有频率与悬架、车轮的固有频率相匹配来考虑，即要避免与悬架、车轮的固有频率相重合，又要避开人体最敏感的4～8Hz的频率范围。2)由统计可知，悬架的固有频率为1.2～2Hz，车轮的固有频率为9～11Hz。3)座椅固有频率太高（大于8Hz），则座椅太硬影响舒适性。而频率太低（小于1Hz），则座椅太软、挠度太大，使布置不便；同时，过低频率还会使人产生晕车的感觉。总结：因此刚度C的选择，以使其固有频率ωn在2～3Hz为佳。44/42二，座椅的振动参数与选择——座椅的振动参数3.座椅的动态特性座椅的振动参数有2个座椅的刚度C,ωn2=C/m阻尼系数K,座椅刚度座椅和人的质量座椅系统的阻尼系数45/42二，座椅的振动参数与选择——座椅的传递特性3.座椅的动态特性大量实验得到：臀部加速度——车身地板垂直加速度——46/42二，座椅的振动参数与选择——座椅的传递特性臀部加速度相对车身地板垂直加速度的放大因素（y/x），与激振频率（ω/2∏）的关系曲线，表示汽车座椅的传递特性，用传递率β0表示，即：3.座椅的动态特性臀部加速度地板加速度激振频率f＝ω/2∏47/42二，座椅的振动参数与选择——座椅相对阻尼系数Ф的选择

当λ＝1时，ω＝ωn选，将发生共振；

共振区域范围为，此区域β0

>1,在此区域，相对阻尼系数Ф越大，则β越小，即抑制共振效果越好。

当时，属于减振区，此时β0<1，振动被衰减。在减振区域，相对阻尼系数Ф越大β0越大，减振效果反而要差些。3.座椅的动态特性48/42二，座椅的振动参数与选择——座椅相对阻尼系数Ф的选择综上所述可见，在设计汽车座椅时，应充分利用区域的减振效果。但对Ф不宜取太大值，也不宜太小；应使座椅的共振频率ωn尽量避开人体最敏感的4～8HZ频率区，故一般希望ωn<3HZ,Ф=0.25左右。3.座椅的动态特性49/42二，座椅的振动参数与选择——座椅相对阻尼系数Ф的选择泡沫塑料的弹性元件，可接近上述要求，而用金属弹簧的座垫，Ф＝0.1左右，为了增加阻尼，可采用带减振器的“悬挂座椅”。3.座椅的动态特性50/42二，座椅的振动参数与选择——座椅刚度C的选择座椅刚度C的选择，要从座椅的固有频率与悬架、车轮的固有频率相匹配来考虑，即要避免与悬架、车轮的固有频率相重合，又要避开人体最敏感的4～8HZ轮的频率范围。由统计分析知，一般车身在悬架上的固有频率为1.2～2HZ,车轮的固有频率为9～11HZ。3.座椅的动态特性51/42二，座椅的振动参数与选择——座椅刚度C的选择当只考虑垂直振动时，座椅的刚度与车身刚度、轮轴刚度相互作用的试验结果见下图：

3.座椅的动态特性车身加速度的放大因素与激振频率的关系52/42二，座椅的振动参数与选择——座椅刚度C的选择当只考虑垂直振动时，座椅的刚度与车身刚度、轮轴刚度相互作用的试验结果见下图：

3.座椅的动态特性车身加速度的放大因素与激振频率的关系53/42二，座椅的振动参数与选择——座椅刚度C的选择当只考虑垂直振动时，座椅的刚度与车身刚度、轮轴刚度相互作用的试验结果见下图：

3.座椅的动态特性共同作用，即叠加——反映了汽车座椅上人所受传递率与激振频率之间的关系54/42二，座椅的振动参数与选择——座椅刚度C的选择1.人所承受的座椅加速度的放大因素在轮轴固有频率9.95HZ下的共振峰大为减小，但在车身固有频率1.5HZ及座垫固有频率3HZ附近，车身加速度却给放大；了，没能起到减振的效果。因此，在设计座椅弹性元件时，一定要综合考虑它的影响。

2.座垫的刚度一般时固有频率在2～3HZ范围佳。固有频率太高使座垫太硬，太低，则座垫太软，挠度太大，布置不便，在路面上行使时冲击大。

3.座椅的动态特性55/42二，座椅动态特性的简便计算“乘坐舒适性数R”的经验评价方法：

R＝K0/ABfn

式中，K0——座椅舒适性常数。不同座椅有不同的推荐数值。估算时可暂取1。

A——座椅共振频率所对应的振动传递率；

B——10HZ时振动传递率；

fn——座椅的固有频率，单位为HZ.对具体座椅来说，只要A,B,fn,即可算出R值，R值越大，说明动态特性越好。3.座椅的动态特性56/4211.4座椅的静态特性与几何参数选择57/42

座椅的静态特性是指:座椅的结构型式、几何参数、人体接触座垫和靠背的体压分布以及由此而形成的受载轮廓等技术参数对乘坐舒适性的关系特性。3.座椅的静态特性58/42一，人体的乘坐姿势3.座椅的静态特性日常生活经验告诉我们，只有保持正常的腰曲弧形而不受拉压变形才能使人体感到舒适。舒适姿势主要特点：臀部离开靠背稍向前移，保持上体在腰椎以上的肩部与大腿下面之间达到100～115度角。59/42一，人体的乘坐姿势3.座椅的静态特性根据“人体工程学”的研究，舒适坐姿时人体关节角度范围如右图所示。60/42二，座椅的体压分布与受载轮廓3.座椅的静态特性

根据“人体工程学”的研究，最舒适的乘坐姿势时的体压分布应保证：1）人体的大部分质量应以较大的支承面积、较小的单位压力合理地分布到座垫和靠背上；2）压力分布从小到大平滑地过渡，避免突然变化。61/423.座椅的静态特性人体在靠背和座垫上最适宜的体压分布1）人体质量作用在座椅上的压力并非均布，而应根据各部位在产生不舒服感觉以前所能承受压力的大小予以合理的分布；2）座垫上的体压分布应使坐骨部分承受的压力最高，由坐骨周围扩展到臀部外围，压力逐渐降低，直到与座垫前缘接触的大腿下平面趋于最低值；3）靠背上的体压分布则应以肩胛骨和腰椎骨二部位的压力最高。这就是靠背设计中所强调的62/42三、座椅的几何参数选择1）乘客座椅的几何参数◆座椅的高度要保证双脚能自如地踩在地板上，双腿要能自如地前伸后屈；舒适性与安全性要求：◆座椅深度不宜过大，并应与座椅高度成反比；◆座垫弹簧不宜过软，要使大部分人体质量支撑在坐骨部分；◆座垫与水平面之间应有一定倾角，前缘应带有圆弧，靠背与座垫之间要有合适的角度，保证肩部和腰部有稳妥的凭靠。63/42三、座椅的几何参数选择乘客座椅参数的常用数据64/42三、座椅的几何参数选择2）驾驶员座椅的几何参数◆驾驶员座椅不仅要满足舒适的乘坐姿势，更重要的是应为驾驶操作提供轻便、安全的工作条件；◆有关对乘客座椅的设计要求，原则上都适用于驾驶员座椅，但其几何参数又有所不同；◆按照舒适性要求，γ角应稍小，α角较大而H略低；◆按照操纵方便性，γ角应稍大，α、β角较小。65/4211.5座椅的试验与评价66/42评价与鉴定座椅的优劣，主要应考虑：◆座椅的静态特性；◆座椅的动态特性；◆座椅的结果强度、外观造型与品质、成本等。◆座椅的调节方式与范围；67/42一，座椅的振动参数的测试目的：（1）座垫刚度的测定测定其刚度和阻尼系数◆座垫刚度有静刚度与动刚度之分，主要测静刚度；◆方法：对人体假臀模型施加垂直载荷，取载荷变化与高度变化的比值，即为座椅座垫在该载荷下的静刚度。68/42座垫刚度测试装置69/42一，座椅的振动参数的测试（2）座椅阻尼系数的测定方法：在以有载荷的座垫上施加一个突发力，或施加一个初始位移后突然释放，用装在座垫上的加速度传感器测量座垫的自然衰减振动曲线；量取振动曲线中部相邻两个峰值高度A1和A2，其比值为d=A1/A2,则座垫的相对阻尼系数Ψ和阻尼系数Κ为：座椅刚度系统质量70/42一，座椅的振动参数的测试（2）座椅阻尼系数的测定座垫垂直振动特性曲线71/42二，座椅的传递特性的测试传递特性：指座椅对振动的传递率β0随振动频率而变化的特性。振动特性直接反映座椅衰减振动的能力：人—椅响应的振幅值人—椅输入的振幅值有时为了方便也可以用振动加速度之比来表示。72/42一，座椅的传递特性的测试73/42三，座椅的静压力特性试验（1）座椅表面形状测试方法：在座垫指定部位以不大于1000mm/min的速度缓慢加载到规定载荷（座垫为200N,靠背为100N），然后测试加载点的变形。基准点基准点74/42三，座椅的静压力特性试验（2）体压分布试验方法：在座垫上画出11行15列坐标网格，每个交点上安装一个压力传感器；同理可在靠背上布置11×13＝143个测点。人体压力经传感器变换成电信号，由磁带机记录，然后经电子计算机处理成图形、表格及数据，画成人体压力的等压线图头部支持点头部支持点胸部支持点腹部支持点75/42四，座椅的适应性试验◆试验主要包括测量座椅的几何尺寸、角度及调整范围；◆座椅上的驾驶员能否发挥最大工作效率，可通过测量驾驶员的精神及肉体两方面的负担来评价；◆精神负担：根据脉搏、呼吸、皮肤电放射等一系列的神经反应测得；◆肉体反应常用以能量代谢为中心的测量法；◆疲劳程度可用闪光熔断仪检查人对光信号的辨别能力来测量。76/42五，座椅的强度试验◆座椅的强度试验包括：座椅骨架固定强度试验、向靠背加载的强度试验、向枕头加载的强度试验、靠背的疲劳试验和座垫的疲劳试验等。1）座椅骨架固定强度试验是在座椅骨架上施加相当于20倍座椅质量的水平载荷，然后测试记录其变形量；2）靠背骨架强度试验是在靠背上横梁中心处施加一向后的力，此力对座椅参考点“R”的静力矩为373N·m，然后测量并记录其变