汽車電動(dòng)座椅骨架結(jié)構(gòu)及功能件分析

作者：李曼利，江 凱

單位：安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司

   

傳統(tǒng)固定式座椅無(wú)法全方位滿足消費(fèi)者個(gè)性化、定制化需求，電動(dòng)可調(diào)座椅已成為汽車座椅主流發(fā)展趨勢(shì)。各主機(jī)廠推出的部分車型座椅中已具備通風(fēng)加熱系統(tǒng)、電動(dòng)腰托、腿托、腳托、電動(dòng)按摩、充電、多功能頭枕等配置，并有成為標(biāo)配的傾向。汽車座椅正在往智能化、舒適性、感知性、娛樂(lè)化與定制和個(gè)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(qiáng)度支撐件，對(duì)座椅安全性能保障起到重要作用。目前國(guó)內(nèi)汽車座椅制造商在座椅設(shè)計(jì)階段，大多依靠經(jīng)驗(yàn)和仿照設(shè)計(jì)，未充分考量座椅骨架設(shè)計(jì)對(duì)電動(dòng)座椅設(shè)計(jì)乃至整車設(shè)計(jì)的影響。文章基于機(jī)械設(shè)計(jì)制造學(xué)角度，系統(tǒng)探究十二向電動(dòng)座椅結(jié)構(gòu)與參數(shù)，分析其功能件布置原理，開(kāi)展運(yùn)動(dòng)軌跡校核分析，為電動(dòng)座椅在整車中的合理布置提供理論依據(jù)，為早期造型設(shè)計(jì)提供理論支撐，為提升電動(dòng)座椅整體設(shè)計(jì)質(zhì)量提供支持。

1 汽車電動(dòng)座椅簡(jiǎn)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(xí)慣不盡相同，因此具備靈活調(diào)節(jié)乘坐位置的座椅成為用戶購(gòu)買主導(dǎo)因素之一。座椅功能件設(shè)計(jì)主要涵蓋滑軌、調(diào)角器、調(diào)高器、頭枕、腰托等，功能件的布置重點(diǎn)考慮其動(dòng)作便捷性和人機(jī)工程要求 。

   

汽車電動(dòng)座椅一般由坐墊、靠背及頭枕組成，功能件及傳動(dòng)裝置布置在內(nèi)。座椅結(jié)構(gòu)參數(shù)是進(jìn)行座椅設(shè)計(jì)和舒適性研究的基礎(chǔ)，因此，需要根據(jù)座椅主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)其不斷調(diào)整優(yōu)化。

汽車電動(dòng)座椅在整車內(nèi)布置參考汽車坐標(biāo)系，汽車坐標(biāo)系的定義主要依據(jù)《道路車輛三維參考系統(tǒng)和基準(zhǔn)符號(hào)定義》 （ISO4130—1978）和《汽車基準(zhǔn)符號(hào)和三維參考系統(tǒng)》（SAEJ182—2005），其中定義 X 方向通常稱為汽車的縱向方向；Y 方向?yàn)槠嚨臋M向方向；Z 方向?yàn)槠嚨拇瓜蚍较?。如圖 1 所示。

2 汽車電動(dòng)座椅結(jié)構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)

2.1 電動(dòng)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(jié)構(gòu)。電動(dòng)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(dòng)；發(fā)生碰撞時(shí)提供乘員保護(hù)。對(duì)于安全帶鎖扣安裝在座椅上的情況，在車輛碰撞過(guò)程中，座椅與安全帶一起構(gòu)成一個(gè)保護(hù)乘員的約束系統(tǒng)，座墊骨架承受非常大的載荷。電動(dòng)坐墊骨架的功能件滑軌、電機(jī)組件及其手柄等，組成各種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

2.1.1 電動(dòng)滑軌調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

  

駕駛員乘坐基準(zhǔn)點(diǎn)（Seating Reference Point,SgRP）是整車總布置設(shè)計(jì)非常重要的一個(gè)參數(shù)，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(guān)鍵的一個(gè)功能件，其作用是調(diào)節(jié)座椅前后位置，滿足不同身型駕乘人員的乘坐基準(zhǔn)點(diǎn)需求，以便獲得更舒適的人機(jī)空間。為考慮較大范圍的消費(fèi)者，人機(jī)布置時(shí)會(huì)考慮 5%女性身型至 95%男性身型。圖 2為座艙內(nèi)不同身材假人的乘坐基準(zhǔn)點(diǎn) SgRP 曲線簇，顯示 5%女性假人 SgRP 點(diǎn)即身高 1.502 m 的乘坐基準(zhǔn)點(diǎn)與 95%男性假人 SgRP 點(diǎn)即身高約1.794 m 的乘坐基準(zhǔn)點(diǎn)存在一定距離，因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用中，座椅前后調(diào)節(jié)行程推薦范圍為 180～280 mm [3] 。如圖 2 所示。

電動(dòng)滑軌包括上滑軌（或內(nèi)滑軌）、下滑軌（或外滑軌）、滾珠、調(diào)節(jié)手柄、電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（蝸輪蝸桿及絲桿滑塊），具體如圖 3 所示。

  

電機(jī)匹配蝸桿機(jī)構(gòu)傳遞空間兩交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，將繞 Y 方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為繞 X 方向的蝸輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。蝸輪位于滑塊內(nèi)部，蝸輪與絲桿螺旋傳導(dǎo)，帶動(dòng)滑塊沿著 X 方向移動(dòng)?；瑝K與絲桿的運(yùn)動(dòng)是典型螺旋傳導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，即滑塊內(nèi)部蝸輪旋轉(zhuǎn)時(shí)絲桿固定不動(dòng)，蝸輪內(nèi)螺紋與絲桿外螺紋配合，沿絲桿直線移動(dòng)，滑塊與上滑軌固聯(lián)因而帶動(dòng)上滑軌沿著 X 方向移動(dòng)。座椅調(diào)節(jié)行程需要考慮實(shí)際需求，比如與儀表板、方向盤(pán)的位置，滿足駕駛?cè)巳喊俜治粩?shù)、視野范圍等。

   

常規(guī)電機(jī)性能參數(shù)如表 1 所示。電動(dòng)滑軌調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比 i 為 5，絲桿導(dǎo)程 p h 為3 mm，座椅前后行程 s 為 180 mm，座椅前后調(diào)節(jié)周期

因此，座椅前后移動(dòng)的時(shí)間為 10 s。傳動(dòng)方案、電機(jī)選型需考慮傳動(dòng)周期、負(fù)載能力、體積、功率、蝸輪蝸桿及絲桿的材料、幾何尺寸、傳動(dòng)效率等一系列參數(shù)，優(yōu)化而定。

2.1.2 電動(dòng)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

  

汽車座椅高度作為決定座椅位置的重要參數(shù)，對(duì)座椅相關(guān)的眾多人機(jī)問(wèn)題影響較大，也是汽車尺寸類人機(jī)工程最為常見(jiàn)的問(wèn)題之一 。電動(dòng)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(pán)、A 柱遮擋易引發(fā)道路盲障，在倒車時(shí)會(huì)存在可視性低問(wèn)題；在前進(jìn)時(shí)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(yáng)板、風(fēng)窗玻璃、內(nèi)視鏡的視野限制。高度可調(diào)座椅已成為不少用戶選購(gòu)車輛的一個(gè)重要考量因素。

   

電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包含連桿機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、滑板、電機(jī)等，具體如圖 4 所示。

  

2 個(gè)連桿及一個(gè)側(cè)板組成 3 個(gè)構(gòu)件，連桿和上滑板，連桿和側(cè)板組成 4 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，側(cè)板上電機(jī)的輸出齒輪和連桿的齒組成 1 個(gè)齒輪高副，限位銷和齒輪兩者同心為一個(gè)虛約束，基于自由度計(jì)算公式，3×3-2×4-1=0，因此，自由度為 0，實(shí)現(xiàn)座椅是個(gè)剛性體，而不至于駕乘人員坐下導(dǎo)致座椅塌下。電機(jī)的輸出齒輪與限位齒配合，每次電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)固定成為一個(gè)新的剛性體。

  

圖 5 為電機(jī)總成，包括電機(jī)、安裝于電機(jī)輸出軸上的蝸桿，雙聯(lián)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(shù)，多用于變速箱的滑移齒輪。其作用為改變輸出軸的轉(zhuǎn)速，齒輪箱里滑移齒輪能夠?qū)崿F(xiàn)多種轉(zhuǎn)速，沒(méi)有滑移齒輪就僅有一種轉(zhuǎn)速。雙聯(lián)齒輪的大齒輪與蝸桿嚙合實(shí)現(xiàn)第一級(jí)降速，小齒輪與行星齒輪組嚙合，輸出齒的轉(zhuǎn)速即為行星齒輪組繞雙聯(lián)齒輪的轉(zhuǎn)速，行星齒輪組實(shí)現(xiàn)第二次降速。蝸桿、雙聯(lián)齒輪、行星輪、齒盤(pán)均位于電機(jī)箱體內(nèi)。

  

電機(jī)扭矩 T=9 550 P/n，P 為功率；n 為轉(zhuǎn)速。扭矩也是特殊的力矩=力×旋轉(zhuǎn)半徑 r。蝸桿和雙聯(lián)大齒輪實(shí)現(xiàn)第一級(jí)減速，雙聯(lián)小齒輪與行星輪處實(shí)現(xiàn)第二級(jí)減速，使得電機(jī)的輸出扭矩較大，滿足需求（P 不變，轉(zhuǎn)速變小，扭矩變大，因此，旋轉(zhuǎn)時(shí)的力也大，滿足重質(zhì)量的人體）。雙聯(lián)齒輪和輸出齒輪各部分的齒數(shù)不宜過(guò)大，一般第一級(jí)減速的傳動(dòng)比在 1:40 到 1:50，第二級(jí)減速的傳動(dòng)比在 1:3.5 到 1:4，故而減速箱整體的傳動(dòng)比一般在1:150 到 1:200 之間。簡(jiǎn)言之就是電機(jī)輸出齒輪的轉(zhuǎn)速低，扭矩大，可承受較大力。常規(guī)電機(jī)參數(shù)（見(jiàn)表 1）能否滿足使用需求，需要根據(jù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)、座椅承載能力、座椅要求起升的周期等綜合評(píng)估。

2.2 電動(dòng)靠背及頭枕

  

靠背是座椅總成的一個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，電動(dòng)靠背及頭枕結(jié)構(gòu)包括電動(dòng)靠背調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、電動(dòng)腰托結(jié)構(gòu)、電動(dòng)頭枕結(jié)構(gòu)。與坐墊一起讓駕乘人員保持正確坐姿，轉(zhuǎn)彎時(shí)給人員提供支撐與保護(hù)。當(dāng)受到?jīng)_擊時(shí)，撞擊力傳遞于靠背、頭枕，并通過(guò)腰托、頭枕、側(cè)翼給與反向支撐和保護(hù)?？勘彻羌馨演d荷傳遞給調(diào)角器，并通過(guò)調(diào)角器傳遞到座墊骨架，最終傳至地板。

2.2.1 靠背角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

   

已有生理學(xué)研究表明，靠背傾角的改變會(huì)導(dǎo)致人體椎間盤(pán)受壓的變化，使背部肌肉負(fù)荷增加，牽動(dòng)脊椎變形，研究證明當(dāng)人體軀干與大腿夾角超過(guò) 110°時(shí)，椎間盤(pán)受力會(huì)大幅減小，所以靠背傾角的設(shè)計(jì)在座椅的人機(jī)形態(tài)設(shè)計(jì)中十分重要 。

  

因此，靠背可調(diào)已成為汽車座椅常見(jiàn)的設(shè)計(jì)之一。汽車座椅靠背角度（座椅傾斜角度）應(yīng)該允許駕乘人員根據(jù)個(gè)人喜好進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，對(duì)于乘用車，駕駛?cè)艘话懔?xí)慣將座椅靠背角度設(shè)為 20～26°之間；在貨車上由于較高的座椅高度，因而駕駛?cè)讼矚g坐直，其座椅靠背角度大約在 12～18°之間  。

  

圖 6 為座椅靠背調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，圖示可知靠背角度調(diào)節(jié)的核心件是調(diào)角器和電機(jī)，分別固定安裝在座椅連接板、靠背側(cè)板上，電機(jī)和調(diào)角器通過(guò)軸傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)。

   

這類電機(jī)力矩不需要很大，只需要滿足調(diào)角器的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩即可。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)同軸傳遞到調(diào)角器，實(shí)現(xiàn)向前向后調(diào)節(jié)，調(diào)角器外圈與座架固連成一體，不轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)置座椅側(cè)板上的限位板和坐墊連接板的幾何參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)向前向后的指定角度調(diào)節(jié)。

2.2.2 電動(dòng)腰托調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

舒適的坐態(tài)應(yīng)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(dāng)靠背與座墊的的夾角超過(guò) 90°時(shí)，腰椎骨需要得到支撐使脊柱保持自然彎曲狀態(tài)，否則會(huì)導(dǎo)致脊柱不正常彎曲，嚴(yán)重可致脊柱變形。對(duì)座椅背墊來(lái)說(shuō)，人員在駕乘時(shí)肩胛骨和腰椎骨區(qū)域處會(huì)是體壓分布強(qiáng)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(jù) GB/T10000—1988 中國(guó)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(dá) 149，在脊柱長(zhǎng)度，男性平均為 70～75 cm，女性平均為 66～70 cm?？筛鶕?jù)坐高及脊柱長(zhǎng)度判定覆蓋 90%的腰部中心線的差值在150 mm 范圍內(nèi)，作為判定腰托上下行程的依據(jù)。在腰部中心線上，腰部支撐輪廓線與脊柱參考線的距離，設(shè)計(jì)推薦值為 25 mm 。

  

目前市場(chǎng)上腰托結(jié)構(gòu)主要是兩向前后調(diào)節(jié)、四向上下及前后調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同駕乘人員需求。圖 7 為兩向電動(dòng)腰托結(jié)構(gòu)示意圖，電機(jī)內(nèi)部有蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、行星減速機(jī)構(gòu)，將電機(jī)高速低扭矩的輸出轉(zhuǎn)換成線輪的低速大扭矩輸出，線輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)拉線的伸出和收縮，此時(shí)驅(qū)動(dòng)板上的拉簧配合收縮和拉伸，引導(dǎo)變形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)靠背曲線變化。

  

變形機(jī)構(gòu)有靠板、驅(qū)動(dòng)板、拉簧、彈簧鋼片，單根線電機(jī)可利用拉線收縮帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)板上移，此時(shí)彈簧拉伸，驅(qū)動(dòng)板上移導(dǎo)致彈簧鋼片的弓起，靠板隨之鼓起。拉線放線時(shí)彈簧收縮帶驅(qū)動(dòng)板下移，相應(yīng)彈簧鋼片放平。

  

4 向腰托電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)是蝸輪蝸桿、齒輪齒條機(jī)構(gòu)，齒條輸出端連接拉線。如圖 8 所示，變形機(jī)構(gòu)有靠板、彈簧鋼片以及 2 個(gè)驅(qū)動(dòng)板，拉線依次穿過(guò)上驅(qū)動(dòng)板、下驅(qū)動(dòng)板再固定在上驅(qū)動(dòng)板，形成動(dòng)滑輪結(jié)構(gòu)。拉線帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)板相向移動(dòng)或相反移動(dòng)實(shí)現(xiàn)彈簧鋼片的弓起或平復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)靠板鼓起或放平，也就是腰托輪廓的前移和后移。

  

升降機(jī)構(gòu)是包含了滑板、基座以及基座上的變形機(jī)構(gòu)，2 個(gè)拉線配合帶動(dòng)基座滑動(dòng)，此時(shí)變形機(jī)構(gòu)的 2 個(gè)驅(qū)動(dòng)板相對(duì)位置不變動(dòng)，因而實(shí)現(xiàn)了 2 向上下移動(dòng)。雙線電機(jī)齒輪兩端的一個(gè)拉線而一個(gè)放線來(lái)帶動(dòng)腰托上移，一個(gè)放線而一個(gè)拉線實(shí)現(xiàn)腰托下移，也就是腰托輪廓中心線的高度變動(dòng)。

2.2.3 電動(dòng)頭枕調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

  

頭枕是座椅重要組成部分，對(duì)汽車座椅碰撞安全性起到關(guān)鍵作用 。碰撞時(shí)起到阻止頭部與胸部的相對(duì)移動(dòng)，保護(hù)頸部的作用。設(shè)計(jì)頭枕參考依據(jù)主要為《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》（GB15083—2006），頭枕調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)需要滿足標(biāo)準(zhǔn)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(guò)相關(guān)的試驗(yàn)?；?GB/T10000—1988 中國(guó)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(diào)節(jié)應(yīng)具備一定行程。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的頭枕為機(jī)械式，頭枕有固定式、手動(dòng)可調(diào)式、電動(dòng)式調(diào)節(jié)。電動(dòng)頭枕內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具體如圖 9 所示。頭枕處于其調(diào)整范圍內(nèi)最不利位置時(shí)（一般為最高位置要求）應(yīng)滿足使用要求。電動(dòng)頭枕的電機(jī)輸出端連接有絲桿，驅(qū)動(dòng)板內(nèi)部的螺母沿著絲桿螺旋運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)板在導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)上升或下降。頭枕伸出骨架可直接插在驅(qū)動(dòng)板上的頭枕卡槽里實(shí)現(xiàn) 2 向運(yùn)動(dòng)。頭枕骨架和頭枕卡槽還可用常用頭枕導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)配合，需要拆卸頭枕可直接手動(dòng)按壓導(dǎo)軌上的按鈕拆除。

   

目前市場(chǎng)上還有主動(dòng)式安全頭枕，其主要是在發(fā)生追尾碰撞時(shí)能根據(jù)駕駛員或乘員自身質(zhì)量作用或者碰撞傳感器自我判定并主動(dòng)調(diào)節(jié)頭枕與乘員頭部的距離，本文不做過(guò)多贅述。

3 小結(jié)   

傳統(tǒng)電動(dòng)座椅設(shè)計(jì)大多基于經(jīng)驗(yàn)主義，較難確保電動(dòng)座椅整體結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，也不利于同平臺(tái)可能的設(shè)計(jì)變更。本文從人際工程學(xué)及相應(yīng)法規(guī)角度，分析座椅骨架結(jié)構(gòu)及其功能件的原理及設(shè)計(jì)思路，以確保在設(shè)計(jì)初期能夠?qū)崿F(xiàn)合理的布局設(shè)計(jì)，為座椅造型設(shè)計(jì)及創(chuàng)作提供準(zhǔn)確的空間關(guān)系、工程硬點(diǎn)，尊重尺寸，把人的使用作為局部設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，確保造型效果符合實(shí)際需求并提高舒適性。因此保證設(shè)計(jì)的高效性，進(jìn)而提升整體的研發(fā)效率，產(chǎn)品迭代速度。