侯桂芳

重型車空氣懸掛座椅動態(tài)舒適性研究

侯桂芳

（北京福田戴姆勒汽車有限公司技術(shù)中心，北京 101400）

駕駛員座椅動態(tài)舒適性是重型卡車用戶感知的一個重要性能指標，對座椅動態(tài)舒適性能進行改進與實踐，可以提高座椅乘坐舒適性能，緩解駕駛疲勞。通過對空氣懸掛座椅的減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理及舒適性研究，并在改善座椅動態(tài)舒適性方面加以實踐，探索空氣懸掛座椅動態(tài)舒適性研究思路和方法，積累重型卡車座椅舒適性能設計經(jīng)驗。

空氣懸掛座椅；動態(tài)舒適性；重型車

駕駛員座椅是汽車上重要的功能件與安全件，它不僅提供支承，保護乘員、給駕駛員可靠的定位，并提供舒適的位置。重型卡車因其道路工況及長途運輸環(huán)境特點，對座椅的舒適性要求越來越高。因此重型卡車座椅設計不是簡單的結(jié)構(gòu)設計，舒適性設計更為重要。國內(nèi)重型車已廣泛應用機械懸掛座椅，而主機廠對空氣懸掛座椅舒適性研究與匹配僅處于起步階段。針對空氣懸掛座椅動態(tài)舒適性進行頻響測試、參數(shù)設計和實車驗證，探索重型卡車空氣懸掛座椅動態(tài)舒適性研究模式。

1　空氣懸掛座椅減振系統(tǒng)及工作原理

1.1空氣懸掛座椅概述

空氣懸掛座椅除了具備座椅整體前后調(diào)節(jié)、座墊傾角調(diào)節(jié)、靠背角度調(diào)節(jié)等功能以外，還具有座椅整體高度調(diào)節(jié)，這種高度調(diào)節(jié)是通過空氣彈簧與筒式阻尼器構(gòu)成的減振系統(tǒng)來實現(xiàn)對不同體重的駕駛員自適應控制，衰減振動，提高乘坐舒適性。

1.2空氣懸掛座椅減振系統(tǒng)構(gòu)成

空氣懸掛座椅減振系統(tǒng)（見圖1），主要組成零件為:1-固定支架總成；2-浮動支架總成；3-阻尼器；4-控制閥；5-行程控制塊；6-空氣彈簧；7-內(nèi)外交叉臂總成；8-鎖止機構(gòu)。

其中，空氣彈簧、阻尼器的一端與固定支架總成聯(lián)接，另一端與浮動支架相連；控制閥安裝在交叉臂的內(nèi)臂上，行程控制塊一端與交叉臂軸相連，另一點與交叉臂外臂相連。

1.3工作原理

空氣彈簧是在由橡膠氣囊包圍的密閉容器中充入壓縮氣體，利用氣體的可壓縮性實現(xiàn)彈簧作用。

1.3.1高度調(diào)節(jié)原理

由于氣體的壓縮特性，空氣彈簧工作時，氣囊內(nèi)充入的壓縮氣體形成一個氣柱。隨著彈簧上載荷量的增加，彈簧的高度下降，腔內(nèi)容積變小而氣壓增大，氣囊外徑變大，氣柱有效承載面積增大，使得彈簧剛度增大，此時彈簧承載力增大；反之，載荷量減小時，彈簧高度上升，腔內(nèi)容積變大而氣壓下降，氣囊外徑變小，氣柱有效承載面積減小，彈簧剛度減小，承載力降低。空氣彈簧在其有效行程內(nèi)，彈簧的高度、腔內(nèi)容積、氣壓和承載能力隨著振動載荷的變化實現(xiàn)平穩(wěn)的柔性傳遞［1］。

空氣彈簧與氣體控制閥配合使用，氣控閥根據(jù)載荷變化而調(diào)節(jié)空氣彈簧的充氣和排氣，使得空氣彈簧高度始終保持不變。氣控制閥流量特性見圖2。改變充放點，可以實現(xiàn)彈簧剛度調(diào)節(jié)。

1.3.2減振原理

汽車在行駛過程中，由于路面工況變化，振動傳遞到座椅上，空氣彈簧會產(chǎn)生上下振動，氣控閥則處于上下擺動，壓縮內(nèi)部空氣，形成彈性力，因此阻尼器發(fā)揮其阻尼作用，產(chǎn)生振動衰減，使氣控閥在振幅很小，甚至靜態(tài)載荷變化較小的情況下不起作用。

空氣懸掛座椅其懸架由座椅、海綿提供，有效剛度和阻尼不容易分析，簡化人—座椅系統(tǒng)力學模型為圖3所示。座椅上乘員的垂直振動簡化為簡單的單體有阻尼運動［2］。減振系統(tǒng)中存在空氣彈簧與液壓阻尼器，系統(tǒng)剛度呈非線性彈性特性，有阻尼振動，能夠消散來自地面的沖擊能量，起到振動衰減作用，提供良好的乘坐舒適性。

2　空氣懸掛座椅動態(tài)舒適性理論研究

2.1汽車座椅的舒適性

汽車行駛過程中，對于路面不平度引起的振動，主要有輪胎、懸架和座椅3個減振環(huán)節(jié)。降低胎壓，減少輪胎垂直剛度，有利于汽車行駛平順性；但會影響輪胎使用壽命。對于懸架系統(tǒng)來講，適當降低懸架剛度，增加阻尼，雖有利于提升汽車行駛平順性；但卻會影響操縱和制動穩(wěn)定性。相比之下，座椅動態(tài)參數(shù)的改變對汽車整車的使用性能沒有影響，而方便易行。因此，座椅動態(tài)性能的改善對提高汽車乘坐舒適性有重要意義［3］。

汽車座椅舒適性設計主要包括靜態(tài)舒適性、動態(tài)舒適性（又稱振動舒適性）以及操作舒適性三方面內(nèi)容［4］。靜態(tài)特性主要與座椅結(jié)構(gòu)尺寸、合棉密度、面料質(zhì)量、調(diào)節(jié)特性有關(guān)；振動舒適性即座椅傳遞特性與系統(tǒng)固有頻率、阻尼比、阻尼系數(shù)及傳遞率有關(guān)；操作舒適性是駕駛過程中，為完成駕駛動作所表現(xiàn)出的舒適特性。

重型車主機廠，由于產(chǎn)品平臺及駕駛室空間布局的確定，對座椅舒適性的改進研究，關(guān)鍵是動態(tài)舒適性研究。

2.2汽車座椅動態(tài)舒適性

座椅的動態(tài)舒適性主要與座椅的振動特性有關(guān)，是指人體處于振動環(huán)境中所感受到主觀上的相對舒適程度。

人體是一個復雜的系統(tǒng)，不同姿態(tài)、不同器官所表現(xiàn)的振動特性各不相同：立姿狀態(tài)，人體共振頻率在5-12 Hz；臥姿狀態(tài)，人體共振頻率在3-4 Hz；坐姿狀態(tài)，人體共振頻率在4-6 Hz。胸腹共振頻率在4-8 Hz，頭、頸共振頻率在20-30 Hz。由此可見，人體的振動響應分布在低頻30 Hz以下。研究表明：4-8 Hz是人體對振動的敏感區(qū)域，此時身體部分區(qū)域易產(chǎn)生共振，隨著頻率增高，敏感度下降。因此，進行汽車和座椅動態(tài)舒適性設計時應盡量避開這些區(qū)域。另外，座椅、靠背、地板三個支撐面中，座椅與人體接觸表面垂直方向的振動對人體的影響很大，占70%。在進行動態(tài)舒適性設計時，應把坐墊的垂直振動研究放在首位。

2.3汽車座椅動態(tài)舒適性評價

國外有學者認為［5］，對汽車振動舒適性評價的影響因素有三個：客觀生理學因素；主觀心理學因素；評價者的差異。人體對振動的反應可分為兩個過程［6］：一是振動傳遞到人體后引起的人體各部位振動響應；另一過程是由于人體的振動響應而引起的生理反應。第一過程對應客觀物理評價，第二個過程對應主觀感受評價。顯然，把這兩個過程結(jié)合起來便使物理上的客觀指標與主觀感受聯(lián)系在一起，這樣就可以量化人體的動態(tài)舒適性。但從目前的研究看，兩種評價方法還不能很好吻合。

目前常用ISO 2631-1：1997（E）標準的基本評價方法——加權(quán)加速度均方根值來評價振動對人體舒適和健康的影響。通過座椅、靠背處加權(quán)加速度均方根值aw及加權(quán)振級Law與人的主觀感覺關(guān)系見表1［7］。

表1Law和aw與人的主觀感覺之間的關(guān)系

由表1可見，當座椅a＞1.6 m/s2時，人體就有不舒適的感覺。

2.4座椅頻響特性

座椅頻響特性是人椅響應振幅值與人椅輸入振幅值之間的比值，即傳遞率，反應座椅的傳遞特性。合理選擇振動參數(shù)，力圖減少傳到人體的振動加速度，并盡量避免傳遞人最敏感的頻率的振動。對汽車而言，垂直振動對舒適性的影響最大，而對振動影響最大的因素是振動系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比。

2.4.1固有頻率

物體做自由振動時，其位移隨時間按正弦規(guī)律變化，又稱為簡諧振動。與系統(tǒng)的固有特性有關(guān)，稱為固有頻率或者固有周期［8］。

設計時避開椅面垂直軸向頻率加權(quán)函數(shù)最敏感頻率范圍4～12.5 Hz處于減振區(qū)。按“人體-座椅”單自由度系統(tǒng)來考慮，其固有頻率ω≤4 Hz/2 ≈3 Hz。選擇固有頻率時還要避開與車身部分固有頻率重合，防止傳至人體的加速度響應譜出現(xiàn)突出的尖峰。車身部分的固有頻率一般在1.2～2 Hz，于是人—椅系統(tǒng)固有頻率要選在3 Hz附近［7］。對于商用車座椅，考慮人體的減振及泡沫成型座墊的影響，人—椅系統(tǒng)固有頻率選擇3～4 Hz。配合適當?shù)淖枘岜?，仍可以保證4～12.5 Hz處于減振區(qū)。

2.4.2 阻尼比

阻尼比是粘性阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)之比。

座椅有阻尼后，簧上質(zhì)量的振動是周期衰減振動，用阻尼比ξ（又稱為相對阻尼系數(shù)）的大小來評定振動衰減的快慢程度。

式中：F-壓縮復原力；v-速度。

減振器在卸載閥打開之前，阻尼器中的壓縮復原阻力F與減振器振動速度v之間成線性關(guān)系。其比值即阻尼系數(shù)。這個指標反映道路工況對舒適性的影響。

式（2）表明，減振器的阻尼作用在與不同剛度C和不同簧載質(zhì)量m的座椅系統(tǒng)匹配時，會產(chǎn)生不同的阻尼效果。ξ值大，振動衰減快，同時又能將較大的地面沖擊力傳到人體，相反，ξ值小，效果相反。通常情況下，壓縮行程相對阻尼系數(shù)為伸張行程的（0.25～0.5）。［7］對于商用卡車座椅系統(tǒng)，因行駛路面條件較差，ξ值應取稍大些，ξS＞0.3；配合高阻尼發(fā)泡材料座墊，其阻尼比可達0.3～0.4［8］。

座椅系統(tǒng)減振過程影響因素很多，傳統(tǒng)意義上的公式無法精確計算出準確的阻尼系數(shù)。因此，借用頻響特性試驗數(shù)據(jù)獲取的最大傳遞率或白帶噪聲半頻寬，粗略計算阻尼比。

式中：A-最大傳遞率。

2.4.3隔振率與傳遞率的關(guān)系

隔振率是座墊系統(tǒng)對振動的衰減特性。

3　空氣懸掛座椅動態(tài)舒適性改善實踐

圍繞ETX車座椅舒適性提升項目，重點對座椅動態(tài)舒適性進行改進，解決低速共振問題。核心工作有三方面。

3.1座椅動態(tài)舒適性現(xiàn)狀研究

3.1.1頻響特性

選取同類型產(chǎn)品的空氣懸掛座椅，與待改進的座椅（5#椅）一起進行頻響測試，結(jié)果見表2，特性曲線見圖4至圖8。

表2　標桿座椅頻響測試數(shù)據(jù)對比

由表2數(shù)據(jù)可見，3#與4#椅阻尼可調(diào)。 4#椅傳遞率最小，可達1.24%；其固有頻率也極低，在2.23～3.17 Hz。5#椅的問題在于固有頻率與傳遞率都偏高。

從圖4-8座椅特性曲線分析，2#與4#椅在4-8 Hz區(qū)間，振動衰減效果最好，峰值出現(xiàn)在4 Hz以下，對人的感覺影響，4#椅比2#更有優(yōu)勢。因此，參考4#椅的性能參數(shù)，作為改善目標。

3.1.2阻尼器示功特性測試

座椅減振系統(tǒng)采用的是液壓筒式阻尼器，它對速度反應靈敏。利用其對運動的阻力，耗減運動能量并吸能達到減振目的。其示功特性就是壓縮力、復原力與位移的關(guān)系曲線見圖9：

針對上述5款座椅的減振器，在20℃溫度下，測試不同速度點（0.131、0.262）m/s壓縮、復原力。結(jié)果見表3：

表3　阻尼器參數(shù)對比

3.1.3空氣彈簧剛度測試

（1） 靜剛度試驗

空氣彈簧分別在不同充氣壓力條件下，氣囊按標準高度以10 mm/min的速度加載-25～25 mm過程中測試變形量-負荷關(guān)系曲線圖10、變形量-內(nèi)壓曲線圖11。圖示以0.7 MPa以例。

研究表明，空氣彈簧的剛度隨初始充氣壓力增大而減小，其有效承載面積隨彈簧的不斷受壓而逐漸增大。

（2） 動剛度試驗

空氣彈簧在動態(tài)條件下：充氣內(nèi)壓以0.1 MPa遞增，至最大工作充氣壓力，氣囊在標準高度，不同振幅（±2 mm、±4 mm、±6 mm），頻率0.5～15 Hz受迫試驗，空氣彈簧動態(tài)彈簧特性曲線見圖12：

圖12為0.7 MPa內(nèi)壓條件下的動態(tài)剛性曲線，表明空氣彈簧其動態(tài)剛度非線性關(guān)系，隨著頻率增加，剛度變化不明顯；相同頻率，隨著振幅增高，其動剛度略有增高。

3.2座椅動態(tài)舒適性參數(shù)設計

根據(jù)各款座椅的主觀評價及客觀性能測試數(shù)據(jù)，設計座椅動態(tài)舒適性能參數(shù)。

3.2.1固有頻率確定

根據(jù)測試數(shù)據(jù)及對比分析，設定座椅固有頻率為3.0～3.5 Hz。

3.2.2阻尼比確定

根據(jù)測試的最大傳遞率，按公式（4），計算出平均阻尼比ξ=0.4～0.44。

3.2.3系統(tǒng)剛度確定

座椅系統(tǒng)固有頻率設定后，參考中國人與加拿大95百分位人群標準體重，再加上座椅升降器的質(zhì)量，設定簧載質(zhì)量范圍87～114 kg，按公式3-1計算出座椅系統(tǒng)動剛度范圍：31～55 N/m。

由于國內(nèi)空氣彈簧供應商生產(chǎn)狀況，無法根據(jù)設定參數(shù)單獨加工制作空氣彈簧樣件，因此，座椅動態(tài)舒適性改進研究是維持空氣彈簧現(xiàn)有狀態(tài)，不作改進。

3.2.4阻尼器參數(shù)設計

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，再結(jié)合示功圖曲線進行圓整，優(yōu)選出7組數(shù)據(jù)，用于樣件生產(chǎn)。

3.3整車平順性測試

阻尼器參數(shù)改進后，隨座椅在整車上按實際道路譜進行平順性測試，準確獲取改進效果。>

3.3.1試驗方案策劃

選擇交通部試驗場長直路、組合路面試驗跑道，采用空載、滿載試驗方法，完成牽引車6×4全浮四氣囊懸置車身座椅、自卸車8×4全浮四螺簧懸置車身動態(tài)舒適性驗證檢測。

兩款座椅分別為：（1）原結(jié)構(gòu)；（2）匹配改進阻尼器的座椅。

9組阻尼器：7組驗證件、1組原件、1組可變阻尼器。分別在牽引車及自卸車、空載、一級路面或普通路面、車速40～80 km/h，測試座墊、靠背、地板處加速度加權(quán)均方根值a（m/s2）、振動等級等效均值Leg（dB）、隔振率及偏頻，優(yōu)選出減振性能最好的2組，1組做滿載工況測試，另1組備用。

3.3.2測試結(jié)果

（1）駕駛員座椅處總加權(quán)加速度

牽引車空載測試結(jié)果見圖13，4-1組減振器組合座椅響應幅值最佳為1.563 m/s2，相比原阻尼器座椅測試數(shù)據(jù)1.868 m/s2，下降16.3%。乘坐舒適性明顯提高。

自卸車空載測試結(jié)果見圖14，6-1組減振器表現(xiàn)最佳，4-1組次之。仍以4-1組數(shù)據(jù)與對椅對比，響應幅值下降16.9%。

圖15可見，當牽引車處于滿載且車速提至50 km/h，響應幅值增加很多，且隔振率變差。

（2）駕駛員處加速度振動級

試驗結(jié)果，駕駛員處加速度振動級表現(xiàn)與加權(quán)加速度表現(xiàn)一致。圖16所示為牽引車空載工況測試振動級，與座椅總加權(quán)加速度表現(xiàn)一致， 4-1組減振器所對應的振動級依舊最佳。圖17為自卸車座椅加速度振動級測試結(jié)果。

（3）座椅垂直隔振率測試

從圖18可見，車速60 km/h以下時，隔振率提高幅度比較平穩(wěn)，車速大于60 km/h以后，隔振效果明顯。

（4）駕駛員座椅固有頻率測試

通過整車平順性試驗，同時采集了各座椅的固有頻率，見表4：

表4　座椅與10組減振器組合下座椅偏頻實驗結(jié)果

由表4可知，牽引車工況座椅固有頻率略高于自卸車，阻尼比相應低于自卸車，從而獲得良好的舒適感，與振動理論吻合。而且實測結(jié)果與設計參數(shù)范圍之內(nèi)，改進研究效果明顯。

4　體會

（1）本文的研究思路和方法可以為重型卡車主機廠專業(yè)人員研究座椅舒適性提供參考。

（2）整車道路試驗，可以準確獲取座椅、車身地板的頻響特性參數(shù)。但這種傳統(tǒng)的設計理念，投入費用高、周期長，因此建議主機廠采集整車、地板譜，為今后設計開發(fā)、質(zhì)量改進，節(jié)省成本，縮短周期。

（3）研究和改善座椅的動態(tài)性能，對提高汽車乘坐舒適性有重要意義。動態(tài)特性就是振動傳遞特性，核心因素是系統(tǒng)阻尼比；系統(tǒng)剛度由系統(tǒng)固有頻率、簧載質(zhì)量決定。二者合理匹配，反映到功能元氣件上，就是空氣彈簧與阻尼器的匹配。

（4）對于重型車座椅阻尼器參數(shù)設計，推薦選取壓縮力為復原力FY= （0.85～1.2） FS。

（5）座椅設計時，避開椅面垂直軸向頻率加權(quán)函數(shù)最敏感頻率范圍4～12.5 Hz。還要規(guī)避車身懸架系統(tǒng)頻率，防止共振。重型卡車座椅固有頻率推薦2.9～3.5 Hz。

（6）對于使用于城際之間路況良好的車型，建議選擇低阻尼比，加速傳遞高頻振動；而對于工程礦區(qū)作業(yè)的車輛，建議選擇相對高的阻尼比，減少振動的傳遞。

致謝

本文的研究工作，得到了北京理工大學李惠彬老師技術(shù)指導；清華大學汽車研究所的協(xié)作和大力支持，在此表示衷心感謝。

［1］李敬東.汽車懸架空氣彈簧匹配技術(shù)研究：［江蘇大學碩士學位論文］［D］.鎮(zhèn)江:江蘇大學，2007，6-8.

［2］John C.Dixon著，李惠彬等譯.減振器手冊［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［3］任金東.汽車人機工程學［M］.北京:北京大學出版社，2010.

［4］劉建中，鈴木近等.汽車乘坐舒適性主觀評價模型的構(gòu)筑［J］.汽車技術(shù)，1994，9.

［5］S. Habsburg， What Really Connects in Seating Comfort- Studies of Correlates of Static Seat Comfort，SAE， Paper770247.

［6］Ken Kanijo， Evaluation of Seat Comfort， SAE， Paper 820761.

［7］余志生.汽車理論 第5版［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2012.

［8］王望予.汽車設計 第4版［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［9］中華人民共和國汽車行業(yè)標準.QC/T 55-汽車座椅動態(tài)試驗方法.北京:中國標準化出版社，1993.

專家推薦

汪振曉：

座椅設計師主要研究方向是安全性， 安全性的重點是滿足座椅的強度檢測要求， 特別是重型車的舒適性認識僅僅停留在滿足法規(guī)上，由于空氣懸掛座椅近幾年才開始裝在一些重型車上，但這種座椅的動態(tài)舒適性的研究還是空白。作者對重型車空氣懸架座椅動態(tài)舒適性的試驗方法和評價標準作了有益的探索， 為座椅專業(yè)設計師和舒適性研究人員提供參考。

Research on the Dynamic Comfort of the Air Suspension Seat for Heavy Truck

HOU Gui-fang
（R&D Center， Beijing Foton Daimler Automotive Co.，Ltd， Beijing 101400， China）

The driver's seat dynamic comfort is an important performance index of the heavy truck user's perception. To improve the dynamic comfort seat， we can reduce driving fatigue and improve the ride comfort. Through researching the air suspension seat vibration system's structure， principle and comfortable performance theory， and practicing it in improving dynamic comfort seat， we explore the air suspension seat dynamic comfort research ideas and methods， accumulate the experience of designing heavy truck seat dynamic comfort performance.

air suspension seat； dynamic comfort； heavy truck

U463.83+6

A

1005-2550（2015）02-0037-07

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.02.009

2014-08-10