汽車座椅H點測試中軀干角變化對H點坐標的影響

邢立峰，黃玉強，孫繼國，徐源林

（長春富維安道拓汽車飾件系統(tǒng)有限公司，長春 130033）

汽車座椅H點測試中軀干角變化對H點坐標的影響

邢立峰，黃玉強，孫繼國，徐源林

（長春富維安道拓汽車飾件系統(tǒng)有限公司，長春 130033）

為研究汽車座椅H點測試結(jié)果中H點坐標合格但軀干角不合格問題的解決方法，建立H點裝置（H-point Machine，HPM）與座椅之間的力學分析模型，計算附帶配重的假背質(zhì)心位置，通過力學分析計算得到軀干角在一定范圍內(nèi)增大3°時沿座墊表面方向力的變化和垂直座墊表面方向力的變化。結(jié)合H點測試用棉布摩擦作用與座墊剛度曲線，分析軀干角增大3°引起座墊表面力的變化對H點坐標的影響。通過實際樣件座椅H點測試驗證力學分析結(jié)果的正確性，為汽車座椅設(shè)計開發(fā)提供了理論依據(jù)。

汽車座椅 ；H點裝置；H點測試；H點坐標；軀干角

隨著汽車技術(shù)的高速發(fā)展，人們對汽車的各方面要求也在逐步提高。人們不僅關(guān)注汽車的品牌、外觀、安全等因素，也開始意識到舒適性的重要。座椅是與人直接接觸的汽車部件，所以座椅舒適性對整車舒適性的影響至關(guān)重要。

座椅舒適性包含靜態(tài)舒適性、動態(tài)舒適性和操作舒適性。靜態(tài)舒適性是指人與座椅之間相互作用的關(guān)系能否給人提供良好的視野、乘坐感受等。而人眼的橢球視野是由R點與軀干角決定。R點是主機廠定義的設(shè)計基準點，在整車總布置初始階段，主機廠會定義好整車坐標系下SAE 2D假人的R點坐標、軀干角、足跟點等信息。驗證座椅R點與軀干角是否設(shè)計合格的試驗稱為座椅H點測試，所以若H點測試不合格，會導致出現(xiàn)視野盲區(qū)。許多其它汽車零部件如擋風玻璃、儀表板、前照燈等都是由這個橢球視野來決定的，如果H 點測試不合格，這些零部件系統(tǒng)都可能不符合國家法規(guī)的要求。所以，H點測試合格是靜態(tài)舒適性的一個重要檢驗指標。

國內(nèi)關(guān)于汽車座椅H點的文獻主要分三類：介紹H點布置方法［1-2］，優(yōu)化H點布置方法［3-6］，介紹H點測試方法［7］。國外學者［8］建立了座椅的數(shù)學模型，可預測座椅實際H點。但目前還沒有學者對H點測試結(jié)果不合格的解決方法開展研究。

針對H點坐標合格但軀干角不合格的情況，利用力學知識去研究軀干角變化對座椅H點坐標的影響程度，為H點測試不合格問題的解決提供理論數(shù)據(jù)支撐，還將通過試驗來驗證力學分析結(jié)論。

1 H點測試過程中的力學分析

根據(jù)H點測試工況進行力學分析，當HPM放置到座椅上時，座板、背板由于重力的作用會對座椅產(chǎn)生一定的壓縮變形，從而確定假人的姿態(tài)，現(xiàn)將重力分解探討作用效果。

1.1 H點測試簡介

H點測試是將座椅安裝至夾具并固定在工作臺上，在整車坐標系下調(diào)節(jié)座椅與腳踏板至特定位置，按照一定的操作方法擺放H點裝置后，測試H點坐標與軀干角角度。如圖1所示，H點裝置的跨點（Hip-point）坐標就是該座椅在此位置的H點坐標，軀干面與YOZ面的夾角就是該座椅在此位置的軀干角。H點裝置通常也被稱為H點假人。

座椅每一個位置都會對應(yīng)一個H點，大多數(shù)情況下R點是座椅設(shè)計位置下的H點，有些座椅R點對應(yīng)的是座椅最低最后位置。下文中提到的H點均指座椅設(shè)計位置的H點。

測試設(shè)備：FARO關(guān)節(jié)臂式坐標測量機，如圖1b所示。

測試軟件：CAM2。

測試標準：GB11551—2014。

H點裝置：符合SAE-J826要求，H點裝置結(jié)構(gòu)如圖1a所示。圖1b為H點裝置實際圖。為方便后續(xù)描述簡化名稱，本文中結(jié)構(gòu)1、2、3、9、11合稱為假背，4、5、6、7、12、13合稱為假臀。

測試說明：兩側(cè)H點標記按鈕的x坐標差值、z坐標差值同時小于2 mm時讀取平均值為當前位置的H點x、z坐標。因為基于夾具建立的整車坐標系為局部坐標系，所以必須在局部坐標系中通過FARO關(guān)節(jié)臂測量軀干面與YOZ平面的夾角為軀干角角度。用角度尺量得的是在全局空間坐標系下的角度，這個角度是不準確的。

圖1 H點測試

1.2 附帶配重的假背質(zhì)心位置計算

質(zhì)量中心簡稱質(zhì)心，指物質(zhì)系統(tǒng)上被認為質(zhì)量集中于此的一個假想點。與重心不同的是，質(zhì)心不一定要在有重力場的系統(tǒng)中。

在一個N維空間中的質(zhì)量中心，質(zhì)心坐標系計算公式為：

式中：X為某一坐標軸；mi為物質(zhì)系統(tǒng)中某i質(zhì)點的質(zhì)量；xi為物質(zhì)系統(tǒng)中某i質(zhì)點的坐標［9］。

圖2為H點假人質(zhì)量分布。

圖2 H點假人質(zhì)量分布

如圖3所示，假人軀干角為0°時，可根據(jù)式（1）得到附帶配重的假背質(zhì)心相對H點在水平方向上的距離，單位為mm。

式中：X1為H點與假背質(zhì)心在水平方向上的距離，由分析軟件Pam-comfort中的假人模型可知X1=31.3 mm。8.4 kg為假背質(zhì)量，32 kg為8個胸部配重質(zhì)量，因為胸部配重相對H點在水平方向上的距離為0，所以分母上的算式中沒有關(guān)于胸部配重的算式。

圖3 帶配重的假背質(zhì)心計算

可根據(jù)式（1）得到附帶配重的假背質(zhì)心相對H點在豎直方向上的距離，單位為mm。

式中：H1為假背質(zhì)心與H點在豎直方向上的距離；H2為胸部配重質(zhì)心與H點在豎直方向上的距離。由分析軟件Pam-comfort中的假人模型可知H1=270.3 mm，由SAE J826可知H2=356.4 mm。

則附帶配重的假背質(zhì)心和H點的連線與軀干線的夾角為：

1.3 假人軀干角為α時的力學分析

由式（4）可知，當H點假人軀干角為α時，帶配重的假背質(zhì)心和H點的連線與豎直方向的夾角為：

如圖4所示，帶配重的假背在其質(zhì)心與H點連線方向的合力為：

式（6）中，分析軟件Pam-comfort中建議假人與測試用棉布之間的摩擦因數(shù)為f=0.2；G為附帶配重的假背的重力，并且近似認為G sinφ與座椅靠背表面垂直，以此來簡化摩擦力的計算。

圖4 假背受力分析

F在水平和豎直方向產(chǎn)生的分力Fx、Fz分別為：

統(tǒng)計多個座椅軀干角實測值，總結(jié)得軀干角實測范圍為19°～27°，利用式（4）～（7）進行計算，可知假人軀干角與F的分力對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 不同軀干角下的帶配重假背力學分析

表1中，T為軀干角；ΔF′x為軀干角增加1°對應(yīng)的Fx變化；ΔF′z為軀干角增加1°對應(yīng)的Fz變化。

據(jù)表1可得出結(jié)論：軀干角每增加1°，附帶配重的假背重力作用到座墊上的水平力Fx平均增加約3.6 N，豎直力Fz平均減少約6 N。

1.4 力學分析結(jié)論

統(tǒng)計多個座椅軀干角實測值，3°約為偏離合格范圍的最大角度，所以研究軀干角變化3°對H點坐標x、z值的影響。增大3°、減小3°引起的影響是相反的，所以僅研究一種趨勢。

1.4.1 軀干角增大3°對H點x值的影響

由表1得出的結(jié)論可知：軀干角增大3°則Fx變化值ΔFx=10.8 N，F(xiàn)z變化值ΔFz=-18 N。

統(tǒng)計多個座椅設(shè)計位置的座墊表面角度，大多座墊角度為10°～18°，取中間值，假設(shè)座墊角度為14°。據(jù)圖5所示的受力分析，可計算得到軀干角增大3°時ΔFx、ΔFz的分力大小，單位為N。

ΔFx沿座墊表面的分力：

ΔFx垂直座墊表面的分力：

ΔFz沿著座墊表面的分力：

ΔFz垂直座墊表面的分力：

由式（9）和（11）可得軀干角變化3°引起的垂直座墊表面變化的合力：

則沿著座墊表面摩擦力為：

由式（8）、（10）、（13）可得軀干角變化3°引起的沿座墊表面變化的合力：

圖5 座墊表面的力學分析

驗證沿座椅表面施加17.9 N的拉力是否會引起假人的移動。如圖6所示，在H點測試工況下，調(diào)節(jié)座墊角度至14°，擺放H點假人后，用測力計平行于T-bar上表面方向上拉T-bar至29.6 N，假人無位移。由此可知，沿座椅表面的力17.9 N不會引起假人位移。

由上述分析可知，當座椅軀干角增大3°，沿座椅表面向前力增大17.9 N，不會引起H點x坐標變化，即軀干角變化3°不會對H點x值產(chǎn)生影響。

圖6 某座椅座墊角度14°時拉拽T-bar

1.4.2 軀干角增大3°對H點z值的影響

由表1得出的結(jié)論可知：軀干角增大3°則Fz變化為ΔFz=-18 N。由圖2可知：除假背和胸部配重外的假人質(zhì)量為36.3 kg。

對座墊上的壓力進行預估：根據(jù)圖7所示的H點測試工況，主要是座墊與腳踏板對36.3 kg進行分擔支撐，據(jù)質(zhì)量分布可知座墊承受壓力更大。圖8和圖9是座椅座墊剛度測試示意圖及4種座椅的剛度曲線，可知當座墊承受的總壓力越小時，座墊承受的壓力變化對位移產(chǎn)生的影響越大。所以，假設(shè)圖7所示的部件總質(zhì)量均分給座墊和腳踏板，即座墊上的壓力為18.15 kg。這種預估方式雖然減小了坐墊承受的壓力，但是放大了Fz變化對位移的影響，即此預估方式是在更惡劣的情況下考查軀干角變化對H點z坐標的影響。

圖7 座墊與腳踏板力學分析

圖8 座墊剛度測試

圖9 四種座椅座墊剛度卸載曲線

因為軀干角越大，座墊壓力越小，F(xiàn)z變化對位移的影響越大，所以假設(shè)假人初始軀干角為27°，由表1可知帶胸部配重的假背對座墊產(chǎn)生的豎直壓力為275.8 N，則假人施加給座墊豎直方向的總壓力為：18.15×9.8+275.8=453.7 N。

因為軀干角增大3°時Fz減小18 N，所以在453.7～435.7 N卸載曲線范圍內(nèi)研究軀干角增大3°對位移產(chǎn)生的影響。圖9為4種不同座椅座墊的剛度卸載曲線，453.7～435.7 N區(qū)間剛度判斷18 N力值變化對z坐標的影響。由圖可知，z坐標最大變化約0.7 mm。綜上所述，軀干角變化3°會對H點z值產(chǎn)生約0.7 mm的影響。

2 試驗驗證

對某座椅進行H點測試，驗證軀干角變化3°范圍內(nèi)H點x、z坐標的變化情況。由于測量人員測試誤差為3 mm，所以只要x、z坐標變化在3 mm范圍內(nèi)均可認定為x、z坐標無變化。

在3D數(shù)據(jù)中，基于設(shè)計位置的座椅數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)靠背角度向前1.5°、向前3°、向后1.5°、向后3°，記錄對應(yīng)頭枕內(nèi)側(cè)導套上表面中心坐標值，根據(jù)這些坐標值調(diào)整座椅樣件靠背角度，測試對應(yīng)的實際H點坐標和軀干角，測試結(jié)果見表2。表中T為不同靠背位置下的軀干角，ΔT為不同位置相對設(shè)計位置軀干角的差值；x、z代表不同靠背位置下的H點坐標，H點坐標分布情況如圖10所示。

表2 不同靠背位置對應(yīng)的H點測試結(jié)果

圖10 各靠背位置對應(yīng)的H點分布圖

3 結(jié)論與展望

開展了HPM與座椅之間的力學分析，得到軀干角在一定范圍內(nèi)增大3°引起的HPM對座椅座墊表面的作用力變化，其中沿座墊表面向前力增大17.9 N，垂直座墊表面向下的力減小18 N。依據(jù)座墊表面力的變化，結(jié)合測試棉布的摩擦作用得到結(jié)論：軀干角增大3°時對H點x坐標無影響。結(jié)合座墊剛度曲線得到結(jié)論：軀干角增大3°對z坐標產(chǎn)生約0.7 mm的影響。最后通過H點測試驗證軀干角增大3.09°時x值減小0.42 mm，z值減小0.15 mm；軀干角減小2.79°時x值減小0.77 mm，z值減小2.35 mm。由于人工測試誤差為3 mm，所以可認為軀干角變化3°對座椅H點坐標沒有影響，該試驗結(jié)果驗證了理論分析結(jié)論的正確性。

在座椅項目開發(fā)過程中，若座椅H點測試結(jié)果中軀干角偏離合格范圍3°以內(nèi)，H點坐標值合格且距離公差極限3 mm以上（考慮人工測試誤差3 mm），可以根據(jù)以上結(jié)論僅改變軀干角大小以滿足合格要求，不需要考慮軀干角變化對H點坐標的影響，但需要明確如何修改座椅才能保證僅改變軀干角。

可繼續(xù)研究H點坐標變化5 mm對軀干角的影響。影響座椅H點的因素有很多，如泡沫厚度、泡沫硬度、護面包裹的松緊程度、座椅骨架結(jié)構(gòu)等，但是各個因素的影響程度如何還需要進一步研究，同時還要考慮在座椅設(shè)計初始階段如何控制這些因素，以保證座椅實際H點合格。

由表2可知，雖然軀干角最大變化了3.09°，但是H點坐標變化在3 mm范圍之內(nèi)，這也驗證了力學分析結(jié)果是正確的。

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作者介紹

責任作者：邢立峰（1986-），男（滿族），吉林長春人。碩士，中級工程師， 主要從事座椅舒適性研究。

Tel：0431-88700895

E-mail：lifeng.xing@adient.com

Investigating the Influence of Change in Manikin Torso Angle on H-point Coordinates in Car Seat H-point Test

XING Lifeng，HUANG Yuqiang，SUN Jiguo，XU Yuanlin
（Changchun Faway Adient Automotive System Co., Ltd，Changchun 130033，China）

In order to find the solution for car seat H-point test failure due to the unqualified torso angle though the H-point coordinates are valid, a mechanics analysis model based on the H-point machine（HPM）and seat was built. The center of mass of the dummy’s back with torso weight was calculated and the force variation between the HPM and seat cushion could be obtained when the torso angle was increased by 3°. Then in consideration of the cotton cloth friction and seat stiffness, the paper analyzes the influence of the torso angle increase on H-point coordinates. Finally the analysis results are proved by the H-point test, providing theoretical support to car seat design.

car seat；H-point machine；H-point test；H-point coordinate；torso angle

引用格式：

U463.83+6

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.04.09

黃玉強（1976-），男，吉林長春人。碩士，中級工程師，主要從事座椅試驗室管理與座椅舒適性研究。

2017-03-04 改稿日期：2017-03-29

邢立峰，黃玉強，孫繼國，等. 汽車座椅H點測試中軀干角變化對H點坐標的影響［J］. 汽車工程學報，2017，7(4)：306-312.

XING Lifeng，HUANG Yuqiang，SUN Jiguo，et al. Investigating the In fl uence of Change in Manikin Torso Angle on H-point Coordinates in Car Seat H-point Test［J］. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(4)：306-312.(in Chinese)

Tel：0431-88700908

E-mail：yuqiang.huang@adient.com