深度解析 | 关于汽车座椅设计我们需要知道什么?

2016-07-28 12:16:41     作者:张小明      来源:雷锋网

在所有的汽车设计中,设计师们第一步都是先确定座椅的设计。

雷锋网(搜索“雷锋网”公众号关注)按:本文作者张小明,设计师,车辆工程专业。

为了让这篇干货文章足够深度,我花了1个月的时间,从各处搜阅资料。除对日本平成21年(2009年)4月发行的《Motor Fan》杂志内容进行详细研究之外……还与品牌座椅工程师进行了深度交流。

设计座椅是汽车设计的第一步

没开玩笑,在所有的汽车设计中,设计师们第一步都是先确定座椅的设计。准确点说,设计师们最先考虑的是车内成员的坐姿。对于SUV车型来说,驾驶员的坐姿会更直立一些,位置也会更高;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最终确定。

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。这个听起来简单,给你们看张图就知道座椅设计的复杂了:

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、下半部分突出的造型。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极高,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。这些都是极为专业的内容,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。以中国设计师、工程师目前所掌握的技术和经验来看,要想完全自主来进行座椅的研发,确实是个比较困难的过程。据说中国目前还没有自主研发座椅的实力。

好了,上面算一个概述,下面我按照不同方向来跟大家聊聊有关座椅设计的那些事儿。

<材质篇>

你以为面料就是简单地将各种材质包上去?当然不是,其实座椅的面料单独是个专业。如何最大化地将一整块皮子分块?如何进行缝纫久坐后也不会破损?如何进行表面处理,使得座椅能够耐刮擦、耐光照、并且可清洗?在极端环境下,如何保证座椅的耐用性?这些都是座椅在研发时需要考虑到的。工程师告诉我,他们的表链式座椅就是将一整块皮子直接用纯手工缝制出表链式的效果,如果将座椅进行拆解的话,依然是一整张皮子,这些都是经过精心设计的。

织物座椅虽然看上去Low,但优点也很多,很多人买车的时候非常抵触织物座椅,认为会严重拉低车子的形象。但实际上,织物座椅也是有不少优点的,比如透气性。人坐在座椅上的时候,基本上与椅面是完全贴合的,这就造成了热量散不出去,所以特别容易出汗。但是织物材质的座椅就基本不会出现这个问题。同时,织物座椅的摩擦力非常大,可以很好地限制人在座椅上的滑动,在急转弯或急刹车时不会出现危险。

座椅除了织物材质就是真皮的吗?在车辆的配置表中,一般在座椅那栏会有两种材质:织物和真皮。织物材质就不提了,但你知不知道,很多所谓的真皮座椅,其实并不是真皮。一般主机厂为了控制成本,会用一种叫做PVC的材质来代替真皮,这种材质透气性不好,柔韧性差,摸上去也没有真皮细腻的手感。不过比真皮容易打理,成本嘛,自然是低了不少。很多消费者又不懂,于是就被这种所谓的真皮蒙骗了。像宝马、奥迪这样的高端品牌中的低端车型,有可能采用的就是PVC材质的座椅。

除了PVC,还有一种“高仿真皮”,使用人造材质,叫做超细纤维。这种材质虽然不是真皮,但是可以做到跟真皮一样的特性,并且容易打理。虽然这种材质的成本不算低,但跟真皮比起来还是能便宜一些的,很多主机厂会将这种材质运用到其中端或是中高端车型中。下图的表链式座椅中,90%是NAPPA皮,10%是超细纤维。

很多座椅品牌,会在配置表中强调自己配备的是NAPPA真皮座椅。但实际上,并没有这种叫做NAPPA的真皮,上图表链式座椅采用的是德国巴伐利亚的小牛皮,只不过运用了一种特殊的鞣制技术,既保证了真皮的呼吸,也使得皮质的呈现更细腻更柔软,当然了也更耐磨。这种经过特殊的二次加工出来的皮子才叫做NAPPA真皮。

<结构篇>

除了舒适性和支撑,更重要的是安全。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。

座椅构造的变化

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。

座椅也需要考虑轻量化

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。

座椅内部的布置是项不小的挑战

在座椅的内部,除了基本的结构件以外,还布置有复杂的电机甚至空调管路,设计师们既要保证各部件的可靠性及耐用性,又要尽可能地控制体积和重量,是个不小的挑战。工程师告诉我,在座椅的布置中比较难以设计的就是按摩功能,因为模块会占用不小的空间,同时还要保证功能的耐久度和安全性,需要一点一点去调整。

<设计篇>

正常坐姿可以够到中控台上的所有按键

在确定驾驶员的坐姿时,其中有一项要求是:驾驶员在正常坐姿时,要能操控中控台上的所有按键。这在汽车设计中也有个专有名词,叫做「手伸界面」。这不仅是为了方便驾驶员操作,更能保证行车时的安全。

要能适合不同身高的驾驶员

对于不同的驾驶员,坐垫长短、靠垫长短、靠垫宽度、头枕位置等等这些都会带来不同的驾驶感受。也因此,设计师们在设计座椅时需要考虑到驾驶员的不同身高,设计合理的调节范围,尽量满足多数人的需求。

易于控制油门、刹车踏板

说实话,很少有人会注意到这一点,但是对于设计师们来说,又是设计座椅时不得不考虑的因素。为了保证车上成员的安全,驾驶员在正常坐姿下必须保证能够全力踩下刹车。这跟坐垫的高度、角度、踏板的角度等等都有关系,也是需要综合考虑的。

避免手臂和身体周围部件“打架”

开车时有可能会遇到各种突发情况,需要快速打方向。这就要求手臂移动范围内不能有任何其他部件干扰到驾驶员的操作,否则非常容易出现危险。

座椅舒适性在于将重力分散

座椅工程师们做过研究,普通座椅的坐垫在乘坐时压力主要集中在臀部和大腿根部,靠背在乘坐时压力主要集中在腰部,这样坐起来就会特别累。而特殊设计过的座椅可以将臀部和大腿根部的压力分散到大腿靠近膝盖的位置,而腰部的压力也会分散到背部上方甚至肩部。

满足舒适性的要求下,尽量减小靠背厚度

我们都知道,相对较厚的靠背,乘坐舒适感要更强。但是,为了保证车内的乘坐空间,设计师们要确保满足舒适性的要求下,尽可能减小靠背的厚度。而对于那些为了空间玩了命缩减靠背厚度不考虑舒适性的,试问你们是在耍流氓吗?

如果躺,请平躺

一些车型的后排座椅像飞机的头等舱,可以让乘客“躺”着坐车。这类座椅往往都会配备腿托,将小腿托起来,这样有助于改善脚步的血液循环。对于这样的座椅,如果头枕也可进行角度或是前后的调节会更好,这样可以对脖颈起到足够的支撑。

<功能篇>

座椅电机——器小也要活儿好

座椅的电动调节都是靠安装在座椅里面的电机,无论是位置还是附加的加热、按摩、通风等功能都是要求电机的体积极小、力量很大、耐久性很好,一般的电机还真是达不到高的要求。

后排靠背角度可调是良心设计

工程师告诉我,最适合中国人体型的后排靠背角度是25-29度。这样看来,如果后排座椅靠背可以调节角度的话,那真是良心设计了,既能又舒适的坐姿,又可以进行车内空间的拓展。

座椅加热——半路夫妻不如原配好

很多低配车型是没有座椅加热功能的,但是很多车主会这样想:我可以后期从某宝上面买啊,功能也有了,还省了不少钱。但是,我前面说过了座椅是非常重要的安全部件,后装的座椅加热可能在加热效果甚至耐久性上不如标配的座椅加热,达不到主机厂指定的标准,因此我个人还是不建议乱改的。

后排最舒适的莫过于蝴蝶式头枕

如果你体验过蝴蝶式头枕的话,你一定会认同我的观点。在我看来,后排头枕绝对应该在保证安全的前提下,尽可能的软。而如果是蝴蝶式头枕就再好不过了,因为可以限制头部的侧向移动,会不会有种枕在“双峰”上的感觉?

屁股是最敏感的信息接收器?

如今一些车型上会有各种主被动安全配置,如果车辆在没开启转向灯的时候偏离车道,座椅会震动提示驾驶员注意。工程师告诉我,相对于仪表盘上的指示灯或是声音提示来说,利用座椅的震动将警示信息传递给驾驶者,是更加安全的设计,只不过成本会相对较高。

<安全篇>

座椅、安全带和气囊通常是一个系统

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。

防止在碰撞中身体受到的压力过大

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,此时最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。

追尾时控制下体的前移

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顶起,从而对下肢起到更强的限制滑动的作用。

头枕主要是为了防止追尾时受伤

在日本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,就需要比较长期的治疗,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。

<测试篇>

头枕设计中最重要的测试——鞭打试验

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。

30万次上下车耐久测试

工程师告诉我,他们的顶级座椅会进行30万次的模拟人体上下车测试,必须保证在这样的耐久性测试下,座椅不发生变形、破损,并且功能正常。

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