关于汽车座椅设计中的舒适和安全

时间：2021-11-08

在所有的汽车设计中，设计师们都是先确定座椅的设计。准确点说，设计师们先考虑的是车内成员的坐姿。对于SUV车型来说，驾驶员的坐姿会直立一些，位置也会高；而对于轿车来说，驾驶员的坐姿会低很多，并且微微后仰；对于一些赛车（比如各级别的方程式），驾驶员其实是“躺”在车内的。之所以要先设计座椅，是因为确定了驾驶员的坐姿以后，才能根据人体的H点来设计座椅，包括位置、造型、薄厚、可调角度等等。也只有确定了坐姿之后，方向盘、踏板、中控台、车门等等这些位置才能够终确定。要想设计一款舒适的座椅，光靠各种理念来支撑肯定不行，重要的是得知道具体的人体数据。一般来说，设计师们会利用人体百分比模板来做参考。也就是说，设计出来的座椅可以让百分之多少的人能够正常乘坐。
人体的脊柱是有自然S型弯曲的，也因此座椅靠背要设计成上半部分凹陷、下半部分**的造型。一般来说，要想让人坐起来比较舒适，座椅要对胸上部、后背中部和上部以及腰椎的下部有着比较强的支撑才可以。
千万别以为座椅舒适度指的就是长时间乘坐不会累，实际上，座椅设计时要解决的另外一个问题就是应对加速度。对汽车来说，无论是急加速还是急转弯，其纵向或是横向的加速度基本可以达到0.7G、0.8G左右。因此，座椅除了要具备一定的侧向支撑，从而限制住驾驶员身体的来回移动，同时还要能够消除在合成加速度状态下车上成员的不适感。
一般座椅由表层材质、填充物、骨架、调节装置和车身连接件构成。虽然看似不是很复杂，但是由于座椅的使用频度较高，又和安全息息相关，因此每一部分在设计时都必须考虑到安全性及耐用度。所以座椅的研发周期很长，基本上跟整车是同步的。工程师告诉我，就表链式座椅而言，研发周期大概在2年左右。
座椅是重要的安全部件，其性能由骨架、材料、样式等因素综合决定。这些都是较为专业的内容，需要数据和开发经验的积累，也需要专业的实验验证设施和技术。
座椅除了舒适性和支撑，重要的是安全。人给座椅一个压力，座椅就会给人一个反作用的支持力，这是我们在中学时学到的知识。因此，在正常驾驶状态时，座椅要能保证给驾驶者很好的支撑，同时靠合理的设计将支持力分散到身体的各处，保证长途驾驶的舒适性。而在特殊情况时，例如发生碰撞，座椅要通过结构设计保证车内成员的人身安全，这才是座椅结构设计的一大难点。
在1960年以前，主流的座椅内部支撑构造为卷线式弹簧，主要考虑到舒适性。但是，这种卷线式的弹簧的重量较大，并且很占空间，因此，设计师们研发出了S型弹簧，作为卷线式弹簧的替代。后来设计师们经过多次的试验后发现，如果将卷线式和S型弹簧一起使用，既能提高舒适性，又能保证足够的支撑，同时重量上也没增加太多，因此这种并用的设计开始出现在一些高档车型中。
座椅的体量比较大，也因此在设计时一定要考虑到轻量化，当然前提是不能丧失安全性。比较直观的方法是减少金属材质的运用，比如采用较薄较轻的材质，或是依靠打孔来减重，不过这需要进行大量的模拟分析计算，以确保座椅的安全性。
由于座椅是重要的安全部件，因此设计师们在设计时往往要将座椅、安全带和气囊作为一个系统综合考虑，这个系统叫做成员约束系统。听上去虽然简单，但实际上有N多试验要做，否则不能通过国家的法规及碰撞测试要求。
当出现来自后方的冲击时，人体会给座椅靠背一个向后的作用力，作用力的分布呈倒“T”字型，此时大的压力点在于腰椎附近。因此，座椅工程师们对靠背内部的弹簧形式和分布做了改进，从而减轻在碰撞中座椅对身体的压力。
很多车型的坐垫会有一定的角度，满足舒适性的同时，也可以限制车内成员在追尾时不至于下体过度前移。目前有一种装置可以在发生追尾时将膝部的坐垫再度**起，从而对下肢起到强的限制滑动的作用。
有研究人员做过交通事故方面的调查，其中有30%的事故来自于追尾，而在追尾事故中，90%的人都会颈部受伤。这种伤害虽然不至于致死，可一旦颈部受伤，就需要比较长期的**，并可能会有一系列的并发症。而头枕的设计，就是为了防止颈部在追尾时受到伤害。
在头枕的设计过程中要进行鞭打试验，实际上就是模拟现实生活中的低速后碰情况。之所以叫做鞭打，是因为在巨大的冲击力下，由于惯性，头部会向后甩动，就像挥鞭子一样。如果没有对头部的合理支撑，就会导致颈椎受力过大而折断。

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