网谈汽车座椅设计

座椅是汽车的主要功能件之一。座椅的舒适性在车辆的个性化设计中非常重要，同时也是保障车辆安全性能的一部分。设计合理的汽车座椅能为驾乘人员提供安全、舒适、便于操纵和不易疲劳的驾乘感受。汽车技术的飞速发展和人们对汽车各方面性能要求的提高，对汽车座椅的要求也在不断提高。 

汽车座椅的类型 

根据结构、用途及驾乘人员的不同，汽车座椅分为固定座椅和旋转座椅、可调节座椅和不可调节座椅、可翻转座椅和不可翻转座椅、带减振的悬架座椅和不带减振的汽车座椅以及专用汽车座椅等。其中，悬架座椅又可分机械悬架座椅和空气悬架座椅，可调节座椅又分为机械调节座椅、气动调节座椅和电动调节座椅等。 

座椅设计的基本原则 

汽车座椅设计是一项复杂的系统工程，它涉及机械、化工、纺织、喷涂、热处理、美学、力学、人体工程学等多门学科，设计时应依据人体工程学原理综合考虑座椅的舒适性、减振性、安全性以及座椅的合理布置，此外，还要考虑人体生理特征及尺寸，进行量身定做，以提高座椅的乘坐舒适性。

１．安全 设计时首先要绝对保证驾乘者的安全，这就要求座椅要有足够的强度，在发生碰撞时，座椅不会或可以减轻对乘坐者造成伤害，并能起到一定的保护作用。 

２．操纵方便 设计的座椅还需操纵方便，调整手柄和按钮的布置必须在驾乘者伸手可及的位置，并符合常人的习惯且操纵力量适中。 

３．乘坐舒适 设计的座椅必须能使乘客保持良好的坐姿，使其脊柱自然弯曲，保证合理的体压分布并使其肌肉松弛，上体通向大腿的血管不受压迫，血液循环正常；并具有腰椎依托感、腰背部贴和感和侧向稳定感。能有效隔离或衰减路面不平产生的振动，满足大多数驾乘者坐姿舒适性的要求。 

汽车座椅主要部件的设计 

座椅部件主要包括座垫、靠背、头枕、骨架、蒙皮、减振机构、调整机构等。设计原则的依据是：座垫、靠背的造形和曲线应与人体放松状态下的背部曲线和臀部曲线相吻合，能支撑到腰椎部位，不会因血液循环不良而引起肢体麻木，长时间乘坐不易感到疲劳；骨架及各机构应能满足强度（安全）要求和使用要求，通过对座椅的前后上下、靠背的倾斜角度、头枕前后上下等位置的有限调节，使大部分人处于舒适状态。 

１．靠背 

    靠背的设计主要指强度设计和造型设计，设计时应使靠背的高度、形状符合人体曲线，使背部肌肉处于放松状态，并能给背部、肩部有效可靠的支撑，使驾驶员保持稳定的坐姿，还要有足够的侧背支撑，从而避免高速转弯时的横向滑动。设计时，靠背的高度和宽度一般分别为６００ ｍｍ和４８０ ｍｍ。 

不同的靠背倾角会导致不同的椎间盘内压力及背部肌肉负荷。当靠背倾角超过１１０°时，椎间盘压力显著减小，所以设计时应考虑合理的靠背倾角。为了提高舒适性，满足司乘人员在休息时的需求，靠背倾角应为可调式，并且调整范围尽可能大。一般载重汽车为１００°～１１５°，大客车为９５°～１３５°，轿车为８０°～１７０°。 

此外，腰部支撑和扶手也可以减少椎间盘的压力。设计时，腰部支撑要有一定的厚度、硬度和透气性，确保乘坐人员的体重能够均匀地分布于坐骨结节区域。腰部支撑的位置应处于第３至第５腰椎部位，且支撑厚度以５ ｃｍ左右为宜。腰部支撑分机械支撑和空气支撑。机械支撑是通过机械装置支撑人体，支撑部位为刚性，舒适性差。空气支撑是用空气气囊来支撑人体，通过气囊控制阀控制气囊的充放气，使腰部得到良好的保护和有效支撑。腰支撑气囊一般采用０．４～０．８ｍｍ厚的聚氨酯板经高频焊接而成，具有工艺简单、成本低、耐磨性好、耐老化、使用寿命长等特点，目前已得到广泛推广。腰支撑气囊控制阀除可以控制气囊的进排气外，还能起溢流保护的作用，即当气囊内压力超过气囊的额定压力时，气囊控制阀溢流卸压，保证气囊的安全使用。 

目前我国新开发出一种新型空气腰支撑装置（图１），该装置可以按一定的顺序和频率有规律地对颈部、肩部、腰部等气囊进行充气、放气，利用气囊有规律的瘪或胀，实现对腰、肩、颈等部位的挤压，达到局部按摩的目的，大大提高了舒适性。 座椅扶手的安装位置应符合人体坐姿时肘部的高度尺寸，一般安装在距座垫水平面高２５０ ｍｍ处。

座椅扶手有固定式、角度可调式和可翻转式，可翻转式又有横向翻转式和纵向翻转式。   

２．座垫 

座垫设计主要是座垫深度和坐垫倾角的确定。座垫深度的设计原则是在充分利用靠背的情况下，使臀部得到合理支撑。人体在坐姿状态下，坐骨与小腿足部构成稳定的人体支撑。

座垫深度过大时，造成人体躯干相对前移，腰部得不到良好的支撑，引起疲劳；座垫深度过小时，会因大腿得不到良好的支撑而感到不舒适：因此，座垫的深度应按臀部至大腿表面全长的３／４设计，一般取４００～４８０ｍｍ。座垫的倾角应兼顾安全性和舒适性，一般为２°～１０°。 

３．头枕 

头枕是为提高汽车乘坐舒适性和安全性而设置的一种辅助装置。头枕的主要作用是保障安全，一旦汽车发生追尾碰撞，颈椎会承受到很大的加速度而容易伤害。有了头枕的承托，可以减少头部自由移动的空间，降低对颈椎的冲击力，起到避免或减轻乘员颈部受伤的作用。按照国家标准，汽车座椅头枕属汽车整车强制认证检测项目之一，汽车前排座椅应装有头枕。  

头枕要起到保护颈椎的作用，正确的安装位置十分重要。头枕应该安装在至少与耳朵上缘平齐的地方，后脑与头枕之间的距离最好不要超过１０ ｃｍ。 

目前ＶＯＬＶＯ公司首先在Ｓ８０型车上推出了一种称为ＷＨＩＰＳ颈椎保护系统（图２），由一个安全头枕和一个设计合理可有效而均匀地承受乘员身体运动的椅背支撑结构，以及位于椅背和坐垫连接处的内置式能量吸收机构组成，具有均匀的支撑功能。一旦发生追尾撞车事故，椅背与乘员一起向后移动，在稍微向后倾斜之前首先做平行运动。由于在椅背和坐垫之间的连接件上安装了可变形部件，从头枕、椅背到座垫连接成一体，给乘员的躯体有效支撑，从而进一步减轻碰撞力对乘员背部的冲击。

４．座椅蒙皮 

座椅蒙皮是包裹在座椅总成表面的一层材料，它直接与乘员接触，一方面对座椅泡沫有保护作用，同时又可直接体现设计者的设计意图。座椅 蒙皮必须阻燃，其燃烧特性必须符合ＧＢ ８４１０－１９９４《汽车内饰材料的燃烧特性》要求。 

５．泡沫软垫 

目前座垫、靠背缓冲用软垫基本上是由软质聚氨酯泡沫塑料发泡而成，在汽车上应用较多的是高回弹软质聚氨酯泡沫塑料。考虑到座椅的舒适性和人体坐姿时的体压分布，需将泡沫软垫的密度设计为不同，即“软硬兼施”。主要生产方法有２种，一是拼接法，将座垫前端与大腿接触的部分用低硬度泡沫塑料，与坐骨处接触的部分用中硬度泡沫塑料，下部及两侧用高硬度泡沫塑料。这种方法工艺繁杂且效率低，一般极少采用。二是嵌件法（图３），在浇注软垫时，在模具中相应部位放入高密度泡沫塑料嵌件，然后在周围浇注低密度泡沫塑料。这种方法可以解决体压分布和横向支撑问题，并且工艺适合批量生产。

 

６．座椅骨架 

座椅骨架必须能够承受一定的载荷，通常所指的座椅强度其实就是座椅骨架的强度，它属于汽车整车强制认证检测项目之一，应符合ＧＢ１５０８３－１９９４《汽车座椅系统强度要求及实验方法》的规定。 

靠背及座垫骨架的形状，应以能满足人体生理特征、给驾驶人员提供安全和有效支撑为目的进行设计（图４）。例如：为了避免因靠背型芯偏软而造成的侧背支撑在急转弯时减小或失效，在靠背骨架两侧加焊凸起的侧支撑板或支撑筋，将泡沫型芯加以支撑衬垫，保证支撑的有效性。为了保证驾驶员腰部、肩部有良好的支撑而在靠背骨架上设计出符合背部曲线的弧度。对于高靠背，为使腰部、背部及肩部同时紧贴靠背，更好地起到支撑和安全保护作用，设计师把靠背设计成上下２部分，并且角度可分别调整等。 

座椅骨架一般由钢质材料焊接而成，但在轻量化成为现代化汽车设计的新趋势下，汽车座椅薄型化显得非常重要。其中骨架是座椅薄型化的关键，骨架的材料也有所不同，热塑性塑料成型的座椅骨架和镁制座椅骨架正在推广应用。

 ７．减振机构 

座椅减振机构主要包括弹性元件和减振元件。弹性元件在机械悬架座椅中一般指弹簧，在空气悬架座椅中指空气气囊，它能产生使座椅恢复到初始位置的回复力。减振元件一般是指减振器，它设计有固有的阻尼值，阻尼值越大，阻尼力越大。 

对于座椅的振动来说，外力使座椅减振系统发生振动，弹性元件使座椅恢复到初始位置，阻尼力使振动衰减或消亡。在座椅设计时，必须对座椅的刚度、阻尼进行优化设计。在设计座椅刚度和阻尼时，要根据整车的振动特性充分考虑人体生理特点综合选择最佳值，使车身振动得到衰减。为了使设计的座椅阻尼和刚度能更合理地搭配，工程师们一般将座椅刚度和阻尼均设计为可调节式。例如：机械悬架座椅通过调整弹簧的预紧力来调整座椅的刚度，而空气悬架座椅则设计有高度控制阀，可以根据不同人的体重，自动调节空气气囊内的压力，达到调整座椅刚度的目的。格拉默公司生产的新型Ｋｉｎｇｍａｎ空气悬架座椅除刚度可调外，阻尼也为无级可调，以适应不同的路况。 

８．调节机构 

调节机构主要包括座椅高度调整机构、前后位移调整机构（即座椅滑道）、靠背仰角调整机构（即调角器）及座垫前倾角调整机构等。 

１）高度调整机构 

高度调整机构是调整座椅在车厢内垂直位置上下移动的机构，有机械调整机构、可控空气弹簧调整机构、气动调整机构和电动调整机构等。高度调整的范围应根据人机工程学原理，以能满足大部分人群的使用要求为目标进行确定，一般调整范围为０～１００ ｍｍ 。 

２）滑道 滑道是调整座椅在车厢纵向水平位置前后位移的机构，有单锁止滑道和双锁止滑道之分，滑道的选用一般根据锁止强度确定。例如：当安全带固定点不在座椅上时，一般选用单锁止滑道；当安全带固定点在座椅上时，选用双锁止滑道或加强双锁止滑道。滑道位移的尺寸即座椅前后调整的距离需根据相应人体尺寸和人机工程学原理确定，一般前后调整距离为０～±１００ ｍｍ 。 

３）调角器 调角器是对靠背、座垫夹角进行调整和锁止的机构。锁止强度必须能满足ＧＢ １５０８３－１９９４《汽车座椅系统强度要求及实验方法》的规定。调角器分为机械调角器和电动调角器，机械调角器又包括机械板式调角器、机械杆式调角器、双联动调角器等。机械板式调角器一般是采用棘轮棘爪或齿条齿板工作原理及板簧式复位结构，最大能够实现１８０°范围有级调节及折叠，适用于各类汽车驾驶员座椅。机械杆式调角器由可控气弹簧和连接件组成，适用于大客车乘客座椅。双联动调角器是指左右两套调整锁止机构在一套调整机构控制下同时动作，同时锁止，具有锁止强度高等优点，适用于各类载重汽车驾驶员座椅。电动调角器一般采用齿差行星齿轮传动原理或齿差双联摆线针轮行星齿轮传动原理，具有传动平稳、强度高、调解范围大等优点，适用于高档汽车驾驶员座椅。 

４）座垫前倾角调整机构

座垫前倾角调整机构一般是机械调整机构，多采用安全可靠、结构简单的多杆机构。 随着汽车工业的高速发展，人们 对汽车座椅将提出越来越高的要求。为了进一步提高座椅的舒适性及安全性，全球各大汽车公司及汽车零部件公司也在持续不断地加大座椅的研发力度，在座椅的新结构、新工艺、新材料的研发及应用上下工夫，不断研制出各类悬架座椅、电动座椅、电脑记忆座椅等，按摩装置、辅助冷热智 能空调座椅等各类辅助装置也不断诞生。此外，采用环保织物作为座椅面料，也将成为一种新趋势。