汽车座椅舒适和健康性能测试

摘要

本文汇总了汽车座椅舒适和健康性能测试的四种客观方法，并提供了客观指标及其计算公式，包含静态和动态体压分布测试反映座椅人体工学符合性和支撑性的平均压力和法向力变化率均方根值；反映座椅隔振特性的SEAT值；表征人-椅耦合状态特性的传递率和固有频率；评估人体乘坐座椅并长期暴露在振动工况下腰椎产生病变风险的脊柱健康危险因子等。

关键词：汽车座椅 体压分布 隔振特性 频响特性 脊柱健康

作者：谢杰 高开展 曾佳源

中国汽车工程研究院股份有限公司

汽车产业是国民经济的重要支柱，是“中国制造”实现创新驱动、转型升级、由大变强的主战场[1]，随着汽车“新四化”的发展，各大厂商正致力于创造更加人性化的驾乘环境。汽车座椅作为车辆与乘员直接接触的重要部件，其对舒适性和人体健康的影响已经成为行业关注的技术热点和消费者选择汽车的重要考量因素之一。然而，当前行业内多数企业主要通过主观方式来评价座椅舒适性，对人体健康影响的评价更是鲜有涉及，试验方法的局限和评价标准的缺失使得企业难以有效管控座椅舒适性的符合性和一致性，导致行业内座椅舒适性能和健康性能水平参差不齐，制约了“第三移动空间”概念下汽车驾乘体验的发展。本文研究汇总了汽车座椅体压分布、振动特性、脊柱健康性能等客观测试方法，对指导汽车座椅的设计和测评认证具有重要意义。

体压分布测试

被试人员

依据GB/T 10000-2023《中国成年人人体尺寸》中公布的数据选取被试人员[2]，各种身材人员比例按照1:3:1选取，且总体男女性别比例原则上为1:1，被试人员选择参考表见附表。

试验设备

压力分布测量系统，满量程精度不小于10%，采样频率不低于30Hz；振动试验台，应能够模拟实际路况，所复现的激励最大误差不大于1%。

试验方法

（1）将座椅固定至试验台架，并正确放置体压测试垫，保证表面平整、无褶皱。

（2）被试者以放松的姿态落座于座椅，双脚置于地板，双手自然弯曲置于大腿。

（3）根据体压云图结果进行调试，待压力数据稳定后开始记录体压数据，每次测试时长为180s；测量动态体压分布时，启动振动试验台播放激励信号，每次测试时长为180s。

（4）两次测试需间隔5min。

试验结果处理

平均压力计算公式如下：

式中：I是接触面间受压点的总数；J是测量周期内总的测量帧数；Pia,j是测量周期内第j帧的平均压力值，单位以kPa；Pi,j是第j帧第i个受压点处的压力值，单位为kPa。压力分布指数计算公式如下：

式中：Pi是第i个单元的压力值，单位为kPa；Pm是每个单元的平均压力，单位为kPa；n是该区域压力非零点的总数。

法向力变化率均方根值计算公式[3]如下：

式中：p（t）是平均压力的时间历程，单位为kPa；A（t）是接触面积的时间历程，单位为cm2。

隔振特性测试

被试人员

被试人员为一名身高1.70m±0.05m、体重65 kg±5kg的真人[4]。

试验设备

振动试验台，应能够模拟实际路况，所复现的激励最大误差不大于1%；传感器应符合GB/T 18707.1-2002《机械振动 评价车辆座椅振动的实验室方法 第1部分：基本要求》中相关规定。

试验方法

（4）测量各部位的加速度时间，每次试验持续时间不低于5min，重复三次进行。

试验结果处理

SEAT值（座椅有效振幅传递率）计算公式如下：

式中：Goo（f）是座椅座垫位置输出加速度的自功率谱密度，单位为m2/s3；Gii（f）是座椅下方振动试验台输入加速度的自功率谱密度，单位为m2/s3；Wi是振动加速度频率加权函数。

频响特性测试

试验设备

振动试验台，应能够模拟实际路况，所复现的激励最大误差不大于1%；振动假人，质量为51kg±1kg；加速度计，固有频率应大于300Hz，且能够经受100m/s2的瞬态冲击后不损坏；最大允许误差不大于1%FS。

试验方法

（1）将座椅固定于振动试验台上，将振动假人稳定地置于座椅上。

（2）将座垫加速度计平放于座垫表面，座垫加速度计中心位于振动假人臀部下表面位置处。

（3）振动试验台上面的加速度计安装在座椅减震元件下方，位于座垫上的加速度传感器投影到平台上的点为圆心，半径为100mm内，测量方向应与平台运动方向平行。

（4）悬挂式座椅试验前要预振动；激励信号的幅值要保证座椅有充分的运动；减振器不应过热，预热振动时间为2h。

（5）以正弦扫频或白噪声激励要求进行试验，以不低于200Hz的采样频率采集对应的激励信号、响应信号，每次试验持续时间不低于5min，重复三次进行。激励信号为0.5Hz ~40Hz的正弦扫频信号，振动台台面的加速度峰—峰值取2m/s2、4m/s2、6m/s2的任一数值，或者0.5Hz~40 Hz宽带白噪声信号激励，台面加速度均方根值取1m/s2、2m/s2、3m/s2任一数值。

试验结果处理

座椅传递率用来表示振动从座椅到人体的传递效率，其计算公式如下：

脊柱健康性能测试

被试人员、试验设备和试验方法分别同2.1、2.2、2.3。参考ISO 2631-5∶2018《关于全身振动评价指南》，计算对应汽车座椅的危险因子[5]。

每日压缩量常数计算公式如下：

式中：S1,j是暴露于j条件下腰椎的动态压缩力；tdj是每天暴露于j条件下的时间，（建议td=8h）；tmj是在S1,j测量段的时间周期。危险因子计算公式如下：

式中：R是危险因子；S1,ed是每日压缩量常数；N是每年暴露的天数；n是暴露的年数；S1,u i是年龄（b+i）岁的人腰椎的极限强度，其中b是暴露开始的年龄；C1,stat是重力引起的静态压应力，是姿势、体重和体重指数的函数。

其中，S1,ui可参考以下公式计算：

最后，综合评估R的大小以判断特定振动下汽车座椅对人体脊柱健康的影响程度。

结语

本文研究探讨了针对汽车座椅体压分布、隔振特性、频响特性和脊柱健康影响的客观测试方法。其中，体压分布可以反映座椅人体工学符合性和对人体的支撑性能；隔振特性可以反映座椅对振动的隔绝性能；频响特性可以反映人-座椅耦合状态的固有频率以及传递率；脊柱健康危险因子可以反映人体乘坐座椅并长期暴露在振动工况下，其腰椎产生病变的风险。

【参考文献】

[1]燃擎新起步，聚势新高度[J]. 中国汽车，2024（01）: 1-2.

[2]全国人类工效学标准化技术委员会.中国成年人人体尺寸第5部分∶人体尺寸数据统计值∶GB/T 10000-2023 [S]. 北京: 中国标准出版社，2023∶3-23.

[3]高开展，罗巧，张志飞，等. 基于体压分布的汽车座椅振动舒适性评价[J]. 汽车工程，2022，44（12）:1936-1943+1963.

[4]全国汽车标准化技术委员会.汽车平顺性试验方法 第3部分：试验条件：GB/T 4970-2009 [S]. 北京: 中国标准出版社，2010∶1.

[5] Technical Committee ISO/TC 108，Mechanical vibration，shock and condition monitoring， Subcommittee SC 4，Human exposure to mechanical vibration and shock. Method for evaluation of vibration containing multiple shocks：ISO 2631-5∶2018 [S]. ISO copyright office，2018∶10-20.