摘要：【目的】通过对汽车座椅进行模态分析，优化座椅设计，提升乘员乘坐的舒适性和安全性。【方法】介绍了汽车座椅的组成以及人机布置要求、组成部件的设计要求等，分析了座椅在零件试制中需满足的气味、阻燃性等一系列物理实验要求，并针对座椅常见的共振异响问题，利用有限元分析软件

来源 | AUTO内饰行家

随着我国经济不断发展，汽车已经成为人们日常生活中不可或缺的交通工具，人们对汽车内饰的要求也越来越高。汽车座椅作为汽车内饰最重要的部件之一，其设计直接影响到驾驶者和乘客的舒适性和安全性[1]。因此，本文主要介绍汽车座椅设计要求，并进行了模态分析，可为后续座椅的设计开发提供一定的参考。

汽车座椅概述

汽车座椅是内饰系统的重要组成部分，是直接与车内乘员接触的零部件，过去俗称汽车的“移动沙发”。在设计过程中，要求座椅安全可靠，有足够的强度、刚度，并且造型美观，同时应满足驾乘人员对各种调节结构、开关等的操作便利性要求。汽车座椅一般由坐垫、靠背、调角器、发泡层、滑轨、表皮、头枕、座椅骨架及扶手等组成，如图1 所示。座椅骨架是座椅中最重要的部分，为泡沫提供支撑，承受着乘员的所有静态和动态负载。其主要有以下几种常见的组合方式：钣金结构、管材结构和钣管组合结构。钣金结构座椅的刚度、强度好，但是价格较贵；管材结构刚度、强度较差，但价格相对便宜，在定位较低档的车辆中应用广泛[2-7]。发泡层介于座椅骨架和面套之间，它的软硬度决定了座椅的舒适性，材料一般采用软弹性- 聚氨酯- 冷- 泡沫材料。表皮一般有织物、人造革和真皮3 种材质，其中织物价格最低，真皮价格最高，在高档车应用较多。

汽车座椅设计要求

座椅靠背的设计要求

座椅靠背主要用于给乘员背部、肩部提供有效、可靠的支撑，从而避免高速转弯时的横向滑动。靠背宽度值如图2所示，靠背最大宽度L1推荐值为520~560 mm；距H 点3 0 0 m m 处的靠背宽度L 2 推荐值为480~500 mm；距H点450 mm 处的靠背宽度L3 推荐值为480~490 mm；靠背角一般设计为20°~30°[8-9]。

一般汽车座椅靠背可翻转，为保证靠背在翻转或座椅移动过程中不与门护板及B柱护板干涉，靠背与门护板及B柱护板的间隙不小于20 mm。如果座椅靠背上布置了侧安全气囊，则要求在座椅前后调节和靠背角度调节全行程中，靠背与立柱或门护板的间隙不小于60 mm，与中控台的间隙不小于15 mm，靠背和门护板间隙如图3 所示。同时，座椅靠背与安全带锁扣间隙不小于5 mm，与方向盘间隙不小于25 mm，靠背的发泡层厚度不小于35 mm，发泡层的压缩量一般在30%~35%，靠背有效长度一般在465~485 mm。

头枕设计要求

座椅头枕是座椅总成的一部分，主要功能是支撑乘客头部，提高乘坐舒适性。并且在后碰过程中，通过限制乘员头部相对于其躯干的后移，可减轻颈椎可能受到的损伤，起到保护头部的作用，提高乘坐的安全性。头枕通常分为整体式、可拆式和分体式3 种[10]。头枕设计需要满足法规要求，需要满足C-NCAP鞭打试验的相关要求，对头枕鞭打试验有影响的参数主要有头枕后距离值、头枕高度、头枕泡沫硬度等。头枕鞭打试验性能校核如图4 所示，头枕头后距离一般为30~60 mm，头枕高度为60~100 mm，头枕杆到头枕表面上方距离L1 为30~40 mm，头枕杆到头枕表面前方距离L2 为30~40 mm，头枕硬度为30~60 Shore A。对于高度可调式头枕，当头枕调至最低位置时，头枕与座椅靠背的间隙应不大于25 mm。在头枕骨架上有相应的凹槽，头枕向上调节时，直接托起头枕即可；向下调节时，需要用手按住支撑杆下方的解锁按钮，同时向下按压即可。对于高度不可调式头枕，头枕与座椅靠背的间隙应不大于60 mm。为增加头部支撑面积，头枕宽度应满足一定要求，其两侧距座椅垂直中心平面的距离不小于85 mm。

坐垫设计要求

座椅坐垫是支撑乘客重量的重要部分，是影响乘客乘坐舒适性的关键部分。座椅坐垫的软硬度要适中，泡沫厚度不小于50 mm，压陷量一般为40%~45%。一般前排座椅可前后、上下调节，因此需要保证座椅在前后、上下运动过程中，后排乘员有足够的脚部空间，且不能产生夹脚等问题。将座椅调节到最恶劣的使用位置，按图5 所示进行校核，推荐空间A为350~420 mm，高度空间B为90~150 mm。

坐垫宽度分为坐垫外轮廓宽度及内部乘坐宽度，宽度依据整车内部的空间及人体臀部尺寸进行设计。坐垫尺寸如图6 所示，坐垫外部宽度推荐值为450~530 mm，坐垫内部宽度推荐值为300~340 mm。坐垫深度是指从坐垫前沿到靠背宽度对称中心前表面并平行于坐垫平面的距离，坐垫深度推荐值为450~510 mm。坐垫倾角是指布置假人在坐垫表面前后咬合点连线与水平面形成的夹角，推荐范围为11°~15°。

座椅骨架设计要求

如图7 所示，座椅骨架是座椅主要的承重部件，包裹在座椅表皮及发泡层中，主要包括靠背骨架和坐垫骨架。一般采用钢管或钢板焊接而成，钢管直径一般为20~28 mm，壁厚为1.2~2.0 mm。钢板厚度一般为1~3 mm，钢板结构较钢管结构具有更高的强度和刚度，一般应用在要求较高的场合。金属骨架的焊接应符合JB/T 5943—2018《工程机械 焊接件通用技术条件》的规定，焊接方式一般有点焊、弧焊、气体保护焊等，并且金属骨架应进行除锈、防锈处理，表面电泳涂漆，漆层应符合QC/T 484—1999《汽车 油漆涂层》的规定。座椅骨架应满足座椅耐久性试验标准。泡沫缓冲垫分为靠背泡沫缓冲垫和坐垫，通常采用聚氨酯（PU）高回弹模具发泡熟化工艺加工，装配于座椅骨架和面套之间，对乘客的乘坐舒适性起重要作用。

座椅作为汽车上的一个关键零部件，需要根据标准经过相应的物理试验，以验证设计的合理性，主要的试验项目如下。

1）气味性要求：气味评分等级≤3.0 级。

2）汽车内饰燃烧试验：试验方法参照GB 8410—2006《汽车内饰材料的燃烧特性》，座椅的燃烧速率应≤100 mm/min。

3）禁限用物质要求：需满足GB/T 30512—2014《汽车禁用物质要求》的规定，汽车及其零部件产品中，每一均质材料中的铅、汞、六价铬、多溴联苯、多溴二苯醚的质量百分数不得超过0.1%，镉的质量百分数不得超过0.01%。

4）汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法：试验需满足GB 15083—2019《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》的要求。

5）头枕冲击性试验：参照GB 11550—2009《汽车座椅头枕强度要求和试验方法》要求执行。

6）金属表面涂层质量要求：参考QC/T 484—1999《汽车 油漆涂层》要求执行。

座椅有限元分析

模态分析机理

座椅异响是常见的失效模式之一，为避免座椅与车身产生共振异响，主机厂常用有限元分析方法对其进行模态分析。模态是结构系统的固有振动特性，是结构动态特性分析的基础，其包括固有频率和振型。模态分析对结构的动态响应、动载荷的产生和传播以及结构振动的形式等具有重要影响。作为具有有限个自由度的弹性系统，振动微分方程为：

式中，M 为质量矩阵；C 为阻尼矩阵；K 为刚度矩阵； x (t)为加速度向量；x (t)为速度向量；x(t)为位移向量；F(t) 为作用在弹性体上的激励。

在无阻尼自由振动的情况下，进行傅式变换可得：

变换为特征方程：

式中，ω 为系统固有频率；φ 为系统振型。

有限元模型及分析

为减少计算时间，在座椅模态分析之前，会将表皮及发泡层处理掉，不参与计算。首先，将CATIA 建立的座椅骨架模型导入到HyperMesh 中，借助其强大的网格划分能力完成网格的划分。其次，由于座椅骨架主要由金属管件和冲压件组成，因此可采用壳单元（shell 单元）建模，单元基本尺寸为5 mm，约束座椅安装在车身上的6 个螺栓位置处的6 个自由度。最后，利用ABAQUS软件计算座椅的一阶、二阶频率，江西五十铃汽车有限公司标准要求一阶、二阶频率应在15~21 Hz，以防止座椅产生共振异响。座椅一阶、二阶频率结果如图8 所示，由图8 可知，座椅的一阶、二阶频率分别为16.58 Hz 和19.52 Hz，满足规范要求，因此该座椅的振动特性符合要求。

结论

本文介绍了汽车座椅的组成以及各组成部分的主要功能，分析了座椅靠背、坐垫、头枕、座椅骨架在设计过程中一些重要参数的推荐值，可为后续座椅的设计开发提供相应的借鉴。同时，还介绍了座椅在零件试制中需满足的物理实验要求，并验证了设计的合理性。针对常见的座椅共振异响问程，感受其中的曲折和乐趣，增进学员对科学探究的理解，有助于充分调动学员的潜在能力，激发学员的批判性思维，并最终明确具体的实验技术方案。

结语

高阶思维教学仍在不断探索中，课题组认为在课程的高阶化改革中，除了对课程体系和结构的改革之外，教师应对自身定位有更清晰的认知，作为主导者、鼓励者和促进者的身份存在，要果断地在课前布置可自学的浅显知识、课上鼓励学员多思考高阶知识、课后多开展实践操作，引导学员自主发现问题、解决问题，从而完成项目任务。这不仅要求教师自身具备整合知识体系并显性化的能力，能够形成清晰的授课脉络并按项目化方式实施教学，而且要求教师具备强烈的提问意识与提问能力，充分尊重学员的人格和独立性，使学员感受到教师的爱与尊重。

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来源：阿华说汽车