汽車電動座椅骨架結構及功能件分析

作者：李曼利，江 凱

單位：安徽江淮汽車集團股份有限公司

   

傳統固定式座椅無法全方位滿足消費者個性化、定制化需求，電動可調座椅已成為汽車座椅主流發(fā)展趨勢。各主機廠推出的部分車型座椅中已具備通風加熱系統、電動腰托、腿托、腳托、電動按摩、充電、多功能頭枕等配置，并有成為標配的傾向。汽車座椅正在往智能化、舒適性、感知性、娛樂化與定制和個性化的方向綜合發(fā)展。座椅骨架作為座椅中的“骨骼”，是座椅中最主要的強度支撐件，對座椅安全性能保障起到重要作用。目前國內汽車座椅制造商在座椅設計階段，大多依靠經驗和仿照設計，未充分考量座椅骨架設計對電動座椅設計乃至整車設計的影響。文章基于機械設計制造學角度，系統探究十二向電動座椅結構與參數，分析其功能件布置原理，開展運動軌跡校核分析，為電動座椅在整車中的合理布置提供理論依據，為早期造型設計提供理論支撐，為提升電動座椅整體設計質量提供支持。

1 汽車電動座椅簡介

  

同一款汽車座椅需要滿足不同身高、體型用戶的駕乘需求，鑒于不同用戶駕乘習慣不盡相同，因此具備靈活調節(jié)乘坐位置的座椅成為用戶購買主導因素之一。座椅功能件設計主要涵蓋滑軌、調角器、調高器、頭枕、腰托等，功能件的布置重點考慮其動作便捷性和人機工程要求 。

   

汽車電動座椅一般由坐墊、靠背及頭枕組成，功能件及傳動裝置布置在內。座椅結構參數是進行座椅設計和舒適性研究的基礎，因此，需要根據座椅主客觀評價結果對其不斷調整優(yōu)化。

汽車電動座椅在整車內布置參考汽車坐標系，汽車坐標系的定義主要依據《道路車輛三維參考系統和基準符號定義》 （ISO4130—1978）和《汽車基準符號和三維參考系統》（SAEJ182—2005），其中定義 X 方向通常稱為汽車的縱向方向；Y 方向為汽車的橫向方向；Z 方向為汽車的垂向方向。如圖 1 所示。

2 汽車電動座椅結構及功能實現

2.1 電動座墊

  

座椅座墊骨架主要有全座盆、半座盆、邊板曲簧和鎂合金座盆四種典型結構。電動座墊骨架及其功能件的主要作用是保持駕乘人員正確的坐姿，支撐駕乘人員臀部和大腿，限制其左右晃動；發(fā)生碰撞時提供乘員保護。對于安全帶鎖扣安裝在座椅上的情況，在車輛碰撞過程中，座椅與安全帶一起構成一個保護乘員的約束系統，座墊骨架承受非常大的載荷。電動坐墊骨架的功能件滑軌、電機組件及其手柄等，組成各種調節(jié)機構。

2.1.1 電動滑軌調節(jié)結構

  

駕駛員乘坐基準點（Seating Reference Point,SgRP）是整車總布置設計非常重要的一個參數，涉及整車行駛安全性、駕駛員乘坐舒適性和操作方便性。座椅滑軌是座椅總成中非常關鍵的一個功能件，其作用是調節(jié)座椅前后位置，滿足不同身型駕乘人員的乘坐基準點需求，以便獲得更舒適的人機空間。為考慮較大范圍的消費者，人機布置時會考慮 5%女性身型至 95%男性身型。圖 2為座艙內不同身材假人的乘坐基準點 SgRP 曲線簇，顯示 5%女性假人 SgRP 點即身高 1.502 m 的乘坐基準點與 95%男性假人 SgRP 點即身高約1.794 m 的乘坐基準點存在一定距離，因此，在實際設計開發(fā)和工程應用中，座椅前后調節(jié)行程推薦范圍為 180～280 mm [3] 。如圖 2 所示。

電動滑軌包括上滑軌（或內滑軌）、下滑軌（或外滑軌）、滾珠、調節(jié)手柄、電機、傳動機構（蝸輪蝸桿及絲桿滑塊），具體如圖 3 所示。

  

電機匹配蝸桿機構傳遞空間兩交錯軸之間的運動和動力，將繞 Y 方向旋轉運動轉化為繞 X 方向的蝸輪旋轉運動。蝸輪位于滑塊內部，蝸輪與絲桿螺旋傳導，帶動滑塊沿著 X 方向移動?；瑝K與絲桿的運動是典型螺旋傳導運動，即滑塊內部蝸輪旋轉時絲桿固定不動，蝸輪內螺紋與絲桿外螺紋配合，沿絲桿直線移動，滑塊與上滑軌固聯因而帶動上滑軌沿著 X 方向移動。座椅調節(jié)行程需要考慮實際需求，比如與儀表板、方向盤的位置，滿足駕駛人群百分位數、視野范圍等。

   

常規(guī)電機性能參數如表 1 所示。電動滑軌調節(jié)結構蝸輪蝸桿的傳動比 i 為 5，絲桿導程 p h 為3 mm，座椅前后行程 s 為 180 mm，座椅前后調節(jié)周期

因此，座椅前后移動的時間為 10 s。傳動方案、電機選型需考慮傳動周期、負載能力、體積、功率、蝸輪蝸桿及絲桿的材料、幾何尺寸、傳動效率等一系列參數，優(yōu)化而定。

2.1.2 電動高度調節(jié)機構

  

汽車座椅高度作為決定座椅位置的重要參數，對座椅相關的眾多人機問題影響較大，也是汽車尺寸類人機工程最為常見的問題之一 。電動汽車座椅上高度位置由人體尺寸、眼部視野、舒適度決定。低于 5%百分位身高的駕駛員視野受到儀表板、方向盤、A 柱遮擋易引發(fā)道路盲障，在倒車時會存在可視性低問題；在前進時外視鏡可能阻礙前方直接視野。高于 95%身高的駕駛員更易受到遮陽板、風窗玻璃、內視鏡的視野限制。高度可調座椅已成為不少用戶選購車輛的一個重要考量因素。

   

電動調節(jié)機構包含連桿機構、蝸輪蝸桿機構、滑板、電機等，具體如圖 4 所示。

  

2 個連桿及一個側板組成 3 個構件，連桿和上滑板，連桿和側板組成 4 個轉動副，側板上電機的輸出齒輪和連桿的齒組成 1 個齒輪高副，限位銷和齒輪兩者同心為一個虛約束，基于自由度計算公式，3×3-2×4-1=0，因此，自由度為 0，實現座椅是個剛性體，而不至于駕乘人員坐下導致座椅塌下。電機的輸出齒輪與限位齒配合，每次電機停止轉動，就會固定成為一個新的剛性體。

  

圖 5 為電機總成，包括電機、安裝于電機輸出軸上的蝸桿，雙聯齒輪是兩同軸而又相隔一定距離的齒輪做成一體，一般為同模數，多用于變速箱的滑移齒輪。其作用為改變輸出軸的轉速，齒輪箱里滑移齒輪能夠實現多種轉速，沒有滑移齒輪就僅有一種轉速。雙聯齒輪的大齒輪與蝸桿嚙合實現第一級降速，小齒輪與行星齒輪組嚙合，輸出齒的轉速即為行星齒輪組繞雙聯齒輪的轉速，行星齒輪組實現第二次降速。蝸桿、雙聯齒輪、行星輪、齒盤均位于電機箱體內。

  

電機扭矩 T=9 550 P/n，P 為功率；n 為轉速。扭矩也是特殊的力矩=力×旋轉半徑 r。蝸桿和雙聯大齒輪實現第一級減速，雙聯小齒輪與行星輪處實現第二級減速，使得電機的輸出扭矩較大，滿足需求（P 不變，轉速變小，扭矩變大，因此，旋轉時的力也大，滿足重質量的人體）。雙聯齒輪和輸出齒輪各部分的齒數不宜過大，一般第一級減速的傳動比在 1:40 到 1:50，第二級減速的傳動比在 1:3.5 到 1:4，故而減速箱整體的傳動比一般在1:150 到 1:200 之間。簡言之就是電機輸出齒輪的轉速低，扭矩大，可承受較大力。常規(guī)電機參數（見表 1）能否滿足使用需求，需要根據傳動機構的幾何參數、座椅承載能力、座椅要求起升的周期等綜合評估。

2.2 電動靠背及頭枕

  

靠背是座椅總成的一個關鍵結構件，電動靠背及頭枕結構包括電動靠背調節(jié)結構、電動腰托結構、電動頭枕結構。與坐墊一起讓駕乘人員保持正確坐姿，轉彎時給人員提供支撐與保護。當受到沖擊時，撞擊力傳遞于靠背、頭枕，并通過腰托、頭枕、側翼給與反向支撐和保護?？勘彻羌馨演d荷傳遞給調角器，并通過調角器傳遞到座墊骨架，最終傳至地板。

2.2.1 靠背角度調節(jié)機構

   

已有生理學研究表明，靠背傾角的改變會導致人體椎間盤受壓的變化，使背部肌肉負荷增加，牽動脊椎變形，研究證明當人體軀干與大腿夾角超過 110°時，椎間盤受力會大幅減小，所以靠背傾角的設計在座椅的人機形態(tài)設計中十分重要 。

  

因此，靠背可調已成為汽車座椅常見的設計之一。汽車座椅靠背角度（座椅傾斜角度）應該允許駕乘人員根據個人喜好進行靈活調節(jié)，對于乘用車，駕駛人一般習慣將座椅靠背角度設為 20～26°之間；在貨車上由于較高的座椅高度，因而駕駛人喜歡坐直，其座椅靠背角度大約在 12～18°之間  。

  

圖 6 為座椅靠背調節(jié)機構，圖示可知靠背角度調節(jié)的核心件是調角器和電機，分別固定安裝在座椅連接板、靠背側板上，電機和調角器通過軸傳遞轉矩和運動。

   

這類電機力矩不需要很大，只需要滿足調角器的轉動力矩即可。電機輸出轉動同軸傳遞到調角器，實現向前向后調節(jié)，調角器外圈與座架固連成一體，不轉動。設置座椅側板上的限位板和坐墊連接板的幾何參數，可實現向前向后的指定角度調節(jié)。

2.2.2 電動腰托調節(jié)結構

舒適的坐態(tài)應保證腰曲弧形處于正常狀態(tài)，腰背肌肉處于松弛狀態(tài)，人體的頭部、肩部和腰部都得到良好的支撐。當靠背與座墊的的夾角超過 90°時，腰椎骨需要得到支撐使脊柱保持自然彎曲狀態(tài)，否則會導致脊柱不正常彎曲，嚴重可致脊柱變形。對座椅背墊來說，人員在駕乘時肩胛骨和腰椎骨區(qū)域處會是體壓分布強的區(qū)域，腰椎骨是在第 4 根、第 5 根腰椎之間的區(qū)域，即腰部中心線區(qū)域。由于駕駛員身材尺寸存在差異，根據 GB/T10000—1988 中國成年人人體尺寸，男女平均坐高差值在 54 mm，覆蓋 90%人體尺寸的坐高差值可達 149，在脊柱長度，男性平均為 70～75 cm，女性平均為 66～70 cm?？筛鶕呒凹怪L度判定覆蓋 90%的腰部中心線的差值在150 mm 范圍內，作為判定腰托上下行程的依據。在腰部中心線上，腰部支撐輪廓線與脊柱參考線的距離，設計推薦值為 25 mm 。

  

目前市場上腰托結構主要是兩向前后調節(jié)、四向上下及前后調節(jié)，以適應不同駕乘人員需求。圖 7 為兩向電動腰托結構示意圖，電機內部有蝸輪蝸桿機構、行星減速機構，將電機高速低扭矩的輸出轉換成線輪的低速大扭矩輸出，線輪轉動帶動拉線的伸出和收縮，此時驅動板上的拉簧配合收縮和拉伸，引導變形機構實現靠背曲線變化。

  

變形機構有靠板、驅動板、拉簧、彈簧鋼片，單根線電機可利用拉線收縮帶動驅動板上移，此時彈簧拉伸，驅動板上移導致彈簧鋼片的弓起，靠板隨之鼓起。拉線放線時彈簧收縮帶驅動板下移，相應彈簧鋼片放平。

  

4 向腰托電機內部結構是蝸輪蝸桿、齒輪齒條機構，齒條輸出端連接拉線。如圖 8 所示，變形機構有靠板、彈簧鋼片以及 2 個驅動板，拉線依次穿過上驅動板、下驅動板再固定在上驅動板，形成動滑輪結構。拉線帶動驅動板相向移動或相反移動實現彈簧鋼片的弓起或平復，從而實現靠板鼓起或放平，也就是腰托輪廓的前移和后移。

  

升降機構是包含了滑板、基座以及基座上的變形機構，2 個拉線配合帶動基座滑動，此時變形機構的 2 個驅動板相對位置不變動，因而實現了 2 向上下移動。雙線電機齒輪兩端的一個拉線而一個放線來帶動腰托上移，一個放線而一個拉線實現腰托下移，也就是腰托輪廓中心線的高度變動。

2.2.3 電動頭枕調節(jié)機構

  

頭枕是座椅重要組成部分，對汽車座椅碰撞安全性起到關鍵作用 。碰撞時起到阻止頭部與胸部的相對移動，保護頸部的作用。設計頭枕參考依據主要為《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》（GB15083—2006），頭枕調節(jié)機構需要滿足標準中頭枕高度、寬度、頭枕與座椅靠背的間距以及頭枕其他要求，并通過相關的試驗。基于 GB/T10000—1988 中國成年人人體尺寸的 5%、95%人體坐高尺寸為 810 mm、959 mm，為滿足不同需求，頭枕高度調節(jié)應具備一定行程。目前市場上常見的頭枕為機械式，頭枕有固定式、手動可調式、電動式調節(jié)。電動頭枕內部結構復雜，具體如圖 9 所示。頭枕處于其調整范圍內最不利位置時（一般為最高位置要求）應滿足使用要求。電動頭枕的電機輸出端連接有絲桿，驅動板內部的螺母沿著絲桿螺旋運動，帶動驅動板在導軌上實現上升或下降。頭枕伸出骨架可直接插在驅動板上的頭枕卡槽里實現 2 向運動。頭枕骨架和頭枕卡槽還可用常用頭枕導管實現配合，需要拆卸頭枕可直接手動按壓導軌上的按鈕拆除。

   

目前市場上還有主動式安全頭枕，其主要是在發(fā)生追尾碰撞時能根據駕駛員或乘員自身質量作用或者碰撞傳感器自我判定并主動調節(jié)頭枕與乘員頭部的距離，本文不做過多贅述。

3 小結   

傳統電動座椅設計大多基于經驗主義，較難確保電動座椅整體結構的最優(yōu)化設計，也不利于同平臺可能的設計變更。本文從人際工程學及相應法規(guī)角度，分析座椅骨架結構及其功能件的原理及設計思路，以確保在設計初期能夠實現合理的布局設計，為座椅造型設計及創(chuàng)作提供準確的空間關系、工程硬點，尊重尺寸，把人的使用作為局部設計的重點，確保造型效果符合實際需求并提高舒適性。因此保證設計的高效性，進而提升整體的研發(fā)效率，產品迭代速度。