Type de document
Rapports de recherche scientifique
Année de publication
2021
Langue
Français
Résumé
Dans divers secteurs d’activité du Québec, les conducteurs de véhicules sont exposés à des niveaux notables de vibrations globales du corps (VGC) et à des chocs intermittents, associés dans les deux cas à un risque accru de douleurs lombaires et de dégénérescence de la colonne vertébrale. Les sièges à suspension sont largement utilisés pour limiter l'exposition des conducteurs aux VGC. L’efficacité d'un siège à suspension à réduire les vibrations est fortement dépendante de la nature des vibrations du véhicule (amplitude, direction et fréquence). Un siège à suspension ne peut donc offrir une efficacité optimale que lorsque la suspension est mise au point en fonction d’un véhicule cible précis.
Les fabricants de sièges à suspension recommandent généralement un design de siège à suspension particulier pour une large gamme de véhicules. Vu les caractéristiques vibratoires hautement variables d’un véhicule à l’autre, le design en question risque toutefois de ne pas offrir une efficacité de suspension optimale. Bien que des designs de sièges à suspension très différents aient été mis en marché au cours des dernières décennies, les connaissances relatives à la mise au point et à l'adaptation de sièges à suspension pour des véhicules précis demeurent limitées.
Les chercheurs ont souvent reçu des conducteurs de véhicules des demandes de recommandations concernant un siège à suspension adapté à leur véhicule. La présente étude découle du besoin d’élaborer un système-conseil en matière de sièges à suspension à l’intention des conducteurs de véhicules. L'objectif global de ce projet consistait à effectuer une revue des récentes avancées en matière de développement de sièges à suspension afin d’en tirer des connaissances utiles à l’éventuelle mise au point d'un système-conseil en matière de sièges à suspension. L'objectif spécifique du projet était double. Dans un premier temps, il s’agissait de faire le point sur les progrès documentés en matière de sièges à suspension en procédant à une revue exhaustive des publications scientifiques et des brevets octroyés afin d’en tirer des caractéristiques techniques souhaitables et de prendre connaissance des méthodes de conception de sièges à suspension adaptés à divers types de véhicules. Dans un deuxième temps, il s’agissait de passer en revue les caractéristiques techniques des sièges à suspension offerts sur le marché afin de cerner les caractéristiques de fonctionnement des sièges à suspension destinés à différents véhicules en ce qui a trait à l'atténuation des vibrations multiaxiales et aux facteurs de conception ergonomique adéquats.
Ce projet de recherche a donné lieu à un examen approfondi des différentes caractéristiques techniques des sièges à suspension offerts sur le marché, de même qu’à un examen critique des progrès techniques documentés en matière de sièges à suspension active, semi-active et passive, inclusion faite de leurs caractéristiques de fonctionnement et des méthodes d'évaluation de leur efficacité. Les caractéristiques techniques des sièges à suspension offerts sur le marché ont principalement été tirées des données fournies par les sites Web des fabricants. Les données ainsi recueillies ont en outre été complétées dans le cadre d’entretiens personnels avec des chefs de file dans la fabrication de sièges à suspension aux États-Unis et en Europe, de même qu'avec un important fabricant de machines agricoles aux États-Unis. Les examens effectués portaient plus précisément sur l’efficacité d'isolation vibratoire des sièges à suspension et sur leur adaptation aux véhicules utilisés dans différents secteurs d’activité, dont ceux de la construction, de la foresterie, de l'exploitation minière, de l'agriculture, de la manutention et des transports en commun. Les données relatives aux caractéristiques de conception ergonomique des sièges à suspension, notamment en ce qui a trait au soutien lombaire, à la conception des coussins, au réglage de la hauteur et du poids ainsi qu’à d'autres réglages, ont également été recueillies et examinées. Les études scientifiques faisant état de progrès dans la conception des sièges à suspension ont été revues en mettant plus particulièrement l’accent sur : i) les méthodes d'évaluation de l’efficacité des sièges ; ii) les concepts de sièges à suspension active, semi-active et passive ainsi que leurs applications pratiques ; iii) l'évolution des isolateurs de vibrations avant-arrière et latérales ; iv) les évaluations de sièges à suspension en laboratoire et sur le terrain ; et v) la modélisation et les évaluations numériques.
Il est clairement ressorti de l’examen des sièges à suspension en usage que la grande majorité d'entre eux reposaient sur une plateforme à ciseaux équipée d’un ressort mécanique ou pneumatique, d’un ou deux amortisseurs hydrauliques, et de limiteurs de débattement de la suspension élastiques. Tous les modèles permettaient de régler la hauteur du siège, le plus souvent de concert avec un dispositif de réglage en fonction du poids de l'occupant. Certains modèles offraient un réglage automatique de la hauteur du siège pour assurer une position à mi-hauteur de la suspension, avec pour effet de réduire le risque de chocs induits par interaction avec les limiteurs de débattement de la suspension. Les sièges offraient également un réglage avant-arrière de même qu’un réglage de l’inclinaison du coussin et de l’appui-dos pour plus de confort et un meilleur contrôle de la posture assise. Certains des sièges étaient équipés d'un soutien lombaire fixe ou réglable, bien qu’aucune évaluation quantitative d’un tel soutien n'ait été trouvée. Il convient ici de noter qu’un même design de suspension pouvait être recommandé pour des véhicules très différents présentant des profils de VGC nettement différents, alors que très peu d'information sinon aucune n’était disponible en ce qui concerne l’efficacité des différents sièges à isoler les chocs ou les vibrations. Aucune donnée relative à l'efficacité des isolateurs de siège latéraux et avant-arrière n’était non plus disponible.
Ces dernières années, l'accent a porté sur le développement de suspensions actives et semi-actives, et un grand nombre de designs de contrôleurs ont été proposés pour obtenir une atténuation accrue des VGC. Ces derniers visent surtout l'isolation des vibrations verticales. Les applications pratiques de suspensions actives ont été restreintes à quelques modèles de sièges seulement, alors qu'un certain nombre de fabricants ont développé des sièges à suspension semi-active faisant appel à des amortisseurs magnétorhéologiques réglables. Ces dispositifs se sont avérés plus efficaces à éliminer les impacts avec les limiteurs de débattement de la suspension, mais ils n’offrent qu’un gain minime quant à l’efficacité de la suspension à isoler les vibrations. En outre, les évaluations de sièges à suspensions actives et semi-actives ont été limitées à seulement quelques conditions d'excitation applicables à un véhicule donné.
La revue des développements récents en ce qui concerne les sièges à suspension offerts sur le marché et la revue des progrès techniques documentés en la matière permettent de conclure que les connaissances relatives à la conception de sièges à suspension adaptés à divers types de véhicules demeurent très restreintes. Par ailleurs, les fabricants ne proposent en option que peu de designs d’isolateurs horizontaux visant à contrôler l'exposition aux VGC latérales et avant-arrière. Et l'efficacité d'isolation vibratoire de ces dispositifs n'a pas été étudiée. Des efforts d’analyse et d’expérimentation plus poussés sont donc hautement souhaitables en ce qui concerne l’élaboration de méthodes permettant d'évaluer l’efficacité d'isolation vibratoire de sièges à suspension adaptés à divers types de véhicules, afin de pouvoir développer un futur système-conseil fiable en matière de sièges à suspension.
AbstractVehicle drivers in various work sectors in Quebec are exposed to significant levels of whole-body vibration (WBV) and intermittent shocks, which have been associated with an increased risk of lower back pain and degeneration of the spine. Suspension seats are widely used to limit WBV exposure of operators. The vibration reduction performance of a suspension seat is strongly affected by the nature of vibration (magnitude, direction and frequency components) of the vehicle. An optimal performance of a suspension seat can thus be realized only when the suspension is tuned for the specific target vehicle.
Suspension seat manufacturers generally recommend a particular suspension seat design for a wide range of vehicles, which may not provide optimal suspension performance considering significant differences in vibration characteristics of vehicles. Although widely different designs of suspension seats have been commercially available for the past decades, only limited knowledge exists in the tuning and in the adaptation of suspension seats to specific vehicles.
The researchers have frequently encountered inquiries from vehicle operators regarding specific recommendations for an appropriate suspension seat for their vehicle. This study was motivated considering the need for a suspension seat advisor for vehicle operators. The overall objective of this activity was formulated to conduct a review of the state-of-the-art developments in suspension seats so as to gain knowledge towards an eventual development of a suspension seat advisor. The specific goal of the activity is twofold. The reported advances in suspension seats are firstly explored through a comprehensive review of scientific publications and patents, to identify desirable technical features and to gain knowledge of methods for designing vehicle-specific suspension seats. The technical features of commercially available suspension seats are subsequently reviewed to build knowledge of the performance characteristics of suspension seats for different vehicles in view of the attenuation of multi-axis vibration and of adequate ergonomic design factors.
This research activity involved comprehensive reviews of various technical features of commercially available suspension seats, and critical reviews of reported technical advances in passive, semi-active and active suspension seats, including the performance characteristics and the assessment methods. The technical features of commercially available suspension seats were mostly compiled from the data provided by the manufacturers’ websites. This was supplemented by personal discussions with leading suspension seat manufacturers in the USA and in Europe, as well as with a leading manufacturer of agricultural machines in the USA. The review was particularly focused on vibration isolation performance of suspension seats and their adaptation to vehicles employed in different work sectors such as construction, forestry, mining, agriculture, material handling and public transportation. In addition, ergonomic design features of suspension seats, namely, lumbar support, cushion design, height/weight adjustment and other adjustments were gathered and examined. The scientific studies reporting advances in suspension seat design were reviewed with particular focus on: (i) performance assessment methods; (ii) concepts in passive, semi-active and active suspension seats and their practical implementations; (iii) developments in fore-aft and lateral vibration isolators; (iv) laboratory/field assessments of suspension seats; and (v) numerical modelling and assessments.
From the reviews of the available suspension seats, it was evident that the vast majority of them employed a cross-linkage platform, with either mechanical or air spring, one or two hydraulic dampers and elastic suspension travel limiters. All designs provided an adjustable seat height, which was generally coupled with an adjustment for the occupant weight. Some designs provided automatic ride height adjustment to ensure mid-ride suspension position and thereby a reduced risk of shocks induced by interactions with the suspension travel limiters. The seats also provided a fore-aft adjustment apart from adjustable cushion and backrest inclinations in order to provide more comfortable and controlled sitting posture. Some of the seats were equipped with an either fixed or adjustable lumbar support, although a quantitative assessment of such support could not be found. In addition, the same suspension designs were recommended for widely different vehicles with notably different WBV patterns, while very little to negligible information was available on shock/vibration isolation performance of the different seats. Moreover, data on the effectiveness of fore-aft and lateral seat isolators were not available.
In recent years, developments in semi-active and active suspension systems have been emphasized and a large number of controller designs have been proposed to achieve enhanced attenuation of WBV. These are mostly focused on vertical vibration isolation. The practical implementations of active suspension seats have been limited to only a few, while a number of manufacturers have developed semi-active suspension seats using controllable magnetorheological dampers. These devices have shown a superior performance in eliminating impacts with the suspension travel limiters, but with only minimal gain in the vibration isolation effectiveness of the suspension. Moreover, the assessments of active and semi-active suspension seats have been limited to only a few classes of vehicle excitation.
ISBN
9782897971908
Mots-clés
Siège de conducteur, Driver seat, Amortissement des vibrations, Vibration damping, Vibration au corps entier, Whole-body vibration, Ergonomie, Ergonomics, Conduite de véhicule, Driving, Lutte contre les vibrations, Vibration control, Évaluation du matériel, Evaluation of equipment, État de la question
Numéro de projet IRSST
2016-0008
Numéro de publication IRSST
R-1127
Citation recommandée
Rakheja, S., Marcotte, P., Hamouda, K., Dewangan, K. N. et Dorugade, D. (2021). État des récentes avancées en matières de développement de sièges à suspension (Rapport n° R-1127). IRSST.