乘用車座椅的設(shè)計(jì)

乘用車座椅的設(shè)計(jì)摘要：隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車成為人們生活的必需品，人們對(duì)汽車的舒適性和安全性有了更高的要求，座椅是影響汽車的舒適性和安全性主要的一部分，本文通過對(duì)乘用車座椅的結(jié)構(gòu)、性能、設(shè)計(jì)要求等對(duì)座椅的乘坐舒適性進(jìn)行分析—建模—數(shù)據(jù)分析—設(shè)計(jì)—評(píng)估；對(duì)安全性進(jìn)行分析—建?！囼?yàn)—結(jié)果分析—設(shè)計(jì)，安全帶作為座椅安全的主要配置，提出在車上裝配安全氣囊的情況下，安全帶在一定條件下的斷裂及座椅在一定條件下的移動(dòng)變形，更有助于對(duì)乘員的保護(hù)。進(jìn)而提出在綜合考慮與安全氣囊匹配的情況下，安全帶該斷就斷、座椅該動(dòng)就動(dòng)的新的設(shè)計(jì)理念，最后介紹了CAD在座椅設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：舒適性；安全性；人機(jī)工程學(xué)；CADTheDesignOfPassengerSeats

Abstract：Withtherapiddevelopmentofmoderneconomy,carhasbecomeanecessityforpeople'slives,People'scarcomfortandsafetyhavehigherrequirements,Affectingthecarseatcomfortandsafetyofthemainpartofthispaper,thestructureofthepassengerseat,performance,designrequirements,suchasseatingcomfortanalysis-modeling-dataanalysis-Design-Evaluation;ofsecurityanalysis-Modeling-Testing-Analysis-Design,safetyseatbeltsasthemainconfiguration,theairbagassemblyinthevehicle,theseatbeltsundercertainconditions,andtheseatofthefractureundercertainconditions,themovementanddeformation,butalsocontributetotheprotectionofthecrew.Proposedtoconsiderthematchingwiththeairbag,theseatbeltonthebrokenoff,seatsthatmoveonthedynamicnewdesignconcept,andfinallyintroducedintheseatdesignofCADapplications.Keywords：comfort;safety;ergonomics;CAD目錄1緒論 頁共43頁3乘用車座椅舒適性的設(shè)計(jì)與優(yōu)化乘用車座椅支承駕乘人員的質(zhì)量，緩和和衰減由車身傳來的沖擊和振動(dòng)，給駕駛員提供良好的工作環(huán)境，為乘客創(chuàng)造舒適的乘坐環(huán)境。根據(jù)坐姿的生理形態(tài)和體壓分布,對(duì)乘用車座椅的設(shè)計(jì)采用了人機(jī)工程學(xué)的方法進(jìn)行分析，并用優(yōu)化設(shè)計(jì)理論對(duì)座椅靠背曲線進(jìn)行擬合，得出更符合人體生態(tài)曲線的座椅靠背曲線，以提高乘坐的舒適性,并適應(yīng)人體的健康需要。舒適性的因素大體可分為外因和內(nèi)因兩類。外因主要指出外界噪聲、氣味、視覺、周圍環(huán)境和路面狀況等；內(nèi)因則指人的精神狀態(tài)、身體素質(zhì)和經(jīng)歷等，其中振動(dòng)頻率是引起暈車的最主要因索〔在不同振動(dòng)頻率下，人的忍受能力不同，人最敏感的頻率范圍為：對(duì)于垂直振動(dòng)是4~8Hz，對(duì)于水平振動(dòng)在2Hz以下，因此如何盡可能減少在此頻率范圍的振動(dòng)時(shí)間是最主要目標(biāo)。乘用車座椅的設(shè)計(jì)必須加以重視，以往是采用比較落后的比照設(shè)計(jì)方法，根本無法適應(yīng)如今乘用車的迅速發(fā)展。本章通過對(duì)座椅的變剛度彈簧，調(diào)整振動(dòng)參數(shù)，人機(jī)工程分析,從而克服人體最敏感的振動(dòng)頻率，減小了乘客暈車的比率，在簡化力學(xué)模型，對(duì)靠背曲線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到更符合人體曲線的靠背形狀，使設(shè)計(jì)的座椅更加舒適和美觀，以確保人體的健康.。3.1座椅的振動(dòng)參數(shù)選擇乘用車的振動(dòng)系統(tǒng)，主要減振環(huán)節(jié)有3個(gè)，即輪胎、懸架和座椅，它們構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)。降低輪胎和懸架的剛度，雖可改變舒適性，但改動(dòng)余地不大，會(huì)降低乘用車的承載能力和制動(dòng)穩(wěn)定性。因此改變座椅的振動(dòng)參數(shù)對(duì)于改善舒適性有特殊作用。3.1.1座椅的振動(dòng)參數(shù)乘用車座椅的振動(dòng)參數(shù)主要有兩個(gè)，一個(gè)是剛度，它決定了座椅的固有圓頻率。=式中：C—座椅剛度；m—座椅與人的質(zhì)量；另一個(gè)是阻尼系統(tǒng)數(shù)k。Φ=式中：Φ—相對(duì)阻尼系數(shù)。3.1.2座椅的傳遞特性座椅的傳遞特性就是座椅振動(dòng)的傳遞率隨激振頻率而變化的特性，它直接反映了座椅衰減振動(dòng)的能力。機(jī)械傳遞率即是系統(tǒng)在受迫振動(dòng)時(shí)對(duì)一個(gè)給定的頻率，其響應(yīng)幅值與激勵(lì)幅值的量綱為一的復(fù)數(shù)比。響應(yīng)和激勵(lì)可以是力、位移、速度、加速度中同一物理量的任一種。人體傳遞率表示為機(jī)械傳遞率的模。它描述全身振動(dòng)從激勵(lì)部位到人體某一指定響應(yīng)部位的傳遞。=式中：一激振圓頻率；y—臂部加速度；x—車身地板垂直加速度；/x—放大因數(shù)(傳遞率);而2/x—激振頻率〕；傳遞率與激振頻率關(guān)系見圖3所示。圖3人在座椅上的振動(dòng)傳遞座椅上的傳遞特性直接反映座椅衰減振動(dòng)的能力由圖3可知當(dāng)激振頻率在4Hz附近時(shí)出現(xiàn)共振峰值，此時(shí)是乘客最敏感的時(shí)候，在設(shè)計(jì)座椅是要盡量避開。3.2座椅相對(duì)阻尼系數(shù)的選擇當(dāng)時(shí)將發(fā)生共振。共振區(qū)域范圍為。此區(qū)域內(nèi)>l，在此區(qū)域，相對(duì)阻尼系數(shù)越大，則越小，即抑制共振效果越好，即此時(shí)座椅剛度越小越好。當(dāng)時(shí)，屬于減振區(qū)，此時(shí)<l，振動(dòng)被衰減在減振區(qū)域，相對(duì)阻尼系數(shù)Φ越大，越大，減振效果反而要差，因此剛度要適當(dāng)。相對(duì)阻尼系數(shù)不宜取太大值，應(yīng)使座椅的共振頻率以。盡量避開人體最敏感的4~8Hz頻率區(qū)。故Hz，=0.1左右，為了增加阻尼，可采用帶減振器的“懸掛座椅”。3.2.1座椅剛度的選擇由人一車一路系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞分析，座椅、懸架、車輪構(gòu)成了一個(gè)串聯(lián)的彈性系統(tǒng)。因此，座椅剛度的選擇，要從座椅的固有頻率與懸架、車輪的固有頻率相匹配來考慮，既要避免與懸架、車輪的固有頻率相重合，又要避開人體最敏感的4~8Hz的頻率范圍。一般車身懸架固有頻率為1.2~3Hz，車輪的固有頻率為9~11Hz。由試驗(yàn)可知座墊的剛度選擇最好使其固有頻率在2~3Hz范圍為佳。乘用車座墊剛度為78~118N/cm。3.3座椅可變剛度設(shè)計(jì)3.3.1座椅減振系統(tǒng)彈簧剛度的設(shè)計(jì)座椅的固有頻率如果可變，可以錯(cuò)開激振頻率與其在同一時(shí)間段內(nèi)引起的共振，從而起到很好的減振效果?，F(xiàn)有兩種方案來實(shí)現(xiàn)座椅剛度的可變性⑴在座椅內(nèi)安裝可變剛度彈簧，如圖4所示，可變剛度彈簧是由直徑逐漸變大的鋼絲繞成的彈簧這種方案使得座椅的固有頻率能在2~3Hz范圍內(nèi)隨時(shí)變化，當(dāng)激振頻率與其接近時(shí)，振幅增大，使彈簧的壓縮增大，一旦壓縮到一定程度，其座椅的剛度增大，使其以固有頻率變化，錯(cuò)開激振頻率。這種彈簧座椅制作成本低，缺點(diǎn)是其剛度是連續(xù)變化的，不能快速錯(cuò)開激振頻率。圖4可變剛度彈簧⑵分層設(shè)置剛度不同的彈簧，如圖5所示，一層是與座椅上、下座墊相連的。二層、三層是與座椅座墊底部相固定。當(dāng)激振頻率引起座椅小幅振動(dòng)時(shí)，就遇到二層或三層彈簧，從而使得座椅的剛度跳躍式變化，使得座椅的固有頻率在行駛過程中，呈離散狀，避開激振頻率，起到良好的減振效果。缺點(diǎn)是制造成本高，工藝復(fù)雜。圖5分層設(shè)置剛度不同彈簧如果將上述方案⑴放在圖5的接觸人的部位，方案⑵放在接觸車身部位，兩者融合在一起，那將更加完美，應(yīng)是現(xiàn)代乘用車首選設(shè)計(jì)方案。3.3.2兩種方案車載試驗(yàn)曲線將3.3.1中的兩種設(shè)計(jì)方案的座椅進(jìn)行車載試驗(yàn)（不同座椅角度的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)），座椅進(jìn)行車載試驗(yàn)如圖6，圖7，圖8。圖6車載試驗(yàn)臺(tái)圖7座椅車載試驗(yàn)過程圖8座椅車試驗(yàn)尾圖以普通某一品牌乘用車作為載體，在各頻率段其傳遞率曲線如圖9所不，圖1、2、3分別表示3種設(shè)計(jì)方案。并選取6作為計(jì)算，圖9激振頻率與傳遞率曲線關(guān)系圖根據(jù)2.4乘坐舒適性數(shù)評(píng)估法由圖9進(jìn)行估算得：：方案1的舒適度；：方案2的舒適度；：普通座椅的舒適度。3.4座椅的人機(jī)工程分析3.4.1坐姿的生理形態(tài)在坐姿狀態(tài)下，支持人體的主要結(jié)構(gòu)是脊柱、骨盆、腿和腳等，根據(jù)(1.3~1.8m)人體的坐姿可知，最舒適的坐姿是臀部稍離靠背向前移,使上體略向上后傾斜，保持上體與大腿間角在90°~115°，同時(shí),小腿向前伸,大腿與小腿、小腿與腳掌之間也應(yīng)達(dá)到一定角度，如圖11所示，圖10人體坐姿圖圖11為人體坐姿圖（圖10）的參數(shù)簡圖，圖11舒適的坐姿關(guān)節(jié)角度否則會(huì)造成腰部酸痛、疲勞等不舒適的感覺.此時(shí)，腰椎、骶骨和椎間盤及軟組織承受坐姿時(shí)上身大部分負(fù)荷，還要實(shí)現(xiàn)彎腰扭轉(zhuǎn)等動(dòng)作(圖12)，對(duì)設(shè)計(jì)而言,這兩部分最重要。圖12脊柱的形狀及組成圖13坐椅各部位的受力圖人體的質(zhì)量在靠背和坐墊上的壓力分布叫坐姿的體壓分布，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的研究,最舒適的坐姿分布應(yīng)保證，人體的大部分質(zhì)量應(yīng)以較大的支承面積、較小的單位壓力合理地分布到坐墊和靠背上；壓力分布應(yīng)從小到大平滑地過渡，避免突然變化,圖13所示為人體的靠背和坐墊上最適宜的體壓分布.由圖13可見，人體質(zhì)量作用在座椅上的壓力并非均布，由前面分析可知,舒適的坐姿是肩部和臀部同時(shí)支撐身體質(zhì)量，因而應(yīng)根據(jù)各部位在產(chǎn)生不舒適感覺之前所能承受壓力的大小予以合理的分布。坐墊上的體壓分布應(yīng)使坐骨部分承受的壓力最高，由坐骨周圍擴(kuò)展到臀部外圍，壓力逐漸降低,直到與坐墊前緣接觸的大腿下平面趨于最低值，靠背上的體壓分布則應(yīng)以肩胛骨和腰椎骨兩個(gè)部位的壓力最高，這就是靠背設(shè)計(jì)中所強(qiáng)調(diào)的“兩點(diǎn)支承”。3.5座椅的設(shè)計(jì)3.5.1靠背參數(shù)的設(shè)計(jì)設(shè)置適當(dāng)?shù)目勘晨梢越档捅巢烤o張度，當(dāng)人體背部脊柱處于自然形態(tài)時(shí)最舒適，要達(dá)到這一點(diǎn),只有通過座椅的坐面與靠背之間的角度、靠背的形狀和適當(dāng)?shù)难抵С謥肀ＷC。由于每個(gè)人的脊柱長度不同，身材也不完全相同，因此每個(gè)人的脊柱曲度變化存在著一定的差異，這就使靠背高度與其形狀之間出現(xiàn)了復(fù)雜的關(guān)系。座椅的形狀應(yīng)與脊椎自然彎曲相符，主要是提供腰椎與肩胛骨兩個(gè)支承點(diǎn)，特別是腰椎支承,因坐姿主要的疲勞形式是腰肌疲勞，為能保證腰部支承，在骶骨一帶最好留有空隙，以便就坐者自己向后調(diào)整體位時(shí)，不會(huì)因?yàn)橥尾康种勘呈寡坎荒馨醋匀粡澢鸂顟B(tài)使用靠背，根據(jù)人體數(shù)模結(jié)果可得到高靠背椅的參數(shù):靠背傾角范圍取為，高靠背座椅的高度應(yīng)達(dá)到肩部，可取為530~560mm，寬度為480mm,坐墊傾斜角為。3.5.2靠背曲線的優(yōu)化優(yōu)化的目的是在人機(jī)工程基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得符合人體生態(tài)曲線的靠背，提高乘坐的舒適度。3.5.3優(yōu)化模型的建立為了擬合N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)成為一條光滑曲線，采用三次樣條插值算法,它能滿足插值函數(shù)的光滑性，對(duì)于給定的函數(shù)表,可用在每個(gè)子區(qū)間上端點(diǎn)值近似替代原來的函數(shù)值,其中在每個(gè)子區(qū)間上都是不高于三次的多項(xiàng)式。⑴在每個(gè)區(qū)間[xj-1,xj]上,三次樣條函數(shù)可表示為⑴其中:⑵所滿足的方程為⑵其中：在選擇第一型樣條滿足的插值條件⑶由此導(dǎo)出⑷⑸⑹⑺通過以上的函數(shù),可以在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)對(duì)任意插值點(diǎn)的計(jì)算,得到插值結(jié)果.對(duì)于任意一點(diǎn)的曲率半徑⑻取和構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)(其中130和500分別為高靠背座椅功能圖中腰椎骨和肩胛骨兩個(gè)受力點(diǎn)，根據(jù)人體數(shù)模的統(tǒng)計(jì)數(shù)字，人體生態(tài)曲線在此兩點(diǎn)的曲率分別為(1000和500)，在最大滿足人體乘坐的舒適度的基礎(chǔ)上建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)⑼在不斷優(yōu)化插值點(diǎn)的過程中，應(yīng)使F(x)達(dá)到最小。3.5.4約束條件為了使曲線變化幅度不會(huì)太大,給設(shè)計(jì)變量的上下界加入約束⑽其中,為插值前的節(jié)點(diǎn)函數(shù)值,為插值后的節(jié)點(diǎn)函數(shù)值。3.5.5優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)點(diǎn)及擬合曲線根據(jù)人體生態(tài)曲線得到優(yōu)化前R(130)=1364，R(500)=1415；優(yōu)化后R(130)=1036，R(500)=551，這與人體生態(tài)曲線中腰椎骨和肩胛骨的兩個(gè)受力點(diǎn)曲率半徑非常接近。擬合曲線如圖13所示圖13優(yōu)化前、后的數(shù)據(jù)點(diǎn)和曲線對(duì)比3.5.6優(yōu)化算法及實(shí)現(xiàn)過程開始選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)拈_始選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)闹担?gt;0）和初始點(diǎn),規(guī)定收斂精度、（，均大于0判斷點(diǎn)是否已接近約束邊界求懲罰函數(shù)的無約束點(diǎn)即計(jì)算點(diǎn)位反約束的情況（j=1、2、3n判斷點(diǎn)是否已接近約束邊界Φ退出φNNY圖14優(yōu)化算法流程圖4乘用車座椅的安全性4乘用車座椅的安全性汽車安全是未來汽車發(fā)展的三大主題（安全、節(jié)能、環(huán)保）之一，未來汽車的設(shè)計(jì)，將以人為出發(fā)點(diǎn)，以乘員的安全為最終目的。所謂座椅的安全性是指汽車座椅能有效地防止汽車事故的發(fā)生，并在事故發(fā)生時(shí)能最大限度地減輕對(duì)駕駛員及乘員造成傷害的能力，它包括主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性。汽車座椅不僅要減輕駕駛員及乘員的疲勞來滿足主動(dòng)安全性要求，還要與安全帶和安全氣囊一起對(duì)乘員定位的同時(shí)緩解碰撞的強(qiáng)度，使乘員的損傷指標(biāo)達(dá)到最小。乘用車是汽車的一個(gè)系列產(chǎn)品，在這種情況下，被動(dòng)安全行業(yè)得以蓬勃發(fā)展，如安全帶、座椅、頭枕，以及近年來興起的汽車安全氣囊等。本章主要是對(duì)乘用車安全帶以及在有安全氣囊的作用下，對(duì)安全帶和座椅的設(shè)計(jì)提出新的設(shè)計(jì)理念。4.1座椅的主動(dòng)安全性座椅的主動(dòng)安全性是指座椅能夠有效防止事故發(fā)生的能力。座椅系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布置直接影響駕駛員視野的好壞、乘用車操縱是否穩(wěn)定以及其他控制系統(tǒng)功能的發(fā)揮程度，從而影響乘用車的安全性能。駕駛員的視線是從其眼點(diǎn)發(fā)出的，不同駕駛員視點(diǎn)的共同基點(diǎn)是駕駛員座椅。即使是完全相同的車身結(jié)構(gòu)，也會(huì)因座椅的不同布置方式，使其視野有很大差別。因此，駕駛員座椅的布置也是保證良好視野重要環(huán)節(jié)。同樣，由于座椅是車身直接與人接觸的部件，它在承受人體重量的同時(shí)，也可以幫助駕駛員保持良好的坐姿，使駕駛員能夠方便、穩(wěn)定地操縱車輛。另外，舒適的座椅也可以為駕駛員提供一個(gè)良好的工作環(huán)境，使其心情愉快、精力集中，從而有效地防止交通事故的發(fā)生，提高車輛的主動(dòng)安全性。4.2座椅的被動(dòng)安全性在各種事故中，座椅作為減少損傷的安全部件起重要的保護(hù)作用。一方面，在事故中座椅要保證使乘員處在自身的生存空間之內(nèi)，防止其他乘員或貨物進(jìn)入到這個(gè)空間，另一方面，它要使乘員在事故發(fā)生過程中保持一定的姿態(tài)，使約束系統(tǒng)中的其他部件（如安全帶、氣囊）能充分發(fā)揮其保護(hù)效能。乘用車碰撞事故的碰撞形式大致可分為幾種：正面碰撞、側(cè)面碰撞、后面碰撞和翻滾。為了保證乘員的安全，在各種碰撞事故中避免因座椅的破壞而產(chǎn)生安全事故，座椅的設(shè)計(jì)必須要考慮座椅骨架、靠背、滑軌和安全帶固定裝置的強(qiáng)度和它們之間的連接強(qiáng)度。在正面碰撞事故中，對(duì)乘員起到主要保護(hù)作用的部件是安全帶，它能將乘員“束縛”在座椅上，使乘員的頭部、胸部不至于向前撞擊到方向盤、儀表板及擋風(fēng)玻璃上，避免乘員在車內(nèi)發(fā)生二次碰撞。然而如果座椅底部與乘用車地板連接強(qiáng)度不夠，安全帶就會(huì)失去其保護(hù)作用，乘員在自身慣性力的作用下與前面物品碰撞，從而引起傷害。同時(shí)，當(dāng)乘員在安全帶的約束力作用下向后反彈時(shí)，座椅靠背的力學(xué)特性也是影響乘員損傷指標(biāo)的重要因素之一。此外，當(dāng)后排乘員沒有受到約束，前排座椅靠背強(qiáng)度不足，后排乘員由于慣性會(huì)擊潰前排座椅，傷害前排乘員。同時(shí)，如果前排座椅強(qiáng)度太高，又會(huì)在后排乘員在與之碰撞時(shí)傷害后排乘員。座椅的乘坐輪廓設(shè)計(jì)不當(dāng)，在汽車正面碰撞時(shí)會(huì)使乘員沿座椅下滑，使腰部安全帶移到肋骨以上（即“下潛”現(xiàn)象），也會(huì)使安全帶失效，因此，安全帶在乘用車對(duì)人員的安全起至關(guān)重要的作用。盡管使用安全帶比較麻煩，但是，安全帶減輕了乘員在車禍中的傷害程度，這一公認(rèn)的事實(shí)使越來越多的國家用法規(guī)強(qiáng)制佩帶，尤其是對(duì)于前座乘員。安全帶的保護(hù)作用主要體現(xiàn)在它減少了撞車時(shí)人體減速度值，從而降低了引起二次碰撞的相對(duì)速度和位移，使傷害指數(shù)下降。圖15為某乘用車在50km/h的初速度正面屏壁碰撞時(shí)佩帶與未佩帶三點(diǎn)式安全帶的假人撞車時(shí)頭部加速度的測(cè)定曲線。由圖可見，兩種情況下頭部加速度峰值將相差約50g，同樣試驗(yàn)，胸部加速度值也將相差約45g。圖15轎車碰撞中假人頭部加速度時(shí)間歷程4.3安全帶的種類和性能要求座椅安全帶分兩點(diǎn)式、肩帶、三點(diǎn)式和四點(diǎn)式四種形式。兩點(diǎn)式安全帶限制下身的運(yùn)動(dòng)，常用于后排座椅上；肩帶能有效的防護(hù)上身，但在汽車碰撞時(shí)，乘員會(huì)向前擠出，因此，常佩有膝墊使用；三點(diǎn)式安全帶由肩帶和腰帶組合而成，保護(hù)性能好，是目前最常用的一種形式；四點(diǎn)式安全帶是在兩點(diǎn)式腰帶上加兩根背帶，多用于賽車上。安全帶的織帶要求有一定的抗拉強(qiáng)度、伸長率和能量吸收性能，與人體的接寬度在9800±490N時(shí)不小于46mm。卷收器應(yīng)能保證織帶長度能自動(dòng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)鎖緊式卷收器兩鎖緊位置間的織帶收放長度不得大于25mm；對(duì)緊急鎖止式安全帶，當(dāng)拉出加速度大于6.86時(shí)，織帶應(yīng)在接出長度25mm之內(nèi)被鎖止；拉出加速度在2.94以下時(shí)，織帶在拉出長度50mm以內(nèi)不應(yīng)被鎖止。此外，當(dāng)車輛傾斜以下時(shí)，織帶不應(yīng)被鎖止，車輛傾斜角達(dá)以上時(shí)，織帶應(yīng)被鎖止。4.4安全帶作用人體載荷分析乘用車正面碰撞時(shí)，安全帶作用乘用車正面碰撞時(shí)，安全帶作用于人體的載荷可按下述方法來預(yù)估。設(shè)人體質(zhì)量為，乘員在人體碰撞過程中的平均減速度為，乘用車平均減速度為，人體與車輛的絕對(duì)位移分別為和，且安全帶的剛度為，碰撞初速度為。根據(jù)力的平衡條件，可建立人體慣性力與安全帶彈性恢復(fù)力之間的方程：-(-)=0⑴式中，；；，為碰撞時(shí)間，代入式⑴可得：⑵解上述微分方程，可得：⑶⑷于是：⑸當(dāng)碰撞結(jié)束，汽車速度為零時(shí)安全帶作用于人體的力,可由（5）式求出：⑹此外，作用在人體上的力還包括人的身體的動(dòng)能消耗所產(chǎn)生的力。此力在移動(dòng)時(shí)所作的功與動(dòng)能相抵消。因此，可寫出下述方程：⑺式中，為碰撞終止時(shí)刻的人體速度，由式⑷確定：為人體最大位移，或安全帶最大變形。聯(lián)解式⑷式和⑺式得：圖16安全帶對(duì)人體的作用載荷圖16中畫出了；；時(shí)，人體承受的載荷。由圖可知，隨著車輛壓塌變形的減少，碰撞初速的提高，人體移動(dòng)量及載荷均將增加。4.5乘用車座椅與安全帶設(shè)計(jì)的新理念乘用車座椅的安全性是多方面的，但是有大量實(shí)驗(yàn)表明，有安全帶和安全氣囊在事故發(fā)生時(shí)同時(shí)作用，能大大降低了事發(fā)死亡人數(shù)。目前，關(guān)于安全帶的法規(guī)，如《QC244-1977)汽車安全帶動(dòng)態(tài)性能要求和試驗(yàn)方法》、《ECER16)安全帶標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)主要技術(shù)內(nèi)容》等均要求：試驗(yàn)后，假人不應(yīng)出現(xiàn)異常姿態(tài)，安全帶承載部分不應(yīng)產(chǎn)生影響其功能的變形、損壞和斷裂，帶扣應(yīng)能正常開啟。在通常的碰撞試驗(yàn)和事故中，人們也常以“安全帶完好無損，沒有撕裂、斷裂現(xiàn)象”作為安全帶合格的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于座椅，在碰撞試驗(yàn)和事故中，人們也往往認(rèn)為，座椅沒有移動(dòng)和扭轉(zhuǎn)變形為好，如在清華大學(xué)的一次碰撞試驗(yàn)后，一位研究員看到碰撞中座椅輕微前移，提出“座椅固定應(yīng)更加牢固”。但通過大量的試驗(yàn)分析表明：事故中，在安全氣囊起爆的情況下，安全帶在達(dá)到一定限值時(shí)斷裂、座椅在一定范圍內(nèi)移動(dòng)，可以消耗碰撞中產(chǎn)生的一部分能量，能協(xié)助安全氣囊對(duì)乘員起到更加有效的保護(hù)作用。在安全氣囊的開發(fā)過程中，經(jīng)常要進(jìn)行大量的臺(tái)車試驗(yàn)，用來調(diào)整安全氣囊的樣式、大小及泄氣孔的大小或有無。在試驗(yàn)過程中，常常遇到個(gè)別車型安全帶頻繁斷裂、座椅扭轉(zhuǎn)變形的情況。依常理，發(fā)生這些情況的試驗(yàn)被認(rèn)為無效，需重做。重做的試驗(yàn)當(dāng)座椅不變形、安全帶完好時(shí)，認(rèn)為試驗(yàn)成功，數(shù)據(jù)有效。但事實(shí)上，那些被認(rèn)為無效的試驗(yàn)結(jié)果，卻恰恰為安全帶和座椅性能的評(píng)估提供了新的視角。4.5.1A型車臺(tái)車試驗(yàn)中安全帶和座椅的分析在為A型車駕駛員側(cè)匹配安全氣囊的開發(fā)試驗(yàn)——臺(tái)車試驗(yàn)中，驗(yàn)證某個(gè)袋型的試驗(yàn)結(jié)果如表2-1。試驗(yàn)條件是：風(fēng)擋玻璃、內(nèi)飾結(jié)構(gòu)與實(shí)車基本相同，安全帶為一般三點(diǎn)式安全帶；一個(gè)Ⅲ。假人，身上裝有12個(gè)通道傳感器；車速為48km/h。從表1中可以看出，試驗(yàn)和試驗(yàn)是被認(rèn)為正常的試驗(yàn)，但傷害值HIC比較大，胸位移相對(duì)偏高；試驗(yàn)8和試驗(yàn)9發(fā)生了座椅變形的情況，但座椅未前移，試驗(yàn)結(jié)果比正常的情況偏小，但量不大；試驗(yàn)A至試驗(yàn)E均發(fā)生了安全帶或相關(guān)部件斷裂情況，只是斷裂的方式不同，斷裂時(shí)間的先后有差異，如此造成對(duì)假人指標(biāo)影響的不一致，但假人的HIC和胸位移變化趨勢(shì)基本一致。表1A型車安全氣囊開發(fā)試驗(yàn)部分臺(tái)車分析表試驗(yàn)試驗(yàn)情況假人指標(biāo)HIC胸位移A安全帶高度調(diào)節(jié)器拉下139.713.2D安全帶上固定點(diǎn)螺栓拉拖376.212.8C安全帶帶扣拉開并斷裂493.916.2D安全帶帶扣根部拉開22315.9E安全帶調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)向點(diǎn)斷開728.824.8F座椅損壞但未前移888.529.3G座椅損壞但未前移836.821.6H正常100222.5I正常1029B型車臺(tái)車試驗(yàn)中安全帶和座椅的分析在為B型車匹配雙側(cè)電子式安全氣囊的開發(fā)試驗(yàn)——臺(tái)車試驗(yàn)中，驗(yàn)證某個(gè)袋型的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)條件與A型車試驗(yàn)條件基本相同，只是安全帶為預(yù)拉緊式安全帶。由于安全帶帶扣安裝在座椅內(nèi)側(cè)，而非直接固定在底板上，導(dǎo)致試驗(yàn)A、B中發(fā)生座椅扭轉(zhuǎn)變形的情況，所以在C、D、E、F試驗(yàn)中，座椅被焊牢。當(dāng)座椅被焊牢后，安全帶系統(tǒng)則成為軟肋，加之該安全帶的導(dǎo)向件為鋼板結(jié)構(gòu)，外包塑，且為預(yù)拉緊式安全帶，當(dāng)碰撞發(fā)生后，假人前移繃緊安全帶，卷收器內(nèi)收，回拉安全帶，如此常常導(dǎo)致導(dǎo)向件的包塑件被拉碎，鋼板硬邊把安全帶割斷。如在試驗(yàn)C、D、E中均發(fā)生了此種斷裂形式。在該袋型臺(tái)車試驗(yàn)之后作了一臺(tái)實(shí)車碰撞試驗(yàn)G，座椅被換成比較結(jié)實(shí)的。從其結(jié)果可以看出，座椅的變形、安全帶的斷裂，均造成了假人傷害指標(biāo)的下降。從A、B兩車型匹配安全氣囊的臺(tái)車試驗(yàn)中可以初步看出，安全帶在起到一定的約束作用后斷裂，不但可以減小胸部相對(duì)脊柱的位移，避免肋骨被壓斷，還可以協(xié)助安全氣囊使HIC降低。對(duì)于座椅，其移動(dòng)或變形，也導(dǎo)致了HIC值的下降。另外，在要求座椅不動(dòng)、安全帶系統(tǒng)完好的情況下，要使碰撞中產(chǎn)生的強(qiáng)大的沖擊載荷無突破口來卸荷，對(duì)各部件的設(shè)計(jì)要求相當(dāng)高，這也增加了設(shè)計(jì)和加工的難度。表2B型車安全氣囊開發(fā)試驗(yàn)部分臺(tái)車分析表試驗(yàn)駕駛員側(cè)乘員側(cè)試驗(yàn)情況HIC胸位移試驗(yàn)情況HIC胸位移A座椅嚴(yán)重前移、外旋37747.6同駕駛員側(cè)36134.2B座椅扭轉(zhuǎn)變形34057.2正常88584C安全帶導(dǎo)向器處斷43666.2正常113075.7D同上30755.7同C駕員側(cè)26553E同上35663.5正常88282.8F———同C駕員側(cè)34982.6G座椅前移30mm71341.4同駕駛員側(cè)93663.04.5.3從能量角度分析安全帶的斷裂及座椅的移動(dòng)從能量守恒定律可知：能量既不能產(chǎn)生也不能消滅，它只能從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式，或者從一物體轉(zhuǎn)移到另一物體。對(duì)于碰撞而言，碰撞前的初始能量為，碰撞后的能量為0。碰撞中所有的初始能量都將被消耗，而消耗這些能量的無非車體、被碰撞體、乘員。以碰撞試驗(yàn)為例，由于碰撞壁完全剛性，不變形，轉(zhuǎn)換成其內(nèi)能的能量可以忽略不計(jì)，則大量的能量只能通過試驗(yàn)樣車和假人來消耗。如果試驗(yàn)樣車消耗的能量多，則通過假人來消耗的能量必然就少，也就是說，假人所受到的傷害程度必將下降。否則，碰撞過程中，如果大量的能量在車體上找不到突破口來消耗，就只能轉(zhuǎn)而攻擊假人，導(dǎo)致假人一些傷害指標(biāo)的上升，所以，在整體結(jié)構(gòu)基本不變的情況下，改變座椅和安全帶結(jié)構(gòu)，以座椅前移、安全帶斷裂消耗能量代替頭骨碎裂和肋骨折斷消耗能量，則能更有效地保護(hù)乘員。4.5.4安全帶和座椅設(shè)計(jì)的新理念分析目前，在安全帶的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)其強(qiáng)度的要求越來越高，國標(biāo)對(duì)安全帶的延伸率規(guī)定不超過30%’，而安全帶廠家又把該約束條件限制在15%~17%，值得一提的是，歐洲標(biāo)準(zhǔn)把延伸率規(guī)定得更低，只為8%~9%，采用的材質(zhì)現(xiàn)通常為強(qiáng)度更大的亞麻。而對(duì)于座椅，雖然法規(guī)對(duì)其變形約束的條件并不太苛刻，但使用過程中，人們對(duì)其要求相當(dāng)高，對(duì)其變形的評(píng)判，也通常以“心理上可以接受為標(biāo)準(zhǔn)，這也導(dǎo)致了座椅廠家必須不斷地提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而提高座椅的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為了減小安全帶及座椅廠家的壓力，也為了提高交通事故中乘員的安全系數(shù)，在未來的安全帶和座椅的設(shè)計(jì)過程中，有必要改進(jìn)原有的設(shè)計(jì)觀念，引進(jìn)新的設(shè)計(jì)理念：在安全帶的帶體中設(shè)置抽條區(qū)，即改變安全帶局部的編織方式，使其強(qiáng)度降低；另外，在座椅的滑道上設(shè)計(jì)軟區(qū)。當(dāng)然座椅和安全帶的改進(jìn)應(yīng)與安全氣囊的開發(fā)及車型綜合考慮。對(duì)于座椅，軟區(qū)的長度，要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)乘員正常坐姿的情況下，大腿膝部與儀表板的相對(duì)位置關(guān)系而定，保證在座椅移動(dòng)后乘員的膝部不會(huì)與儀表板的實(shí)體碰撞，以免傷害乘員的下肢。軟區(qū)的結(jié)構(gòu)要具有一定的強(qiáng)度，比如保證在相對(duì)車速為20km/h的情況下不發(fā)生前移，如此約定，可以保證在低速碰撞下座椅不會(huì)損壞，也可以保證座椅前移時(shí)能消耗更多的能量。對(duì)于安全帶，要求其抽條區(qū)必須具有一定的強(qiáng)度，以保證在一定碰撞速度下才能斷裂，而且，該速度一定要大于座椅發(fā)生前移的速度，如為25km/h（參照20km/h而言），以保證在碰撞中當(dāng)座椅前移時(shí)，乘員下肢隨座椅前移后，身體上部在安全帶的約束作用下有一個(gè)后仰動(dòng)作，使頭部在此碰撞下免于與儀表板碰撞或減小碰撞強(qiáng)度，確保即使安全氣囊在此速度碰撞下不打開，也能保護(hù)好乘員的頭部?；凇皵嗔选痹O(shè)計(jì)思路，當(dāng)前安全帶廠家在安全帶的設(shè)計(jì)過程中也初步有所考慮，如把腰帶部分設(shè)計(jì)成折疊式，讓碰撞過程中折疊部分打開，使乘員臀部前移，上體后仰，以保護(hù)乘員的頭部。但這種方式很容易對(duì)乘員的下肢造成傷害，盡管帶體的折疊部分可以控制，但碰撞過程中人體下肢的竄出量卻很難控制。另外，高速碰撞下也很難出現(xiàn)這種理想效果。因?yàn)樵谂鲎策^程中，車體沖擊點(diǎn)通常正對(duì)人體臀部上下，由于慣性，頭部和上體向前沖擊的速度將要快于臀部，巨大的沖擊都發(fā)生在肩帶上。本文中討論的斷裂問題，其抽條區(qū)主要是指設(shè)計(jì)在肩帶胸部處，如果想用折疊式，也應(yīng)設(shè)計(jì)在此處。盡管如此設(shè)計(jì)會(huì)增加安全帶制做的難度及成本，而且隨著車上裝配安全氣囊數(shù)量的不斷增加，在安全氣囊都打開的情況下還可能會(huì)失去作用。但在某種程度上，這種新的設(shè)計(jì)理念還是具有一定的現(xiàn)實(shí)意義的。對(duì)于安全氣囊，在座椅前移、安全帶斷裂的情況下必須起爆，以保護(hù)好乘員。4.6乘用車座椅安全設(shè)計(jì)的內(nèi)容乘用車在座椅的安全設(shè)計(jì)時(shí)，除了設(shè)計(jì)安全帶和安全氣囊以外，以下部分對(duì)座椅的安全也是非常重要的。4.6.1座椅強(qiáng)度的設(shè)計(jì)座椅強(qiáng)度的設(shè)計(jì)是安全性設(shè)計(jì)的首要內(nèi)容。乘用車行駛中，座椅要承受復(fù)雜的載荷。乘用車座椅必須有足夠的強(qiáng)度，以確保座椅上的人所受的傷害最小；座椅的壽命應(yīng)足夠長，不致過早變形或損壞；受沖擊載荷作用時(shí)，座椅不應(yīng)發(fā)生斷裂、嚴(yán)重變形等損壞現(xiàn)象。所以設(shè)計(jì)座椅時(shí)必須對(duì)汽車座椅的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，盡量以最少的材料、最小的質(zhì)量滿足強(qiáng)度要求。4.6.2座椅結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)座椅整體結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的是其對(duì)其他約束系統(tǒng)效能的影響及與其他約束系統(tǒng)之間的連接方式等。4.6.3靠背的設(shè)計(jì)靠背的安全性設(shè)計(jì)應(yīng)考慮靠背的強(qiáng)度、傾角、基本尺寸及其形狀。靠背的強(qiáng)度設(shè)計(jì)不但應(yīng)該在“追尾”等后部碰撞時(shí)給乘員提供良好的保護(hù)，而且也要考慮側(cè)碰時(shí)對(duì)乘員的保護(hù)。而靠背傾角、基本尺寸及其形狀對(duì)尾部碰撞的嚴(yán)重程度有很大影響。4.6.4座墊的設(shè)計(jì)座墊一般不會(huì)造成對(duì)乘員的直接沖擊傷害，但座墊的結(jié)構(gòu)可以影響到乘員運(yùn)動(dòng)過程、約束力加到乘員身體上的方式及外部載荷(加速度、力等)的絕對(duì)值大小。座墊深度設(shè)計(jì)的原則是在充分利用靠背的情況下，使臀部得到合理的支承，座墊深度不應(yīng)該超過人的大腿長度。4.6.5頭枕的設(shè)計(jì)頭枕是一種用以限制乘員頭部相對(duì)于軀干向后移位的彈性裝置。其作用是在發(fā)生碰撞時(shí)，減輕乘員頸椎可能受到的損傷。尤其是在汽車受到追尾碰撞時(shí)，可抑制乘員頭部后傾，防止或減輕頸部損傷。依據(jù)人機(jī)工程和優(yōu)化理論設(shè)計(jì)的座椅靠背曲線，比較接近人體生態(tài)曲線,會(huì)使乘坐的舒適度有很大的提高，保證身體的健康，這能在一定程度上提高汽車的市場(chǎng)競(jìng)爭力。4.6.6座椅調(diào)角器的設(shè)計(jì)座椅的調(diào)整一般有手動(dòng)和電動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式，較常見的座椅靠背角度手動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)(座椅調(diào)角器)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用，即靠旋轉(zhuǎn)手柄驅(qū)動(dòng)靠背以實(shí)現(xiàn)角度調(diào)整(旋轉(zhuǎn)手柄式)和掀動(dòng)手柄自動(dòng)調(diào)整靠背角度（掀動(dòng)手柄式）兩種座椅調(diào)角器。⑴旋轉(zhuǎn)手柄式座椅調(diào)角器圖17所示為旋轉(zhuǎn)手柄式座椅調(diào)角器結(jié)構(gòu)圖，其調(diào)整過程為:旋轉(zhuǎn)手柄，帶動(dòng)手柄輪（偏心輪5）旋轉(zhuǎn)，手柄輪的偏心轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)周轉(zhuǎn)輪（齒環(huán)6）做周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因周轉(zhuǎn)輪與止動(dòng)板3（與座墊相連）和調(diào)整臂（與靠背相連）的內(nèi)齒同時(shí)嚙合，且止動(dòng)板與座墊固定連接，因而使調(diào)節(jié)臂（即靠背）轉(zhuǎn)動(dòng)，方向與手柄旋轉(zhuǎn)方向相同，從而達(dá)到了調(diào)節(jié)靠背角度的目的。圖17旋轉(zhuǎn)手柄式座椅調(diào)角器結(jié)構(gòu)圖1.左右連接臂(座墊)2.鉚釘3止動(dòng)板4.滾珠5.偏心輪(手柄輪)6齒環(huán)(周轉(zhuǎn)輪)7.頭鉚釘8.調(diào)節(jié)臂(靠背)⑵掀動(dòng)手柄式座椅調(diào)角器圖18所示為掀動(dòng)手柄式座椅調(diào)角器結(jié)構(gòu)圖。圖18a為操縱手柄作用示意圖，圖18b為內(nèi)部齒板作用原理圖。在實(shí)際應(yīng)用中小齒板控制原理有所不同，分為手柄直接操縱和通過鎖止棘爪間接操縱兩種，即手柄操縱力直接作用在小齒板2上和間接作用于鎖止棘爪1，再通過鎖止棘爪控制小齒板，達(dá)到開啟和鎖止的目的。掀動(dòng)手柄式座椅調(diào)角器基本原理是:通過手柄操縱(小齒板或鎖止棘爪)使小齒板與大齒板脫開，在回位彈簧的作用下，靠背自動(dòng)向前旋轉(zhuǎn)或在乘坐者外力作用下向后旋轉(zhuǎn)，調(diào)整至需要的靠背角度，然后松開手柄，在手柄回位彈簧的作用下，大小齒板嚙合使靠背鎖止。圖18掀動(dòng)手柄式座椅調(diào)角器結(jié)構(gòu)1.鎖止棘輪2.小齒板3.大齒板4.靠背連接板5.回位彈簧6.座墊連接板7.手柄8.手柄回位彈簧5乘用車座椅計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法5乘用車座椅計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法隨著整個(gè)社會(huì)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化的飛速發(fā)展，各個(gè)國家和地區(qū)之間的聯(lián)系變得越來越方便和快捷，很多汽車整車生產(chǎn)企業(yè)對(duì)于外協(xié)件通常采用全球招標(biāo)的方式進(jìn)行最優(yōu)配置，以降低成本，所以無論是汽車零部件廠家還是整車生產(chǎn)廠家之間的競(jìng)爭變得更加激烈，而對(duì)于國內(nèi)外乘用車廠家及座椅設(shè)計(jì)員來說，為了提高乘用車產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭力，就必須縮短乘用車的設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少乘用車各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換所帶來的累計(jì)誤差，降低開發(fā)成本。實(shí)踐證明，采用軟件對(duì)乘用車的座椅設(shè)計(jì)的方法與傳統(tǒng)的方法相比，體現(xiàn)了以下優(yōu)點(diǎn)：⑴建立了數(shù)字化模型，方便修改和管理。⑵縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。⑶提高了效率，降低了開發(fā)成本。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，這種座椅的設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用中具有很高現(xiàn)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)成為乘用車及其零部件的主要設(shè)計(jì)手段。應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行乘用車座椅設(shè)計(jì)時(shí),主要包括兩方面內(nèi)容(見圖20)⑴理論計(jì)算：主要是確定動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)。動(dòng)態(tài)參數(shù)是指座椅剛度、阻尼,靜態(tài)參數(shù)則主要指外觀幾何尺寸、聯(lián)接件尺寸和骨架尺寸等。⑵計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)制圖：根據(jù)乘用車座椅的結(jié)構(gòu)形式、尺寸參數(shù),在圖形屏幕上給出有關(guān)零部件和總成的工程。圖19乘用車七自由度動(dòng)力學(xué)模型開始開始乘用車動(dòng)力學(xué)有關(guān)參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)的優(yōu)化乘用車內(nèi)部尺寸選擇幾何參數(shù)繪制各部件圖有關(guān)聯(lián)接件繪制總裝配圖有關(guān)人同模型幾何尺寸的校核強(qiáng)度校核合理形成零件明細(xì)表輸出圖形打印圖表結(jié)束不合理不合理圖20乘用車座椅計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)關(guān)系5.1乘用車座椅理論計(jì)算5.1.1動(dòng)態(tài)參數(shù)選擇為了研究乘用車座椅剛度、阻尼系數(shù)對(duì)平順性的影響,給參數(shù)選擇提供參考依據(jù),本章采用了圖19所示的七自由度汽車動(dòng)力學(xué)模型,應(yīng)用拉格朗日方程可得系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程:圖中19中、、分別為簧載質(zhì)量、前后軸非簧載質(zhì)量；、為簧載質(zhì)量繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；、、、分別為前后懸架彈簧、前后輪胎的剛度；、分別為前、后懸架當(dāng)量阻尼系數(shù)；、、分別為人體模型上、下體及框架的質(zhì)量；、為座椅的剛度與阻尼系數(shù)；、為人體模型上、下體的剛度；、為人體模型上、下體的當(dāng)量阻尼系數(shù)；為簧載質(zhì)量質(zhì)心垂直位移坐標(biāo)；θ為簧載質(zhì)量繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)角位移；、為前、后軸非簧載質(zhì)量質(zhì)心的垂直位移坐標(biāo)；Y、、分別為人體模型框架及上、下體的垂直位移坐標(biāo);a、b為前、后軸到質(zhì)心的距離；l為簧載質(zhì)量質(zhì)心至座椅的距離；、分別為前、后輪所遇路面不平的時(shí)域函數(shù)。根據(jù)上述動(dòng)力學(xué)模型,編程進(jìn)行了仿真計(jì)算。對(duì)國產(chǎn)某乘用車的計(jì)算結(jié)果表明,加速度功率譜、疲勞—工效降低界限都能與試驗(yàn)很好地吻合,加速度功率譜峰值平均誤差δ僅為5.3%(表3)。因而,該程序是可靠的,可作為平順性判斷的依據(jù)。以座墊上總的加速度加權(quán)均方根值最小為目標(biāo),采用外點(diǎn)懲罰函數(shù)法,即可對(duì)乘用車座椅動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。上述乘用車前排駕駛員座椅動(dòng)態(tài)參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化后(速度為50km/h,行駛道路為三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)路面),對(duì)平順性有決定影響的低頻段加速度均方根值明顯降低(見圖21),疲勞—工效降低界限由原來的3.2h提高到7.1h。表3座椅傳給人體加速度功率譜峰值速度（km/h）前排駕駛員座椅前排駕駛員座椅峰值頻率Hz峰值峰值頻率Hz峰值實(shí)驗(yàn)值計(jì)算值實(shí)驗(yàn)值計(jì)算值實(shí)驗(yàn)值計(jì)算值實(shí)驗(yàn)值計(jì)算值401.5001.520.580.591.81.7501.600.670.727.5501.6251.520.750.741.21.6251.600.810.888.5601.3751.520.950.905.51.7501.601.041.083.9701.6251.521.061.041.91.6251.601.321.0812.0圖21優(yōu)化后坐墊上1/3倍5.1.2靜態(tài)參數(shù)選擇合理的乘用車座椅靜態(tài)參數(shù)必須適合人的主、客觀需要，為駕駛員和乘客提供一個(gè)安全、舒適、方便的工作條件和乘坐環(huán)境。以我國成年人人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)GB10000和汽車人體工程學(xué)為依據(jù)，認(rèn)為乘用車座椅靜態(tài)參數(shù)選擇應(yīng)遵循以下原則：⑴座椅設(shè)計(jì)高度為360mm，調(diào)節(jié)范圍為310~450mm。⑵適合于90%人的座墊有效深度為375mm，調(diào)節(jié)范圍為375~470mm。⑶座墊寬度選擇范圍為460~540mm。⑷靠背(加頭枕)設(shè)計(jì)高度為780mm，調(diào)節(jié)范圍為680~830mm。⑸靠背寬度一般與座墊相同,對(duì)于帶頭枕的座椅，肩高以上必須逐漸縮小，但最寬處不得小于200mm。⑹座墊傾角必須合理，一般駕駛員座椅傾角可大些，而乘客座椅傾角可小些，其取值范圍為。⑺為保證合理舒適的體腿夾角，必須有一定的靠背傾角，駕駛員座椅靠背傾角較小，而乘客座椅靠背傾角較大,其取值范圍為。5.1.3乘用車強(qiáng)度計(jì)算乘用車座椅作為聯(lián)系人—車的一個(gè)重要部件，承受著復(fù)雜的載荷。一方面，車輛行駛在凸凹不平的路面上，產(chǎn)生車體隨機(jī)振動(dòng)，在乘用車座椅上產(chǎn)生隨機(jī)動(dòng)載荷，它是車輛座椅骨架疲勞破壞的主要原因；另一方面,車輛行駛工況很復(fù)雜；如起步、加速、制動(dòng)、減速、撞車等，在這些情況下乘用車座椅承受著很大的沖擊載荷，尤其是撞車時(shí)，作用于座椅上的沖擊力將非常大，很可能造成骨架斷裂、嚴(yán)重變形或使調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)失靈。因此，設(shè)計(jì)乘用車座椅時(shí)必須對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)算，反復(fù)進(jìn)行強(qiáng)度校核,盡量以最少的材料、最輕的質(zhì)量滿足強(qiáng)度要求。車輛座椅強(qiáng)度計(jì)算分為三個(gè)方面:⑴固定強(qiáng)度計(jì)算主要是計(jì)算正面撞車時(shí)，座椅與車身的聯(lián)接件及調(diào)節(jié)器的強(qiáng)度。⑵向靠背加載的強(qiáng)度計(jì)算主要是計(jì)算座椅受人體后背碰撞時(shí)，座椅骨架、座椅與車身的聯(lián)接件、調(diào)節(jié)器的強(qiáng)度。⑶向靠枕加載的強(qiáng)度計(jì)算主要是計(jì)算高靠背座椅靠背骨架的剛度，使其在受人體頭部沖擊時(shí)，不致發(fā)生太大的變形。5.2乘用車座椅設(shè)計(jì)圖的繪制乘用車座椅參數(shù)化繪圖軟件是基于Auto-CADR１２.０開發(fā)而成的，它分為三個(gè)部分；乘用車座椅設(shè)計(jì)所需的基本圖形庫；有關(guān)零部件、總成的參數(shù)化繪圖程序；乘用車座椅繪圖界面。5.2.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)簡介計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD(ComputerAidedDesign)是設(shè)計(jì)人員借助于計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的一種方法。其特點(diǎn)是將人的創(chuàng)造能力和計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算能力，巨大存儲(chǔ)能力和邏輯判斷能力很好地結(jié)合起來。在工程、產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，許多繁重的工作，例如非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)和力學(xué)計(jì)算，多種設(shè)計(jì)方案的提出、綜合分析比較與優(yōu)化、工程圖樣及生產(chǎn)管理信息的輸出等，均可由計(jì)算機(jī)完成。設(shè)計(jì)人員則可對(duì)計(jì)算、處理的中間結(jié)果做出判斷、修改，以便更有效地完成設(shè)計(jì)工作。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能極大地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)，縮短設(shè)計(jì)周期，降低產(chǎn)品成本，為開發(fā)新產(chǎn)品和新工藝創(chuàng)造了有利條件。CAD技術(shù)與CAM技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造一體化，具有明顯的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在：⑴有利于發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性，將他們從大量繁瑣的重復(fù)勞動(dòng)中解放出來。⑵減少設(shè)計(jì)、計(jì)算、制圖、制表所需的時(shí)間，縮短了設(shè)計(jì)周期。⑶由于采用了計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)，可以從多方案進(jìn)行分析、比較，選出最佳方案，有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。⑷有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。⑸減少零件在車間的流通時(shí)間和機(jī)床上裝卸、調(diào)整、測(cè)量、等待切削的時(shí)間，提高了加工效率。⑹先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備既有較高的生產(chǎn)過程自動(dòng)化水平，又能在較大范圍內(nèi)適應(yīng)加工對(duì)象的變化，有利于企業(yè)提高應(yīng)變能力和市場(chǎng)競(jìng)爭力。⑺提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和設(shè)計(jì)、生產(chǎn)效率，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造過程一體化。⑻CAD/CAM形成了一個(gè)有機(jī)整體，通過信息的集成，在經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上給企業(yè)帶來了綜合效益。5.2.2乘用車座椅計(jì)圖庫在乘用車座椅設(shè)計(jì)時(shí)，常會(huì)遇到一些尺寸和形狀比較固定且經(jīng)常重復(fù)出現(xiàn)的圖形,把這些經(jīng)常出現(xiàn)的圖形做成塊，存于磁盤的某一子目錄中，形成一個(gè)座椅設(shè)計(jì)專用圖庫。為方便使用，把汽車座椅設(shè)計(jì)圖庫分成五類；⑴維人體繪圖模板圖庫人體尺寸是乘用車座椅設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料，以中國標(biāo)準(zhǔn)化與信息分類編碼研究所開發(fā)的“人體二維模板”為依據(jù)，把人體分為頭部、軀干、大腿、小腿、足、大臂、小臂和手掌八個(gè)部分。這八個(gè)部分各自獨(dú)立成塊，分別有5、50、95百分位三種形式，用戶可以根據(jù)需要把這些部分以合理的角度用關(guān)節(jié)聯(lián)接的形式拼合成人體立姿或坐姿下的二維圖形，利用三種百分位人體舒適坐姿的二維圖形，可以很直觀地檢查乘用車座椅靜態(tài)尺寸及調(diào)整特性是否合理。⑵座椅常用標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件圖庫乘用車座椅上有許多聯(lián)接件，最常見的有地腳螺栓、螺母、六角頭螺栓、六角頭螺釘、彈簧墊圈、鉚釘?shù)?。定義聯(lián)接件圖塊時(shí),按照聯(lián)接件的機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)，繪制了二維視圖，分別以特定的名稱存盤。⑶座椅常用部件圖庫乘用車座椅中有一些零部件，如扶手、煙灰盒、調(diào)節(jié)器聯(lián)接板、彈簧等，它們?cè)诟鞣N座椅中可以通用，且尺寸固定，為提高繪圖效率，把它們定義為塊，繪圖時(shí)可根據(jù)需要插入。⑷參數(shù)化設(shè)計(jì)圖塊在繪制裝配圖時(shí)，需要用到許多零部件,這些圖形的尺寸并不固定，而要根據(jù)設(shè)計(jì)的需要實(shí)時(shí)修改。顯然,在每一裝配圖中，按部就班地繪制是很復(fù)雜的一件事。為此,我們采用模塊化設(shè)計(jì)技巧，把裝配圖中各個(gè)部分分別用參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法繪制成圖并定義為塊，在繪制裝配圖時(shí)可以直接調(diào)用這些參數(shù)化圖塊。⑸圖塊嚴(yán)格地說，臨時(shí)圖塊不能列入圖庫中，由于它屬于“塊”定義圖形,這里把它放在圖庫中闡述。某些零件只能用于某一部件或總成，但其多次出現(xiàn)，這就需要臨時(shí)把它定義為“塊”，用到時(shí)調(diào)入。另外,還有一種情況也要用到臨時(shí)圖塊，當(dāng)某一零部件與基礎(chǔ)件存在一定的幾何關(guān)系，直接繪制存在一定困難，此時(shí)可以把其先定義為“塊”，然后用塊插入的方式引入，這是繪制較復(fù)雜圖形時(shí)常用的方法。5.3座椅零部件及總成參數(shù)化設(shè)計(jì)乘用車座椅的形式和尺寸隨使用對(duì)象的不同而改變，此時(shí)僅僅停留在AutoCAD的基本繪圖功能上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,而要實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)繪圖。針對(duì)某一設(shè)計(jì)而言，其結(jié)構(gòu)和尺寸(主要指尺寸)不可能一下就確定下來,需要進(jìn)行反復(fù)的選擇、比較和檢驗(yàn)，在這時(shí)，參數(shù)化繪圖就顯示出很大的優(yōu)越性。一般說來，它比在圖形屏幕上直接繪圖快10~20倍，可大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。車輛座椅上有許多基本靜態(tài)尺寸，如座高、座寬、座深、靠背高、靠背寬、靠背骨架尺寸、靠背傾角等,它們必須隨著使用條件的變化而變化，并且最好能適合各種身材的人。為此,我們對(duì)汽車座椅上重要的零部件實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)。參數(shù)化設(shè)計(jì)是采用AutoCAD自帶的人工智能語言Au-toLisp實(shí)現(xiàn)的。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，往往把程序分成若干功能模塊，編成相應(yīng)的計(jì)算、判斷、繪圖功能函數(shù)，分別調(diào)用并組合在一起,即可形成半智能的繪圖程序，車輛座