座椅模擬人體進(jìn)出耐久測(cè)試的評(píng)價(jià)參數(shù)研究

杜長江，田澤洋，從云鵬，李鋼，金劍

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

根據(jù)CATARC調(diào)研的數(shù)據(jù)，汽車的舒適性已經(jīng)日益成為消費(fèi)者選購車型的關(guān)鍵因素之一，如圖1所示。汽車座椅作為車輛上直接與駕乘人員接觸的部件，其可靠性和舒適性直接影響駕乘人員的駕車體驗(yàn)和感受，也是影響汽車舒適性的重要因素之一[1]。目前，對(duì)于座椅舒適性和可靠性的測(cè)試評(píng)價(jià)，各國均沒有強(qiáng)制性的法規(guī)要求，而是多以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的形式進(jìn)行規(guī)定，涉及座椅總成及關(guān)鍵部件如頭枕、坐墊、靠背、扶手等多方面，主要項(xiàng)目包括模擬人體進(jìn)出耐久、顛簸蠕動(dòng)、振動(dòng)特性、操作耐久等[2]。

其中，座椅的模擬人體進(jìn)出耐久測(cè)試是一種比較符合實(shí)際使用情況的座椅舒適性和可靠性測(cè)試方法，能夠?qū)ψ蔚男阅苓M(jìn)行全面的測(cè)試和評(píng)價(jià)，為當(dāng)前行業(yè)中公認(rèn)的舒適性測(cè)試方法。研究發(fā)現(xiàn)：目前行業(yè)中沒有統(tǒng)一的測(cè)試方法和評(píng)價(jià)參數(shù)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法各異，且評(píng)價(jià)參數(shù)簡單、主觀性強(qiáng)，既不能實(shí)現(xiàn)座椅性能的全面評(píng)價(jià)，又不能更好地為后續(xù)的座椅改進(jìn)提供合理的指標(biāo)參考。鑒于此，本文作者擬對(duì)模擬人體進(jìn)出耐久測(cè)試的評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行深入研究，為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂提供合理的參考。

1 模擬人體進(jìn)出耐久測(cè)試介紹

模擬人體進(jìn)出耐久測(cè)試主要是對(duì)帶面套的座椅進(jìn)行護(hù)面耐磨性測(cè)試，以考核座椅的耐磨性和舒適可靠性。目前行業(yè)參考標(biāo)準(zhǔn)為QC/T 740-2017[3]。

試驗(yàn)開展時(shí)，使用的設(shè)備為多自由度機(jī)器人和與之匹配的三維假人模型，如圖2所示。如果對(duì)樣品有嚴(yán)格的氣候環(huán)境要求，則需要將多自由度機(jī)器人安裝在環(huán)境箱中開展測(cè)試，如圖3所示。其中假人模型選用符合SAE J826[4]的50百分位假人，并在假人表面包一層12 mm的泡沫和牛仔布。

圖2 常溫進(jìn)出耐久測(cè)試

圖3 環(huán)境箱中的進(jìn)出耐久測(cè)試

將座椅固定在試驗(yàn)臺(tái)上，并將座椅調(diào)整至設(shè)計(jì)位置。準(zhǔn)備就緒后，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)路徑，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程和路徑規(guī)劃模擬，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試過程的自動(dòng)化運(yùn)行。需要強(qiáng)調(diào)一下，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 740-2017給出了兩種不同的路徑編制方法，可供企業(yè)參考，同時(shí)大部分企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)又有自己的路徑確定方法和要求，比如Volvo、PSA、現(xiàn)代、通用等。但歸根結(jié)底，所有的路徑確定方法來源于對(duì)人員上下車過程的真實(shí)模擬，路徑雖有差別，卻也是大同小異。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)給出了兩種路徑確定方法，參考如下：

方法一：使用座椅壓力分布?jí)|采集人體進(jìn)出座椅的軌跡和壓力值，一般采集5個(gè)關(guān)鍵位置點(diǎn)，90°、45°、0°、45°、90°(角度分別為人體進(jìn)入座椅側(cè)，95%男性真人縱向中心面與車輛行駛方向的夾角)，然后使用機(jī)器人在相同的位置模擬真人進(jìn)出座椅的過程，并使采集的壓力分布與真人的壓力分布接近，記錄位置點(diǎn)，并以此作為機(jī)器人的運(yùn)行程序，開展試驗(yàn)。具體采集及模擬過程如圖4所示。

圖4 真人上下車過程及機(jī)器人模擬

方法二：按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的模擬人體進(jìn)出座椅的軌跡，直接定義機(jī)器人的運(yùn)行程序，不同企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義的試驗(yàn)路徑千差萬別，或詳細(xì)或簡潔，大都能夠體現(xiàn)出整個(gè)人員上下車的全過程。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也有給出參考路徑，詳見QC/T 740-2017的5.6條款。

試驗(yàn)要求方面，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和大多數(shù)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中以主觀檢查和評(píng)價(jià)為主，客觀化和量化的評(píng)價(jià)參數(shù)較少，缺乏說服力；同時(shí)，也無法為企業(yè)的產(chǎn)品改進(jìn)提供支撐和參考。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)要求為：模擬人體進(jìn)出進(jìn)行15 000次的整椅試驗(yàn)，試驗(yàn)后的座椅護(hù)面不應(yīng)出現(xiàn)斷裂、結(jié)團(tuán)，不應(yīng)脫散和露底，不允許出現(xiàn)損傷，縫線不允許斷裂。

2 模擬人體進(jìn)出耐久的評(píng)價(jià)參數(shù)研究

通過研究和學(xué)習(xí)國內(nèi)外相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)以及各大企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，深入細(xì)致地研究適合于模擬人體進(jìn)出耐久測(cè)試的評(píng)價(jià)參數(shù)，并給出合理的評(píng)價(jià)方法，使企業(yè)能夠更好地利用該測(cè)試項(xiàng)目服務(wù)于產(chǎn)品的測(cè)試、驗(yàn)證和改進(jìn)，也為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供研究支撐。

研究發(fā)現(xiàn)：可用于模擬人體進(jìn)出耐久測(cè)試項(xiàng)目試驗(yàn)前后的評(píng)價(jià)參數(shù)有座椅H點(diǎn)變化、面套表面狀態(tài)、座椅總成靜剛度、座椅表面變形量、座椅側(cè)翼剛度、體壓分布、表面溫度(帶加熱墊)、加熱墊阻值變化等。接下來將一一開展研究。

2.1 座椅H點(diǎn)變化

設(shè)計(jì)H點(diǎn)是指在汽車總布置時(shí)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)。實(shí)際H點(diǎn)是指當(dāng)H點(diǎn)三維人體模型按規(guī)定步驟安放在汽車座椅中時(shí)，人體模型上左右H點(diǎn)標(biāo)記連接線的中點(diǎn)。它表示汽車駕駛員或乘員入座后胯關(guān)節(jié)在車身中的位置。汽車的實(shí)際H點(diǎn)在汽車車身總布置設(shè)計(jì)中有重要意義。因此，在試驗(yàn)前后，最好對(duì)H點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，而且要求其各個(gè)坐標(biāo)值的變化不得過大(一般要求在±12.5 mm內(nèi))，否則認(rèn)為座椅發(fā)泡耐磨性能不好或者發(fā)泡出現(xiàn)塌陷等，需要對(duì)座椅進(jìn)行深入測(cè)試或驗(yàn)證。H點(diǎn)測(cè)試如圖5所示。

圖5 座椅H點(diǎn)測(cè)試

2.2 面套表面狀態(tài)

面套表面狀態(tài)檢查為主觀性檢查和判斷，也是目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和大部分企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用最多的評(píng)價(jià)參數(shù)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以直觀地判斷座椅面套是否出現(xiàn)磨損或破壞，缺點(diǎn)是可能會(huì)出現(xiàn)邊界狀況，給試驗(yàn)人員的最終評(píng)價(jià)和判定造成困難。常見的試驗(yàn)現(xiàn)象有褶皺、磨損、脫落、塌陷、起毛、線斷裂等，如圖6所示。

針對(duì)這種情況，建議對(duì)座椅面套表面狀態(tài)開展更加客觀化的檢查，使試驗(yàn)后的評(píng)價(jià)更加準(zhǔn)確。比如使用色差儀測(cè)量座椅面套試驗(yàn)前后的顏色變化，并要求其ΔE值在合理范圍內(nèi)(比如ΔE≤1.0)；使用顯微鏡檢查座椅面套的微觀組織變化情況，對(duì)肉眼無法判斷的邊界破壞情況進(jìn)行準(zhǔn)確檢查和評(píng)價(jià)等。

圖6 座椅面套表面狀態(tài)

2.3 座椅總成靜剛度

使用GB 11559-1989規(guī)定的坐墊及靠背形狀的加載板，按照標(biāo)準(zhǔn)QC/T 55-1993[5]中規(guī)定的加載位置和方向，分別對(duì)座椅的坐墊和靠背施加700 N和300 N的載荷，以加載板的載荷中心作為施力點(diǎn)，按照150～300 mm/min的速度進(jìn)行加載和卸載，記錄載荷-撓度曲線。

（4）科技進(jìn)步對(duì)產(chǎn)城融合發(fā)展水平的提升具有較強(qiáng)的提升作用。科技進(jìn)步變量的影響系數(shù)為1.952，這表示在其他因素均保持不變時(shí)，R&D占GDP的比重每上升1%，則產(chǎn)城融合發(fā)展指數(shù)會(huì)提升1.962%。這可能是因?yàn)樾陆目萍歼M(jìn)步一方面在一定程度上促進(jìn)了本區(qū)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，為城鎮(zhèn)的發(fā)展提供更為堅(jiān)實(shí)的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)；另一方面加速了人口流動(dòng)，促進(jìn)了城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，同時(shí)也為城鎮(zhèn)發(fā)展提供了產(chǎn)業(yè)支撐。

座椅的靜剛度定義為在規(guī)定的載荷(坐墊500 N，靠背250 N)下，加載曲線上該點(diǎn)切線的斜率，單位為N/m。

座椅總成靜剛度反映了座椅坐墊和靠背發(fā)泡整體的軟硬情況，可以很好地反映進(jìn)出耐久試驗(yàn)前后座椅發(fā)泡性能的變化情況。

進(jìn)出耐久試驗(yàn)前后，開展座椅總成的靜剛度測(cè)試。圖7和圖8分別為坐墊和靠背進(jìn)行靜剛度試驗(yàn)的照片，圖9和圖10分別為坐墊剛度加載曲線和靠背剛度加載曲線。通過曲線，可以計(jì)算靜剛度。

試驗(yàn)前靜剛度為：K坐墊=42.98 N/m，K靠背=21.36 N/m；

故可以計(jì)算出試驗(yàn)前后，坐墊的靜剛度變化率為1.2%，靠背的靜剛度變化率為5.3%。

圖7 座椅坐墊靜剛度測(cè)試

圖8 座椅靠背靜剛度測(cè)試

圖9 座椅坐墊靜剛度曲線 圖10 座椅靠背靜剛度曲線

2.4 座椅表面變形量

座椅進(jìn)出耐久試驗(yàn)的過程中，假人模型會(huì)不斷地與坐墊和靠背的大部分區(qū)域接觸并產(chǎn)生磨損和壓陷，因此，座椅總成上大部分區(qū)域都會(huì)發(fā)生不同程度的變形和下陷。如何更好地測(cè)量和找到最大變形點(diǎn)，以及測(cè)出座椅總成的變形分布狀況，也是試驗(yàn)前后座椅狀態(tài)變化的一個(gè)重要評(píng)價(jià)項(xiàng)目。

推薦采用非接觸式的光學(xué)測(cè)量設(shè)備，如圖11所示，利用該設(shè)備可以測(cè)量微小的變形量。對(duì)進(jìn)出耐久試驗(yàn)前后的座椅進(jìn)行光學(xué)測(cè)量，測(cè)量后，將兩次測(cè)量結(jié)果在同一基準(zhǔn)下進(jìn)行對(duì)比，可以直觀地獲得座椅的變形分布狀況，并獲取座椅表面的最大變形位置和變量值，如圖12所示。在利用該項(xiàng)參數(shù)對(duì)座椅進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，一般要求座椅的最大變形值需位于±10 mm內(nèi)。

圖11 光學(xué)微變形測(cè)量設(shè)備

圖12 座椅變形量分布

2.5 座椅側(cè)翼剛度

開展座椅進(jìn)出耐久試驗(yàn)時(shí)，假人模型一般都是從接觸、壓縮座椅側(cè)翼開始，慢慢進(jìn)入座椅的整個(gè)區(qū)域，然后再從座椅側(cè)翼移出座椅，如圖13所示。

圖13 側(cè)翼開始試驗(yàn)

因此，座椅側(cè)翼部分的受力和耐磨損頻次是最高的，側(cè)翼部位的剛度也是一項(xiàng)重要的參數(shù)。如圖14所示，試驗(yàn)前后，對(duì)座椅側(cè)翼局部區(qū)域進(jìn)行剛度測(cè)試，采用一個(gè)加載頭，對(duì)側(cè)翼重要位置施加載荷(一般施加196 N)，獲取側(cè)翼位置的剛度曲線，獲取加載點(diǎn)的最大位移值。

對(duì)比試驗(yàn)前后座椅側(cè)翼的剛度變化情況，可以很好地評(píng)價(jià)座椅側(cè)翼的變化和發(fā)泡壓縮情況。

圖14 側(cè)翼剛度試驗(yàn)

2.6 座椅體壓分布

測(cè)試座椅體壓分布可以很好地測(cè)量出乘客坐在座椅上時(shí)，座椅每個(gè)點(diǎn)位的壓力值以及座椅坐墊、靠背上的壓力分布狀況，是一種很好的座椅發(fā)泡特性以及承壓能力的評(píng)價(jià)手段。因此，進(jìn)出耐久試驗(yàn)后，對(duì)座椅的體壓分布進(jìn)行測(cè)試，通過對(duì)比試驗(yàn)前后的體壓分布數(shù)據(jù)，可以對(duì)座椅的承載能力和發(fā)泡、面套的磨損變化做出很好的評(píng)價(jià)[6]。

如圖15所示，將壓力墊平整地鋪設(shè)在座椅上，真人按照舒適姿態(tài)乘坐在座椅上后，開始采集座椅的體壓分布數(shù)據(jù)。獲得如圖16所示的體壓分布圖譜，通過圖譜，可以直觀讀出座椅的體壓分布狀況。

圖15 真人體壓分布測(cè)試

圖16 體壓分布圖譜

利用體壓分布數(shù)據(jù)進(jìn)行座椅狀況的評(píng)價(jià)，一般有以下幾個(gè)重要參數(shù)[7]：

(1)最大壓力值。計(jì)算體壓分布圖譜中，最大壓力點(diǎn)的位置及數(shù)值；

(2)平均壓力值。計(jì)算所有單元壓力的平均值；

(3)承壓面積。計(jì)算所有具有壓力數(shù)據(jù)的單元格的面積。

實(shí)驗(yàn)前后，通過對(duì)比以上幾個(gè)參數(shù)值的變化情況，可以對(duì)座椅的承壓能力進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

2.7 表面溫度(帶加熱墊)

帶有加熱墊的座椅，其加熱墊的升溫特性也是很重要的評(píng)價(jià)參數(shù)。因此，進(jìn)出耐久試驗(yàn)前后，對(duì)座椅加熱墊的升溫特性進(jìn)行比較。如圖17(a)—17(c)所示，為某款座椅加熱墊在開展進(jìn)出耐久試驗(yàn)前的升溫特性，分別展示了加熱墊工作0、12和24 min時(shí)，座椅表面的溫度分布狀況和基準(zhǔn)點(diǎn)的溫度值；圖17(d)—17(f)為該座椅進(jìn)行完進(jìn)出耐久試驗(yàn)后，加熱墊的升溫特性，同樣，還是展示了加熱墊工作0、12和24 min時(shí)，座椅表面的溫度分布狀況和基準(zhǔn)點(diǎn)的溫度值。可以看出：試驗(yàn)后，座椅加熱墊的升溫特性有比較明顯的變化，升溫速度變得更快。

圖17 加熱墊的升溫特性

2.8 加熱墊阻值變化

對(duì)試驗(yàn)前后的加熱墊阻值進(jìn)行測(cè)量，記錄阻值的變化情況。一般要求電阻值的變化量小于1 Ω。

3 結(jié)束語

模擬人體進(jìn)出耐久測(cè)試是一種常見的座椅舒適性和可靠性測(cè)試方法，目前行業(yè)中沒有統(tǒng)一的、客觀化的評(píng)價(jià)參數(shù)，本文作者對(duì)行標(biāo)中的進(jìn)出耐久測(cè)試方法進(jìn)行總結(jié)，并重點(diǎn)研究了進(jìn)出耐久測(cè)試的客觀評(píng)價(jià)參數(shù)。研究表明：座椅的H點(diǎn)變化、面套表面狀態(tài)、座椅總成靜剛度、座椅表面變形量、座椅側(cè)翼剛度、座椅體壓分布、表面溫度、加熱墊阻值等客觀參數(shù)在進(jìn)出耐久試驗(yàn)前后，會(huì)出現(xiàn)不同程度的變化，這些參數(shù)可以用于試驗(yàn)前后座椅性能變化情況的合理評(píng)價(jià)，使測(cè)試結(jié)果能夠更好應(yīng)用于產(chǎn)品的改進(jìn)和完善。文中的研究工作可以為相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作提供支撐。