張清奎 汪祥支 徐 敏 蔣克榮

（1.安徽華菱汽車有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.合肥學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 概述

汽車座椅的主要功能是支撐駕駛員和乘坐人員的身體，減緩路面不平傳給人體的沖擊并衰減由此引起的振動，提供舒適、安全的乘坐、操作條件。因為長期的振動會對人體健康造成嚴(yán)重危害，特別是當(dāng)座椅的振動頻率和整車的振動頻率相近時，它們產(chǎn)生的共振會對乘員的腰脊和相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生極大的有害影響，職業(yè)駕駛員往往患有不同程度的脊椎、胸椎疾病。隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，競爭愈加激烈，為人們提供舒適的、體現(xiàn)人文關(guān)懷的產(chǎn)品成為越來越多的汽車生產(chǎn)企業(yè)追求的目標(biāo)，因而智能座椅對汽車行業(yè)來說具有重要意義。

目前，汽車座椅的舒適性優(yōu)化主要考慮曲面造型，至于座椅剛度、阻尼，普遍采用折中方案確定其參數(shù)。這類座椅缺少振動參數(shù)的調(diào)節(jié)能力，不能滿足多種類型乘坐者（體重不同、人體參數(shù)不同）的振動舒適性要求，突出表現(xiàn)在無法自動適應(yīng)各種路況，嚴(yán)重降低了汽車總體舒適性。

1 汽車智能座椅研究的意義

主動減振座椅是最近幾年誕生的新概念，目標(biāo)是進一步提升汽車舒適性，減輕乘員的疲勞，降低職業(yè)病發(fā)病率。雖然尚沒有具體商業(yè)化產(chǎn)品問世，但是因為涉及巨大商業(yè)潛力，國外很多重要組織都進行了相當(dāng)程度的研究，所研制的樣機或多或少地具有了智能化減振功能，與此對照的是國內(nèi)研究的高度缺乏，需要啟動相關(guān)研究計劃，以縮小國內(nèi)外差距。中國汽車制造業(yè)蓬勃發(fā)展，制造能力得到充分提高，不過在高利潤的高檔車制造上缺乏技術(shù)積累。在國外汽車大量采用主動減振懸架的背景下，國內(nèi)行業(yè)需要迎頭趕上，以應(yīng)付未來激烈的競爭。美國福特汽車公司已經(jīng)研制了振動檢測平臺和主動減振座椅，德國寶馬公司開發(fā)了主動舒適性座椅，該座椅可以循環(huán)調(diào)節(jié)座墊形狀，緩解乘員脊柱部分的緊張。國內(nèi)有部分研究機構(gòu)進行了主動座椅理論探討，利用人機工程學(xué)解釋了座椅振動舒適性問題。可以預(yù)見的是，以主動減振為特征的智能座椅將成為未來汽車座椅的發(fā)展主流。

本文基于多維力/力矩傳感器測量人—椅作用力，為汽車座椅舒適性研究增添了一種新的手段，將更多“智能因素”加入智能汽車中，拓展了智能汽車的概念，也必將為我國的汽車行業(yè)做出有益的貢獻。

2 汽車智能座椅的關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計

座椅是主動減振執(zhí)行器，其減振能力決定了其舒適程度，因此座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計非常關(guān)鍵。

振動參數(shù)包括座椅剛度和阻尼，為了實現(xiàn)對路況和乘員的自適應(yīng)振動參數(shù)調(diào)節(jié)，座椅剛度和阻尼必須連續(xù)可調(diào)。剛度控制可以采取的措施是電控空氣彈簧，其剛度調(diào)節(jié)可通過控制其氣壓來實現(xiàn)。阻尼控制可以利用磁流變或電流變液阻尼器實現(xiàn)。因為座椅可用空間很小，電控空氣彈簧和可變阻尼器機構(gòu)的設(shè)計需要綜合考慮，在滿足功能的前提下，圍繞空間占用這一主線展開，這對未來的實際應(yīng)用具有積極意義。

2.2 傳感器系統(tǒng)設(shè)計

傳感器系統(tǒng)的感知能力直接決定了座椅的智能程度，包括振動檢測和受力檢測兩部分。振動檢測部分需要研制底盤、座椅振動傳感器和用于測量人體振動的數(shù)字腰帶。振動傳感器要實現(xiàn)三軸加速度檢測，還需要檢測人體振動幅度，其功能較多。受力檢測裝置以多維力/力矩傳感器為基礎(chǔ)，檢測人體與座椅的接觸力幅度、方向與分布，并需要解決沖擊與過載保護問題。振動環(huán)境下的多維力/力矩傳感器應(yīng)用，以及在振動環(huán)境下如何保證數(shù)據(jù)可靠和傳感器抗疲勞設(shè)計是本項研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.3 實驗系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 實驗內(nèi)容

硬件驗證主要是采集智能座椅在不同參數(shù)下的響應(yīng)特性，針對不同路況與不同乘員進行交叉實驗，測試振動特征，為建立數(shù)學(xué)模型提供數(shù)據(jù)；軟件驗證包括路況、乘員特征識別測試和主動減振控制測試。

2.3.2 實驗方案

路況和乘員復(fù)雜多變，為了降低實驗復(fù)雜度，將采用典型路況和乘員進行交叉測試。典型路況采用三種，分別是混凝土路、瀝青路和土路，均需在不同行駛速度下進行數(shù)據(jù)采集，同時驗證傳感器硬件品質(zhì)。對于乘員，采取正常成年男性/女性、肥胖者、小孩作為測試群體，建立數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)的乘員自動識別提供特征數(shù)據(jù)。

2.3.3 實驗結(jié)果評價

通過一系列實驗掌握路況與乘員智能識別，建立智能專家系統(tǒng)，實現(xiàn)座椅自適應(yīng)主動減振控制。另外，通過實驗在加速度劑量舒適性評價系統(tǒng)上，建立一個帶有力參數(shù)評估的新型振動舒適性評價體系，豐富智能座椅人機工程學(xué)理論。實驗結(jié)果是評價樣機功能與性能的依據(jù)，也是揭示理論研究正確性的標(biāo)準(zhǔn)。實驗結(jié)果的細(xì)致分析將是研究工作的全面總結(jié)，也是后續(xù)項目研究的起點。

實驗部分將在混凝土路、瀝青路與土路三種典型路況進行測試，采用成年男性/女性、肥胖者、小孩等典型乘員作為待測群體，進行大量交叉實驗，建立完備數(shù)據(jù)庫，提取其識別特征，完成專家識別系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上建立控制模型，其具體流程如圖1。

圖1 專家系統(tǒng)流程圖

3 結(jié)論

主動減振座椅是借鑒人性化的概念，結(jié)合人機工程學(xué)而設(shè)計的新型實用的人性化、智能化座椅。作為和乘員直接接觸的支撐裝置，其人性化、智能化水平是體現(xiàn)整車人性化水平的一個重要標(biāo)準(zhǔn)之一。相信隨著人性化汽車、智能化汽車概念的不斷深入，消費者對于汽車座椅的要求會越來越高，而開發(fā)出減輕人體疲勞、人性化的智能座椅無疑是未來汽車行業(yè)研究的熱點，具有巨大的商業(yè)潛力。