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干货丨如何通过体压分布测量探究汽车座椅的静态舒适性？

导语

汽车座椅的舒适性是车辆开发的过程中需要重点关注的部分之一，汽车座椅作为驾驶员直接接触的汽车部件，除了影响驾驶员乘坐的安全性外，汽车座椅的舒适度也直接影响着他们的主观感知。提高汽车座椅的舒适度能够减少人体脊椎的承受力，减少人体疲惫，让驾驶员可以更舒适的驾驶，减少安全事故的发生。

01汽车座椅舒适性与体压分布

汽车座椅舒适性设计的目标就是让驾驶员对座椅整体的主观感知是舒适的，包括短时入座的舒适、长途行驶中的舒适和行驶后的舒适。汽车座椅的舒适性一般包括静态舒适性、动态舒适性和操作舒适性三类，其中汽车座椅的静态舒适性主要是指在静止状态下座椅的舒适性表现，其主要与座椅的表面支撑度，贴合度和软硬程度有关。汽车座椅静态舒适性会随着环境改变（如温度、光照、乘坐时长），驾驶员的心情起伏而变。目前，测试舒适度没有统一的标准，本文主要通过体压分布的测量来对汽车座椅舒适性进行探讨。

座椅舒适性分类

体压分布是指体重在靠背和座垫上的分布情况，而人体的坐姿决定了体压的分布情况。以人机工程学为依据可以得出在人体坐姿处于最舒适的状态下，乘坐人员的体压分布应该满足以下要求：

应该保证压力尽可能大面积地合理地施加到座垫和靠背上，以保证每一点的压强都比较小；压力的分布状况比较均匀连续,，免突然的数值相差较大的跳变。人体重在座椅上表现出的压力分布是不均匀的，应该在人体的各部位有不舒适的反应之前，根据人体各不同部分能够承受的压力的不同对其进行比较合理的分布。根据体压在座垫上的分布情况可以得出，人体的坐骨部分承受的压力值最大，从其周围向臀部外围所承受的压力逐渐减小，与座垫接触的大腿所承受的压力值最小。在靠背的腰靠部位上所分布的体压值是最大的。

02试验样件和设备

试验样椅通常由座椅厂商提供，试验样椅通常应包覆完整并具有代表性。试验前，样椅应在试验室恒温恒湿环境下存放24h及以上。试验样椅在进行体压分布测试时一般需要安装在车身或者专用工装上进行固定，安装应牢固可靠。压力传感器应在校准周期内，并且状态完好。

Xseoner LX100/210系列压力传感器

该试验需用到压力分布测试系统，该系统由压力传感器、数据采集系统、数据分析终端组成。压力传感器为柔性织布，传感器阵列式安装在织布上，以Xseoner LX100/210系列压力传感器为例，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。

压力传感器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。座椅设计压力成像能以一种最快捷的方式提供生物力学可视化表达，只需让测试员坐在传感器上即可得到汽车座椅的压力分布。

压力分布图

Xseoner LX100/210系列压力传感器大量应用于座椅设计领域，提供柔性、纤薄、舒适的传感器，数据输出极为精准。

LX传感器能够在2-3小时的长时间驾驶试验中提供高质量数据。
无需反复标定校准，对多个对象进行连续的舒适性测试，降低实验室的停机时间成本。
LX传感器具有全量程±5％的精度，并且能够始终如一地测量低至0.1psi的压力。

03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。将压力传感器铺设于座椅上，保证其铺满整个座椅，且表面表面平整、左右对称无褶皱。

压力传感器铺设示意图

测试员乘坐到座椅上，调节座椅到合适位置，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。

04试验配重

为了尽可能得到大范围具有代表性的人体特征的座椅压力分布，选取接近5%、50%、95 %三种百分位人体尺寸的真人进行测量，一般要包含如下三种：

5%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

05测试指标

体压分布情况以体压分布指标和调查被测者的主观感受为依据，常用的评判指标有最大压力、平均压力、最大压力梯度、平均压力梯度、接触面积、不对称系数等以下8个指标：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

侧倾稳定性系数S

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。

06数据分析

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。

designA/designB

使用压力测量系统X3 PRO分析上图两款A、B两款座椅的压力分布情况，从对比图上可以直观地看出A、B两款座椅的左右压力对称，说明两款座椅的包裹性都不错。同时，B款座椅坐垫和靠背的总体压强大于A款，所以B款座椅更坚固，支撑性更好。

X3 PRO是配套XSENSOR座椅压力测量系统的专业分析软件，可查看多种变量数据。X3 PRO支持用户导入座椅的图像或CAD图，在座椅图像上叠加按比例缩放压力图像的功能，使数据界面更易读。此外，X3 PRO支持用户按照实际情况自定义躯体组的压力分区，方便用户对不同区域去进行对比统计。X3 PRO分析软件易于使用，有着直观的数据界面，是座椅设计者提高座椅舒适性的理想分析软件。