李曼利，江 凱

汽車電動座椅骨架結(jié)構(gòu)及功能件分析

李曼利，江 凱

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 231200）

汽車座椅骨架及功能件是支撐駕乘人員坐姿的重要載體，其外形與布置參數(shù)極大地影響著駕乘人員安全性、操作、乘坐舒適性。座椅骨架及功能件布置更是座椅工程設(shè)計的重點，是造型設(shè)計的基礎(chǔ)。文章基于人體工程學及相應(yīng)法規(guī)，分析電動座椅前后調(diào)節(jié)、高度調(diào)節(jié)、靠背旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)、腰托四向調(diào)節(jié)、頭枕上下調(diào)節(jié)的設(shè)計原理及參考依據(jù)，可在造型設(shè)計階段確認座椅坐墊、靠背、頭枕位置軌跡的工程硬點，確保造型設(shè)計符合安全性、可操作性及舒適性，提升電動座椅整體設(shè)計質(zhì)量，為整車內(nèi)飾造型設(shè)計提供座椅骨架模塊的理論支持，提高汽車內(nèi)飾分組設(shè)計的效率。

座椅骨架；功能件；電動座椅；布置參數(shù)

傳統(tǒng)固定式座椅無法全方位滿足消費者個性化、定制化需求，電動可調(diào)座椅已成為汽車座椅主流發(fā)展趨勢。各主機廠推出的部分車型座椅中已具備通風加熱系統(tǒng)、電動腰托、腿托、腳托、電動按摩、充電、多功能頭枕等配置，并有成為標配的傾向。汽車座椅正在往智能化、舒適性、感知性、娛樂化與定制和個性化的方向綜合發(fā)展[1]。座椅骨架作為座椅中的“骨骼”，是座椅中最主要的強度支撐件，對座椅安全性能保障起到重要作用。目前國內(nèi)汽車座椅制造商在座椅設(shè)計階段，大多依靠經(jīng)驗和仿照設(shè)計，未充分考量座椅骨架設(shè)計對電動座椅設(shè)計乃至整車設(shè)計的影響。文章基于機械設(shè)計制造學角度，系統(tǒng)探究十二向電動座椅結(jié)構(gòu)與參數(shù)，分析其功能件布置原理，開展運動軌跡校核分析，為電動座椅在整車中的合理布置提供理論依據(jù)，為早期造型設(shè)計提供理論支撐，為提升電動座椅整體設(shè)計質(zhì)量提供支持。

1 汽車電動座椅簡介

同一款汽車座椅需要滿足不同身高、體型用戶的駕乘需求，鑒于不同用戶駕乘習慣不盡相同，因此具備靈活調(diào)節(jié)乘坐位置的座椅成為用戶購買主導因素之一。座椅功能件設(shè)計主要涵蓋滑軌、調(diào)角器、調(diào)高器、頭枕、腰托等，功能件的布置重點考慮其動作便捷性和人機工程要求[2]。

汽車電動座椅一般由坐墊、靠背及頭枕組成，功能件及傳動裝置布置在內(nèi)。座椅結(jié)構(gòu)參數(shù)是進行座椅設(shè)計和舒適性研究的基礎(chǔ)，因此，需要根據(jù)座椅主客觀評價結(jié)果對其不斷調(diào)整優(yōu)化。

圖1 整車坐標系

汽車電動座椅在整車內(nèi)布置參考汽車坐標系，汽車坐標系的定義主要依據(jù)《道路車輛三維參考系統(tǒng)和基準符號定義》（ISO4130—1978）和《汽車基準符號和三維參考系統(tǒng)》（SAEJ182—2005），其中定義方向通常稱為汽車的縱向方向；方向為汽車的橫向方向；方向為汽車的垂向方向。如圖1所示。

2 汽車電動座椅結(jié)構(gòu)及功能實現(xiàn)

2.1 電動座墊

座椅座墊骨架主要有全座盆、半座盆、邊板曲簧和鎂合金座盆四種典型結(jié)構(gòu)。電動座墊骨架及其功能件的主要作用是保持駕乘人員正確的坐姿，支撐駕乘人員臀部和大腿，限制其左右晃動；發(fā)生碰撞時提供乘員保護。對于安全帶鎖扣安裝在座椅上的情況，在車輛碰撞過程中，座椅與安全帶一起構(gòu)成一個保護乘員的約束系統(tǒng)，座墊骨架承受非常大的載荷。電動坐墊骨架的功能件滑軌、電機組件及其手柄等，組成各種調(diào)節(jié)機構(gòu)。

2.1.1電動滑軌調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

駕駛員乘坐基準點（Seating Reference Point, SgRP）是整車總布置設(shè)計非常重要的一個參數(shù)，涉及整車行駛安全性、駕駛員乘坐舒適性和操作方便性。座椅滑軌是座椅總成中非常關(guān)鍵的一個功能件，其作用是調(diào)節(jié)座椅前后位置，滿足不同身型駕乘人員的乘坐基準點需求，以便獲得更舒適的人機空間。為考慮較大范圍的消費者，人機布置時會考慮5%女性身型至95%男性身型。圖2為座艙內(nèi)不同身材假人的乘坐基準點SgRP曲線簇，顯示5%女性假人SgRP點即身高1.502 m的乘坐基準點與95%男性假人SgRP點即身高約1.794 m的乘坐基準點存在一定距離，因此，在實際設(shè)計開發(fā)和工程應(yīng)用中，座椅前后調(diào)節(jié)行程推薦范圍為180～280 mm[3]。如圖2所示。

圖2 假人的乘坐基準點SgRP曲線簇

電動滑軌包括上滑軌（或內(nèi)滑軌）、下滑軌（或外滑軌）、滾珠、調(diào)節(jié)手柄、電機、傳動機構(gòu)（蝸輪蝸桿及絲桿滑塊），具體如圖3所示。

圖3 電動滑軌調(diào)節(jié)機構(gòu)

電機匹配蝸桿機構(gòu)傳遞空間兩交錯軸之間的運動和動力，將繞方向旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為繞方向的蝸輪旋轉(zhuǎn)運動。蝸輪位于滑塊內(nèi)部，蝸輪與絲桿螺旋傳導，帶動滑塊沿著方向移動。滑塊與絲桿的運動是典型螺旋傳導運動，即滑塊內(nèi)部蝸輪旋轉(zhuǎn)時絲桿固定不動，蝸輪內(nèi)螺紋與絲桿外螺紋配合，沿絲桿直線移動，滑塊與上滑軌固聯(lián)因而帶動上滑軌沿著方向移動。座椅調(diào)節(jié)行程需要考慮實際需求，比如與儀表板、方向盤的位置，滿足駕駛?cè)巳喊俜治粩?shù)、視野范圍等。

現(xiàn)代無機化學是充滿活力、發(fā)展迅猛的學科，且與其他領(lǐng)域不斷交叉融合、互相滲透。因此，高等院校的無機化學教學對科學技術(shù)的新發(fā)展應(yīng)當有所反映，無形中又增加了無機化學的教學內(nèi)容。但是當前教學改革使教學課時數(shù)大大減少，教師按照大綱要求在有限的課時內(nèi)完成教學任務(wù)，勢必要在課堂向?qū)W生教授大量的書本知識，“以教師、課堂、教材為中心”的“填鴨式”傳統(tǒng)教學模式仍然盛行，學生被動接受知識，缺乏互動交流，未充分考慮學生的差異性，只追求教學內(nèi)容目標而忽略學生發(fā)展目標，嚴重擠壓學生獨立思考空間，不利于學生創(chuàng)造性思維和實踐探索能力的培養(yǎng)[3]。

表1 常規(guī)電機性能參數(shù)

性能參數(shù)值 額定電壓/V12 額定功率/kW0.03 額定轉(zhuǎn)速/(r/min)3 000 傳動效率/%60 空載電流/A≤2.0 空載轉(zhuǎn)速/(r/min)6～11 制動電流/A≤20 制動力矩/N≥9 000

2.1.2電動高度調(diào)節(jié)機構(gòu)

汽車座椅高度作為決定座椅位置的重要參數(shù)，對座椅相關(guān)的眾多人機問題影響較大，也是汽車尺寸類人機工程最為常見的問題之一[4]。電動汽車座椅上高度位置由人體尺寸、眼部視野、舒適度決定。低于5%百分位身高的駕駛員視野受到儀表板、方向盤、A柱遮擋易引發(fā)道路盲障，在倒車時會存在可視性低問題；在前進時外視鏡可能阻礙前方直接視野。高于95%身高的駕駛員更易受到遮陽板、風窗玻璃、內(nèi)視鏡的視野限制。高度可調(diào)座椅已成為不少用戶選購車輛的一個重要考量因素。

電動調(diào)節(jié)機構(gòu)包含連桿機構(gòu)、蝸輪蝸桿機構(gòu)、滑板、電機等，具體如圖4所示。

圖4 電動調(diào)高機構(gòu)

2個連桿及一個側(cè)板組成3個構(gòu)件，連桿和上滑板，連桿和側(cè)板組成4個轉(zhuǎn)動副，側(cè)板上電機的輸出齒輪和連桿的齒組成1個齒輪高副，限位銷和齒輪兩者同心為一個虛約束，基于自由度計算公式，3×3-2×4-1=0，因此，自由度為0，實現(xiàn)座椅是個剛性體，而不至于駕乘人員坐下導致座椅塌下。電機的輸出齒輪與限位齒配合，每次電機停止轉(zhuǎn)動，就會固定成為一個新的剛性體。

圖5為電機總成，包括電機、安裝于電機輸出軸上的蝸桿，雙聯(lián)齒輪是兩同軸而又相隔一定距離的齒輪做成一體，一般為同模數(shù)，多用于變速箱的滑移齒輪。其作用為改變輸出軸的轉(zhuǎn)速，齒輪箱里滑移齒輪能夠?qū)崿F(xiàn)多種轉(zhuǎn)速，沒有滑移齒輪就僅有一種轉(zhuǎn)速。雙聯(lián)齒輪的大齒輪與蝸桿嚙合實現(xiàn)第一級降速，小齒輪與行星齒輪組嚙合，輸出齒的轉(zhuǎn)速即為行星齒輪組繞雙聯(lián)齒輪的轉(zhuǎn)速，行星齒輪組實現(xiàn)第二次降速。蝸桿、雙聯(lián)齒輪、行星輪、齒盤均位于電機箱體內(nèi)。

電機扭矩=9 550/，為功率；為轉(zhuǎn)速。扭矩也是特殊的力矩=力×旋轉(zhuǎn)半徑。蝸桿和雙聯(lián)大齒輪實現(xiàn)第一級減速，雙聯(lián)小齒輪與行星輪處實現(xiàn)第二級減速，使得電機的輸出扭矩較大，滿足需求（不變，轉(zhuǎn)速變小，扭矩變大，因此，旋轉(zhuǎn)時的力也大，滿足重質(zhì)量的人體）。雙聯(lián)齒輪和輸出齒輪各部分的齒數(shù)不宜過大，一般第一級減速的傳動比在1:40到1:50，第二級減速的傳動比在1:3.5到1:4，故而減速箱整體的傳動比一般在1:150到1:200之間。簡言之就是電機輸出齒輪的轉(zhuǎn)速低，扭矩大，可承受較大力。常規(guī)電機參數(shù)（見表1）能否滿足使用需求，需要根據(jù)傳動機構(gòu)的幾何參數(shù)、座椅承載能力、座椅要求起升的周期等綜合評估。

圖5 調(diào)高電機結(jié)構(gòu)

2.2 電動靠背及頭枕

靠背是座椅總成的一個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，電動靠背及頭枕結(jié)構(gòu)包括電動靠背調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、電動腰托結(jié)構(gòu)、電動頭枕結(jié)構(gòu)。與坐墊一起讓駕乘人員保持正確坐姿，轉(zhuǎn)彎時給人員提供支撐與保護。當受到?jīng)_擊時，撞擊力傳遞于靠背、頭枕，并通過腰托、頭枕、側(cè)翼給與反向支撐和保護?？勘彻羌馨演d荷傳遞給調(diào)角器，并通過調(diào)角器傳遞到座墊骨架，最終傳至地板。

2.2.1靠背角度調(diào)節(jié)機構(gòu)

已有生理學研究表明，靠背傾角的改變會導致人體椎間盤受壓的變化，使背部肌肉負荷增加，牽動脊椎變形，研究證明當人體軀干與大腿夾角超過110°時，椎間盤受力會大幅減小，所以靠背傾角的設(shè)計在座椅的人機形態(tài)設(shè)計中十分重要[5]。因此，靠背可調(diào)已成為汽車座椅常見的設(shè)計之一。

汽車座椅靠背角度（座椅傾斜角度）應(yīng)該允許駕乘人員根據(jù)個人喜好進行靈活調(diào)節(jié)，對于乘用車，駕駛?cè)艘话懔晳T將座椅靠背角度設(shè)為20～26°之間；在貨車上由于較高的座椅高度，因而駕駛?cè)讼矚g坐直，其座椅靠背角度大約在12～18°之間[6]。

圖6為座椅靠背調(diào)節(jié)機構(gòu)，圖示可知靠背角度調(diào)節(jié)的核心件是調(diào)角器和電機，分別固定安裝在座椅連接板、靠背側(cè)板上，電機和調(diào)角器通過軸傳遞轉(zhuǎn)矩和運動。

圖6 座椅靠背調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

這類電機力矩不需要很大，只需要滿足調(diào)角器的轉(zhuǎn)動力矩即可。電機輸出轉(zhuǎn)動同軸傳遞到調(diào)角器，實現(xiàn)向前向后調(diào)節(jié)，調(diào)角器外圈與座架固連成一體，不轉(zhuǎn)動。設(shè)置座椅側(cè)板上的限位板和坐墊連接板的幾何參數(shù)，可實現(xiàn)向前向后的指定角度調(diào)節(jié)。

2.2.2電動腰托調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

舒適的坐態(tài)應(yīng)保證腰曲弧形處于正常狀態(tài)，腰背肌肉處于松弛狀態(tài)，人體的頭部、肩部和腰部都得到良好的支撐。當靠背與座墊的的夾角超過90°時，腰椎骨需要得到支撐使脊柱保持自然彎曲狀態(tài)，否則會導致脊柱不正常彎曲，嚴重可致脊柱變形。對座椅背墊來說，人員在駕乘時肩胛骨和腰椎骨區(qū)域處會是體壓分布強的區(qū)域，腰椎骨是在第4根、第5根腰椎之間的區(qū)域，即腰部中心線區(qū)域。由于駕駛員身材尺寸存在差異，根據(jù)GB/T10000—1988中國成年人人體尺寸，男女平均坐高差值在54 mm，覆蓋90%人體尺寸的坐高差值可達149，在脊柱長度，男性平均為70～75 cm，女性平均為66～70 cm[7]?？筛鶕?jù)坐高及脊柱長度判定覆蓋90%的腰部中心線的差值在150 mm范圍內(nèi)，作為判定腰托上下行程的依據(jù)。在腰部中心線上，腰部支撐輪廓線與脊柱參考線的距離，設(shè)計推薦值為25 mm[3]。

目前市場上腰托結(jié)構(gòu)主要是兩向前后調(diào)節(jié)、四向上下及前后調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同駕乘人員需求。圖7為兩向電動腰托結(jié)構(gòu)示意圖，電機內(nèi)部有蝸輪蝸桿機構(gòu)、行星減速機構(gòu)，將電機高速低扭矩的輸出轉(zhuǎn)換成線輪的低速大扭矩輸出，線輪轉(zhuǎn)動帶動拉線的伸出和收縮，此時驅(qū)動板上的拉簧配合收縮和拉伸，引導變形機構(gòu)實現(xiàn)靠背曲線變化。

變形機構(gòu)有靠板、驅(qū)動板、拉簧、彈簧鋼片，單根線電機可利用拉線收縮帶動驅(qū)動板上移，此時彈簧拉伸，驅(qū)動板上移導致彈簧鋼片的弓起，靠板隨之鼓起。拉線放線時彈簧收縮帶驅(qū)動板下移，相應(yīng)彈簧鋼片放平。

圖7 兩向電動腰托結(jié)構(gòu)

4向腰托電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)是蝸輪蝸桿、齒輪齒條機構(gòu)，齒條輸出端連接拉線。如圖8所示，變形機構(gòu)有靠板、彈簧鋼片以及2個驅(qū)動板，拉線依次穿過上驅(qū)動板、下驅(qū)動板再固定在上驅(qū)動板，形成動滑輪結(jié)構(gòu)。拉線帶動驅(qū)動板相向移動或相反移動實現(xiàn)彈簧鋼片的弓起或平復，從而實現(xiàn)靠板鼓起或放平，也就是腰托輪廓的前移和后移。升降機構(gòu)是包含了滑板、基座以及基座上的變形機構(gòu)，2個拉線配合帶動基座滑動，此時變形機構(gòu)的2個驅(qū)動板相對位置不變動，因而實現(xiàn)了2向上下移動。雙線電機齒輪兩端的一個拉線而一個放線來帶動腰托上移，一個放線而一個拉線實現(xiàn)腰托下移，也就是腰托輪廓中心線的高度變動。

圖8 四向電動腰托結(jié)構(gòu)

2.2.3電動頭枕調(diào)節(jié)機構(gòu)

頭枕是座椅重要組成部分，對汽車座椅碰撞安全性起到關(guān)鍵作用[8]。碰撞時起到阻止頭部與胸部的相對移動，保護頸部的作用。設(shè)計頭枕參考依據(jù)主要為《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》（GB15083—2006），頭枕調(diào)節(jié)機構(gòu)需要滿足標準中頭枕高度、寬度、頭枕與座椅靠背的間距以及頭枕其他要求，并通過相關(guān)的試驗。基于GB/T10000—1988中國成年人人體尺寸的5%、95%人體坐高尺寸為810 mm、 959 mm，為滿足不同需求，頭枕高度調(diào)節(jié)應(yīng)具備一定行程。目前市場上常見的頭枕為機械式，頭枕有固定式、手動可調(diào)式、電動式調(diào)節(jié)。電動頭枕內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，具體如圖9所示。頭枕處于其調(diào)整范圍內(nèi)最不利位置時（一般為最高位置要求）應(yīng)滿足使用要求。電動頭枕的電機輸出端連接有絲桿，驅(qū)動板內(nèi)部的螺母沿著絲桿螺旋運動，帶動驅(qū)動板在導軌上實現(xiàn)上升或下降。頭枕伸出骨架可直接插在驅(qū)動板上的頭枕卡槽里實現(xiàn)2向運動。頭枕骨架和頭枕卡槽還可用常用頭枕導管實現(xiàn)配合，需要拆卸頭枕可直接手動按壓導軌上的按鈕拆除。

圖9 電動頭枕調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

目前市場上還有主動式安全頭枕，其主要是在發(fā)生追尾碰撞時能根據(jù)駕駛員或乘員自身質(zhì)量作用或者碰撞傳感器自我判定并主動調(diào)節(jié)頭枕與乘員頭部的距離，本文不做過多贅述。

3 小結(jié)

傳統(tǒng)電動座椅設(shè)計大多基于經(jīng)驗主義，較難確保電動座椅整體結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計，也不利于同平臺可能的設(shè)計變更。本文從人際工程學及相應(yīng)法規(guī)角度，分析座椅骨架結(jié)構(gòu)及其功能件的原理及設(shè)計思路，以確保在設(shè)計初期能夠?qū)崿F(xiàn)合理的布局設(shè)計，為座椅造型設(shè)計及創(chuàng)作提供準確的空間關(guān)系、工程硬點，尊重尺寸，把人的使用作為局部設(shè)計的重點，確保造型效果符合實際需求并提高舒適性。因此保證設(shè)計的高效性，進而提升整體的研發(fā)效率，產(chǎn)品迭代速度。

[1] 徐浩.汽車座椅的功能及其發(fā)展趨勢[J].汽車實用技術(shù),2022,47(17):196-199.

[2] 陳帥帥.基于人機工程學轎車座椅舒適性研究[D].上海:上海交通大學,2016.

[3] 鐘柳華,孟正華,練朝春.汽車座椅設(shè)計與制造[M].北京:國防工業(yè)出版社,2015.

[4] 陸圣青,韓盛興,何偉,等.汽車座椅高度相關(guān)人機工程分析[J].汽車工程師,2016(8):11-13,17.

[5] 文雅.基于人機形態(tài)的汽車座椅舒適性研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2015.

[6] 漕渡,蘇忠.汽車內(nèi)外飾設(shè)計與實戰(zhàn)手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2017.

[7] 薛景鳳.國人脊髓長與身高、坐高、脊柱長的自身比例和回歸方程[J].承德醫(yī)學院學報,1984(1):21-23.

[8] 陳明剛,孟正華,周磊,等.汽車座椅頭枕結(jié)構(gòu)對碰撞吸能性的影響[J].機械設(shè)計與制造,2018(2):149-152.

Analysis on the Structure of Frame and Functional Components of the Electric Seat

LI Manli, JIANG Kai

( Anhui Jianghuai Automobile Group Company Limited, Hefei 231200, China )

The car seat frame and functional components are important carriers for supporting the sitting posture of drivers and passengers, and their appearance and layout parameters greatly affect the safety, operation, and comfort of drivers and passengers. The layout of the seat frame and functional components is the focus of seat engineering design and the foundation of styling design. Based on ergonomics and relevant laws and regulations, this paper analyzes the design principles and reference basis of the fore and aft adjustment, height adjustment, backrest rotation adjustment, lumbar four-way adjustment, and head restraint up and down adjustment of the electric seat, which can confirm the engineering hard points of the seat cushion, backrest, and head restraint position track in the modeling design stage, ensure that the modeling design conforms to safety, operability, and comfort, and improve the overall design quality of the electric seat, povide theoretical support for the seat frame module in the interior design of the entire vehicle, and improve the efficiency of the grouping design of the automotive interior.

Seat frame; Functional components; Electric seats; Layout parameters

U463.83+6

A

1671-7988(2023)12-102-06

李曼利（1988－），女，碩士，工程師，研究方向為汽車內(nèi)飾設(shè)計，E-mail:992551136@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.020