基于人体17 位压力分布的汽车座椅靠背舒适性研究

2020-05-24王艳飞邢立峰黄玉强朱丽丽

汽车工程学报 2020年2期

王艳飞，邢立峰，黄玉强，朱丽丽

（长春富维安道拓汽车饰件系统有限公司，长春 130033）

汽车座椅人机工效学的设计理念是设计座椅时需要考虑的重要问题之一。座椅舒适性分为静态舒适性和动态舒适性两类，静态舒适性是动态舒适性的前提。汽车座椅靠背舒适性主要取决于人体脊骨是否处于正常生理弯曲状态。座椅对人体肩背部和腰部支撑程度分配比率决定人体脊骨的弯曲状态[1-3]。多数研究[4-6]都围绕座椅靠背与人接触界面压力的主客观评价方法展开，采用局部粘贴泡沫改变对人体的支撑，从而获得肩背部和腰部单独区域的舒适支撑压力范围。然而被试者对每个部位的独立主观评价，会忽略腰部和肩背部之间的人-椅接触界面压力关系，例如肩背部支撑不足对腰部区域的人-椅接触界面压力影响[7-9]。在靠背舒适性研究方面，座椅肩背部和腰部对人体的支撑程度之间的量化关系至关重要。

人-椅接触界面压力是导致不舒适的最主要的生物力学因素。人-椅接触界面压力表征设备——压力分布测试系统是一种有效、客观的舒适性表征手段[10]。文献[11]～[12]中使用了人体17 位的分区方式展开舒适性研究，人体17 位分区的分析方法更符合汽车座椅人机工效学设计理念。鉴于此，MERGL 等[12]围绕人体17 位压力分布开展一系列人-椅接触界面压力舒适范围的研究工作。

综上所述，基于人体17 位压力分布测试分析系统，结合VINK 等[13]在2017 年发表的靠背肩背部和腰部压力灵敏度研究成果，探索汽车座椅靠背肩背部和腰部舒适压力之间的量化关系。

1 方法

为了探索肩背部和腰部的人-椅接触界面压力之间分配比例较舒适的量化关系，采用17 位人体区域分区分布方法表征人-椅接触界面压力，通过主客观评价相结合的方法，选择10 名被试者参与座椅靠背舒适性试验。

1.1 试验条件

1.1.1 被试者

从座椅靠背造型特点分析，靠背偏上区域更易于出现人体支撑不足。而肩高较大的被试者才能与此处接触。所以参考GB 10000—1988《中国成年人人体尺寸》中50 百分位以上人群的肩高数据，选择肩高大于0.59 m 的10 名被试者参与试验。人体尺寸采用人体测量尺测量，如图1 所示，10 名被试者的人体尺寸信息统计见表1。

图1 人体测量尺

表1 被试者人体尺寸信息统计

1.1.2 试验材料及设备

用于表征人-椅接触界面压力的XSensor 压力测量系统软件里的17 位人体区域编号和比例分配如图2 所示。本次研究不包括座椅的座垫部分，仅研究肩背部1/2 区域和腰部6 区域的人-椅接触界面舒适压力之间的量化关系。

设置17 位人体分区进行测试时，每位被试者坐姿肩高和臀宽分别与17 位人体分区的靠背总长度和总宽度对应，如图2 所示，每个区域的分区依据12%、25%和38%比例分配。靠背压力垫排布传感器区域规格尺寸为48 cm×77 cm，试验采样记录频率为1 Hz。

图2 人体分区及其对应座椅靠背区域

选择某车型前排主驾驶员座椅，靠背泡沫硬度设计范围为5.0±1.0 kPa。试验过程中，10 位被试者评价此座椅泡沫硬度在可接受范围内。通过4 位腰托机构调节座椅腰部的人-椅接触界面压力，达到被试者舒适的腰部支撑状态。肩背部支撑通过粘贴楔形泡沫调整。裁剪的楔形泡沫较厚端尺寸规格有5、10、20 mm 三种。与文献[11]中的等厚泡沫相比，楔形泡沫较薄一端厚度小于1 mm，能很好地与座椅造型面贴合过渡，从而消除人-椅接触界面压力分布的集中，测试更准确。同时，排除主观评价过程中肩部支撑突然增加的干扰。楔形泡沫尺寸规格和形状描述如图3 所示。

图3 不同厚度的楔形泡沫

1.2 数据采集

座椅舒适性评价台如图4 所示，XSensor 压力测试垫铺设并固定在座椅上方。要求每位被试者将座椅调高，并将滑轨位置调整至驾驶状态后，反复调试肩背部泡沫厚度和位置（图4），再配合腰部腰托机构调整腰部支撑强度，从而初步锁定肩背部和腰部的舒适状态，被试者可以开始模拟驾驶。每次模拟驾驶乘坐时间为15 min，在乘坐12 min 时进行人-椅接触压力录制。同一名被试者重复乘坐3次，每次乘坐都需要重新调整座椅至舒适状态。每次模拟驾驶完成后，座椅闲置10 min 以上再进行下一轮测试。

同一被试者在舒适驾驶坐姿条件下，乘坐3 次的人-椅接触界面压力参数允许偏差在XSensor 压力系统测试精度10%以内，判定此人主观舒适性评价合格，对应客观评价压力参数有效，采用极差法得到舒适压力参考范围。

图4 座椅舒适性评价台

为了考察舒适驾驶姿态下汽车座椅肩背部和腰部的人-椅接触界面压力之间的量化关系，定义平均/最大人-椅接触界面压力比率公式如下：

式中：Raveraged为汽车座椅肩背部和腰部区域对应的人-椅接触界面压力总和的比值；Pu为肩背部区域人-椅接触界面压力，N/cm2；Pw为腰部区域人-椅接触界面压力；Rmax为汽车座椅肩背部和腰部区域对应的人-椅接触界面压力最大值的比值；Pmaxu为肩背部区域人-椅接触界面最大压力，N/cm2；Pmaxw为腰部区域人-椅接触界面最大压力，N/cm2；Gmax为相邻两行人-椅接触界面压力梯度；下标n为XSensor 压力测量垫上传感器行标号；12.7 为XSensor 压力测量垫上传感器相邻两行之间距离，mm。被试者背部与传感器垫定义的列方向平行，如图5 所示。

图5 XSensor 压力测试垫上传感器分布密度

为了更好地指导被试者感知肩部和腰部支撑强度之间的平衡关系，首先通过一名被试者乘坐，不断改变肩背部支撑效果，验证了腰部和肩背部人-椅接触界面压力之间的变化趋势。图6 给出了腰部和肩背部人-椅接触界面压力的变化趋势，可见增加肩背部泡沫厚度，座椅肩背部的人-椅接触界面压力增加，与其对应的腰部人-椅接触界面压力呈现下降趋势。随着座椅肩背部泡沫厚度的增加，肩背部人-椅接触界面压力也随之增大，当增大到某一数值时，被试者主观评价肩背部支撑强度偏大，出现不舒适状态。由于此时肩背部的人-椅接触界面压力小于腰部，人体肩背部对不舒适人-椅接触界面压力的感知灵敏性要好于腰部，此结果与VINK 等[13]在2017 年发表的研究结果一致。

图6 腰部和肩背部的人-椅接触界面压力变化趋势

2 试验结果与分析

根据被试者主观评价是否合格的判定方法，筛选出的合格被试者的肩背部和腰部区域人-椅接触界面最大压力比率分布如图7 所示。由此统计得到肩背部与腰部区域的最大压力比率范围为25%～56%，见表2。肩背部与腰部区域的最大压力比率的平均值约为40%，与VINK 等[13]在2017 年通过测力计作为客观评价方法，结合被试者的主观评价研究得到的对应数值69%相比，减小了约42%，但与被试者对座椅肩背部区域的人-椅接触界面压力感知灵敏度比腰部更好的趋势相同。分析产生误差的原因有两方面：（1）参与试验的被试者背景不同。（2）试验研究所用仪器不同，测力计和压力测量垫测试原理不同，试验过程中与被试者接触面积不同。

图7 腰部和肩背部区域的最大压力比率分布

合格被试者的肩背部和腰部区域人-椅接触界面平均压力比率分布如图8 所示。由此统计得到肩背部与腰部区域的平均压力比率范围为8%～24%，这两个区域的平均压力比率的平均值约为13%，见表2。在舒适的驾驶状态下，肩背部区域人-椅接触界面的平均压力仅是腰部的13%左右。据此可以预测：假设同样的造型装饰沟槽在肩背部和腰部，肩背部会感知到，而腰部不一定会被感知到，所以在座椅设计之初，应避免肩背部造型有过多凸起；避免较大沟槽、较硬缝纫线等修饰件的出现。同时，也需要避免肩背部对人体支撑过大，从而削弱腰部支撑以及限制人体脊柱伸展活动。通过分析脊柱的工作状态可知，肩背部支撑过大比支撑不足更易于产生疲劳或不舒适感。

表2 腰部和肩背部区域的最大/平均压力比率统计

图8 腰部和肩背部区域的平均压力比率分布

肩高0.62 m 和0.65 m 的合格被试者的靠背人-椅接触界面压力分布等值线，如图9 所示。在模拟舒适驾驶状态下，肩背部区域有明显支撑，但压力值小于腰部。腰部区域人-椅接触界面压力最大值近似位于17 位人体压力分布的第6 区域中心位置。由于17 位人体分区的靠背总长度和总宽度分别是被试者坐姿肩高和臀宽，由图9 定性分析，肩部0.65 m 被试者腰部区域人-椅接触界面压力面积较大，且最大压力位置较0.62 m 被试者偏高。

图9 腰部和肩背部支撑承载力变化趋势

与图9 对应的沿着传感器“行”方向的人-椅接触界面压力总和分布如图10 所示。从腰部区域（6）逐渐向肩背部区域（1&2）过渡，肩高0.62 m被试者腰部区域压力梯度存在明显阶跃，但由于人体腰部对支撑强度敏感度较低，肩高0.62 m 被试者主观评价未感知到此处阶跃，不排除个人喜欢腰部支撑较大的因素。相比之下，肩高0.62 m 被试者肩背部区域，最大压力梯度Gmax附近区域变化平缓。肩高0.65 m 被试者腰部和肩背部区域最大压力梯度相近。