魏小紅 林金源

摘 要：汽車座椅彈簧的作用是在汽車形式過程中達(dá)到減震的作用，提高駕駛?cè)说氖孢m感，當(dāng)車輛長期在不平整的路面時(shí)，座椅能夠降低車輛振動(dòng)對(duì)人體機(jī)能帶來的傷害，避免駕駛?cè)擞捎谘貉h(huán)等問題對(duì)視覺造成影響而帶來交通安全問題。本文首先分析汽車機(jī)械振動(dòng)對(duì)駕駛?cè)说挠绊?，通過確定座椅高度等內(nèi)容研究汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)重點(diǎn)，通過進(jìn)行彈簧性能實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容研究汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化方式。

關(guān)鍵詞：汽車座椅 彈簧設(shè)計(jì) 優(yōu)化方式

Abstract：The role of car seat spring is to achieve shock absorption in the process of automobile form， and improve the driver's comfort. When the vehicle runs on uneven road surface， the seat can reduce the vehicle vibration to the human body function damage， to avoid the driver due to blood circulation and other problems on the visual impact and bring traffic safety problems. This paper first analyzes the influence of automobile mechanical vibration on the driver， studies the key points of automobile seat spring design by determining the seat height and other contents， and studies the optimization method of automobile seat spring design by conducting spring performance experiments.

Key words：car seat， spring design， optimization method

1 引言

現(xiàn)代人們對(duì)汽車的需求逐漸增大，汽車座椅的舒適度以及安全穩(wěn)定能力影響汽車整體評(píng)價(jià)以及銷售量，汽車振動(dòng)對(duì)人體腰椎間盤的傷害是巨大的，尤其是長時(shí)間的駕駛會(huì)造成駕駛?cè)说钠?，?duì)道路交通安全造成威脅，汽車座椅內(nèi)彈簧設(shè)計(jì)影響著汽車行駛過程中駕駛?cè)说膭?dòng)態(tài)舒適度以及能否穩(wěn)定控制汽車的程度，汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化能夠提高汽車座椅的安全性與穩(wěn)定性，提高汽車企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 汽車機(jī)械振動(dòng)對(duì)駕駛?cè)说挠绊?/p>

汽車在行駛過程中會(huì)出現(xiàn)沒有規(guī)律的、不同強(qiáng)度的振動(dòng)，直接影響車內(nèi)人員的身體軀干動(dòng)作以及慣性的生理應(yīng)激反應(yīng)，最常見問題是暈車。由于汽車振動(dòng)會(huì)影響人體的肌肉系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等，在振動(dòng)頻率比較低的情況下，人體機(jī)能不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的應(yīng)激反應(yīng)，但當(dāng)振動(dòng)頻率不規(guī)范時(shí)，肌肉系統(tǒng)面臨長期的應(yīng)激反應(yīng)，始終保持緊張狀態(tài)沒有放松機(jī)會(huì)，帶來的主要問題是對(duì)人體的脊椎造成傷害，尤其是腰椎間盤部分。汽車的不規(guī)律振動(dòng)會(huì)影響到駕駛?cè)说念^部血液循環(huán)，造成駕駛?cè)艘暰W(wǎng)膜呈現(xiàn)的影像模糊，進(jìn)而由于視力減退引發(fā)交通事故問題。頭部血液循環(huán)出問題還會(huì)影響到駕駛?cè)说那榫w以及思考能力，例如在高速公路上行駛時(shí)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)四周存在的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，容易引發(fā)嚴(yán)重的交通事故。汽車座椅彈簧能夠降低汽車振動(dòng)對(duì)人體帶來影響，為汽車安全行駛提供保障[1]。

汽車的振動(dòng)會(huì)加速駕駛?cè)说钠谶M(jìn)程，原因在于駕駛?cè)诵枰谄囆旭傔^程中長時(shí)間保持對(duì)外界環(huán)境的敏感度，思維保持活躍狀態(tài)，不斷增加身體機(jī)能的能量消耗，由此帶來道路交通安全隱患問題。

3 汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)重點(diǎn)

汽車指轎車、5座或者7座的SUV（運(yùn)動(dòng)型多功能車，俗稱越野車）、MPV（商務(wù)車內(nèi)，多用途汽車，是從旅行轎車演變而來，它集旅行車寬大乘員空間、轎車的舒適性、和廂式貨車的功能于一身，一般為兩廂式結(jié)構(gòu)，可以坐7-8人）、跑車（底盤低）、微型面包車以及客貨兩用皮卡車。以下舉例汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)重點(diǎn)根據(jù)這六種車型使用特點(diǎn)進(jìn)行研究。

3.1 確定座椅高度

不同的座椅高度影響著汽車駕駛員的駕駛狀態(tài)，結(jié)合汽車類型首先設(shè)計(jì)汽車座椅的高度，通常轎車以及越野車的座艙高度范圍在1.2米-1.5米之間，駕駛?cè)说念^與頂部存在空間，結(jié)合正常人體上半身與下半身的分配比例，座椅的高度通常在20厘米-35厘米之間，根據(jù)座椅高度以及車輛的使用類型，根據(jù)汽車座椅平面位置的面積大小，分析各個(gè)部位需要彈簧承擔(dān)的力，合理分布座椅內(nèi)的彈簧數(shù)量以及各個(gè)部分的彈簧高度與硬度[2]。

3.2 彈簧材質(zhì)選擇

彈簧的類型多樣并且重力緩沖能力各不相同，彈簧與減震器連接，因此分在彈簧上的力也出現(xiàn)不同，當(dāng)發(fā)生車禍問題時(shí)座椅的機(jī)械力緩沖作用需要達(dá)到對(duì)駕駛?cè)藗p輕到最低，即座椅能夠消化車輛碰撞時(shí)對(duì)駕駛?cè)嗽斐傻膭菽苣芰總Γ@就需要彈簧的重力承受能力以及能量儲(chǔ)存能力得到保障，符合汽車使用目的，因此，座椅內(nèi)彈簧通常會(huì)選擇鋼質(zhì)材料[3]。

3.3 彈簧的靜力能力計(jì)算

汽車座椅性能以及質(zhì)量反映在汽車座椅的懸架系統(tǒng)上，影響懸架系統(tǒng)質(zhì)量的主要是彈簧的剛度，為了實(shí)現(xiàn)汽車座椅性能的保障，運(yùn)用合適的彈簧分布提高座椅的機(jī)械能緩沖能力。通過計(jì)算座椅彈簧的最大應(yīng)力以及其位移程度，結(jié)合兩種計(jì)算結(jié)果計(jì)算彈簧的靜剛度，得出彈簧的最大靜力荷載，了解彈簧出現(xiàn)壓死圈的問題原因并提出設(shè)計(jì)優(yōu)化方案[4]。

3.4 符合人體振動(dòng)頻率

人體振動(dòng)頻率以及在汽車振動(dòng)影響下，主要振動(dòng)部分為腰部，影響著駕駛?cè)藛T對(duì)汽車的控制能力，因此，汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)既需要符合人體振動(dòng)的幅度與頻率，還需要重視對(duì)駕駛?cè)搜课恢玫谋Ｗo(hù)。為了實(shí)現(xiàn)彈簧設(shè)計(jì)的這一個(gè)功能，需要汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)人員選擇不同的體重或者體型的人員參與到人體的頻率振動(dòng)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中來，為彈簧設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考[5]。

4 汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化方式

4.1 進(jìn)行彈簧性能實(shí)驗(yàn)

彈簧在低荷載范圍內(nèi)，剛度變化小，而在高荷載范圍內(nèi)容易出現(xiàn)壓死圈的問題，但同時(shí)彈簧的剛度出現(xiàn)增加的情況，為了實(shí)現(xiàn)彈簧功能符合不同類型車型對(duì)座椅質(zhì)量以及性能的要求，滿足不同體重駕駛?cè)说氖孢m感以及安全性要求，汽車企業(yè)需要研究出能夠隨著荷載力變化而變化的彈簧。彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化的前提是需要對(duì)各種彈簧實(shí)施不同變量的實(shí)驗(yàn)，提高對(duì)彈簧的性能以及剛性的了解，結(jié)合汽車應(yīng)用目的，促進(jìn)彈簧設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

圓形截面圓柱螺旋壓縮彈簧，壓縮彈簧的圈與圈之間有固定的間隙，當(dāng)受到外載荷時(shí)彈簧收縮變形以及儲(chǔ)存變形，緩沖性能以及減震性能較好，能承受相對(duì)大的載荷，而且當(dāng)載荷大而徑向尺寸有限制時(shí)，可將兩個(gè)直徑不同的壓縮彈簧套在一起使用，成為組合彈簧，進(jìn)一步提高彈簧的荷載能力。這樣的彈簧制作方便，應(yīng)用范圍廣泛。圖1為圓形截面圓柱螺旋壓縮彈簧。

圓錐形螺旋彈簧緩沖性能較好，能承受較大載荷力并且能儲(chǔ)存較多能量，及時(shí)恢復(fù)到原來的形狀，這種彈簧穩(wěn)定性強(qiáng)，并且彈簧在受到外界荷載力變化時(shí)，它的自振頻率是不固定的，有效防止座椅與駕駛?cè)斯舱竦那闆r發(fā)生，緩和了地面的沖擊對(duì)車身的影響，提高駕駛?cè)说陌踩?。但圓錐形螺旋彈簧制作工藝復(fù)雜，需要汽車設(shè)計(jì)人員合理結(jié)合汽車使用目的等進(jìn)行彈簧設(shè)計(jì)。圖2為圓錐形螺旋彈簧。

圓錐螺旋彈簧的應(yīng)用范圍比較廣，并且性能更加符合座椅性能需求，因此，在彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化過程的實(shí)驗(yàn)中，提高圓錐螺旋彈簧的旋繞比，提高彈簧的軟度，當(dāng)荷載力比較小的時(shí)候也能實(shí)現(xiàn)能量緩沖作用，提高駕駛?cè)说氖孢m度。彈簧性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)合不同類型的汽車座椅設(shè)計(jì)進(jìn)行，了解彈簧在不同類型的汽車中的需要具有的荷載力以及不同機(jī)械力的緩沖能力，為汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化提供豐富的數(shù)據(jù)參考。

4.2 加強(qiáng)高素質(zhì)人員團(tuán)隊(duì)建設(shè)

汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化需要設(shè)計(jì)人員清晰了解各種彈簧的性能以及彈簧在座椅上的具體分布，還需要了解各類汽車性能以及振動(dòng)頻率等問題，例如各種彈簧在汽車座椅內(nèi)不同位置的作用以及汽車在行駛過程中產(chǎn)生的各種能量對(duì)駕駛?cè)嗽斐傻挠绊懙葐栴}，在座椅彈簧設(shè)計(jì)方面既需要提高座椅與人體身體構(gòu)造符合的程度，保障對(duì)駕駛?cè)搜康谋Ｗo(hù)，還需要達(dá)到在減振緩沖過程中駕駛?cè)艘琅f能夠妥善控制行駛汽車，避免發(fā)生交通事故的問題。汽車企業(yè)在招聘這類專業(yè)人員的過程中重視對(duì)其進(jìn)行物理相關(guān)知識(shí)的考察，要求設(shè)計(jì)人員對(duì)某種汽車車型性能等有自身深入的見解，對(duì)汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化工作有強(qiáng)大的積極性，不怕麻煩與困難，在彈簧設(shè)計(jì)過程中能夠積極探索創(chuàng)新，提高汽車座椅的的舒適度。汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化需要結(jié)合人體的H點(diǎn)與汽車類型兩方面綜合設(shè)計(jì)座椅的厚度以及彈簧分布，包括各個(gè)部分彈簧應(yīng)用的最佳材質(zhì)，提高汽車座椅的合理性與舒適度。彈簧設(shè)計(jì)人員需要對(duì)人體構(gòu)造有所了解，人體脊柱是S型曲線，彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化工作需要結(jié)合座椅的彎曲程度進(jìn)行彈簧長度等內(nèi)容的調(diào)整，積極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，擴(kuò)大對(duì)不同類型彈簧的了解范疇，為汽車座椅質(zhì)量與性能的提高做出貢獻(xiàn)。

目前我國汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)能力還沒有達(dá)到世界先進(jìn)水平，因此，企業(yè)需要加強(qiáng)對(duì)這類設(shè)計(jì)人員的知識(shí)與技術(shù)能力的培訓(xùn)，提供這類人員到發(fā)達(dá)技術(shù)的國家進(jìn)行學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，了解更多具備專業(yè)數(shù)據(jù)的座椅彈簧設(shè)計(jì)方案，提高自身的知識(shí)儲(chǔ)備量，有能力獨(dú)立進(jìn)行汽車座椅彈簧的設(shè)計(jì)優(yōu)化。對(duì)這類人員培訓(xùn)汽車整體性能以及內(nèi)部構(gòu)造的相關(guān)知識(shí)，加強(qiáng)汽車設(shè)計(jì)與座椅彈簧設(shè)計(jì)兩個(gè)部門的溝通與交流，互相之間了解對(duì)方的需求并找到合理的解決方法，提高座椅彈簧設(shè)計(jì)與發(fā)動(dòng)機(jī)加速度變化等數(shù)據(jù)變量的聯(lián)系緊密度，進(jìn)而提高汽車的整體性能，保障汽車在行駛過程中的協(xié)調(diào)性。

要求汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)人員能夠使用專業(yè)的3D顯示技術(shù)將座椅彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化方案進(jìn)行展示，并通過這項(xiàng)技術(shù)開展不同慣性以及荷載力等變化的實(shí)驗(yàn)，了解座椅彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化后的質(zhì)量與性能，尤其是座椅能否最大限度達(dá)到對(duì)駕駛?cè)说目刂?，降低汽車振?dòng)對(duì)是人體的傷害，保障駕駛?cè)说陌踩€(wěn)定駕駛。

4.3 提高實(shí)驗(yàn)研發(fā)投入

在原有的座椅彈簧設(shè)計(jì)上，分析座椅在承載力提高的情況下，結(jié)合人體構(gòu)造提高座椅彈簧設(shè)計(jì)的合理性。彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化還需要結(jié)合座椅的材質(zhì)使用等問題提高彈簧與座椅的協(xié)調(diào)性，由于我國目前還沒有全面自主研發(fā)汽車座椅的能力，因此，汽車企業(yè)需要提高自身對(duì)科學(xué)研究的投資力度，促進(jìn)我國的自主研發(fā)座椅工作的進(jìn)展，設(shè)計(jì)符合我國人民身高以及駕駛熱人習(xí)慣發(fā)力方向的座椅，讓內(nèi)部彈簧設(shè)計(jì)發(fā)揮應(yīng)有作用。

目前市場上存在著一種空氣彈簧，是在軟性的塑膠物充進(jìn)有一定工作壓力的氣體，運(yùn)用氣體的膨脹性來建立其延展性作用，達(dá)到汽車行駛過程中的能量緩沖以及能量儲(chǔ)存作用。但這種空氣彈簧造價(jià)比較高，應(yīng)用于汽車座椅當(dāng)中會(huì)增加汽車的銷售價(jià)格，降低汽車整體設(shè)計(jì)的合理性，針對(duì)這類彈簧加大其研究投入，從材質(zhì)的研發(fā)創(chuàng)新出發(fā)，逐步降低空氣彈簧的生產(chǎn)造價(jià)，并通過其優(yōu)異的延展性提高與駕駛?cè)松眢w結(jié)構(gòu)的貼合度，提高汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)的科學(xué)性?？諝鈴椈傻氖褂梅桨感枰芯咳藛T以及設(shè)計(jì)人員合作開展，在符合汽車企業(yè)對(duì)座椅質(zhì)量的要求下，研究如何合理利用空氣彈簧并安裝在合理的位置，豐富我國汽車座椅內(nèi)的彈簧類型。

座椅彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化還需要加大研究力度在汽車加速度以及轉(zhuǎn)彎時(shí)的支撐能力，對(duì)于對(duì)汽車來說，無論是急加速還是急轉(zhuǎn)彎，其縱向或是橫向的加速度基本可以達(dá)到0.7G、0.8G左右，而轉(zhuǎn)彎時(shí)的側(cè)向支撐能夠保障限制住駕駛?cè)松眢w的來回移動(dòng)，消除駕駛?cè)嗽诤铣杉铀俣葼顟B(tài)下產(chǎn)生的不適感，因此，在這兩個(gè)方面需要提高彈簧的能量儲(chǔ)存能力，提高座椅側(cè)方彈簧的剛性。汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)與座椅的填充物、骨架、調(diào)節(jié)裝置和車身連接件等內(nèi)容有關(guān)，由于座椅的使用頻度極高，因此安全性能是其最重要的需求，在彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化方面需要加強(qiáng)彈簧的耐用能力，提高彈簧與座椅內(nèi)其他物件的連接質(zhì)量。加強(qiáng)科研研發(fā)可以在彈簧材質(zhì)的重新加工構(gòu)造方面，結(jié)合常用的彈簧材質(zhì)進(jìn)行剛性的重新調(diào)整，滿足座椅不同部分對(duì)彈簧剛性的要求。

汽車企業(yè)加強(qiáng)與專業(yè)院校以及實(shí)驗(yàn)研究所的合作，提供豐富的座椅彈簧研究材料以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)，提供研究人員來到汽車座椅加工廠學(xué)習(xí)了解的機(jī)會(huì)，豐富研究人員對(duì)座椅彈簧的了解與認(rèn)識(shí)，將自身對(duì)彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要要求同步給到研究人員，讓研究人員有針對(duì)性的開展研究工作。提供新研發(fā)彈簧的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，不斷進(jìn)行各種變量的變化了解新彈簧的荷載承受范圍等，并將其應(yīng)用到實(shí)際的汽車座椅生產(chǎn)當(dāng)中對(duì)整車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選擇賽車手進(jìn)行座椅評(píng)估，因?yàn)橘愜囀謱?duì)汽車座椅的要求與了解是高于普通駕駛?cè)藛T的，邀請(qǐng)賽車手開展新研發(fā)座椅彈簧設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)工作能夠?yàn)檠芯咳藛T提供更加全面并且具體的意見。

汽車座椅彈簧的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作還可以加強(qiáng)對(duì)減震器構(gòu)造的研究，計(jì)算出減震器在運(yùn)動(dòng)顛簸過程中的各種狀態(tài)，為了達(dá)到顛簸過程中的平衡，如何與彈簧的作用結(jié)合提高減震器的緩沖能力。不斷加強(qiáng)新技術(shù)的研發(fā)力度能夠提高我國在汽車設(shè)計(jì)與生產(chǎn)方面的技術(shù)能力，降低企業(yè)在零件采買上的經(jīng)濟(jì)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4.4 加強(qiáng)與客戶溝通

汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化需要改進(jìn)的部分有哪里，或者座椅彈簧存在的質(zhì)量等問題都可以與汽車消費(fèi)人員進(jìn)行問卷調(diào)查，了解消費(fèi)者在日常駕駛過程中對(duì)座椅舒適度以及不平整路面的減震緩沖能力的評(píng)價(jià)，了解汽車座椅在加速度以及轉(zhuǎn)彎的過程中，座椅靠背是否達(dá)到了在車速放緩時(shí)的狀態(tài)回彈，了解座椅側(cè)邊區(qū)域?qū)︸{駛?cè)说南拗颇芰σ约笆欠耠S著使用次數(shù)的增加，座椅的限制效果在逐漸降低的情況，當(dāng)路面不平整時(shí)，駕駛?cè)耸欠窨梢越佑|到汽車控制部分等，在進(jìn)行調(diào)查與溝通的過程中了解不同體型人員對(duì)汽車座椅的要求，了解彈簧設(shè)計(jì)過程中需要注意的細(xì)節(jié)性問題，提高彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化的全面性。

汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化需要結(jié)合汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的功率以及慣性力的大小等因素，因此，在與消費(fèi)者溝通的過程中，設(shè)計(jì)人員通過對(duì)消費(fèi)者的體型以及常用路面平整度等因素的了解，分析座椅各個(gè)部分彈簧的承受力是否存在的不均勻的情況，在優(yōu)化過程中為設(shè)計(jì)人員提供充分的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進(jìn)而找到合適的解決方法為座椅的安全穩(wěn)定性負(fù)責(zé)。當(dāng)汽車經(jīng)常在不平整路面行駛時(shí)，座椅舒適度大概多久會(huì)降低，在這個(gè)過程中能否感覺到力的緩沖，幫助設(shè)計(jì)人員了解座椅彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要方向以及重點(diǎn)。重視與汽車維修部門的聯(lián)系，了解消費(fèi)者在汽車座椅上的維修主要內(nèi)容，為汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

5 結(jié)語

汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)需要從座椅高度、彈簧材質(zhì)、彈簧力的緩沖能力計(jì)算等內(nèi)容出發(fā)，結(jié)合不同的車型設(shè)計(jì)彈簧的長度以及直徑等，汽車座椅彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化需要加強(qiáng)對(duì)彈簧性能的實(shí)驗(yàn)與考察，了解不同彈簧在實(shí)際應(yīng)用中性能的差異，提高彈簧設(shè)計(jì)人員的技術(shù)能力，豐富其對(duì)汽車整體性能以及各個(gè)設(shè)備質(zhì)量連接的影響的了解，汽車企業(yè)加強(qiáng)科技研發(fā)，影響彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化工作不斷發(fā)展，促進(jìn)汽車整體質(zhì)量的提高。

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