汽车座椅舒适性试验解读 之 体压分布

1. 试验目的

通过测试员自然地坐在座椅上，获取座椅表面各个测点的压力值。基于最大压力、平均压力、最大压力梯度、平均压力梯度、接触面积、总压力等指标，评价座椅的静态舒适性能。该试验是目前与乘员舒适性主观评价相关性最好的试验。

2. 试验设备

该试验需用到压力分布测试系统，该系统由压力毯、数据采集系统、数据分析终端组成。压力毯为柔性织布，传感器阵列式安装在织布上，以Xseoner LX100/210系列的压力毯为例，每隔小方格代表一个长宽12.7mm的测点，传感器的压力范围为0.7-27Kpa，当测点压力小于阈值时压强数据显示为零。

压力毯将压力信号转换成电信号，然后通过数据采集系统进行滤波和量化编码，最后通过计算机进行数字信号分析和处理，输出体压数据，对压力分布进行量化和可视化，将传感垫上的压力以2D平面彩图的形式输出。

3. 试验方法

将测试座椅安装在整车上，或者依照在车辆中的实际安装情况固定。将坐垫压力毯铺设于座椅上，保证压力毯铺满整个座椅，且表面表面平整、左右对称无褶皱。

测试员乘坐到座椅上，调节座椅位置到合适位置，脚放到脚踏板或者车身地毯上，双手放置在双腿或者方向盘上，测试员臀部与坐垫充分接触，身躯处于自然放松状态倚在靠背上，测试过程中保持姿态不变。然后开始采集数据，为了保证数据准确性，采集时长至少5分钟。

测试员的体型一般要包含如下三种，

• 05%的女性：身高150±5cm，体重47±10kg

• 50%的男性：身高175±5cm，体重75±10kg

• 95%的男性：身高185±5cm，体重98±10kg

4. 数据分析

该试验一般性的评价准则：对于座垫，以坐骨节处承受的压力最大，同时以坐骨节处为中心向四周不断减少，直到座垫前端和大腿接触处趋于最低值，膝盖后面腘窝不受压，没有突变的峰值出现，左右两侧的压力对称，具有较好的包裹性。对于靠背，最大压力应在腰椎处，其他位置无明显的压力集中区域，左右两侧的压力对称，具有较好的包裹性。

基于人体的构造，可以将座垫和靠背的测试区域划分为臀部、腿部、侧翼三个区域，将靠背划分为腰部、肩部、侧翼四个区域。可分别考察各个区域的最大压力、平均压力。臀部区域最大压力一般应在7-11kPa区间，腿部区域最大压力一般应在3-5kPa区间，腰部最大压力一般应在4-8kPa区间，肩部和坐盆侧翼压力一般应小于4kPa。

5. 体压分布指标确立的原则

作为表征座椅体压的物理量，首先必须要有明确的物理意义，其次应当成为联结体压分布测试结果和主观舒适性的桥梁，使主客观评价的结果一致或者存在较好的相关性。

指标的确立过程实际上是对试验数据进行数学处理的过程，体压分布的数据处理结果最终通过一系列量化的指标体现出来，它们应当分别从不同的角度体现座椅的特性，尤其应体现那些与乘坐舒适性关系密切的几何物理参数的因素，如坐垫的形状、坐垫的刚度以及刚度的分布等。

从主观评价的角度来看，人的舒适性感觉可以进一步细化，这种细化有助于我们更容易地找到座椅的几何物理特性与主观舒适性的关系。稳定感、柔软性、变形、高度、臀部舒适感和腿部舒适感6种同主观舒适性有关的因素。

由于各种随机因素的影响，体压分布的测试结果存在着很大的差异性，这种差异性是服从统计规律的，因此，我们所进行的体压分布试验也应该是统计试验，但由于统计试验的成本高，我们最终还是希望能够抛弃它，在大量的统计试验的基础上，可以建立一个标准人的模型，并确立相应的试验标准，从而建立起完善的基于体压分布的客观评价方法。

在已有的文献中，不同的研究者分别采用了一些指标来表征体压分布，即使是相同的指标，计算方法亦有差异。以下8个指标。

1. 最大压力Pm

最大压力即全部测点中的最大值为 P=max(P,P2,.....Pv)（N为测点数）。从座椅的物理特性角度看，P体现了座垫的刚度，较硬的座垫P较大，较软的座垫较小。从人的生理结构看，最大压力的位置应在人的坐骨结节部位。否则，体压分布不合理。刚度是座垫最重要的物理参数之一。因此，P是表征座垫舒适性的重要指标。

2. 平均压力Pv

平均压力为全部受压点压力的算术平均值。对平均压力最直接的影响还是坐垫的刚度，但是即使同一材质的座椅，由于表面形状的差异，使得受压点数不同，也会产生加大的影响。

3. 最大压力梯度Gm

压力梯度是压力沿某一方向的变化率，最大压力梯度为各点压力梯度最大的值。最大压力梯度体现了坐垫的刚度和材质分布。刚度较大的坐垫最大压力梯度也较大，材质分布较为合理的坐垫最大压力梯度较小，人体感受也较为舒适。这可以为座椅提供一个改进设计的参考标准。结合人体的生理结构，最大压力梯度也应在人体臀部坐骨结节附近。

4. 平均压力梯度Gv

平均压力梯度为各点压力梯度的算术平均值。平均压力梯度体现坐垫材质的分布是否合理以及坐垫的刚度大小，坐垫的形状也会产生重要的影响。同一材质的坐垫，合理的材质分布或符合人体生理特点的形状，平均压力梯度较小，这也提供了一个改进座椅设计的参考标准。

5. 不对称系数C

试验表明，人的坐姿是决定体压分布的关键性因素之一。坐姿的不同会造成体压分布较大的差异。为了表征这一因素的影响，引入了不对称系数指标，用以判定体压分布的不对称程度，它是左右对称测点压力差的绝对值之和与总压力的比值。显然，当C=0时，体压分布完全对称，当C=1时，体压集中于一侧，C越大则体压分布越不对称。

引入不对称系数的实际意义在于，一方面，统计结果可以作为某一座椅好坏的判定条件之一，对称性好的座椅更加合理；同时，在单一的试验中，可以用于判定试验结果的有效性，由于不符合试验要求的坐姿，势必造成试验结果的较大离散，我们可以依据不对称系数予以剔除。此外，坐垫本身的形状以及坐垫材质分布是否均匀也对不对称系数产生很大的影响。

6. 纵向压力分布曲线PL

将重直于屋椅纵向对称轴的各截面上的压力积分，以纵向对称轴为横坐标轴，以压力积分结果方级坐标轴画出的曲线，称头级同压力分布曲线。

纵向压力分布曲线反映了人体受压的分布情况，包括臀部和腿部的受压以及压力的变化趋势，综合反映了坐垫的刚度、形状、坐垫离地高度等几何物理特性，从而可以把臀部、腿部的舒适感以及压力梯度等联系起来。

7. 纵向力矩分布曲线

将垂直于座椅纵向对称轴的各截面的压力取矩积分，以纵向对称轴为横坐标轴，以力矩积分结果为纵坐标画出的曲线，称之为纵向力矩分布曲线。

座椅支撑人体，使人体保持平稳，所以分析人体承受的力矩式是非常重要的，从力学角度，看，对力矩的分析应该着眼于力矩的量值以及力矩的分布，基于这一目的，我们引入了纵向力矩分布曲线，它也是一个综合性反映坐垫几何物理特性的指标。

人体臀部各部分受力对于保持人体平衡的贡献是不一样的，力矩则反映了这一权重，很显然，距离纵向对成轴远的点的受力对保持人体平衡有较大的影响。较好的座椅，纵向力矩曲线向上偏移，在腿部与臂部区域力矩的分布合理，在重力，稳定感、腿部舒适性以及臂部舒适性得以体现。

8. 侧倾稳定性系数S

侧倾稳定性系数S的计算公式如下，

稳定感是影响座椅舒适性的关键因素之一，所谓侧倾稳定性系数就是当乘员发生侧倾时，座垫的支撑力使之恢复到平衡位置的能力。

座垫可以简化为一个分布弹簧系统，人坐在座垫上，当发生侧倾时，座垫将产生一个恢复力矩使人体恢复平衡，不同的座垫使人体恢复平衡的能力是不同的，同样的侧倾角，稳定性好的或形状合理的座椅产生的恢复力矩较大。假设人坐在非常软的座垫上，比如棉花上，会经常感到有侧倾的危险，不得不经常调整自己以保持平衡，很容易疲劳，在颠簸道路形式工况下，侧倾稳定性是影响舒适性的重要因素。显然，较大的S稳定性较好，座椅的纵舒适性评价也较高。