(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クッションパネルとフォームパッドとシート表皮で構成されるシートクッションの座り心地性能をシミュレーションするシートクッションシミュレーションシステムにおいて、
前記シートクッション内に閉じこめられた空気の抜け特性を決定する抜け特性データを含む初期値を設定する入力部と、
シート表皮で覆われたフォームパッドが有する第１ばね定数：Ｋ1 と第１減衰係数：Ｃ1 を求める第１プリプロセッサと、
シートクッション内に閉じこめられた空気の挙動に基づく仮想クッションが有する第２ばね定数：Ｋ2 と第２減衰係数：Ｃ2 を前記抜け特性データを用いて求める第２プリプロセッサと、
前記シートクッションをばね要素とダンパ要素で近似した振動モデルのばね定数：Ｋ3 を前記第１ばね定数と第２ばね定数の加算値とするとともに前記振動モデルの減衰係数：Ｃ3 を前記第１減衰係数と第２減衰係数の加算値として、前記振動モデルに前記所定の周波数帯域での振動の伝達率を下記の式
【数１】
0003688180.tif 000008
なお、式中ｍはシートクッションに載せられた質量であり、Ｘはシートクッションに与えられる振動入力であり、Ｚはシートクッションに生じる振動出力である、
を用いて出力するメインプロセッサと、
前記出力された周波数帯域と伝達率の関係からシートクッションの座り心地性能を評価する評価部と、
が備えられていることを特徴とするシートクッションシミュレーションシステム。
【請求項２】
前記第１プリプロセッサは、フォームパッドに対する尻状形状体の自由落下試験で得られた減衰波形データを用いて前記第１ばね定数と第１減衰係数を求めることを特徴とする請求項１に記載のシートクッションシミュレーションシステム。
【請求項３】
前記入力部で前記抜け特性データを変更しながら前記シミュレーションを繰り返すことで、前記メインプロセッサから出力される前記種々の抜け特性データにおける周波数帯域毎の伝達率から前記評価部が特定周波数帯域での伝達率が低いものを求めて、シートクッションの座り心地性能を評価することを特徴とする請求項１又は２に記載のシートクッションシミュレーションシステム。
【請求項４】
前記入力部が、前記外部強制振動として、自動車走行時に道路からタイヤ及びサスペンションを通じて伝達される振動を有限個の調和振動に分解変換し、分解変換することによって得られる有限個の調和振動を振動入力として前記シミュレーションを実行し、前記振動入力としてのこれらの調和振動によって得られた伝達率から前記評価部がシートクッションの座り心地性能を評価することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のシートクッションシミュレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クッションパネルとフォームパッドとシート表皮で構成されるシートクッションの座り心地性能をシミュレーションするシートクッションシミュレーションシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、車両用座席として用いられるフルフォームタイプのシートクッションの開発では、試作品を製作し、これを振動試験機にかけて試験データを採取して、この試験データからそのシートクッションの乗り心地を検討し、改善点を見出して、さらに改良試作品をさらに試作するという作業が繰り返されていた。特に、このようなシートクッションの座り心地性能に影響を与えるところの、クッションパネルに設けられる空気抜き孔の数や大きさを種々に変更された試作品を作る必要があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、このような方法によるシートクッションの開発は、試作品の製造や試験に多くの費用と時間を要するため、開発効率の向上には限界があった。もちろん、近年のコンピュータ技術の発展に伴って、よく知られた振動方程式を高速に解法するコンピュータソフトウエアも開発され、クッション構造をばね要素とダンパ要素からなる振動モデルで近似すれば、外力による強制振動に対する挙動特性を簡単に求めることができるが、複数の構成部材からなるシートクッションをモデル化しようとすると、ばね要素のばね定数やダンパ要素の減衰係数を期待される結果を保証できる程度に正確に決定することは困難であり、これまで、ある程度のシートクッションの試作と試験の繰り返しを省略できるような成果を得られるシートクッションシミュレーションは実現されていなかった。
上記実状に鑑み、本発明の課題は、試作と試験を繰り返すことなく、設計段階でシートクッションの振動挙動を把握することができるようなシートクッションシミュレーションシステムを提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、クッションパネルとフォームパッドとシート表皮で構成されるシートクッションの座り心地性能をシミュレーションする、本発明によるシートクッションシミュレーションシステムは、前記シートクッション内に閉じこめられた空気の抜け特性を決定する抜け特性データを含む初期値を設定する入力部と、シート表皮で覆われたフォームパッドが有する第１ばね定数：Ｋ1 と第１減衰係数：Ｃ1 を求める第１プリプロセッサと、シートクッション内に閉じこめられた空気の挙動に基づく仮想クッションが有する第２ばね定数：Ｋ2 と第２減衰係数：Ｃ2 を前記抜け特性データを用いて求める第２プリプロセッサと、前記シートクッションをばね要素とダンパ要素で近似した振動モデルのばね定数：Ｋ3 を前記第１ばね定数と第２ばね定数の加算値とするとともに前記振動モデルの減衰係数：Ｃ3 を前記第１減衰係数と第２減衰係数の加算値として、前記振動モデルに前記所定の周波数帯域での振動の伝達率を下記の式
【数２】
0003688180.tif 000002
なお、式中ｍはシートクッションに載せられた質量であり、Ｘはシートクッションに与えられる振動入力であり、Ｚはシートクッションに生じる振動出力である、
を用いて出力するメインプロセッサと、
前記出力された周波数帯域と伝達率の関係からシートクッションの座り心地性能を評価する評価部とが備えられている。
【０００５】
この構成では、シートクッションをばね要素とダンパ要素からなる振動モデルで近似するにあたって、シートクッションの振動モデルをシート表皮で覆われたフォームパッドのモデルと、入力部で入力される空気の抜け特性を決定する抜け特性データによって導かれるシートクッション内に閉じこめられた空気の挙動に基づく仮想クッションのモデルに分けて、それぞれの分けられたモデルのばね定数を足し合わせたもの：Ｋ1 ＋Ｋ2 をシートクッションのばね定数：Ｋ3 とするとともに、それぞれの分けられたモデルの減衰係数を足し合わせたもの：Ｃ1 ＋Ｃ2 をシートクッションの減衰係数：Ｃ3 として振動方程式を演算処理して、振動の伝達率を求める。振動の伝達率は周波数毎に得られるので、評価部は、例えば、全体的に伝達率が低くなるとともに、特に人体の内臓の固有振動数である６Ｈｚ付近の伝達率が低くなる振動モデルを見つけ出せるように演算結果のデータを処理する。これにより、設計者はシートクッションの設計段階でシートクッションの振動挙動を予測することができ、その開発工程を短縮化することができる。
【０００６】
本発明による好適な実施形態の１つとして、前記第１プリプロセッサは、フォームパッドに対する尻状形状体の自由落下試験で得られた減衰波形データを用いて前記第１ばね定数と第１減衰係数を求めるものがある。この構成では、机上計算では困難であるばね定数や減衰係数が、簡単に行うことができる自由落下試験で得られる減衰波形図、つまり減数波形データから対数減衰率や減衰周期を抽出すると、よく知られた式からそのフォームパッドのばね定数や減衰係数が求められる。より好ましい実施形態では、自由落下試験機の出力データを第１プリプロセッサが読みとれる形に変換して第１プリプロセッサに送ることで、自動的に第１ばね定数と第１減衰係数が演算される。これにより、減数波形データから対数減衰率や減衰周期を抽出する作業も自動化され、このシートクッションシミュレーションに対する人的負担がさらに軽減される。
【０００７】
本発明による別な好適実施形態の１つでは、前記入力部で前記抜け特性データを変更しながら前記シミュレーションを繰り返すことで、前記メインプロセッサから出力される前記種々の抜け特性データにおける周波数帯域毎の伝達率から前記評価部が特定周波数帯域での伝達率が低いものを求めて、シートクッションの座り心地性能を評価するように構成される。上述した仮想クッションでは、シートクッション内に閉じ込められた空気がパネルにぶつかったり、パネルの空気抜き孔やシート表皮とパネルとの隙間あるいはシート表皮自体から空気が漏れる現象により第２ばね定数と第２減衰定数が生じることになるが、特に空気に抜け特性は最終的なシートクッションの座り心地性能に重要な影響を与えるとともに設計変更も比較的容易であるので、これを入力部で簡単かつ自在に変更してシミュレーションを繰り返しながら、順次得られる周波数帯域と伝達率の関係を評価することで、迅速に最適なシートクッション設計が可能となる。
【０００８】
シートクッションを自動車などの車両に搭載して、その自動車の走行時にシートクッションに座った乗員がどのような振動を受けるかをシート設計時に予測できることは、車体設計に対して多大な利益を与える。しかしながら、走行中、道路からタイヤ、サスペンションを経てシートクッションに伝達される振動はかなり複雑な振動波形となっており、そのままでシミュレーションシステムの外部強制振動とみなして解析することは困難となる。このため、本発明の好適な実施形態では、前記入力部が、前記外部強制振動として、自動車走行時に道路からタイヤ及びサスペンションを通じて伝達される振動を有限個の調和振動に分解変換し、分解変換することによって得られる有限個の調和振動を振動入力として前記シミュレーションを実行し、前記振動入力としてのこれらの調和振動によって得られた伝達率から前記評価部がシートクッションの座り心地性能を評価する。これにより、解析が容易な調和振動を外部振動入力とするシミュレーションであっても、シートクッション単体での振動挙動だけではなく、走行中の車両のシートクッションに座った乗員の座り心地性能もシミュレーションできる。
本発明によるその他の特徴及び利点は、以下図面を用いた実施例の説明により明らかになるだろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に、自動車の座席として用いられるシートクッション１０に質量：ｍとしての人間が座った状態の模式図と、その模式図の機械振動学的なモデル図が示されている。このシートクッション１０は、フルフォームタイプとしてよく知られたもので、フォームパッド１１をシート表皮１２で覆い、一般には金属板からなるシートパネル１３に載置されたものであり、シートパネル１３には空気抜き孔１３ａが設けられている。モデル図は基礎の上にばねとダッシュポットを介して質量：ｍが配置された変位による強制振動モデルの典型的なものである。ばねはばね定数：Ｋをダッシュポットは減衰係数：Ｃを表す。
【００１０】
シートクッション１０を図１にようにモデル化し、入力として基礎であるシートパネル１３に調和振動が加えられた場合の出力としての人間、つまり質量：ｍの振動を演算し、振動周波数の変化にともなう伝達率を求め、シートクッションの座り心地を評価するのが本発明のシミュレーションシステムの基本的なコンセプトである。
【００１１】
このシミュレーションシステムは、図２に示すように、振動モデルのための各種初期値や定数などをキーボード２６やデータ入力機器等によって入力させる入力部２２、シート表皮１２で覆われたフォームパッド１１のばね特性を示す第１ばね定数と減数特性を示す第１減衰係数を求める第１プリプロセッサ２２と、シートクッション１０内に閉じこめられた空気の挙動に基づく仮想クッションのばね特性を示す第２ばね定数と減衰特性を示す第２減衰係数を求める第２プリプロセッサ２３と、第１ばね定数と第２ばね定数の加算値であるこのシートクッション１０全体のばね定数と第１減衰係数と第２減衰係数の加算値であるこのシートクッション１０全体の減衰係数とさらに入力部２１で設定される所定の外部強制振動関数とを用いてこのモデルの振動方程式を演算処理するとともに周波数を所定の周波数帯域にわたって変化させながら振動の伝達率を求めるメインプロセッサ２４と、得られた伝達率からシートクッションの座り心地性能を評価する評価部２５とを備えている。評価部２５は、例えば、横軸を振動周波数、縦軸を伝達率として共振周波数特性グラフを作成し、必要に応じてこれをプリンタ７によってプリント出力する。
【００１２】
後で詳しく説明されるが、フォームパッド単体におけるばね定数と減数係数を簡単に得るために自由落下試験機３１が利用される。この自由落下試験機３１によって得られる試験データは、オペレータによって解析され、第１プリプロセッサ２２に与えなければならない対数減衰率や減衰周期が求められてもよいが、より好ましくは、入力部２１に、通信データとして得られた自由落下試験機３１からの試験データを解析して、対数減衰率や減衰周期を求める機能を備えさせてもよい。また、自動車走行時に道路からタイヤ及びサスペンションを通じて伝達される振動のデータなどの特定の外部強制振動関数を生成するために走行振動生成装置３２も入力部２１に接続可能とし、入力部２１に複雑な波形をもつそのような振動を変換して有限個の調和振動の形でメインプロセッサ２４に与える付加的な機能を備えさせてもよい。
【００１３】
次に、第１プリプロセッサ２２で実行される、シート表皮１２で覆われたフォームパッド１１単体のばね特性を示す第１ばね定数と減数特性を示す第１減衰係数を求める方法を図３と図４を用いて説明する。
【００１４】
まず、シート表皮１２で覆われていない状態のフォームパッド１１のばね定数：Ｋ0 と減衰係数：Ｃ0 を求めるために、ここでは、自由落下試験機３１が用いられ、その際、図３に模式的に示されているように、フォームパッド１１の上方から質量：ｍを有する尻状形状体を落下させることで生じるフォームパッド１１の減衰振動を測定する。図３のグラフに示すような、測定データから、対数減衰率：Ｒと減衰周期：Ｔ0 が求められる。その際、以下に示すようなよく知られた、自由振動系の関係式が用いられる。
【数３】
0003688180.tif 000003
対数減衰率：Ｒは、出力として得られる減衰振動の隣り合う周期の振幅の比の対数である（式（３）参照）。前述したばね定数：Ｋ0 は対数減衰率：Ｒと減衰周期：Ｔ0 の関数で表され（式（１）参照）、前述した減衰係数：Ｃ0 はばね定数：Ｋ0 と対数減衰率：Ｒの関数で表される（式（２）参照）ので、ばね定数：Ｋ0 と減衰係数：Ｃ0 は簡単に得ることができる。
【００１５】
ただし、実際のシートクッション１０では、フォームパッド１１にはシート表皮１２が被されており、このシート表皮１２の張りの作用を考慮するならば、図４に模式的に示すように、落下体としての尻状形状体とフォームパッド１１の接触面積の違い（図４でＡとＡ0 の違い）をばね定数：Ｋ0 に反映させなければならない。つまり、以下の式；
【数４】
0003688180.tif 000004
から理解できるように、シート表皮１２がない場合の尻状形状体の接触面積をＡ0 とし、シート表皮１２がある場合の接触面積をＡとするならば、補正されたばね定数：Ｋ1 は先ほどのばね定数：Ｋ0 にその接触面積の比：Ａ／Ａ0 を乗じた値となる（式（４）参照）。補正された減衰係数：Ｃ1 は、補正されたばね定数：Ｋ1 を用いることによって得られる（式（５）参照）。  上述した手順で、第１プリプロセッサ２２は、シート表皮１２で覆われたフォームパッド１１のばね特性を示す第１ばね定数：Ｋ1 と減数特性を示す第１減衰係数：Ｃ0 を求める。
【００１６】
次に、第２プリプロセッサ２２で実行される、シートクッション１０内に閉じこめられた空気の挙動に基づく仮想クッションのばね特性を示す第２ばね定数：Ｋ2 と減衰特性を示す第２減衰係数：Ｃ2 を求める方法を図５と図６、及び以下の式を用いて説明する。
【数５】
0003688180.tif 000005
【００１７】
まず、図５に示すように、空気孔１３ａもつシートクッション１０に質量：ｍを有する物体が載置された静止状態からこの物体に急激に下向きに力：Ｆ2 が加わり、その結果物体が変位：Ｘした場合、変位前後のクッションパッド内の圧力：Ｐ0 −> Ｐ1 と空気が占める体積：Ｖ0 −> Ｖ1 、及び圧力：Ｐ0 の状態における空気の比重量：γ0 と圧力：Ｐ1 の状態における空気の比重量：γ1 から、よく知られたポリトロッピックな関係式が成立する（式（６）参照）。ここで、この変化を等温変化とみなすとκを１とおくことができる。
【００１８】
また、この変位前後において空気の総重量は不変であるので、変位前のシートクッション１０内の空気重量（＝Ｖ0*γ0 ）は変位後のシートクッション１０内の空気重量（＝Ｖ1*γ1 ）にシートクッション１０から抜け出した空気の重量：Ｗa を加えたものと等しいという等式が得られる（式（７）参照）。
【００１９】
次に、圧力：Ｐ1 のシートクッション１０内から、圧力：Ｐ0 のシートクッション１０外に流れる空気がオリフィス効果によって生じる圧力低下と流速の関係式は、ベルヌーイの定理より、空気抜き孔１３ａなどシートクッション１０内から外への空気抜け部位を流れる空気の平均流速：ｖと圧力低下を表すＰ0 からＰ1 の積分値との関係式が得られる（式（８）参照）。
【００２０】
さらに、抜け出した空気の重量：Ｗa と空気抜け部位における平均流速：ｖの関係式として、空気の重量：Ｗa を時間微分したものが、空気抜け部位の流量係数：Ｄと空気が抜ける面積の和：Ｓと平均流速：ｖと圧力：Ｐ0 の状態における空気の比重量：γ0 とをかけたものとなるという等式も得られる（式（９）参照）。
【００２１】
次に前述した変位：Ｘが起こる前後のシートクッション１０の容積変化を考える。クッションパッド１１内において空気の占める体積に割合をＴとすると、変位前の体積：Ｖ0 から、尻状形状体とフォームパッド１１の接触面積：Ａと前記割合：Ｔと変位：Ｘとをかけたものを減じるとともに、シートクッション１０内の気圧増加に伴いシート表皮１２が伸びることにより生じるクッションパッド１１内の空気の体積増加：Ｖe を加えると変位後の体積：Ｖ1 となる（式（１０）参照）。但し、ここでは、体積増加：Ｖe は無視しても結果に大きな影響を与えない。
【００２２】
図６に示された模式図と以下の式；
【数６】
0003688180.tif 000006
から理解できるように、加えられた力：Ｆはクッションパッド１１が有するばね力と減衰力の合力：Ｆ1 及び空気圧に基づく力：Ｆ1 によって釣り合うから、これらの間の関係式が得られる（式（１１）、式（１２）、式（１３）参照）。
【００２３】
加えられた力：Ｆが調和振動をもたらすものとすると、変位：Ｘは調和振動変位となり、振幅：Ｘ0 をもつ単一の余弦（又は正弦）関数で表される（式（１４））。
ここで、上述した式（６）〜式（１４）を解くことで、シートクッション１０内に閉じこめられた空気の挙動に基づく仮想クッションのばね特性を示す第２ばね定数：Ｋ2 と減衰特性を示す第２減衰係数：Ｃ2 が求められる（式（１５）〜式（１９）参照）。
【００２４】
メインプロセッサ２４は、第１プリプロセッサ２２によって求められた第１ばね定数：Ｋ1 と減数特性を示す第１減衰係数：Ｃ0 と、第２プリプロセッサ２３によって求められた第２ばね定数：Ｋ2 と減衰特性を示す第２減衰係数：Ｃ2 をそれぞれ加算することで得られた、実際的なシートクッション１０のばね定数：Ｋ3 （＝Ｋ1 ＋Ｋ2 ）と減衰係数：Ｃ3 （＝Ｃ1 ＋Ｃ2 ）、及び調和振動である外部強制振動入力を、図７に示された、１自由度系の強制振動のモデルと以下の振動方程式（式（２０）、式（２１）、式（２２））、
【数７】
0003688180.tif 000007
なお、式中ｍはシートクッションに載せられた質量であり、Ｘ＝Ｘ0cosωtはシートクッションに与えられる振動入力であり、Ｚはシートクッションに生じる振動出力である、
に適用することで、各周波数毎の伝達率（共振倍率）：Ｍが得られる。
【００２５】
評価部２５は、メインプロセッサ２４で得られた共振周波数特性データ（各周波数毎の伝達率）を用いて各種評価を行うことができるが、代表的な評価スタイルとして、よく知られた共振周波数特性グラフをプリンタ２７で出力する。上述した、このシミュレーションシステムにおける演算プロセスは、図８のフローチャート図に一覧されている。
【００２６】
図９（イ）、（ロ）、（ハ）では、試作品としての各形態のシートクッション１０を振動試験機を用いて得られた共振周波数特性グラフが実線で、それぞれの形態のシートクッション１０に対して本発明によるシミュレーションシステムによって得られた共振周波数特性グラフが破線で示されている。図９（イ）は、クッションパッドのテストピース（400x400x100mm ）の表面を密閉テープで完全に塞いだものに対する実試験値とシミュレート値から作成されたものである。図９（ロ）は、シートパネル１３の空気抜け孔１３ａを完全に塞いだシートクッション１０に対する実試験値とシミュレート値から作成されたものである。図９（ハ）は、製品版のシートクッション１０に対する実試験値とシミュレート値から作成されたものである。いずれのグラフからも、本発明によるシミュレートシステムによるシミュレート結果が従来から行われている実際のシートクッション１０を振動試験機にかけて得られる実試験結果とよくマッチしていることが理解できる。
【００２７】
従って、本発明によるシートクッションシミュレータを採用することにより、試作と試験を繰り返すことなく、設計段階でシートクッションの振動挙動を把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】自動車の座席として用いられるシートクッションに人間が座った状態を模式図と、その模式図の機械振動学的なモデル図を示す説明図
【図２】本発明によるシートクッションシミュレータシステムの概略構成を示すブロック図
【図３】自由落下試験による第１ばね定数と第１減数係数の求め方を示す説明図
【図４】クッションパッド単体とシート表皮付きクッションパッドにおける尻状形状体との接触面積の違いを示す説明図
【図５】シートクッション内に閉じこめられた空気の挙動に基づく仮想クッションのモデルにおける第２ばね定数と第２減数係数の求め方の一部を示す説明図
【図６】シートクッション内に閉じこめられた空気の挙動に基づく仮想クッションのモデルにおける第２ばね定数と第２減数係数の求め方の一部を示す説明図
【図７】メインプロセッサにおけるシートクッションのモデル化とその振動方程式を示す説明図
【図８】本発明によるシミュレーションシステムにおける演算プロセスを示すフローチャート図
【図９】各形態のシートクッションを従来通りの試験機用いた方法と本発明によるシミュレーションシステムを用いた方法で得られた共振周波数特性グラフ
【符号の説明】
１０    シートクッション
１１    クッションパッド
１２    シート表皮
１３    シートパネル
１３ａ  空気抜き孔
２１    入力部
２２    第１プリプロセッサ
２３    第２プリプロセッサ
２４    メインプロセッサ
２５    評価部
２６    キーボード
２７    プリンタ
【図１】
0003688180.tif 000009
【図２】
0003688180.tif 000010
【図３】
0003688180.tif 000011
【図４】
0003688180.tif 000012
【図５】
0003688180.tif 000013
【図６】
0003688180.tif 000014
【図７】
0003688180.tif 000015
【図８】
0003688180.tif 000016
【図９】
0003688180.tif 000017