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現在的汽車座椅設計真的科學嗎?

2023-04-19汽車

沙發的起源最早可追溯到2000年前的古埃及時代,那時的人們用木樁或石頭做成供人坐的工具,後來發現在上面鋪上獸皮坐起來更舒服一點,這就是沙發的雛形。

但到1885年,奔馳一號使用的座椅還非常簡陋,僅采用了木板+簡單填充物+皮質包裹的工藝,連背部支撐都沒有,汽車這個交通工具似乎沒沾到半點人類智慧結晶的光。

事實上此後很多年,汽車座椅只不過是作為「邊緣」配件而才能在,相比於動力系統羸弱帶來的不適感,屁股和頸椎那點疼痛感都算不上啥。但哪能說這些體驗不重要呢,由屁股延伸至後背直至頸椎的歡愉感,可是我們被塞進這個狹小空間後僅剩下的一點追求。

當然賽車手可能不這麽想,畢竟F1的座椅到現在都是災難,賽車的座椅為了輕量化可以舍棄掉一切舒適性。可放在賽車上遭罪也就罷了,即便在乘用車領域,汽車座椅發展到如今,想要造得舒服也是一件難事。

1、什麽是動態舒適性?

要說汽車座椅和沙發最大的不同,在於汽車是移動的。因為需要移動,汽車座椅不可避免地會經常會受到來自車身的各種沖擊,所以它不可能像沙發那樣做得足夠舒軟,否則人坐上去就好像坐船一樣,遇到點大的風浪,就會搖晃得厲害。

比如1911年的雪佛蘭 classic Six引領的前排連通式座椅大潮,因采用了沙發的設計思維,不僅乘坐空間增大,前排座椅的靜態舒適性也有了大幅提升。但很快大家發現這種座椅的支撐性不夠,汽車動起來後就不是那麽回事了。

舉例來說,因為沒有設計防前滑鼓包,在緊急制軔時,人體會相對汽車座椅接觸面前移。好在美國盛產各種大直高速公路,此類問題不至於暴露得特別厲害。

但這種老式的設計放在現代顯然是不再合適,畢竟現代人變得更加挑剔了。我們知道當物體發生振動時,在特定的情況下還會出現共振。共振危害極大,比如可以使大橋、房屋以及其它的建築物瞬間倒塌,甚至還危及到人類的心臟使血管破裂。雖然汽車座椅不會因此發生斷裂,但舒適性會大打折扣,輕則容易引起疲勞、犯困等反應;重則產生頭暈以及嘔吐。

為了形象表述這個問題,我們將汽車在運動狀態下透過座椅骨架以及軟墊將振動傳遞到人體的舒適特性,稱為動態舒適性。研究表明,人體對4~8Hz頻率的振動最為敏感,而解決問題的關鍵就在剛度和阻尼系數上,前者決定座椅的共振頻率,後者決定座椅的振動衰減特性。二者類似於發動機動力峰值和特性曲線的關系。

總之,為了獲得最佳的動態舒適性,工程師需要在對座椅進行減振、隔振,並強化座椅的剛度,使振動傳遞到人體時降為最小。個中手段也比較多樣,比如在汽車懸架上安裝各種各樣的減振彈簧、減振減壓系統以及空氣彈簧,控制汽車的固有頻率並增加阻尼;又或者最佳化座椅自身的剛性,增加軟墊厚度等。

2、想要造得舒適,難度很高

然而,雖然知道解決問題的理論方向,情況卻並不樂觀。要知道,汽車座椅動態舒適性早就是國家強檢計畫了,國標QC/T55中明確規定了汽車座椅動態舒適性試驗方法。但就我了解到,國內對動態舒適性的自主研究能力並不強,還需要大量借鑒海外企業的經驗。

可是在主機廠主導研發能力不強的情況下,整車系統和座椅各自處在個人作戰的狀態,即便采購了外資企業的座椅產品,但始終不得其法,依然會出現各種各樣的問題。

舉例來說,我們知道提升感官上的體驗是設計中非常難得一件事,比如靠背和座墊一般由發泡海綿外加座椅蒙皮組成,現在的發泡海綿一般采用高回彈的聚氨酷發泡而成,但不同配方的發泡料得到的海綿的物理效能不同,在一定程度上影響座椅乘坐的舒適性,所以即便厚度相同的發泡海綿,乘坐感也是會不同的。

不得不說日產的座椅設計能力很厲害,比如SLAB結構、高衰減發泡以及彈簧骨架結構,就能起到很好的提升剛度和阻尼系數的效果。像天籟座椅的坐盆布置有整體式彈簧,相比於無彈簧的鈑金式結構,當駕駛人員落座時,彈簧骨架可以起到良好的緩沖作用,提升駕乘體驗。

3、汽車座椅早就過了唯舒適性論了

雖然汽車座椅的舒適性處在非常重要的位置,但大約是上世界60年代開始,人們開始意識到座椅安全性的重要性。比如汽車座椅頭枕就是從這個時期開始走向大眾視野,早前的汽車座椅因為沒有頭枕,在受到劇烈沖擊時,對頸部的傷害會非常大。

鞭打測試動圖

作為汽車強國,美國在1966年就率先強制規定了汽車座椅的構造與固定的相關要求,還在1969年進一步強制汽車企業所生產的新車必須配備頭枕以保障駕乘人員的安全。國內起步較晚,直達2012年中國才在碰撞測試中增加鞭打測試計畫。

除此外。隨著時代變化,也有新的問題出現。比如防下潛效能對正面碰撞傷害有著很大影響,現在女性駕乘人員的比例逐漸增多,早前車輛匹配的前排乘員約束系統多數以第五十百分位男性乘員為基礎設計,兼顧身材較小的前排第五百分位女性乘員傷害研究較少。

就此而言,全世界範圍內都做得不夠好,事實上,直到 2015 年後,Euro-NCAP才開始在駕駛員、前排乘員和後排乘員均使用第五百分位女性假人。

總之,現代的汽車座椅需要兼顧靜態舒適性、動態舒適性和安全性,因此它會被設計得相當復雜,大致由頭枕、靠背、座墊、座椅骨架、座椅連線件和調節機構等組成。

比如座椅骨架,它支撐著整個座椅,是座椅的基礎結構。細化來說,它又可以細分為頭枕骨架、靠背骨架和座墊骨架。座椅骨架的強度是座椅安全性的保障,它一般用軋制型材(鋼管、型鋼)制成或用鋼板沖壓件焊接而成,靠背骨架和座墊骨架透過座椅連線件組裝起來。

我們拿後排靠背骨架來說,有些廠家為了輕量化考慮,後排座椅並沒有設計鋼板,這是非常不可取的,因為一些後排和後備廂打通的車型,在碰撞事故及急減速的過程中,後備廂中的行李由於受到慣性力的作用會對後排座椅產生巨大的沖擊。

如果後排座椅靠背及安裝點強度不夠,行李移動的沖擊力會直接作用到後排乘員上,給後排乘員帶來嚴重傷害,所以後排座椅的強度在一定程度上決定了後排乘員的生命安全。

因此包括中國、歐洲、日本等國家都制定了相應的法規和標準來防止移動行李對後排乘員產生傷害。以國標GB 15083為例,要求剛性撞擊試驗塊的品質為18kg,撞擊速度為50~52km/h,需放置兩個試驗快進行測試。

以上,我們從汽車座椅的動態舒適性和安全性角度出發,聊到了汽車座椅的設計難點。其實我們還需要考慮人機工程的因素,關於什麽是人機工程,有這麽一個故事:

2010年的一天,戴勒姆執行長Dieter Zetsche在試乘奔馳S級轎車的樣車,當他坐在後排座位後靠時,意識到座椅放倒的振幅不夠大。他認為作為一款豪華級車,這是絲毫不能忍受的,不能第一排豪華第二排就掉價。因此奔馳設計師們設計出了一款可以後仰43.5度角的後排座椅,作為長軸距版S級轎車改進車型的選配。

總之,汽車座椅不是沙發,優秀的座椅必須要在以下三個方面齊頭並進才行:

1)良好的支撐和約束使得駕駛員能夠擁有更廣闊的視野及對汽車更好的操控;

2)能夠為乘客提供安全舒適的乘坐環境;

3)緊急情況下,座椅可以保障保全。

這三者之間某些時候是存在對立關系的,比如為匹配濃烈的運動氣息,前排座椅采用桶形設計,雖然對乘客身體的整體包覆性相當全面,但不可否認的是,以運動為訴求的坐墊跟靠背相對較硬,必然會以犧牲一定的舒適性為代價。

這麽看來,想要造一款舒適又安全得體的座椅,真的是一件難事吶。