摘要：汽车正朝着电动化、智能化的方向发展，AI技术的融入使纯电动汽车座椅更加智能，并朝着智能网联化、人机交互化、娱乐舒适化的方向迈进。纯电动汽车相比燃油车车身结构不同，座椅边界环境有着较大差异，因此有必要对纯电动汽车座椅的结构与参数、材料选择及发展趋势进行研究，从而对未来汽车座椅设计提供指导依据，将汽车打造成一个更加安全、舒适、智能的移动之家。
关键词：纯电动汽车座椅;结构参数;材料选择;发展趋势;
Abstract：The vehicle is developing towards the direction of electrification and intelligence. The integration of AI technology makes the vehicle seat more intelligent, and moves towards the direction of intelligent networking, human-machine interaction and entertainment comfort.Compared with fuel vehicle, the body structure of electric vehicles is different, and the seat boundary environment is quite different. Therefore, it is necessary to study the structure parameter, material selection and development trend of electric vehicle seats so as to provide guidance for the design of future vehicle seat and build the vehicle into a more safe, comfortable and intelligent mobile home.
Keyword：electric vehicle seat; structure parameter; material selection; development trend;
0 引言
随着汽车向电动化、智能化迈进，未来纯电动汽车将会成为人们出行最主要的交通工具。座椅作为内饰系统中极其重要的零部件，其结构型式与功能对驾乘人员的乘坐舒适性及安全性有着直接的影响，如今座椅舒适性已成为各大汽车厂和座椅供应商研究的重点[1]。基于人机工程学和人体坐姿舒适性要求，汽车座椅应使人体具有良好的体压分布，保证驾乘人员的乘坐舒适性[2]。座椅设计时，在保证安全性、强度、刚度、节能环保的条件下，也须同时考虑座椅舒适性及美观性等因素[3,4]。座椅是人与汽车内饰系统中接触面积最大、接触时间最长的汽车零部件之一[5]，其美观性和舒适性也已成为消费者选购汽车的重要考虑因素。随着AI智能技术在汽车座椅中的应用，为满足不同身高与体型驾乘人员的驾乘舒适性需求，纯电动汽车座椅不仅需具备高度调节、前后调节、座垫和靠背角度调节等多种常规功能[6]，还需具备更为轻质安全、舒适、智能等优点。纯电动汽车相比燃油车，车身结构不同并且取消了发动机及其附属系统增加了动力电池，座椅边界环境有着较大差异，因此有必要对纯电动汽车座椅结构与参数、选材及发展趋势进行研究，以对未来汽车座椅设计提供指导依据。
1 座椅主要结构及参数
座椅舒适性是消费者选购汽车的重要依据，主要涉及静态舒适性、动态舒适性、操作便捷性等几个方面。座椅结构参数是进行座椅设计和舒适性研究的基础，因此需要根据座椅评价结果对其不断进行调整优化。
1.1 座椅座垫
座垫长度：座垫长度对驾乘人员的乘坐舒适性有着极其重要的影响，座垫长度过短会导致驾乘人员腿部支撑不足，座垫长度过长会影响驾乘人员小腿部的活动空间，更甚者座垫前缘与乘员小腿发生干涉，影响乘坐舒适性。一般而言，座垫长度可根据车辆级别、乘员舱空间情况等控制在460 mm～510 mm之间。对增加腿托的汽车座椅，应结合人机工程学及人体腿部受力情况平衡好座垫长度与腿托及旋转机构之间的关系。
座垫宽度：为提高驾乘人员乘坐舒适性，结合人机工程学及人体股骨所受压力分布，座垫宽度可控制在490 mm～530 mm之间。
座垫角：座垫角对驾乘人员的乘坐舒适性有着重要影响，普遍来说，若座垫角过大会造成臀部角减小，并增加驾乘人员的腿部压力，降低乘坐舒适性。若座垫角过小，座垫对腿部支撑不足，驾乘人员在长时间驾乘过程中易产生疲劳。座垫角一般可控制在12°～16°。
座垫厚度：由于驾乘人员大部分重量均集中在座椅H点附近，因此座椅H点下侧的座垫泡沫应有足够的厚度支撑。座垫太薄会影响乘坐舒适性，座垫太厚会增加座椅的生产制造成本。基本上前排座椅座垫泡沫厚度可控制在60 mm以上，后排座椅控制在90 mm以上。
座垫压陷量：压陷量过小，乘坐座椅时驾乘人员会感觉座椅偏硬，影响舒适性。压陷量过大，驾乘人员会感觉座椅偏软使人陷在座椅里，长期乘坐时易产生疲劳。常规设计的臀部压陷量可控制在20 mm～60 mm，腿部压陷量可控制在20 mm～50 mm。当后排座椅受限于整车空间因素（如后轮罩）影响时，靠背角无法满足大于90°时，为保证座椅舒适性，后排座椅座垫的压陷量可稍大于前排座垫的压陷量，后排座椅座垫压陷量可控制在35 mm～70 mm。
1.2 座椅骨架
座椅骨架，包括靠背骨架和座垫骨架。其中，座垫骨架主要是为驾乘人员臀部和大腿提供支撑，使其能够保持舒适坐姿，避免在乘驾过程中身体左右摇摆，并在汽车发生碰撞时提供保护。座椅骨架常采用20 mm～25 mm外径、1 mm～2 mm厚的钢管弯制成型或钢管与钢板进行焊接成型，也可采用1 mm～3 mm厚的钢板滚轧或冲压成型。靠背骨架和座垫骨架之间一般布置有调角器或其他靠背角度调节装置，用于连接靠背骨架和座垫骨架以及调整座椅靠背角度。
当驾乘人员坐上座椅，后背向座椅靠背倚靠时，为防止后背触碰到硬物而影响乘坐舒适感，人体需和靠背骨架之间保持一定距离，该距离一般可控制在35 mm以上。
前排座椅向前调节角度可根据95百分位人体R点位置并结合滑轨行程、仪表台等结构综合确定，前排座椅因后侧无轮罩饰板等结构制约，向后调节角度范围较大，甚至可趋于放平。
后排座椅设计时为保证后排乘员的乘坐舒适性，应尽量保证乘员大腿中心线与躯干线间的角度大于90°，一般以90°～115°为宜。对靠背不可调座椅需结合整车空间及后轮罩饰板等因素综合确定，座椅可调靠背角度（过座椅H点的铅垂线与座椅靠背所对应的躯干线间的夹角）可控制在0°～30°。对三排座车型，当二排座椅滑至最前位置，调整座椅靠背角度抵触到后轮罩饰板时，可确定二排座椅最大可调角度。
1.3 座椅头枕
座椅头枕用于撑托驾乘人员颈椎，可有效缓解颈部疲劳，并在汽车紧急制动或发生碰撞时保护人员免受伤害。头枕在竖直方向的高度应控制在人体头部质心高度位置，并且头枕最高位置与座椅H点的竖向距离应控制在720 mm以上，以有效撑托驾乘人员的头部。
1.4 座椅滑轨及滑轨行程
1.4.1 座椅滑轨
为满足驾乘人员的操控及乘坐舒适性要求，座椅应具备前后方向调节功能，该功能需借助座椅滑轨实现。目前几乎所有车型的前排座椅均配备了座椅滑轨，一些高档五座车型及三排座六座或七座车型中，后排也配置了滑轨，以实现对后排座椅的前后调节。座椅下滑轨通过螺栓与车身地板固定，上滑轨与座椅骨架连接，上下滑轨间有滚柱与滚珠。通过手动或电控方式驱动座椅和上滑轨沿下滑轨的轴线方向移动，从而实现座椅的前后调节。常用的滑轨型式主要有T型、W型、C型、H型等，在部分六座SUV车型和MPV车型中采用H型滑轨，可以实现二排座椅左右方向的调节。
目前多数车型的前排与二排座椅滑轨为分离式的，如图1所示。由于纯电动汽车取消了燃油箱增加了动力电池，且动力电池多纯平布置在前后副车架之间的车身地板下方，因此为座椅采用通长滑轨的结构型式创造了条件。图2为前后排座椅采用通长滑轨的局部示意图，但应平衡好前后排座椅行程及其与轮罩、饰板等周边件的关系。
图1 分离式滑轨
图2 通长式滑轨
1.4.2 座椅滑轨行程的确定
前排座椅滑轨行程应结合95百分位人体工程学、乘坐舒适性及安全碰撞等因素综合确定。通常的，前排座椅若配置短滑轨，滑轨行程应控制在240 mm以上[7]，目前一些主流或高端车型滑轨长度均控制在260 mm或以上。前后排座椅若配置长滑轨，滑轨行程则较为灵活。
后排座椅由于受座椅滑轨、后轮包、轮罩以及生产制造成本等因素的制约，很多车型的后排座椅仅保留了折叠功能并无坐姿调节功能。驾乘人员驾乘汽车时，若身体姿势保持长期不变很容易造成腰椎与背部不适等问题。如图3所示，在三排座车型中，当前排座椅移至最后位置，在保证第三排人体较为舒适的坐姿和良好的头部空间时，二排人体的头部空间较为宽裕，为后排座椅增加座椅骨架提供了可能，同时也为实现座椅多向调节、按摩、通风加热等功能创造了条件。目前纯电动汽车中越来越多车型的后排座椅均增加了调节功能，尤其在一些高档五座和三排座车型中。
图3 座椅与人机示意图
在确定二排座椅前后可调行程时，当前排座椅滑至前极限位置时，二排95百分位人体的腿部抵触到前排座椅靠背时，此时即为二排座椅前极限位置X1。当二排座椅靠背抵触到后轮罩饰板时，此时即为二排座椅后极限理论位置X2，座椅后极限位置还需考虑座椅及功能件与后轮罩饰板间隙及座椅滑轨在车身地板上的布置空间等因素综合确定。X1与X2间的距离即为二排座椅滑轨的有效行程。
2 座椅材料
纯电动汽车取消了燃油车中的发动机及其附属系统，增加了电机和动力电池。动力电池结构尺寸大，重量高达几百公斤。座椅作为内饰系统中结构尺寸及重量均较大的零部件之一，其材料选择、骨架结构轻量化设计及制造工艺对实现整车减重目标有着重要意义。
2.1 高强钢
高强度钢因有着较高的屈服强度和抗拉强度等特性应用在汽车座椅骨架中，能明显减轻座椅重量。由于高强度钢的原材料大部分需要进口，成本相对偏高，并且高强度钢存在冷成型能力差、延展性低等问题制约了其在座椅骨架上的应用。
2.2 铝合金
铝合金作为一种轻量化材料，有着密度小、重量轻、吸收冲击能力和导热性均较好的优点，其在白车身及轮毂等零部件上有着较早应用[8]。但是因铝合金原材料成本高、焊接性能差、成型工艺等限制，其在飞机、高铁座椅骨架上应用较为成熟，在汽车座椅骨架上的应用较低，可作为汽车座椅材料选择的方向。
2.3 镁合金
镁合金相比高强度钢和铝合金等材料其密度更低、质量也更轻，并且有着较高的强度、刚度、稳定性以及较好的导热吸振性能及易成型等优点。此外，镁合金压铸模具的使用寿命为铝合金的两至三倍，并且工艺成本比铝合金更低[9]，应用镁合金在座椅骨架中进行轻量化设计已有成功先例。但是，在压铸过程中，镁合金易产生微观缺陷并且疲劳强度低，其与钢材连接时会出现电化学腐蚀问题。以上为应用镁合金进行座椅轻量化设计亟需解决的问题。
2.4 复合材料
将PP、PA6等塑料材料与碳纤维、玻璃纤维等高强度材料混合制成的复合材料也是未来纯电动汽车座椅轻量化设计选材的方向之一。座椅骨架采用塑料与纤维复合材料能降低座椅约40%的重量，并可降低生产成本[8]。塑料材料还可与金属内嵌物结合形成复合材料，采用注塑工艺形成座椅骨架结构，同样可起到减重降本的目的。除此之外，采用碳纤维预浸料与木纤维复合材料制作的座椅骨架，在减轻座椅重量、降低CO2排放量的同时，还可以提高吸声功能从而有效改善整车NVH性能。采用复合材料制成的座椅骨架与座椅滑轨、调角器等金属件的连接是进行骨架轻量化设计需要解决的一大难题。
近年来，更具减重潜能的塑料泡沫材料———EPP (Expanded Polypropylene）应运而生，该材料重量轻，具有良好的稳定性、耐热性、低温特性及吸能性等特点[10]，因其自身强度不足需与钢骨架配合从而满足强度要求。EPP材料由于原材料成本偏高，其生产核心技术国内研究尚浅，但其具备较为优异的性能，也是未来座椅轻量化设计材料选择的关键方向之一。
除以上提及材料外，更为环保节能的材料如再生藤木、生物基材料等，因其原材料成本较低、可加工性强、重量轻并且可回收降解，因此也是未来座椅轻量化设计选材的研究方向。
3 未来座椅发展趋势
座椅作为用户感知较为敏感的内饰件之一，其结构型式及功能也与日俱增。随着消费者对汽车乘坐舒适性要求的不断提高，各主机厂推出的部分车型的座椅中已出现八向调节、通风加热系统、电动腰托、腿托、脚托、电动按摩、充电、多功能头枕等功能配置，甚至在一些高端车型中已成为标配。汽车座椅正朝着智能网联化、人机交互化及更加娱乐舒适化的方向发展。
3.1 智能网联化
目前汽车座椅多向位置调节多是通过按键或旋钮控制，有些座椅的按键或旋钮布置的较为隐蔽，不易寻找并且还占用空间。未来，座椅势必会搭载越来越多的AI智能技术，座椅调节按键或旋钮或许会消失，取而代之的是触摸显示屏，可实时显示座椅位置及靠背角度以及座垫和靠背温度，并配置蓝牙或智能语音系统并可与手机等移动终端实现互联，通过语音或移动终端即可实现座椅位置及温度的调节。座椅配置记忆功能，当驾乘人员坐上座椅时，可根据其设置自动完成座椅位置及靠背角度的调节，并通过传感器监测到的座垫温度、湿度等信号，自动开启座椅加热或通风系统。
此外，座椅上还可搭载智能人体生理信息采集装置和定制医学诊断终端，通过布置在座椅上的各种传感器采集驾乘人员的体温、呼吸频率及心率等生理信息并输入到医学诊断终端，可实现对人员的常规健康监测与预警。
3.2 人机交互化
目前在一些高端车型中已配置迎宾功能，即当驾乘人员上下车时，座椅自动向后滑动一定预设距离并向外旋转一定预设角度，以方便人员上下车。随着三排座车型的陆续推出及消费者对整车空间及座舱灵活性要求的不断提高，未来车型后排座椅也将会配置迎宾功能。在三排座六座车型中，前后两排座椅可配置通长滑轨和侧向滑轨，从而实现前后排座椅的横向及纵向同步滑动，使座舱内的空间利用更加灵活。
此外，前后排座椅可以根据整车边界情况增加旋转盘及小桌板等配置，实现360°旋转。结合配置滑动副仪表台可以实现座椅的迎宾、会议和亲子等多个场景模式。
当驾乘人员坐上座椅时，座椅记忆功能可自动调节座椅位置和靠背角度。在乘坐过程中，当人员坐姿长时间出现较大变化时，座椅根据传感器采集并计算得到的脚部、腿部、躯干部等角度信息及人体脊椎受力等信息，可自动调节脚托、腿托、腰托、座垫及靠背等角度，并可根据用户自定义自动触发电动按摩功能，人机交互性更强。
3.3 娱乐舒适化
3.3.1 娱乐化
传统车载娱乐影音和导航系统多是通过中控屏控制布置在仪表台、门护板等位置的多个高低音喇叭实现。未来，座椅的结构和外观造型很大程度上均会打破原有的座椅设计，将更多的新元素、新设想加入到座椅结构中。现在一些较为高端车型的座椅靠背后部已配置有旋转式或折叠式显示屏，以便后排乘客观看及操控娱乐影音系统。
一些座椅生产厂商已开始研究在座椅中配置头枕音响及交互式麦克风，使声音可以直接从座椅传递给人耳，避免影响驾驶人、保障行车安全。驾乘人员还可以通过麦克风直接控制导航系统，使出行更加方便、快捷，打造更为智能和人机交互的沉浸式座舱。
3.3.2 舒适化
已进入市场的某车型因采用中置空调系统取消了仪表台右侧的手套箱，且副驾侧设置座椅长滑轨，以上为其配置女王副驾、增加腿托、脚托等功能创造了条件。女王副驾可使副驾乘员近乎躺平，为乘员提供更加灵活多变的乘坐空间。未来座椅上增加全包裹安全气囊，将气囊与座椅集成在一起，可为乘员提供更加全方位的安全保护。
为降低汽车因路面不平、急加速、急减速等原因造成的座舱及人员的震动，未来汽车座椅的座垫和靠背将会配置性能更优异的减震装置。例如座椅靠背可以根据驾乘人员脊椎的运动而自动移动，始终保持人体躯干部的角度在最为舒适范围内，有效改善驾乘人员的乘坐舒适性。
目前，采用人体工程学和零重力技术相结合的零重力座椅已出现，零重力座椅造型面更符合人机工程学和人体脊椎自然曲线，并可优化人体与座椅间的压力分布，使人体体压分布更为均匀。座椅面料采用优质真皮面料可使座椅触感更加柔软细腻，一些高档车型采用Nappa皮[11]作为座椅面料，可为乘员带来更为极致的乘坐舒适感。因此零重力座椅也将是未来座椅发展的方向之一。
可以预见，具备更轻量化的结构和造型并搭载AI技术的智能座椅将会不断出现在未来推出的新车型中。消费者购车时可以自由选择不同功能及配置的座椅，也可根据自身实际需求进行座椅个性化定制，从而真正实现人车融合。
4 结束语
座椅作为影响纯电动汽车乘坐舒适性的重要零部件，未来其结构型式及造型会更加多样化，结构参数更加灵活，选材更加轻质、节能与环保。AI技术的融入必会使未来纯电动汽车的座椅更加智能，使其朝着智能网联化、人机交互化、娱乐舒适化的方向迈进，从而将汽车打造成一个更加安全、舒适、智能的移动之家。
参考文献
[1]徐婷婷长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架改进设计[D].长春:吉林大学, 2017.
[2]白煜,丁晓红基于拓扑优化的复合材料汽车座椅骨架设计[J].上海理工大学学报, 2017, 39(1):75-80.
[3]刘宇某汽车后排座椅有限元分析与优化设计[D]沈阳沈阳建筑大学, 2019.
[4]李明.杜徐徐新能源汽车座椅轻量化设计的探讨[J].工业设计, 2020(1):153-154.
[5]陈维奇乘用车座椅参数化设计与研究[D]成都西南交通大学, 2020.
[6]杜徐徐于人机工程学的新能源汽车座椅设计研究[D].长春长春工业大学, 2020.
[7]赵爱霞基于碰撞安全的驾驶员座椅滑轨行程设计[J.汽车与新动力, 2021, 4(1):88-90.
[8]战磊,孙军,何金光等汽车座椅骨架轻量化的研究概况[J].汽车零部件, 2015(11):68-73.
[9]陈曦镁合金在汽车座椅骨架中的应用以及镁合金汽车座椅骨架的有限元分析[D].长春:吉林大学, 2007.
[10] MURATA s, ITO H, SOPHER S. Polyurethane-free lightweight automotive seat[J]. SAE International Journal of Materials and Manufacturing, 2014, 7(3):655-661.
[11]徐浩汽车座椅的功能及其发展趋势[J].汽车实用技术，2022, 47(17):196-199 .
