摘要：汽車正朝著電動化、智能化的方向發展，AI技術的融入使純電動汽車座椅更加智能，并朝著智能網聯化、人機交互化、娛樂舒適化的方向邁進。純電動汽車相比燃油車車身結構不同，座椅邊界環境有著較大差異，因此有必要對純電動汽車座椅的結構與參數、材料選擇及發展趨勢進行研究，從而對未來汽車座椅設計提供指導依據，將汽車打造成一個更加安全、舒適、智能的移動之家。
關鍵詞：純電動汽車座椅;結構參數;材料選擇;發展趨勢;
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
隨著汽車向電動化、智能化邁進，未來純電動汽車將會成為人們出行最主要的交通工具。座椅作為內飾系統中極其重要的零部件，其結構型式與功能對駕乘人員的乘坐舒適性及安全性有著直接的影響，如今座椅舒適性已成為各大汽車廠和座椅供應商研究的重點[1]�；谌藱C工程學和人體坐姿舒適性要求，汽車座椅應使人體具有良好的體壓分布，保證駕乘人員的乘坐舒適性[2]。座椅設計時，在保證安全性、強度、剛度、節能環保的條件下，也須同時考慮座椅舒適性及美觀性等因素[3,4]。座椅是人與汽車內飾系統中接觸面積最大、接觸時間最長的汽車零部件之一[5]，其美觀性和舒適性也已成為消費者選購汽車的重要考慮因素。隨著AI智能技術在汽車座椅中的應用，為滿足不同身高與體型駕乘人員的駕乘舒適性需求，純電動汽車座椅不僅需具備高度調節、前后調節、座墊和靠背角度調節等多種常規功能[6]，還需具備更為輕質安全、舒適、智能等優點。純電動汽車相比燃油車，車身結構不同并且取消了發動機及其附屬系統增加了動力電池，座椅邊界環境有著較大差異，因此有必要對純電動汽車座椅結構與參數、選材及發展趨勢進行研究，以對未來汽車座椅設計提供指導依據。
1 座椅主要結構及參數
座椅舒適性是消費者選購汽車的重要依據，主要涉及靜態舒適性、動態舒適性、操作便捷性等幾個方面。座椅結構參數是進行座椅設計和舒適性研究的基礎，因此需要根據座椅評價結果對其不斷進行調整優化。
1.1 座椅座墊
座墊長度：座墊長度對駕乘人員的乘坐舒適性有著極其重要的影響，座墊長度過短會導致駕乘人員腿部支撐不足，座墊長度過長會影響駕乘人員小腿部的活動空間，更甚者座墊前緣與乘員小腿發生干涉，影響乘坐舒適性。一般而言，座墊長度可根據車輛級別、乘員艙空間情況等控制在460 mm～510 mm之間。對增加腿托的汽車座椅，應結合人機工程學及人體腿部受力情況平衡好座墊長度與腿托及旋轉機構之間的關系。
座墊寬度：為提高駕乘人員乘坐舒適性，結合人機工程學及人體股骨所受壓力分布，座墊寬度可控制在490 mm～530 mm之間。
座墊角：座墊角對駕乘人員的乘坐舒適性有著重要影響，普遍來說，若座墊角過大會造成臀部角減小，并增加駕乘人員的腿部壓力，降低乘坐舒適性。若座墊角過小，座墊對腿部支撐不足，駕乘人員在長時間駕乘過程中易產生疲勞。座墊角一般可控制在12°～16°。
座墊厚度：由于駕乘人員大部分重量均集中在座椅H點附近，因此座椅H點下側的座墊泡沫應有足夠的厚度支撐。座墊太薄會影響乘坐舒適性，座墊太厚會增加座椅的生產制造成本�；旧锨芭抛巫鶋|泡沫厚度可控制在60 mm以上，后排座椅控制在90 mm以上。
座墊壓陷量：壓陷量過小，乘坐座椅時駕乘人員會感覺座椅偏硬，影響舒適性。壓陷量過大，駕乘人員會感覺座椅偏軟使人陷在座椅里，長期乘坐時易產生疲勞。常規設計的臀部壓陷量可控制在20 mm～60 mm，腿部壓陷量可控制在20 mm～50 mm。當后排座椅受限于整車空間因素（如后輪罩）影響時，靠背角無法滿足大于90°時，為保證座椅舒適性，后排座椅座墊的壓陷量可稍大于前排座墊的壓陷量，后排座椅座墊壓陷量可控制在35 mm～70 mm。
1.2 座椅骨架
座椅骨架，包括靠背骨架和座墊骨架。其中，座墊骨架主要是為駕乘人員臀部和大腿提供支撐，使其能夠保持舒適坐姿，避免在乘駕過程中身體左右搖擺，并在汽車發生碰撞時提供保護。座椅骨架常采用20 mm～25 mm外徑、1 mm～2 mm厚的鋼管彎制成型或鋼管與鋼板進行焊接成型，也可采用1 mm～3 mm厚的鋼板滾軋或沖壓成型�？勘彻羌芎妥鶋|骨架之間一般布置有調角器或其他靠背角度調節裝置，用于連接靠背骨架和座墊骨架以及調整座椅靠背角度。
當駕乘人員坐上座椅，后背向座椅靠背倚靠時，為防止后背觸碰到硬物而影響乘坐舒適感，人體需和靠背骨架之間保持一定距離，該距離一般可控制在35 mm以上。
前排座椅向前調節角度可根據95百分位人體R點位置并結合滑軌行程、儀表臺等結構綜合確定，前排座椅因后側無輪罩飾板等結構制約，向后調節角度范圍較大，甚至可趨于放平。
后排座椅設計時為保證后排乘員的乘坐舒適性，應盡量保證乘員大腿中心線與軀干線間的角度大于90°，一般以90°～115°為宜。對靠背不可調座椅需結合整車空間及后輪罩飾板等因素綜合確定，座椅可調靠背角度（過座椅H點的鉛垂線與座椅靠背所對應的軀干線間的夾角）可控制在0°～30°。對三排座車型，當二排座椅滑至最前位置，調整座椅靠背角度抵觸到后輪罩飾板時，可確定二排座椅最大可調角度。
1.3 座椅頭枕
座椅頭枕用于撐托駕乘人員頸椎，可有效緩解頸部疲勞，并在汽車緊急制動或發生碰撞時保護人員免受傷害。頭枕在豎直方向的高度應控制在人體頭部質心高度位置，并且頭枕最高位置與座椅H點的豎向距離應控制在720 mm以上，以有效撐托駕乘人員的頭部。
1.4 座椅滑軌及滑軌行程
1.4.1 座椅滑軌
為滿足駕乘人員的操控及乘坐舒適性要求，座椅應具備前后方向調節功能，該功能需借助座椅滑軌實現。目前幾乎所有車型的前排座椅均配備了座椅滑軌，一些高檔五座車型及三排座六座或七座車型中，后排也配置了滑軌，以實現對后排座椅的前后調節。座椅下滑軌通過螺栓與車身地板固定，上滑軌與座椅骨架連接，上下滑軌間有滾柱與滾珠。通過手動或電控方式驅動座椅和上滑軌沿下滑軌的軸線方向移動，從而實現座椅的前后調節。常用的滑軌型式主要有T型、W型、C型、H型等，在部分六座SUV車型和MPV車型中采用H型滑軌，可以實現二排座椅左右方向的調節。
目前多數車型的前排與二排座椅滑軌為分離式的，如圖1所示。由于純電動汽車取消了燃油箱增加了動力電池，且動力電池多純平布置在前后副車架之間的車身地板下方，因此為座椅采用通長滑軌的結構型式創造了條件。圖2為前后排座椅采用通長滑軌的局部示意圖，但應平衡好前后排座椅行程及其與輪罩、飾板等周邊件的關系。
圖1 分離式滑軌
圖2 通長式滑軌
1.4.2 座椅滑軌行程的確定
前排座椅滑軌行程應結合95百分位人體工程學、乘坐舒適性及安全碰撞等因素綜合確定。通常的，前排座椅若配置短滑軌，滑軌行程應控制在240 mm以上[7]，目前一些主流或高端車型滑軌長度均控制在260 mm或以上。前后排座椅若配置長滑軌，滑軌行程則較為靈活。
后排座椅由于受座椅滑軌、后輪包、輪罩以及生產制造成本等因素的制約，很多車型的后排座椅僅保留了折疊功能并無坐姿調節功能。駕乘人員駕乘汽車時，若身體姿勢保持長期不變很容易造成腰椎與背部不適等問題。如圖3所示，在三排座車型中，當前排座椅移至最后位置，在保證第三排人體較為舒適的坐姿和良好的頭部空間時，二排人體的頭部空間較為寬裕，為后排座椅增加座椅骨架提供了可能，同時也為實現座椅多向調節、按摩、通風加熱等功能創造了條件。目前純電動汽車中越來越多車型的后排座椅均增加了調節功能，尤其在一些高檔五座和三排座車型中。
圖3 座椅與人機示意圖
在確定二排座椅前后可調行程時，當前排座椅滑至前極限位置時，二排95百分位人體的腿部抵觸到前排座椅靠背時，此時即為二排座椅前極限位置X1。當二排座椅靠背抵觸到后輪罩飾板時，此時即為二排座椅后極限理論位置X2，座椅后極限位置還需考慮座椅及功能件與后輪罩飾板間隙及座椅滑軌在車身地板上的布置空間等因素綜合確定。X1與X2間的距離即為二排座椅滑軌的有效行程。
2 座椅材料
純電動汽車取消了燃油車中的發動機及其附屬系統，增加了電機和動力電池。動力電池結構尺寸大，重量高達幾百公斤。座椅作為內飾系統中結構尺寸及重量均較大的零部件之一，其材料選擇、骨架結構輕量化設計及制造工藝對實現整車減重目標有著重要意義。
2.1 高強鋼
高強度鋼因有著較高的屈服強度和抗拉強度等特性應用在汽車座椅骨架中，能明顯減輕座椅重量。由于高強度鋼的原材料大部分需要進口，成本相對偏高，并且高強度鋼存在冷成型能力差、延展性低等問題制約了其在座椅骨架上的應用。
2.2 鋁合金
鋁合金作為一種輕量化材料，有著密度小、重量輕、吸收沖擊能力和導熱性均較好的優點，其在白車身及輪轂等零部件上有著較早應用[8]。但是因鋁合金原材料成本高、焊接性能差、成型工藝等限制，其在飛機、高鐵座椅骨架上應用較為成熟，在汽車座椅骨架上的應用較低，可作為汽車座椅材料選擇的方向。
2.3 鎂合金
鎂合金相比高強度鋼和鋁合金等材料其密度更低、質量也更輕，并且有著較高的強度、剛度、穩定性以及較好的導熱吸振性能及易成型等優點。此外，鎂合金壓鑄模具的使用壽命為鋁合金的兩至三倍，并且工藝成本比鋁合金更低[9]，應用鎂合金在座椅骨架中進行輕量化設計已有成功先例。但是，在壓鑄過程中，鎂合金易產生微觀缺陷并且疲勞強度低，其與鋼材連接時會出現電化學腐蝕問題。以上為應用鎂合金進行座椅輕量化設計亟需解決的問題。
2.4 復合材料
將PP、PA6等塑料材料與碳纖維、玻璃纖維等高強度材料混合制成的復合材料也是未來純電動汽車座椅輕量化設計選材的方向之一。座椅骨架采用塑料與纖維復合材料能降低座椅約40%的重量，并可降低生產成本[8]。塑料材料還可與金屬內嵌物結合形成復合材料，采用注塑工藝形成座椅骨架結構，同樣可起到減重降本的目的。除此之外，采用碳纖維預浸料與木纖維復合材料制作的座椅骨架，在減輕座椅重量、降低CO2排放量的同時，還可以提高吸聲功能從而有效改善整車NVH性能。采用復合材料制成的座椅骨架與座椅滑軌、調角器等金屬件的連接是進行骨架輕量化設計需要解決的一大難題。
近年來，更具減重潛能的塑料泡沫材料———EPP (Expanded Polypropylene）應運而生，該材料重量輕，具有良好的穩定性、耐熱性、低溫特性及吸能性等特點[10]，因其自身強度不足需與鋼骨架配合從而滿足強度要求。EPP材料由于原材料成本偏高，其生產核心技術國內研究尚淺，但其具備較為優異的性能，也是未來座椅輕量化設計材料選擇的關鍵方向之一。
除以上提及材料外，更為環保節能的材料如再生藤木、生物基材料等，因其原材料成本較低、可加工性強、重量輕并且可回收降解，因此也是未來座椅輕量化設計選材的研究方向。
3 未來座椅發展趨勢
座椅作為用戶感知較為敏感的內飾件之一，其結構型式及功能也與日俱增。隨著消費者對汽車乘坐舒適性要求的不斷提高，各主機廠推出的部分車型的座椅中已出現八向調節、通風加熱系統、電動腰托、腿托、腳托、電動按摩、充電、多功能頭枕等功能配置，甚至在一些高端車型中已成為標配。汽車座椅正朝著智能網聯化、人機交互化及更加娛樂舒適化的方向發展。
3.1 智能網聯化
目前汽車座椅多向位置調節多是通過按鍵或旋鈕控制，有些座椅的按鍵或旋鈕布置的較為隱蔽，不易尋找并且還占用空間。未來，座椅勢必會搭載越來越多的AI智能技術，座椅調節按鍵或旋鈕或許會消失，取而代之的是觸摸顯示屏，可實時顯示座椅位置及靠背角度以及座墊和靠背溫度，并配置藍牙或智能語音系統并可與手機等移動終端實現互聯，通過語音或移動終端即可實現座椅位置及溫度的調節。座椅配置記憶功能，當駕乘人員坐上座椅時，可根據其設置自動完成座椅位置及靠背角度的調節，并通過傳感器監測到的座墊溫度、濕度等信號，自動開啟座椅加熱或通風系統。
此外，座椅上還可搭載智能人體生理信息采集裝置和定制醫學診斷終端，通過布置在座椅上的各種傳感器采集駕乘人員的體溫、呼吸頻率及心率等生理信息并輸入到醫學診斷終端，可實現對人員的常規健康監測與預警。
3.2 人機交互化
目前在一些高端車型中已配置迎賓功能，即當駕乘人員上下車時，座椅自動向后滑動一定預設距離并向外旋轉一定預設角度，以方便人員上下車。隨著三排座車型的陸續推出及消費者對整車空間及座艙靈活性要求的不斷提高，未來車型后排座椅也將會配置迎賓功能。在三排座六座車型中，前后兩排座椅可配置通長滑軌和側向滑軌，從而實現前后排座椅的橫向及縱向同步滑動，使座艙內的空間利用更加靈活。
此外，前后排座椅可以根據整車邊界情況增加旋轉盤及小桌板等配置，實現360°旋轉。結合配置滑動副儀表臺可以實現座椅的迎賓、會議和親子等多個場景模式。
當駕乘人員坐上座椅時，座椅記憶功能可自動調節座椅位置和靠背角度。在乘坐過程中，當人員坐姿長時間出現較大變化時，座椅根據傳感器采集并計算得到的腳部、腿部、軀干部等角度信息及人體脊椎受力等信息，可自動調節腳托、腿托、腰托、座墊及靠背等角度，并可根據用戶自定義自動觸發電動按摩功能，人機交互性更強。
3.3 娛樂舒適化
3.3.1 娛樂化
傳統車載娛樂影音和導航系統多是通過中控屏控制布置在儀表臺、門護板等位置的多個高低音喇叭實現。未來，座椅的結構和外觀造型很大程度上均會打破原有的座椅設計，將更多的新元素、新設想加入到座椅結構中�，F在一些較為高端車型的座椅靠背后部已配置有旋轉式或折疊式顯示屏，以便后排乘客觀看及操控娛樂影音系統。
一些座椅生產廠商已開始研究在座椅中配置頭枕音響及交互式麥克風，使聲音可以直接從座椅傳遞給人耳，避免影響駕駛人、保障行車安全。駕乘人員還可以通過麥克風直接控制導航系統，使出行更加方便、快捷，打造更為智能和人機交互的沉浸式座艙。
3.3.2 舒適化
已進入市場的某車型因采用中置空調系統取消了儀表臺右側的手套箱，且副駕側設置座椅長滑軌，以上為其配置女王副駕、增加腿托、腳托等功能創造了條件。女王副駕可使副駕乘員近乎躺平，為乘員提供更加靈活多變的乘坐空間。未來座椅上增加全包裹安全氣囊，將氣囊與座椅集成在一起，可為乘員提供更加全方位的安全保護。
為降低汽車因路面不平、急加速、急減速等原因造成的座艙及人員的震動，未來汽車座椅的座墊和靠背將會配置性能更優異的減震裝置。例如座椅靠背可以根據駕乘人員脊椎的運動而自動移動，始終保持人體軀干部的角度在最為舒適范圍內，有效改善駕乘人員的乘坐舒適性。
目前，采用人體工程學和零重力技術相結合的零重力座椅已出現，零重力座椅造型面更符合人機工程學和人體脊椎自然曲線，并可優化人體與座椅間的壓力分布，使人體體壓分布更為均勻。座椅面料采用優質真皮面料可使座椅觸感更加柔軟細膩，一些高檔車型采用Nappa皮[11]作為座椅面料，可為乘員帶來更為極致的乘坐舒適感。因此零重力座椅也將是未來座椅發展的方向之一。
可以預見，具備更輕量化的結構和造型并搭載AI技術的智能座椅將會不斷出現在未來推出的新車型中。消費者購車時可以自由選擇不同功能及配置的座椅，也可根據自身實際需求進行座椅個性化定制，從而真正實現人車融合。
4 結束語
座椅作為影響純電動汽車乘坐舒適性的重要零部件，未來其結構型式及造型會更加多樣化，結構參數更加靈活，選材更加輕質、節能與環保。AI技術的融入必會使未來純電動汽車的座椅更加智能，使其朝著智能網聯化、人機交互化、娛樂舒適化的方向邁進，從而將汽車打造成一個更加安全、舒適、智能的移動之家。
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