汽车座椅H点测试中躯干角变化对H点坐标的影响

邢立峰，黄玉强，孙继国，徐源林

（长春富维安道拓汽车饰件系统有限公司，长春 130033）

汽车座椅H点测试中躯干角变化对H点坐标的影响

邢立峰，黄玉强，孙继国，徐源林

（长春富维安道拓汽车饰件系统有限公司，长春 130033）

为研究汽车座椅H点测试结果中H点坐标合格但躯干角不合格问题的解决方法，建立H点装置（H-point Machine，HPM）与座椅之间的力学分析模型，计算附带配重的假背质心位置，通过力学分析计算得到躯干角在一定范围内增大3°时沿座垫表面方向力的变化和垂直座垫表面方向力的变化。结合H点测试用棉布摩擦作用与座垫刚度曲线，分析躯干角增大3°引起座垫表面力的变化对H点坐标的影响。通过实际样件座椅H点测试验证力学分析结果的正确性，为汽车座椅设计开发提供了理论依据。

汽车座椅 ；H点装置；H点测试；H点坐标；躯干角

随着汽车技术的高速发展，人们对汽车的各方面要求也在逐步提高。人们不仅关注汽车的品牌、外观、安全等因素，也开始意识到舒适性的重要。座椅是与人直接接触的汽车部件，所以座椅舒适性对整车舒适性的影响至关重要。

座椅舒适性包含静态舒适性、动态舒适性和操作舒适性。静态舒适性是指人与座椅之间相互作用的关系能否给人提供良好的视野、乘坐感受等。而人眼的椭球视野是由R点与躯干角决定。R点是主机厂定义的设计基准点，在整车总布置初始阶段，主机厂会定义好整车坐标系下SAE 2D假人的R点坐标、躯干角、足跟点等信息。验证座椅R点与躯干角是否设计合格的试验称为座椅H点测试，所以若H点测试不合格，会导致出现视野盲区。许多其它汽车零部件如挡风玻璃、仪表板、前照灯等都是由这个椭球视野来决定的，如果H 点测试不合格，这些零部件系统都可能不符合国家法规的要求。所以，H点测试合格是静态舒适性的一个重要检验指标。

国内关于汽车座椅H点的文献主要分三类：介绍H点布置方法［1-2］，优化H点布置方法［3-6］，介绍H点测试方法［7］。国外学者［8］建立了座椅的数学模型，可预测座椅实际H点。但目前还没有学者对H点测试结果不合格的解决方法开展研究。

针对H点坐标合格但躯干角不合格的情况，利用力学知识去研究躯干角变化对座椅H点坐标的影响程度，为H点测试不合格问题的解决提供理论数据支撑，还将通过试验来验证力学分析结论。

1 H点测试过程中的力学分析

根据H点测试工况进行力学分析，当HPM放置到座椅上时，座板、背板由于重力的作用会对座椅产生一定的压缩变形，从而确定假人的姿态，现将重力分解探讨作用效果。

1.1 H点测试简介

H点测试是将座椅安装至夹具并固定在工作台上，在整车坐标系下调节座椅与脚踏板至特定位置，按照一定的操作方法摆放H点装置后，测试H点坐标与躯干角角度。如图1所示，H点装置的跨点（Hip-point）坐标就是该座椅在此位置的H点坐标，躯干面与YOZ面的夹角就是该座椅在此位置的躯干角。H点装置通常也被称为H点假人。

座椅每一个位置都会对应一个H点，大多数情况下R点是座椅设计位置下的H点，有些座椅R点对应的是座椅最低最后位置。下文中提到的H点均指座椅设计位置的H点。

测试设备：FARO关节臂式坐标测量机，如图1b所示。

测试软件：CAM2。

测试标准：GB11551—2014。

H点装置：符合SAE-J826要求，H点装置结构如图1a所示。图1b为H点装置实际图。为方便后续描述简化名称，本文中结构1、2、3、9、11合称为假背，4、5、6、7、12、13合称为假臀。

测试说明：两侧H点标记按钮的x坐标差值、z坐标差值同时小于2 mm时读取平均值为当前位置的H点x、z坐标。因为基于夹具建立的整车坐标系为局部坐标系，所以必须在局部坐标系中通过FARO关节臂测量躯干面与YOZ平面的夹角为躯干角角度。用角度尺量得的是在全局空间坐标系下的角度，这个角度是不准确的。

图1 H点测试

1.2 附带配重的假背质心位置计算

质量中心简称质心，指物质系统上被认为质量集中于此的一个假想点。与重心不同的是，质心不一定要在有重力场的系统中。

在一个N维空间中的质量中心，质心坐标系计算公式为：

式中：X为某一坐标轴；mi为物质系统中某i质点的质量；xi为物质系统中某i质点的坐标［9］。

图2为H点假人质量分布。

图2 H点假人质量分布

如图3所示，假人躯干角为0°时，可根据式（1）得到附带配重的假背质心相对H点在水平方向上的距离，单位为mm。

式中：X1为H点与假背质心在水平方向上的距离，由分析软件Pam-comfort中的假人模型可知X1=31.3 mm。8.4 kg为假背质量，32 kg为8个胸部配重质量，因为胸部配重相对H点在水平方向上的距离为0，所以分母上的算式中没有关于胸部配重的算式。

图3 带配重的假背质心计算

可根据式（1）得到附带配重的假背质心相对H点在竖直方向上的距离，单位为mm。

式中：H1为假背质心与H点在竖直方向上的距离；H2为胸部配重质心与H点在竖直方向上的距离。由分析软件Pam-comfort中的假人模型可知H1=270.3 mm，由SAE J826可知H2=356.4 mm。

则附带配重的假背质心和H点的连线与躯干线的夹角为：

1.3 假人躯干角为α时的力学分析

由式（4）可知，当H点假人躯干角为α时，带配重的假背质心和H点的连线与竖直方向的夹角为：

如图4所示，带配重的假背在其质心与H点连线方向的合力为：

式（6）中，分析软件Pam-comfort中建议假人与测试用棉布之间的摩擦因数为f=0.2；G为附带配重的假背的重力，并且近似认为G sinφ与座椅靠背表面垂直，以此来简化摩擦力的计算。

图4 假背受力分析

F在水平和竖直方向产生的分力Fx、Fz分别为：

统计多个座椅躯干角实测值，总结得躯干角实测范围为19°～27°，利用式（4）～（7）进行计算，可知假人躯干角与F的分力对应关系见表1。

表1 不同躯干角下的带配重假背力学分析

表1中，T为躯干角；ΔF′x为躯干角增加1°对应的Fx变化；ΔF′z为躯干角增加1°对应的Fz变化。

据表1可得出结论：躯干角每增加1°，附带配重的假背重力作用到座垫上的水平力Fx平均增加约3.6 N，竖直力Fz平均减少约6 N。

1.4 力学分析结论

统计多个座椅躯干角实测值，3°约为偏离合格范围的最大角度，所以研究躯干角变化3°对H点坐标x、z值的影响。增大3°、减小3°引起的影响是相反的，所以仅研究一种趋势。

1.4.1 躯干角增大3°对H点x值的影响

由表1得出的结论可知：躯干角增大3°则Fx变化值ΔFx=10.8 N，Fz变化值ΔFz=-18 N。

统计多个座椅设计位置的座垫表面角度，大多座垫角度为10°～18°，取中间值，假设座垫角度为14°。据图5所示的受力分析，可计算得到躯干角增大3°时ΔFx、ΔFz的分力大小，单位为N。

ΔFx沿座垫表面的分力：

ΔFx垂直座垫表面的分力：

ΔFz沿着座垫表面的分力：

ΔFz垂直座垫表面的分力：

由式（9）和（11）可得躯干角变化3°引起的垂直座垫表面变化的合力：

则沿着座垫表面摩擦力为：

由式（8）、（10）、（13）可得躯干角变化3°引起的沿座垫表面变化的合力：

图5 座垫表面的力学分析

验证沿座椅表面施加17.9 N的拉力是否会引起假人的移动。如图6所示，在H点测试工况下，调节座垫角度至14°，摆放H点假人后，用测力计平行于T-bar上表面方向上拉T-bar至29.6 N，假人无位移。由此可知，沿座椅表面的力17.9 N不会引起假人位移。

由上述分析可知，当座椅躯干角增大3°，沿座椅表面向前力增大17.9 N，不会引起H点x坐标变化，即躯干角变化3°不会对H点x值产生影响。

图6 某座椅座垫角度14°时拉拽T-bar

1.4.2 躯干角增大3°对H点z值的影响

由表1得出的结论可知：躯干角增大3°则Fz变化为ΔFz=-18 N。由图2可知：除假背和胸部配重外的假人质量为36.3 kg。

对座垫上的压力进行预估：根据图7所示的H点测试工况，主要是座垫与脚踏板对36.3 kg进行分担支撑，据质量分布可知座垫承受压力更大。图8和图9是座椅座垫刚度测试示意图及4种座椅的刚度曲线，可知当座垫承受的总压力越小时，座垫承受的压力变化对位移产生的影响越大。所以，假设图7所示的部件总质量均分给座垫和脚踏板，即座垫上的压力为18.15 kg。这种预估方式虽然减小了坐垫承受的压力，但是放大了Fz变化对位移的影响，即此预估方式是在更恶劣的情况下考查躯干角变化对H点z坐标的影响。

图7 座垫与脚踏板力学分析

图8 座垫刚度测试

图9 四种座椅座垫刚度卸载曲线

因为躯干角越大，座垫压力越小，Fz变化对位移的影响越大，所以假设假人初始躯干角为27°，由表1可知带胸部配重的假背对座垫产生的竖直压力为275.8 N，则假人施加给座垫竖直方向的总压力为：18.15×9.8+275.8=453.7 N。

因为躯干角增大3°时Fz减小18 N，所以在453.7～435.7 N卸载曲线范围内研究躯干角增大3°对位移产生的影响。图9为4种不同座椅座垫的刚度卸载曲线，453.7～435.7 N区间刚度判断18 N力值变化对z坐标的影响。由图可知，z坐标最大变化约0.7 mm。综上所述，躯干角变化3°会对H点z值产生约0.7 mm的影响。

2 试验验证

对某座椅进行H点测试，验证躯干角变化3°范围内H点x、z坐标的变化情况。由于测量人员测试误差为3 mm，所以只要x、z坐标变化在3 mm范围内均可认定为x、z坐标无变化。

在3D数据中，基于设计位置的座椅数据旋转靠背角度向前1.5°、向前3°、向后1.5°、向后3°，记录对应头枕内侧导套上表面中心坐标值，根据这些坐标值调整座椅样件靠背角度，测试对应的实际H点坐标和躯干角，测试结果见表2。表中T为不同靠背位置下的躯干角，ΔT为不同位置相对设计位置躯干角的差值；x、z代表不同靠背位置下的H点坐标，H点坐标分布情况如图10所示。

表2 不同靠背位置对应的H点测试结果

图10 各靠背位置对应的H点分布图

3 结论与展望

开展了HPM与座椅之间的力学分析，得到躯干角在一定范围内增大3°引起的HPM对座椅座垫表面的作用力变化，其中沿座垫表面向前力增大17.9 N，垂直座垫表面向下的力减小18 N。依据座垫表面力的变化，结合测试棉布的摩擦作用得到结论：躯干角增大3°时对H点x坐标无影响。结合座垫刚度曲线得到结论：躯干角增大3°对z坐标产生约0.7 mm的影响。最后通过H点测试验证躯干角增大3.09°时x值减小0.42 mm，z值减小0.15 mm；躯干角减小2.79°时x值减小0.77 mm，z值减小2.35 mm。由于人工测试误差为3 mm，所以可认为躯干角变化3°对座椅H点坐标没有影响，该试验结果验证了理论分析结论的正确性。

在座椅项目开发过程中，若座椅H点测试结果中躯干角偏离合格范围3°以内，H点坐标值合格且距离公差极限3 mm以上（考虑人工测试误差3 mm），可以根据以上结论仅改变躯干角大小以满足合格要求，不需要考虑躯干角变化对H点坐标的影响，但需要明确如何修改座椅才能保证仅改变躯干角。

可继续研究H点坐标变化5 mm对躯干角的影响。影响座椅H点的因素有很多，如泡沫厚度、泡沫硬度、护面包裹的松紧程度、座椅骨架结构等，但是各个因素的影响程度如何还需要进一步研究，同时还要考虑在座椅设计初始阶段如何控制这些因素，以保证座椅实际H点合格。

由表2可知，虽然躯干角最大变化了3.09°，但是H点坐标变化在3 mm范围之内，这也验证了力学分析结果是正确的。

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作者介绍

责任作者：邢立峰（1986-），男（满族），吉林长春人。硕士，中级工程师， 主要从事座椅舒适性研究。

Tel：0431-88700895

E-mail：lifeng.xing@adient.com

Investigating the Influence of Change in Manikin Torso Angle on H-point Coordinates in Car Seat H-point Test

XING Lifeng，HUANG Yuqiang，SUN Jiguo，XU Yuanlin
（Changchun Faway Adient Automotive System Co., Ltd，Changchun 130033，China）

In order to find the solution for car seat H-point test failure due to the unqualified torso angle though the H-point coordinates are valid, a mechanics analysis model based on the H-point machine（HPM）and seat was built. The center of mass of the dummy’s back with torso weight was calculated and the force variation between the HPM and seat cushion could be obtained when the torso angle was increased by 3°. Then in consideration of the cotton cloth friction and seat stiffness, the paper analyzes the influence of the torso angle increase on H-point coordinates. Finally the analysis results are proved by the H-point test, providing theoretical support to car seat design.

car seat；H-point machine；H-point test；H-point coordinate；torso angle

引用格式：

U463.83+6

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.04.09

黄玉强（1976-），男，吉林长春人。硕士，中级工程师，主要从事座椅试验室管理与座椅舒适性研究。

2017-03-04 改稿日期：2017-03-29

邢立峰，黄玉强，孙继国，等. 汽车座椅H点测试中躯干角变化对H点坐标的影响［J］. 汽车工程学报，2017，7(4)：306-312.

XING Lifeng，HUANG Yuqiang，SUN Jiguo，et al. Investigating the In fl uence of Change in Manikin Torso Angle on H-point Coordinates in Car Seat H-point Test［J］. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(4)：306-312.(in Chinese)

Tel：0431-88700908

E-mail：yuqiang.huang@adient.com