汽车座椅发泡厚度对乘用舒适性分析

来源 | 期刊网-《科学与技术》

作者 | 张应军 季文明 卢桂阳 刘洪 颜强；延锋安道拓座椅有限公司长沙分公司 湖南长沙 410100

摘要：座椅发泡的舒适性在新项目的开发中受到主机厂的关注度越来越高，本论文探讨了发泡厚度对顶端硬度，滞后损失，弹性系数（FW）、阻尼系数（DKW）以及座椅舒适性的关系。通过实验数据表明，发泡厚度对弹性系数（FW）、阻尼系数（DKW）有影响，顶端硬度（CFD）相同时，厚度越大，前述数值越大；在80mm厚度时，坐垫发泡产品舒适性顶端值（CFD）范围为5.5-6.2Kpa之间。实现了在座椅试制前的概念设计阶段评定发泡厚度对乘坐舒适性影响的数据化分析。

关键词：发泡 舒适性 弹性系数、阻尼系数

1. 前言

目前汽车座椅系统的结构主要由头枕、靠背、座垫以及滑轨等总成组成，其中座椅座垫由座椅骨盆、发泡以及面套等组成。无论是在新车型开发阶段还是终端消费市场，汽车座椅作为汽车人机交互主要的界面，乘坐的舒适性受到消费者和客户端特别的关注和评价。影响座椅乘坐的舒适性因素很多，如座椅的软硬程度、座椅的造型设计、座椅表面的空气流动、路面的不平整度等。[1]其中座椅的发泡材料对舒适性起了重要的作用，董明，戴善其在对发泡的硬度影响舒适性的研究中发现通过对发泡硬度在不同区域的分别定义，可以较好地平衡汽车座椅的静态舒适性与动态舒适性的矛盾，明显改善座垫对人体的支撑，使人体臀部压力减小，保持肌肉处于放松状态，从而提高驾乘人员的驾乘舒适性。[2]高振海等人通过对发泡密度对乘坐舒适性影响研究发现在兼顾座椅整体舒适性的同时，为有效提高人体局部的舒适感，可通过将人体局部对应的座椅坐垫发泡密度优化配置进行发泡密度分区设计，使人体质量以较大的支撑面积、较小的整体和合理的局部压力分布在坐垫上。大腿中部和大腿前部乘坐在发泡密度较小的 57 kg/m3 的座椅上时受到的压力刺激作用相对较弱，臀部区域乘坐在发泡密度较大的 67 kg/m3 的座椅上时受到的压力刺激作用相对较小。[3]通过文献调研，目前研究主要集中在发泡的硬度与密度对舒适性的影响，缺少对发泡材料厚度对舒适性的研究；同时汽车合资或者独资的工厂座椅设计图纸全部来自于国外，发泡厚度的值都是已知，探究发泡厚度数据的由来尤为重要。本文根据PV3410测试标准，研究了厚度对压陷硬度，滞后损失、弹性系数（FW）、阻尼系数（DKW）舒适性系数（FW-DKW）/（FW+DKW）的影响[4]，实现了在座椅试制前的概念设计阶段评定发泡厚度对乘坐舒适性影响的数据化分析。

2. PV3410对座椅发泡舒适性的定义

根据PV3410聚氨酯泡沫材料座椅软垫实验方法的定义，对测试曲线的相关术语解释如下：

2.1 测试数据

1）EW(ILD)，320N下得压陷数据；

2）ESW，320N回程下得压陷数据；

3）480N回程下得压陷数据。

2.2 定义数据

DKW，阻尼特系数，320N下得加载和卸载数据的差值；

FW，弹性系数，480N卸载值和320N卸载值的差值；

舒适性值，DKW+FW FW-DKW

坐垫发泡舒适性满足的两个条件：DKW+FW>10 |FW-DKW|<2

3. 发泡厚度对硬度、滞后以及舒适性的影响
3.1 测试条件以及实验数据
本文选取固定条件为密度65kg/m3，水分2.8，浇注重量为1055g。依据指数范围95-109，分四个梯度分别做了ABCD四个样块，选取20mm、40mm、60mm、80mm、100mm不同厚度，测试出对应顶端、滞后损失，弹性系数（FW）、阻尼系数（DKW）值，具体数据见表1.
样块测试条件：本实验在生产168h后进行，测试前在标准环境下放置至少24h（温度：23±2℃，湿度：50±6%RH）
测试设备：材料试验机ZWICK Z005 德国

表1 不同厚度测试数据值

3.2 发泡厚度对压陷硬度的影响
通过图1数据分析可以发现：
1）当顶端硬度（CFD）固定时，320N下得压陷深度随着厚度的增加而增加；2）40mm厚度以内，顶端硬度（CFD）变化时压陷深度基本无变化。

图1 发泡厚度对压陷硬度的关系
3.3 发泡厚度对滞后损失的影响
通过图2数据分析，可以得出：
1）60mm厚度以下时，同一配方产品滞后随着厚度增加而降低；
2）60mm厚度以上时，同一配方产品滞后趋于稳定，与厚度关系不大

图2. 发泡厚度对滞后损失的关系
3.4 厚度对产品阻尼系数（DKW）的影响
通过图3数据分析，可以得出：
1）对于同一配方，顶端硬度（CFD）相同，随着产品厚度增加，产品阻尼系数（DKW）逐步增加；
2）厚度一致时，顶端硬度（CFD）增加，阻尼系数（DKW）增加。

图3. 厚度对阻尼系数（DKW）的关系
3.5 厚度对产品弹性系数FW的影响
通过图4数据分析，可以得出：
1）对于同一配方，顶端硬度（CFD）相同，随着产品厚度增加，产品弹性系数（FW）逐步增加；
2）厚度一致时，顶端硬度（CFD）增加，弹性系数（FW）逐步增加；

图4. 厚度对弹性系数（FW）的关系
3.6 座椅体系舒适性评价
根据座椅体系对坐垫发泡的舒适性评价要求，需要同时满足两个条件：
弹性系数加阻尼系数（FW+DKW）>10；弹性系数减阻尼系数绝对值|FW-DKW|<2
依据这两个条件，在厚度为80mm时，对弹性系数加阻尼系数（FW+DKW）以及弹性系数减阻尼系数绝对值（FW-DKW）进行了线性拟合，寻找满足这个条件的顶端（CFD）范围。

图5.顶端（CFD）与（FW+DKW）关系 图6.顶端（CFD）与（FW-DKW）关系
从图5中可以得出，当厚度一致时，随着CFD的增加，产品FW+DKW线性增加；当厚度在80mm时，坐垫发泡舒适性要求FW+DKW>10,对应的CFD>5.5Kpa。从图6可以得出，当厚度一致时，随着顶端硬度（CFD）的增加，产品FW-KW线性增加；坐垫发泡舒适性要求|FW-DKW|<2, 对应的CFD<6.2Kpa；在发泡厚度为80mm时，舒适性顶端范围为5.5-6.2Kpa之间。
4. 结论
发泡厚度对产品的顶端硬度、滞后损失、阻尼系数、弹性系数都有很大的关联性，说明发泡的厚度在设计阶段是一个很重要的舒适性客观评价参数。通过实验数据，我们得出：

1）发泡厚度对压陷深度有影响，硬度相同时，厚度越大，压陷深度越大；

2）发泡厚度对弹性系数（FW）、阻尼系数（DKW）有影响，硬度相同时，厚度越大，前述数值越大；

3）发泡厚度对产品滞后有一定影响，厚度在60mm以内时，随着厚度增加，产品滞后降低；60mm以上时，随着厚度变化，产品滞后趋于稳定；
4）厚度在80mm时，根据坐垫发泡舒适性判断要求FW+DKW>10,对应的CFD>5.5Kpa;|FW-DKW|<2, 对应的CFD<6.2Kpa；在80mm厚度时，产品舒适性顶端值（CFD）范围为5.5-6.2Kpa之间。
参考文献［1］陈飞:《考虑驾驶员体压分布的座椅乘坐舒适性研究》 吉林大学硕士学位论文，2016年。［2］董明，戴善其：《基于发泡硬度分布的汽车座椅舒适性分析》 汽车工程师，2019年第7期。［3］高振海，李明月，高菲等：《车用座椅发泡密度对乘坐舒适性的影响分析》 湖南大学学报，2019年第10期。［4］PV3410 聚氨酯泡沫材料座椅软垫实验方法。
作者简介：姓名：张应军（1985.12--）；性别：男，民族：汉，籍贯：湖南长沙人，学历：研究生；现有职称：中级工程师；研究方向：聚氨酯发泡工艺与技术。