第十一章座椅设计4

1、1 汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计第十一章第十一章 座椅设计座椅设计主主 讲讲: : 肖平肖平专专 业：车辆工程业：车辆工程系系 部：机械工程系部：机械工程系20072007年年8 8月月1212日日2概述概述一一.座椅的设计要求座椅的设计要求(国内外现状国内外现状)二二. .座椅的结构座椅的结构三三. .座椅的动态特性座椅的动态特性四四. .座椅的静态特性与几何参数选择座椅的静态特性与几何参数选择五五. .座椅的试验与评价座椅的试验与评价3n汽车座椅的作用：汽车座椅的作用：4）为乘客创造舒适和安全的乘坐）为乘客创造舒适和安全的乘坐条件条件。3）给驾驶员提供良好的工作）给驾驶员提供良好的

2、工作条件条件;2）缓和和衰减由车身）缓和和衰减由车身传来的冲击和振动传来的冲击和振动;1）支承成员的）支承成员的质量质量; 座椅设计的好坏，将对乘坐舒适性、安全性及操座椅设计的好坏，将对乘坐舒适性、安全性及操作方便性等产生很大的影响。作方便性等产生很大的影响。由此可见：由此可见：一一.座椅的设计要求座椅的设计要求4n汽车座椅的设计应满足如下要求：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、结构紧凑，外形与色彩应美观、大方大方；3）.有足够的结构强度、刚度、和有足够的结构强度、刚度、和寿命寿命；2）.具有良好的具有良好的动态特性动态特性；1）.应有良好的应有良好的静态特性静态

3、特性；5n汽车座椅的分类：汽车座椅的分类：1. 按成员数分类：按成员数分类：单人座椅单人座椅双人座椅双人座椅多人座椅多人座椅62.按功能分类：按功能分类：乘客座椅乘客座椅驾驶员座椅驾驶员座椅附加座椅附加座椅附加座椅附加座椅7汽车座椅的组成：汽车座椅的组成：靠背靠背骨架骨架调节装置调节装置座垫座垫二二. .座椅的结构座椅的结构座垫座垫靠背靠背8作用：作用：固定在地板上，用以支撑整个座椅和人体的质固定在地板上，用以支撑整个座椅和人体的质量。量。n 骨架骨架靠背骨架靠背骨架座垫骨架座垫骨架92.2.汽车座椅的结构汽车座椅的结构分开式骨架：分开式骨架：座垫骨架与靠背骨架连在座垫骨架与靠背骨架连在一起一

4、起；座垫骨架与靠背骨架座垫骨架与靠背骨架分开分开；骨架的分类：骨架的分类：整体式骨架：整体式骨架：翻式骨架：翻式骨架：座垫骨架与靠背骨架铰接在座垫骨架与靠背骨架铰接在一起一起；10骨架的设计骨架的设计要求要求：4）当载荷增至）当载荷增至2000N，允许永久变形，允许永久变形12mm。3）当垂直靠背蒙皮作用载荷为）当垂直靠背蒙皮作用载荷为1500N时，时，允许挠度允许挠度50mm；2）当载荷增至）当载荷增至1200N时，允许永久变形时，允许永久变形5mm；1）当座垫上垂直载荷为）当座垫上垂直载荷为800N时，允许挠度时，允许挠度1,在此区域，相对阻尼系数越大，则越小，即抑制共振效果越好。当 时，

5、属于减振区，此时0 1，振动被衰减。在减振区域，相对阻尼系数越大 0 越大，减振效果反而要差些。3.3.座椅的动态特性座椅的动态特性0.752234二，座椅的振动参数与选择二，座椅的振动参数与选择座椅相对阻尼系数座椅相对阻尼系数的选择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。但对不宜取太大值，也不宜太小；应使座椅的共振频率n尽量避开人体最敏感的48HZ频率区，故一般希望n3HZ, =0.25左右。3.3.座椅的动态特性座椅的动态特性235二，座椅的振动参数与选择二，座椅的振动参数与选择座椅相对阻尼系数座椅相对阻尼系数的选择的选择 泡沫塑料的弹性元件，可接近上述要求，而用

6、金属弹簧的座垫， 0.1左右，为了增加阻尼，可采用带减振器的“悬挂座椅”。3.3.座椅的动态特性座椅的动态特性36二，座椅的振动参数与选择二，座椅的振动参数与选择座椅刚度座椅刚度C的选择的选择 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48HZ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1.22HZ,车轮的固有频率为911HZ。3.3.座椅的动态特性座椅的动态特性37二，座椅的振动参数与选择二，座椅的振动参数与选择座椅刚度座椅刚度C的选择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

7、相互作用的试验结果见下图：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： 3.3.座椅的动态特性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38二，座椅的振动参数与选择二，座椅的振动参数与选择座椅刚度座椅刚度C的选择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：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： 3.3.座椅的动态特性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39二，座椅的振动参数与选择二，座椅的振动参数与选择座椅刚度座椅刚度C的选择的选择当只考虑垂直振动时，座椅的刚度与车

8、身刚度、轮轴刚度相互作用的试验结果见下图：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： 3.3.座椅的动态特性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40二，座椅的振动参数与选择二，座椅的振动参数与选择座椅刚度座椅刚度C的选择的选择1.1.人所承受的座椅加速度的放大因素在轮轴固有频率人所承受的座椅加速度的放大因素在轮轴固有频率9.95HZ9.95HZ下的共振峰大为减小，但在车身固有频率下的共振峰大为减小，但在车身固有频率1.5HZ1.5HZ及座垫固有频率及座垫固有频率3HZ3HZ附近，车身加速度却给放大；附近，车身加速度却给

9、放大；了，没能起到减振的效果。因此，在设计座椅弹性元了，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。件时，一定要综合考虑它的影响。 2.2.座垫的刚度一般时固有频率在座垫的刚度一般时固有频率在2 23HZ3HZ范围佳。固有频率范围佳。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。置不便，在路面上行使时冲击大。 3.3.座椅的动态特性座椅的动态特性41二，座椅动态特性的简便计算二，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： RK0/ABfn 式中，K0座椅舒适性常数。不同

10、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； B10HZ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。3.3.座椅的动态特性座椅的动态特性42 座椅的静态特性是指座椅的静态特性是指: :座椅的结构型式、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。适性的关系特性。3.3.座椅的静态特性座椅的静态特性43一，人体的乘坐姿势一，人体的乘坐姿势3.3

11、.座椅的静态特性座椅的静态特性日常生活经验告诉我们，只有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。压变形才能使人体感到舒适。舒适姿势主要特点：臀部离开舒适姿势主要特点：臀部离开靠背稍向前移，保持上体在腰靠背稍向前移，保持上体在腰椎以上的肩部与大腿下面之间椎以上的肩部与大腿下面之间达到达到100100115115度角。度角。44一，人体的乘坐姿势一，人体的乘坐姿势3.3.座椅的静态特性座椅的静态特性根据根据“人体工程学人体工程学”的研究，舒适坐姿的研究，舒适坐姿时时人体关节角度范围人体关节角度范围如如右图所示。右图所示。45二，座椅的

12、体压分布与受载轮廓二，座椅的体压分布与受载轮廓3.3.座椅的静态特性座椅的静态特性 根据根据“人体工程学人体工程学”的研究，最舒适的乘坐姿势时的研究，最舒适的乘坐姿势时的体压分布应保证：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）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；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。）压力分布从小到大平滑地过渡，避免突然变化。463.3.座椅的静态特性座椅的静态特性人体在靠背和座垫上最适宜的体压分布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）人体质量作用在座椅上

13、的压力并非座椅上的压力并非均有分布，而应根均有分布，而应根据各部位在产生不据各部位在产生不舒服感觉以前所能舒服感觉以前所能承受压力的大小予承受压力的大小予以合理的分布；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）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；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）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力最高。这就是靠背设计中所强调

14、的47三、座椅的几何参数选择三、座椅的几何参数选择1）乘客座椅的几何参数）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；自如地前伸后屈；舒适性与安全性要求：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座垫弹簧不宜过软，要使大部分人体质量支撑在坐骨部分；分；座垫与水平面之间应有一定倾角，前缘应带有圆弧，靠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背与座垫之

15、间要有合适的角度，保证肩部和腰部有稳妥的凭靠。凭靠。48三、座椅的几何参数选择三、座椅的几何参数选择乘客座椅参数的常用数据乘客座椅参数的常用数据49三、座椅的几何参数选择三、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；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；椅，但其几何参数又有所不同；按照舒适性要求，按照舒适性要求，角应稍小，

16、角应稍小，角较大而角较大而H H略低；略低；按照操纵方便性，按照操纵方便性，角应稍大，角应稍大，、角较小。角较小。505、座椅的试验与评价、座椅的试验与评价评价与鉴定座椅的优劣，主要应考虑：评价与鉴定座椅的优劣，主要应考虑：座椅的静态特性；座椅的静态特性；座椅的动态特性；座椅的动态特性；座椅的结果强度、外观造型与品质、成本等。座椅的结果强度、外观造型与品质、成本等。座椅的调节方式与范围；座椅的调节方式与范围；51一，座椅的振动参数的测试一，座椅的振动参数的测试目的：目的：（1）座垫刚度的测定）座垫刚度的测定测定其刚度和阻尼系数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；座垫

17、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。度变化的比值，即为座椅座垫在该载荷下的静刚度。52座垫刚度测试装置座垫刚度测试装置53一，座椅的振动参数的测试一，座椅的振动参数的测试（2）座椅阻尼系数的测定）座椅阻尼系数的测定方法：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；自然衰减振

18、动曲线；量取振动曲线中部相邻两个峰值高度量取振动曲线中部相邻两个峰值高度A1和和A2，其比值为，其比值为d=,则座垫的相对阻尼系数则座垫的相对阻尼系数和阻尼系数和阻尼系数为：为：座椅刚度座椅刚度系统质量系统质量54一，座椅的振动参数的测试一，座椅的振动参数的测试（2）座椅阻尼系数的测定）座椅阻尼系数的测定座垫垂直振动特性曲线座垫垂直振动特性曲线55二，座椅的传递特性的测试二，座椅的传递特性的测试传递特性：指座椅对振动的传递率传递特性：指座椅对振动的传递率0 0随振动频率而变化随振动频率而变化的特性。的特性。振动特性直接反映座椅衰减振动的能力：振动特性直接反映座椅衰减振动的能力：人人椅响应的振幅

19、值椅响应的振幅值人人椅输入的振幅值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。有时为了方便也可以用振动加速度之比来表示。56一，座椅的传递特性的测试一，座椅的传递特性的测试57三，座椅的静压力特性试验三，座椅的静压力特性试验（1）座椅表面形状测试）座椅表面形状测试方法：方法：在座垫指定部位以不大于在座垫指定部位以不大于1000mm/min的速度缓慢加载到的速度缓慢加载到规定载荷（座垫为规定载荷（座垫为200N,靠背为靠背为100N），然后测试加载点），然后测试加载点的变形。的变形。基准点基准点基准点基准点58三，座椅的静压力特性试验三，座椅的静压力特性试验（2）体压分布试验）体压分

20、布试验方法：方法：在座垫上画出在座垫上画出11行行15列坐标网格，每个交点上安装列坐标网格，每个交点上安装一个压力传感器；同理可在靠背上布置一个压力传感器；同理可在靠背上布置1113143个测点。个测点。人体压力经传感器变人体压力经传感器变换成电信号，由磁带换成电信号，由磁带机记录，然后经电子机记录，然后经电子计算机处理成图形、计算机处理成图形、表格及数据，画成人表格及数据，画成人体压力的等压线图体压力的等压线图头部支持点头部支持点头部支持点头部支持点胸部支持点胸部支持点腹部支持点腹部支持点59四，座椅的适应性试验四，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；试验主要包括

21、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；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；经反应测得；肉体反应常用以能量代谢为中心的测量法；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。测量。60五，座椅的强度试验五，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、向靠背座椅

22、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。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；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）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，此力对座椅参考点的力，此力对座椅参考点“R”的静力矩为的静力矩为373Nm，然后，然后测量并记录其变形量；测量并记录其变形量

23、；上述两种试验后，骨架整体完好，各焊点无开裂、折断等上述两种试验后，骨架整体完好，各焊点无开裂、折断等现象为合格。现象为合格。61五，座椅的强度试验五，座椅的强度试验3）向靠枕加载的强度试验要求：当靠枕承受相当于向靠枕加载的强度试验要求：当靠枕承受相当于“R”点点373Nm， 力矩的载荷时，靠枕移动量不超过力矩的载荷时，靠枕移动量不超过102mm；靠枕及其固定件应能承受靠枕及其固定件应能承受890N的负荷而无损坏；的负荷而无损坏；4）靠背的疲劳试验是在靠背骨架横梁上施加相当于）靠背的疲劳试验是在靠背骨架横梁上施加相当于“R”点的力矩点的力矩147Nm的交变载荷，当循环加载带到的交变载荷，当循环加载带到105次次后无损坏现象为合格。后无损坏现象为合格。