模拟汽车动态座椅受力的靠背形状设计系统及方法

技术领域

本发明涉及汽车座椅技术领域，尤其涉及一种模拟汽车动态座椅受力的靠背形状设计系统及方法。

背景技术

随着汽车技术及国民经济水平的飞速发展，汽车已经走入千家万户，与日常生活息息相关。在汽车零件的设计领域，设计师不但要考虑到零部件在静止未受外力情况下的强度、刚度等力学性能。更要结合汽车在不用路况行驶状况下，汽车不同动态下的汽车零部件受力情况，以此进行零部件设计。尤其在汽车座椅设计领域，因为驾驶人员与汽车靠背接触时，大多处于驾驶行为。更要结合汽车不同动态下座椅靠背给驾乘人员带来的舒适性能。常用的模拟汽车动态的方法是利用振动台来实现汽车在不同路面上的情况，但是振动机构较为复杂，且无法直观的反应测试者的受力情况。

汽车座椅是驾驶人员在驾驶行为时直接接触的汽车零件，相关资料表明，对于长期从事驾驶行为的人员，其背部疾病的发病率远高于常人。汽车座椅在行驶过程中承担了人体大部分的重量，因此汽车座椅设计的优劣程度极大程度上影响了驾乘人员的舒适程度，传统的汽车座椅是国家标准GB/T 10000-1988中的95分位的人体模型设计的，因此对于身材与设计的假人模型相差过多的驾乘人员十分不友好。且传统的汽车座椅靠背只能改变座椅的倾斜角度，座椅靠背的形状不可改变，因此很难满足不同驾乘人员对于调整汽车座椅靠背以适应自身生理特点的需求。

发明内容

为了克服现有技术当中存在的缺陷和不足，本发明提出了一种新型的模拟汽车动态座椅受力的靠背形状设计系统及方法，以使设计人员利用汽车动态模拟机构，通过数据直观地提取到不同路况下的背部受力信息，通过改变气垫突出度，针对不同特性选择符合设计需求的靠背形状，指导座椅靠背设计。

其具体采用以下技术方案：

一种模拟汽车动态座椅受力的靠背形状设计系统，其特征在于，包括：

由液压机构、柔性弹簧、支撑台面以及测试台组成的模拟不同路况情况的汽车动态模拟机构；

由座椅骨架、多个气垫以及均布在椅面的压力传感器矩阵构成的靠背形状控制模块；

单片机通过控制所述液压机构的电机，使测试台在液压机构的带动下按照振动函数的规律模拟不同路况下的汽车动态情况；

上位机接收到所述压力传感器矩阵传递的压力信息后，通过对压力信息矩阵进行分析，得到在模拟不同路况的动态下，椅面不同位置的压力值信息。

所述上位机根据椅面不同位置的压力值信息，通过单片机控制气阀开闭时间，改变气垫的不同突出度，以改变座椅靠背形状；并通过压力传感器矩阵采集改变座椅靠背形状后的压力信息矩阵。

优选地，通过改变振动函数

优选地，所述压力传感器矩阵的每一压力传感器紧贴设置在椅面上。

以及根据以上装置系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：将靠背形状控制模块作为测试座椅安装在测试台上；

步骤S2：使用者入座，使背部与座椅面上分布的压力传感器充分接触；

步骤S3：设置测试台的振动幅度和频率以模拟不同路况，采集背部受力情况；

步骤S4：将背部受力数据导入上位机，经数据分析后，利用单片机控制气垫的充气时间，改变座椅靠背形状，使得受力最大部位，气垫凸出程度最大，以此来改善背部受力情况。

优选地，步骤S1具体为：选择平整的测试地面，在地面上布置用来模拟不同路况的动态测试台，确认测试台安装无误后，将可控制靠背形状的测试座椅放置在测试台上。

优选地，步骤S2具体为：使用者根据自身的生理特征使背部与测试台上座椅面之上均匀分布的压力传感器充分接触，并保持姿势相对固定。

优选地，步骤S3具体为：设置测试台的振动幅度和频率以模拟不同路况，在此期间，利用椅面上均匀分布的压力传感器采集不同路况下的背部压力分布信息。

优选地，在步骤S4中，采集改变座椅靠背形状后的压力分布，并循环执行步骤S3-步骤S4，直至压力分布符合设计的要求。

本发明及其优选方案通过动态模拟机构，设置座椅所在动态模拟测试台不同的振幅和频率，达到模拟不同的路况信息的目的。在此基础之上，收集均匀布置在椅面的传感器在不同动态下得到的压力信息，分析在不同模拟状况下的背部受力情况，得到背部受力最大区域，控制台根据此数据控制气垫的充气时间，以此控制分布在椅面气垫的凸出度，从而达到改变椅面形状来达到改善乘坐者背部压力分布的目的。在需要进行汽车座椅设计的场合中，使用本发明提出的系统和方法，相对于传统汽车领域，在考虑座椅在不同路况下受力进行座椅靠背形状设计的方法，可以有效的降低传统汽车座椅在设计座椅形状时利用振动台这一复杂机构而带来的不便性，简易的座椅动态模拟机构可以极大的提高针对不同路况下，座椅靠背设计的效率。此外，利用气垫的凸出度来改变座椅面形状以达到改善背部压力分布的方法，也克服了以往汽车座椅椅面形状不可更改的缺点，大大提高了座椅对不同人群的适应性和舒适性，本发明提出的系统结构简单，易于扩展新内容，制作成本低，兼容性好。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是本发明实施例汽车动态模拟机构示意图；

图2是本发明实施例靠背形状控制模块示意图；

图3是本发明实施例系统整体结构示意图；

图中：1-控制台；2-单片机；3-座椅骨架；4-第一气垫；5-第二气垫；6-第三气垫；7-压力传感器；8-液压机构；9-柔性弹簧；10-支撑台面；11-测试台；12-计算机屏幕。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：

如图1-图3所示，本实施例装置提供的模拟汽车动态座椅受力的靠背形状设计系统的主要结构包括：

由液压机构8、柔性弹簧9、支撑台面10、测试台11组成的模拟不同路况情况的汽车动态模拟机构；其中，单片机2通过控制液压机构的电机，使测试台在液压机构的带动下按照规定的振动函数的规律模拟不同路况下的汽车动态情况。通过改变振动函数

以及，由座椅骨架3、气垫（包括第一气垫4、第二气垫5、第三气垫6，其中，气垫必须有多个以实现区分式的调节，分隔的块数越多调节越精细）及均布在椅面的压力传感器7的靠背形状控制模块。靠背形状控制模块主要功能是当压力传感器将采集到的压力信息通过单片机2的串口通讯方式传递至控制台1，控制台1接收到压力信息后，对压力坐标值进行分析，得到在模拟不同路况的动态下，椅面压力最大值的位置信息。以此来控制各个气垫的气阀通气时间，通过控制气阀开闭时间，来改变气垫的不同突出度，达到改变座椅靠背形状的目的。使座椅靠背在不同的动态模拟情况下，对使用者均有较好的舒适性体验。压力数值显示模块作用在于当计算机接收到使用者的压力分布信息后，将其显示在计算机屏幕12上，以便使用者对压力分布有直观的感受。

本系统的压力采集利用压力传感的原理设计而成，具体来说，就是在靠背上均匀布置压力传感器，在动态模拟机构模拟不同路况信息而产生不同的振动时。压力传感器吸附在基体材料上的应变电阻根据与人体接触时机械形变而产生阻值变化，俗称为电阻应变效应。压力传感器将不同的阻值数据传输到控制台，形成压力值分布图，使得使用者能够直观的读取到压力分布情况。汽车设计中利用压力传感器来读取压力的变化，以此应用于感知车门开闭等场景。但是将传感器分布在靠背上，运用于感知驾乘人员的在不同动态下的靠背压力以此来调节座椅靠背形状的达到指导座椅靠背形状设计的产品目前还未出现。

为了获得使用者的在不同路况下的背部压力分布信息，压力传感器需要紧贴在座椅面上，并且保证在安装压力压力传感器时满足相关标准，确保分布在椅面上的压力传感器要位置相对固定，保证采集数据的真实性和减少误差，以便于使用者在靠在座椅上时，可以准确读取到压力数值。在动态模拟机构开始工作后，使用者在座椅上也应尽可能的减少不必要的运动，导致椅面采集到的数据失真。

基于以上系统，本实施可采用以下测试和设计方法：

首先安装将座椅安装在模拟汽车动态受力的测试台上，之后使用者在测试台上以标准姿势入座，使得背部与气垫上均匀分布的压力传感器整列充分接触。此后，通过控制台改变测试台的振动频率和振幅，以此模拟不同路况下的座椅动态场景。此时，座椅面上分布的压力传感器，在测试台模拟的不同动态情况下，采集压力分布信息。此后，将背部受力信息发送至控制台，经数据处理后得到测试者背部的受力情况，依据背部受力情况向单片机发送指令，更改单片机控制的气垫装置的开闭时间，以此改变分布在座椅面上气垫的突出程度。通过不同突出程度的气垫组合，改变了座椅面形状，以此改善不同路况下的背部受力情况。此种模拟汽车座椅动态受力并改善背部压力的系统及方法，通过简易机构模拟不同路况，探究不同路况下，测试人员的背部压力分布，利用控制气垫的突出度来构建适合不同使用者在不同路况下的座椅形状。既改善了传统汽车行业测试座椅动态性能时采用复杂机构导致的效率低下的问题，也提高了传统汽车座椅缺乏对不同身材使用者在汽车动态时的适应性，大大提高了汽车座椅的研发效率和使用者乘坐的舒适性。

包括如下步骤：

步骤一：将测试座椅安装在模拟动态的测试台上：选择平整的测试地面，在地面上布置用来模拟不同路况的动态测试台，确认测试台安装无误后，将可控制靠背形状的汽车座椅放置在测试台上，保证装配关系符合相关标准；

步骤二：使用者以标准姿势入座，使背部与座椅面上分布的压力传感器充分接触；使用者根据自身的生理特征使背部与测试台上座椅面之上均匀分布的压力传感器充分接触，保持姿势相对固定。

步骤三：设置测试台的振动幅度和频率以模拟不同路况，采集背部受力情况；根据实际需求，设定测试台的振幅和频率，以此来模拟不同的路面状况，在此期间，利用椅面上均匀分布的传感器采集不同路况下的背部压力分布信息。

步骤四：将背部受力数据导入控制台，经数据分析后，利用单片机控制气垫的充气时间，改变座椅靠背形状，使得受力最大部位，气垫凸出程度最大，以此来改善背部受力情况。测试台模拟不同路况信息结束后，将背部受力情况数据导出到控制台中，控制台对数据进行分析，分析背部受力情况，之后控制台根据数据通过单片机控制座椅面上气垫进气阀的开启时间，以此利用不同气垫的充盈程度来改变汽车座椅面形状，使得在不同动态下受力最大部位的收到较大的气垫支撑，最终达到改善背部压力分布的目的。

在步骤S4中，还可以采集改变座椅靠背形状后的压力分布，并循环执行步骤S3-步骤S4，直至压力分布符合设计的要求。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的模拟汽车动态座椅受力的靠背形状设计系统及方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。