汽車座椅彈簧設計及優(yōu)化研究

魏小紅 林金源

摘 要：汽車座椅彈簧的作用是在汽車形式過程中達到減震的作用，提高駕駛人的舒適感，當車輛長期在不平整的路面時，座椅能夠降低車輛振動對人體機能帶來的傷害，避免駕駛人由于血液循環(huán)等問題對視覺造成影響而帶來交通安全問題。本文首先分析汽車機械振動對駕駛人的影響，通過確定座椅高度等內(nèi)容研究汽車座椅彈簧設計重點，通過進行彈簧性能實驗等內(nèi)容研究汽車座椅彈簧設計優(yōu)化方式。

關鍵詞：汽車座椅 彈簧設計 優(yōu)化方式

Abstract：The role of car seat spring is to achieve shock absorption in the process of automobile form， and improve the driver's comfort. When the vehicle runs on uneven road surface， the seat can reduce the vehicle vibration to the human body function damage， to avoid the driver due to blood circulation and other problems on the visual impact and bring traffic safety problems. This paper first analyzes the influence of automobile mechanical vibration on the driver， studies the key points of automobile seat spring design by determining the seat height and other contents， and studies the optimization method of automobile seat spring design by conducting spring performance experiments.

Key words：car seat， spring design， optimization method

1 引言

現(xiàn)代人們對汽車的需求逐漸增大，汽車座椅的舒適度以及安全穩(wěn)定能力影響汽車整體評價以及銷售量，汽車振動對人體腰椎間盤的傷害是巨大的，尤其是長時間的駕駛會造成駕駛人的疲勞，對道路交通安全造成威脅，汽車座椅內(nèi)彈簧設計影響著汽車行駛過程中駕駛人的動態(tài)舒適度以及能否穩(wěn)定控制汽車的程度，汽車座椅彈簧設計優(yōu)化能夠提高汽車座椅的安全性與穩(wěn)定性，提高汽車企業(yè)的經(jīng)濟效益。

2 汽車機械振動對駕駛人的影響

汽車在行駛過程中會出現(xiàn)沒有規(guī)律的、不同強度的振動，直接影響車內(nèi)人員的身體軀干動作以及慣性的生理應激反應，最常見問題是暈車。由于汽車振動會影響人體的肌肉系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等，在振動頻率比較低的情況下，人體機能不會出現(xiàn)強烈的應激反應，但當振動頻率不規(guī)范時，肌肉系統(tǒng)面臨長期的應激反應，始終保持緊張狀態(tài)沒有放松機會，帶來的主要問題是對人體的脊椎造成傷害，尤其是腰椎間盤部分。汽車的不規(guī)律振動會影響到駕駛人的頭部血液循環(huán)，造成駕駛人視網(wǎng)膜呈現(xiàn)的影像模糊，進而由于視力減退引發(fā)交通事故問題。頭部血液循環(huán)出問題還會影響到駕駛人的情緒以及思考能力，例如在高速公路上行駛時，不能及時發(fā)現(xiàn)四周存在的安全風險隱患，容易引發(fā)嚴重的交通事故。汽車座椅彈簧能夠降低汽車振動對人體帶來影響，為汽車安全行駛提供保障[1]。

汽車的振動會加速駕駛人的疲勞進程，原因在于駕駛人需要在汽車行駛過程中長時間保持對外界環(huán)境的敏感度，思維保持活躍狀態(tài)，不斷增加身體機能的能量消耗，由此帶來道路交通安全隱患問題。

3 汽車座椅彈簧設計重點

汽車指轎車、5座或者7座的SUV（運動型多功能車，俗稱越野車）、MPV（商務車內(nèi)，多用途汽車，是從旅行轎車演變而來，它集旅行車寬大乘員空間、轎車的舒適性、和廂式貨車的功能于一身，一般為兩廂式結構，可以坐7-8人）、跑車（底盤低）、微型面包車以及客貨兩用皮卡車。以下舉例汽車座椅彈簧設計重點根據(jù)這六種車型使用特點進行研究。

3.1 確定座椅高度

不同的座椅高度影響著汽車駕駛員的駕駛狀態(tài)，結合汽車類型首先設計汽車座椅的高度，通常轎車以及越野車的座艙高度范圍在1.2米-1.5米之間，駕駛人的頭與頂部存在空間，結合正常人體上半身與下半身的分配比例，座椅的高度通常在20厘米-35厘米之間，根據(jù)座椅高度以及車輛的使用類型，根據(jù)汽車座椅平面位置的面積大小，分析各個部位需要彈簧承擔的力，合理分布座椅內(nèi)的彈簧數(shù)量以及各個部分的彈簧高度與硬度[2]。

3.2 彈簧材質(zhì)選擇

彈簧的類型多樣并且重力緩沖能力各不相同，彈簧與減震器連接，因此分在彈簧上的力也出現(xiàn)不同，當發(fā)生車禍問題時座椅的機械力緩沖作用需要達到對駕駛人傷害減輕到最低，即座椅能夠消化車輛碰撞時對駕駛人造成的勢能能量傷害，這就需要彈簧的重力承受能力以及能量儲存能力得到保障，符合汽車使用目的，因此，座椅內(nèi)彈簧通常會選擇鋼質(zhì)材料[3]。

3.3 彈簧的靜力能力計算

汽車座椅性能以及質(zhì)量反映在汽車座椅的懸架系統(tǒng)上，影響懸架系統(tǒng)質(zhì)量的主要是彈簧的剛度，為了實現(xiàn)汽車座椅性能的保障，運用合適的彈簧分布提高座椅的機械能緩沖能力。通過計算座椅彈簧的最大應力以及其位移程度，結合兩種計算結果計算彈簧的靜剛度，得出彈簧的最大靜力荷載，了解彈簧出現(xiàn)壓死圈的問題原因并提出設計優(yōu)化方案[4]。

3.4 符合人體振動頻率

人體振動頻率以及在汽車振動影響下，主要振動部分為腰部，影響著駕駛人員對汽車的控制能力，因此，汽車座椅彈簧設計既需要符合人體振動的幅度與頻率，還需要重視對駕駛人腰部位置的保護。為了實現(xiàn)彈簧設計的這一個功能，需要汽車座椅彈簧設計人員選擇不同的體重或者體型的人員參與到人體的頻率振動實驗當中來，為彈簧設計提供數(shù)據(jù)參考[5]。

4 汽車座椅彈簧設計優(yōu)化方式

4.1 進行彈簧性能實驗

彈簧在低荷載范圍內(nèi)，剛度變化小，而在高荷載范圍內(nèi)容易出現(xiàn)壓死圈的問題，但同時彈簧的剛度出現(xiàn)增加的情況，為了實現(xiàn)彈簧功能符合不同類型車型對座椅質(zhì)量以及性能的要求，滿足不同體重駕駛人的舒適感以及安全性要求，汽車企業(yè)需要研究出能夠隨著荷載力變化而變化的彈簧。彈簧設計優(yōu)化的前提是需要對各種彈簧實施不同變量的實驗，提高對彈簧的性能以及剛性的了解，結合汽車應用目的，促進彈簧設計的優(yōu)化。

圓形截面圓柱螺旋壓縮彈簧，壓縮彈簧的圈與圈之間有固定的間隙，當受到外載荷時彈簧收縮變形以及儲存變形，緩沖性能以及減震性能較好，能承受相對大的載荷，而且當載荷大而徑向尺寸有限制時，可將兩個直徑不同的壓縮彈簧套在一起使用，成為組合彈簧，進一步提高彈簧的荷載能力。這樣的彈簧制作方便，應用范圍廣泛。圖1為圓形截面圓柱螺旋壓縮彈簧。

圓錐形螺旋彈簧緩沖性能較好，能承受較大載荷力并且能儲存較多能量，及時恢復到原來的形狀，這種彈簧穩(wěn)定性強，并且彈簧在受到外界荷載力變化時，它的自振頻率是不固定的，有效防止座椅與駕駛人共振的情況發(fā)生，緩和了地面的沖擊對車身的影響，提高駕駛人的安全。但圓錐形螺旋彈簧制作工藝復雜，需要汽車設計人員合理結合汽車使用目的等進行彈簧設計。圖2為圓錐形螺旋彈簧。

圓錐螺旋彈簧的應用范圍比較廣，并且性能更加符合座椅性能需求，因此，在彈簧設計優(yōu)化過程的實驗中，提高圓錐螺旋彈簧的旋繞比，提高彈簧的軟度，當荷載力比較小的時候也能實現(xiàn)能量緩沖作用，提高駕駛人的舒適度。彈簧性能的實驗結合不同類型的汽車座椅設計進行，了解彈簧在不同類型的汽車中的需要具有的荷載力以及不同機械力的緩沖能力，為汽車座椅彈簧設計優(yōu)化提供豐富的數(shù)據(jù)參考。

4.2 加強高素質(zhì)人員團隊建設

汽車座椅彈簧設計優(yōu)化需要設計人員清晰了解各種彈簧的性能以及彈簧在座椅上的具體分布，還需要了解各類汽車性能以及振動頻率等問題，例如各種彈簧在汽車座椅內(nèi)不同位置的作用以及汽車在行駛過程中產(chǎn)生的各種能量對駕駛人造成的影響等問題，在座椅彈簧設計方面既需要提高座椅與人體身體構造符合的程度，保障對駕駛人腰部的保護，還需要達到在減振緩沖過程中駕駛人依舊能夠妥善控制行駛汽車，避免發(fā)生交通事故的問題。汽車企業(yè)在招聘這類專業(yè)人員的過程中重視對其進行物理相關知識的考察，要求設計人員對某種汽車車型性能等有自身深入的見解，對汽車座椅彈簧設計優(yōu)化工作有強大的積極性，不怕麻煩與困難，在彈簧設計過程中能夠積極探索創(chuàng)新，提高汽車座椅的的舒適度。汽車座椅彈簧設計優(yōu)化需要結合人體的H點與汽車類型兩方面綜合設計座椅的厚度以及彈簧分布，包括各個部分彈簧應用的最佳材質(zhì)，提高汽車座椅的合理性與舒適度。彈簧設計人員需要對人體構造有所了解，人體脊柱是S型曲線，彈簧設計優(yōu)化工作需要結合座椅的彎曲程度進行彈簧長度等內(nèi)容的調(diào)整，積極進行實驗研究，擴大對不同類型彈簧的了解范疇，為汽車座椅質(zhì)量與性能的提高做出貢獻。

目前我國汽車座椅彈簧設計能力還沒有達到世界先進水平，因此，企業(yè)需要加強對這類設計人員的知識與技術能力的培訓，提供這類人員到發(fā)達技術的國家進行學習的機會，了解更多具備專業(yè)數(shù)據(jù)的座椅彈簧設計方案，提高自身的知識儲備量，有能力獨立進行汽車座椅彈簧的設計優(yōu)化。對這類人員培訓汽車整體性能以及內(nèi)部構造的相關知識，加強汽車設計與座椅彈簧設計兩個部門的溝通與交流，互相之間了解對方的需求并找到合理的解決方法，提高座椅彈簧設計與發(fā)動機加速度變化等數(shù)據(jù)變量的聯(lián)系緊密度，進而提高汽車的整體性能，保障汽車在行駛過程中的協(xié)調(diào)性。

要求汽車座椅彈簧設計人員能夠使用專業(yè)的3D顯示技術將座椅彈簧設計優(yōu)化方案進行展示，并通過這項技術開展不同慣性以及荷載力等變化的實驗，了解座椅彈簧設計優(yōu)化后的質(zhì)量與性能，尤其是座椅能否最大限度達到對駕駛人的控制，降低汽車振動對是人體的傷害，保障駕駛人的安全穩(wěn)定駕駛。

4.3 提高實驗研發(fā)投入

在原有的座椅彈簧設計上，分析座椅在承載力提高的情況下，結合人體構造提高座椅彈簧設計的合理性。彈簧設計優(yōu)化還需要結合座椅的材質(zhì)使用等問題提高彈簧與座椅的協(xié)調(diào)性，由于我國目前還沒有全面自主研發(fā)汽車座椅的能力，因此，汽車企業(yè)需要提高自身對科學研究的投資力度，促進我國的自主研發(fā)座椅工作的進展，設計符合我國人民身高以及駕駛熱人習慣發(fā)力方向的座椅，讓內(nèi)部彈簧設計發(fā)揮應有作用。

目前市場上存在著一種空氣彈簧，是在軟性的塑膠物充進有一定工作壓力的氣體，運用氣體的膨脹性來建立其延展性作用，達到汽車行駛過程中的能量緩沖以及能量儲存作用。但這種空氣彈簧造價比較高，應用于汽車座椅當中會增加汽車的銷售價格，降低汽車整體設計的合理性，針對這類彈簧加大其研究投入，從材質(zhì)的研發(fā)創(chuàng)新出發(fā)，逐步降低空氣彈簧的生產(chǎn)造價，并通過其優(yōu)異的延展性提高與駕駛人身體結構的貼合度，提高汽車座椅彈簧設計的科學性?？諝鈴椈傻氖褂梅桨感枰芯咳藛T以及設計人員合作開展，在符合汽車企業(yè)對座椅質(zhì)量的要求下，研究如何合理利用空氣彈簧并安裝在合理的位置，豐富我國汽車座椅內(nèi)的彈簧類型。

座椅彈簧設計優(yōu)化還需要加大研究力度在汽車加速度以及轉彎時的支撐能力，對于對汽車來說，無論是急加速還是急轉彎，其縱向或是橫向的加速度基本可以達到0.7G、0.8G左右，而轉彎時的側向支撐能夠保障限制住駕駛人身體的來回移動，消除駕駛人在合成加速度狀態(tài)下產(chǎn)生的不適感，因此，在這兩個方面需要提高彈簧的能量儲存能力，提高座椅側方彈簧的剛性。汽車座椅彈簧設計與座椅的填充物、骨架、調(diào)節(jié)裝置和車身連接件等內(nèi)容有關，由于座椅的使用頻度極高，因此安全性能是其最重要的需求，在彈簧設計優(yōu)化方面需要加強彈簧的耐用能力，提高彈簧與座椅內(nèi)其他物件的連接質(zhì)量。加強科研研發(fā)可以在彈簧材質(zhì)的重新加工構造方面，結合常用的彈簧材質(zhì)進行剛性的重新調(diào)整，滿足座椅不同部分對彈簧剛性的要求。

汽車企業(yè)加強與專業(yè)院校以及實驗研究所的合作，提供豐富的座椅彈簧研究材料以及相應的數(shù)據(jù)，提供研究人員來到汽車座椅加工廠學習了解的機會，豐富研究人員對座椅彈簧的了解與認識，將自身對彈簧設計優(yōu)化的主要要求同步給到研究人員，讓研究人員有針對性的開展研究工作。提供新研發(fā)彈簧的實驗機會，不斷進行各種變量的變化了解新彈簧的荷載承受范圍等，并將其應用到實際的汽車座椅生產(chǎn)當中對整車進行實驗，選擇賽車手進行座椅評估，因為賽車手對汽車座椅的要求與了解是高于普通駕駛人員的，邀請賽車手開展新研發(fā)座椅彈簧設計的實驗工作能夠為研究人員提供更加全面并且具體的意見。

汽車座椅彈簧的設計優(yōu)化工作還可以加強對減震器構造的研究，計算出減震器在運動顛簸過程中的各種狀態(tài)，為了達到顛簸過程中的平衡，如何與彈簧的作用結合提高減震器的緩沖能力。不斷加強新技術的研發(fā)力度能夠提高我國在汽車設計與生產(chǎn)方面的技術能力，降低企業(yè)在零件采買上的經(jīng)濟成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，促進汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4.4 加強與客戶溝通

汽車座椅彈簧設計優(yōu)化需要改進的部分有哪里，或者座椅彈簧存在的質(zhì)量等問題都可以與汽車消費人員進行問卷調(diào)查，了解消費者在日常駕駛過程中對座椅舒適度以及不平整路面的減震緩沖能力的評價，了解汽車座椅在加速度以及轉彎的過程中，座椅靠背是否達到了在車速放緩時的狀態(tài)回彈，了解座椅側邊區(qū)域對駕駛人的限制能力以及是否隨著使用次數(shù)的增加，座椅的限制效果在逐漸降低的情況，當路面不平整時，駕駛人是否可以接觸到汽車控制部分等，在進行調(diào)查與溝通的過程中了解不同體型人員對汽車座椅的要求，了解彈簧設計過程中需要注意的細節(jié)性問題，提高彈簧設計優(yōu)化的全面性。

汽車座椅彈簧設計優(yōu)化需要結合汽車發(fā)動機的功率以及慣性力的大小等因素，因此，在與消費者溝通的過程中，設計人員通過對消費者的體型以及常用路面平整度等因素的了解，分析座椅各個部分彈簧的承受力是否存在的不均勻的情況，在優(yōu)化過程中為設計人員提供充分的數(shù)據(jù)基礎，進而找到合適的解決方法為座椅的安全穩(wěn)定性負責。當汽車經(jīng)常在不平整路面行駛時，座椅舒適度大概多久會降低，在這個過程中能否感覺到力的緩沖，幫助設計人員了解座椅彈簧設計優(yōu)化的主要方向以及重點。重視與汽車維修部門的聯(lián)系，了解消費者在汽車座椅上的維修主要內(nèi)容，為汽車座椅彈簧設計優(yōu)化提供參考。

5 結語

汽車座椅彈簧設計需要從座椅高度、彈簧材質(zhì)、彈簧力的緩沖能力計算等內(nèi)容出發(fā)，結合不同的車型設計彈簧的長度以及直徑等，汽車座椅彈簧設計優(yōu)化需要加強對彈簧性能的實驗與考察，了解不同彈簧在實際應用中性能的差異，提高彈簧設計人員的技術能力，豐富其對汽車整體性能以及各個設備質(zhì)量連接的影響的了解，汽車企業(yè)加強科技研發(fā)，影響彈簧設計優(yōu)化工作不斷發(fā)展，促進汽車整體質(zhì)量的提高。

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