座椅模拟人体进出耐久测试的评价参数研究

杜长江，田泽洋，从云鹏，李钢，金剑

(中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

根据CATARC调研的数据，汽车的舒适性已经日益成为消费者选购车型的关键因素之一，如图1所示。汽车座椅作为车辆上直接与驾乘人员接触的部件，其可靠性和舒适性直接影响驾乘人员的驾车体验和感受，也是影响汽车舒适性的重要因素之一[1]。目前，对于座椅舒适性和可靠性的测试评价，各国均没有强制性的法规要求，而是多以行业标准或者企业标准的形式进行规定，涉及座椅总成及关键部件如头枕、坐垫、靠背、扶手等多方面，主要项目包括模拟人体进出耐久、颠簸蠕动、振动特性、操作耐久等[2]。

其中，座椅的模拟人体进出耐久测试是一种比较符合实际使用情况的座椅舒适性和可靠性测试方法，能够对座椅的性能进行全面的测试和评价，为当前行业中公认的舒适性测试方法。研究发现：目前行业中没有统一的测试方法和评价参数，行业标准和企业标准方法各异，且评价参数简单、主观性强，既不能实现座椅性能的全面评价，又不能更好地为后续的座椅改进提供合理的指标参考。鉴于此，本文作者拟对模拟人体进出耐久测试的评价参数进行深入研究，为后续标准的制修订提供合理的参考。

1 模拟人体进出耐久测试介绍

模拟人体进出耐久测试主要是对带面套的座椅进行护面耐磨性测试，以考核座椅的耐磨性和舒适可靠性。目前行业参考标准为QC/T 740-2017[3]。

试验开展时，使用的设备为多自由度机器人和与之匹配的三维假人模型，如图2所示。如果对样品有严格的气候环境要求，则需要将多自由度机器人安装在环境箱中开展测试，如图3所示。其中假人模型选用符合SAE J826[4]的50百分位假人，并在假人表面包一层12 mm的泡沫和牛仔布。

图2 常温进出耐久测试

图3 环境箱中的进出耐久测试

将座椅固定在试验台上，并将座椅调整至设计位置。准备就绪后，需要根据标准要求的试验路径，对机器人进行编程和路径规划模拟，最终实现整个测试过程的自动化运行。需要强调一下，行业标准QC/T 740-2017给出了两种不同的路径编制方法，可供企业参考，同时大部分企业标准又有自己的路径确定方法和要求，比如Volvo、PSA、现代、通用等。但归根结底，所有的路径确定方法来源于对人员上下车过程的真实模拟，路径虽有差别，却也是大同小异。

行业标准给出了两种路径确定方法，参考如下：

方法一：使用座椅压力分布垫采集人体进出座椅的轨迹和压力值，一般采集5个关键位置点，90°、45°、0°、45°、90°(角度分别为人体进入座椅侧，95%男性真人纵向中心面与车辆行驶方向的夹角)，然后使用机器人在相同的位置模拟真人进出座椅的过程，并使采集的压力分布与真人的压力分布接近，记录位置点，并以此作为机器人的运行程序，开展试验。具体采集及模拟过程如图4所示。

图4 真人上下车过程及机器人模拟

方法二：按照标准规定的模拟人体进出座椅的轨迹，直接定义机器人的运行程序，不同企业标准定义的试验路径千差万别，或详细或简洁，大都能够体现出整个人员上下车的全过程。行业标准也有给出参考路径，详见QC/T 740-2017的5.6条款。

试验要求方面，行业标准和大多数的企业标准中以主观检查和评价为主，客观化和量化的评价参数较少，缺乏说服力；同时，也无法为企业的产品改进提供支撑和参考。行业标准的评价要求为：模拟人体进出进行15 000次的整椅试验，试验后的座椅护面不应出现断裂、结团，不应脱散和露底，不允许出现损伤，缝线不允许断裂。

2 模拟人体进出耐久的评价参数研究

通过研究和学习国内外相关测试标准以及各大企业的标准，深入细致地研究适合于模拟人体进出耐久测试的评价参数，并给出合理的评价方法，使企业能够更好地利用该测试项目服务于产品的测试、验证和改进，也为后续标准的修订提供研究支撑。

研究发现：可用于模拟人体进出耐久测试项目试验前后的评价参数有座椅H点变化、面套表面状态、座椅总成静刚度、座椅表面变形量、座椅侧翼刚度、体压分布、表面温度(带加热垫)、加热垫阻值变化等。接下来将一一开展研究。

2.1 座椅H点变化

设计H点是指在汽车总布置时的设计基准点。实际H点是指当H点三维人体模型按规定步骤安放在汽车座椅中时，人体模型上左右H点标记连接线的中点。它表示汽车驾驶员或乘员入座后胯关节在车身中的位置。汽车的实际H点在汽车车身总布置设计中有重要意义。因此，在试验前后，最好对H点的坐标进行测量，而且要求其各个坐标值的变化不得过大(一般要求在±12.5 mm内)，否则认为座椅发泡耐磨性能不好或者发泡出现塌陷等，需要对座椅进行深入测试或验证。H点测试如图5所示。

图5 座椅H点测试

2.2 面套表面状态

面套表面状态检查为主观性检查和判断，也是目前行业标准和大部分企业标准采用最多的评价参数，其最大的优点是可以直观地判断座椅面套是否出现磨损或破坏，缺点是可能会出现边界状况，给试验人员的最终评价和判定造成困难。常见的试验现象有褶皱、磨损、脱落、塌陷、起毛、线断裂等，如图6所示。

针对这种情况，建议对座椅面套表面状态开展更加客观化的检查，使试验后的评价更加准确。比如使用色差仪测量座椅面套试验前后的颜色变化，并要求其ΔE值在合理范围内(比如ΔE≤1.0)；使用显微镜检查座椅面套的微观组织变化情况，对肉眼无法判断的边界破坏情况进行准确检查和评价等。

图6 座椅面套表面状态

2.3 座椅总成静刚度

使用GB 11559-1989规定的坐垫及靠背形状的加载板，按照标准QC/T 55-1993[5]中规定的加载位置和方向，分别对座椅的坐垫和靠背施加700 N和300 N的载荷，以加载板的载荷中心作为施力点，按照150～300 mm/min的速度进行加载和卸载，记录载荷-挠度曲线。

（4）科技进步对产城融合发展水平的提升具有较强的提升作用。科技进步变量的影响系数为1.952，这表示在其他因素均保持不变时，R&D占GDP的比重每上升1%，则产城融合发展指数会提升1.962%。这可能是因为新疆的科技进步一方面在一定程度上促进了本区产业的转型升级和产业结构的调整，为城镇的发展提供更为坚实的产业基础；另一方面加速了人口流动，促进了城镇化的推进，同时也为城镇发展提供了产业支撑。

座椅的静刚度定义为在规定的载荷(坐垫500 N，靠背250 N)下，加载曲线上该点切线的斜率，单位为N/m。

座椅总成静刚度反映了座椅坐垫和靠背发泡整体的软硬情况，可以很好地反映进出耐久试验前后座椅发泡性能的变化情况。

进出耐久试验前后，开展座椅总成的静刚度测试。图7和图8分别为坐垫和靠背进行静刚度试验的照片，图9和图10分别为坐垫刚度加载曲线和靠背刚度加载曲线。通过曲线，可以计算静刚度。

试验前静刚度为：K坐垫=42.98 N/m，K靠背=21.36 N/m；

故可以计算出试验前后，坐垫的静刚度变化率为1.2%，靠背的静刚度变化率为5.3%。

图7 座椅坐垫静刚度测试

图8 座椅靠背静刚度测试

图9 座椅坐垫静刚度曲线 图10 座椅靠背静刚度曲线

2.4 座椅表面变形量

座椅进出耐久试验的过程中，假人模型会不断地与坐垫和靠背的大部分区域接触并产生磨损和压陷，因此，座椅总成上大部分区域都会发生不同程度的变形和下陷。如何更好地测量和找到最大变形点，以及测出座椅总成的变形分布状况，也是试验前后座椅状态变化的一个重要评价项目。

推荐采用非接触式的光学测量设备，如图11所示，利用该设备可以测量微小的变形量。对进出耐久试验前后的座椅进行光学测量，测量后，将两次测量结果在同一基准下进行对比，可以直观地获得座椅的变形分布状况，并获取座椅表面的最大变形位置和变量值，如图12所示。在利用该项参数对座椅进行评价时，一般要求座椅的最大变形值需位于±10 mm内。

图11 光学微变形测量设备

图12 座椅变形量分布

2.5 座椅侧翼刚度

开展座椅进出耐久试验时，假人模型一般都是从接触、压缩座椅侧翼开始，慢慢进入座椅的整个区域，然后再从座椅侧翼移出座椅，如图13所示。

图13 侧翼开始试验

因此，座椅侧翼部分的受力和耐磨损频次是最高的，侧翼部位的刚度也是一项重要的参数。如图14所示，试验前后，对座椅侧翼局部区域进行刚度测试，采用一个加载头，对侧翼重要位置施加载荷(一般施加196 N)，获取侧翼位置的刚度曲线，获取加载点的最大位移值。

对比试验前后座椅侧翼的刚度变化情况，可以很好地评价座椅侧翼的变化和发泡压缩情况。

图14 侧翼刚度试验

2.6 座椅体压分布

测试座椅体压分布可以很好地测量出乘客坐在座椅上时，座椅每个点位的压力值以及座椅坐垫、靠背上的压力分布状况，是一种很好的座椅发泡特性以及承压能力的评价手段。因此，进出耐久试验后，对座椅的体压分布进行测试，通过对比试验前后的体压分布数据，可以对座椅的承载能力和发泡、面套的磨损变化做出很好的评价[6]。

如图15所示，将压力垫平整地铺设在座椅上，真人按照舒适姿态乘坐在座椅上后，开始采集座椅的体压分布数据。获得如图16所示的体压分布图谱，通过图谱，可以直观读出座椅的体压分布状况。

图15 真人体压分布测试

图16 体压分布图谱

利用体压分布数据进行座椅状况的评价，一般有以下几个重要参数[7]：

(1)最大压力值。计算体压分布图谱中，最大压力点的位置及数值；

(2)平均压力值。计算所有单元压力的平均值；

(3)承压面积。计算所有具有压力数据的单元格的面积。

实验前后，通过对比以上几个参数值的变化情况，可以对座椅的承压能力进行准确的评价。

2.7 表面温度(带加热垫)

带有加热垫的座椅，其加热垫的升温特性也是很重要的评价参数。因此，进出耐久试验前后，对座椅加热垫的升温特性进行比较。如图17(a)—17(c)所示，为某款座椅加热垫在开展进出耐久试验前的升温特性，分别展示了加热垫工作0、12和24 min时，座椅表面的温度分布状况和基准点的温度值；图17(d)—17(f)为该座椅进行完进出耐久试验后，加热垫的升温特性，同样，还是展示了加热垫工作0、12和24 min时，座椅表面的温度分布状况和基准点的温度值。可以看出：试验后，座椅加热垫的升温特性有比较明显的变化，升温速度变得更快。

图17 加热垫的升温特性

2.8 加热垫阻值变化

对试验前后的加热垫阻值进行测量，记录阻值的变化情况。一般要求电阻值的变化量小于1 Ω。

3 结束语

模拟人体进出耐久测试是一种常见的座椅舒适性和可靠性测试方法，目前行业中没有统一的、客观化的评价参数，本文作者对行标中的进出耐久测试方法进行总结，并重点研究了进出耐久测试的客观评价参数。研究表明：座椅的H点变化、面套表面状态、座椅总成静刚度、座椅表面变形量、座椅侧翼刚度、座椅体压分布、表面温度、加热垫阻值等客观参数在进出耐久试验前后，会出现不同程度的变化，这些参数可以用于试验前后座椅性能变化情况的合理评价，使测试结果能够更好应用于产品的改进和完善。文中的研究工作可以为相关行业标准的修订工作提供支撑。