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设计论文

摘要

近几年，随着我国公路交通事业的发展，农村城镇化建设的初见成效，农民收入和消费已经达到一定的水平，为此，专为城郊及农村群众而开发的JD6600型客车应运而生。

本文运用人机工程学原理，讨论了汽车座椅设计过程中应考虑的人机因素。

针时汽车驾驶座椅，从人体测量、生物力学、机械振动、作业空问等角度分析了驾驶疲劳的成因。

从座椅的静态特性和动态特性论述了汽车座椅的人机工程设计。

关键词：

客车；人机工程；汽车设计；座椅

ABSTRACT

Withthedevelopmentofthehighwaytransportationandtheprogressoftowns,theearningandconsumptionofthepeasantshavereachacertainlevel,justforthattheJD6600isdesignedanddeveloped.Thisthesisusingtheprincipleofergonomics，discussedtheman-machinefactorintheDesignoftheVehicleSeat．Inviewofcarsdrivingseat，anthropometry，biomechanics，mechanicalvibration，operatingroomanalysisofthecausesoffatiguedrivingandelaboratedtheSeatofMotorcarinman-machineengineeringdesignfromthechairstaticcharacteristicandthedynamiccharacteristic．

Keywords：

Coach；ergonomics；vehicledesign；seat

1前言

汽车行业是中国经济发展的支柱产业之一，近年来，无论是汽车产量还是销售量都保持了较快增长；国内汽车行业的市场占有率整体上也呈上升趋势。

在汽车市场快速发展的同时，中国的客车市场也呈现出稳步前进的势头。

2003年到2007年，中国客车产业整体都是呈稳定发展状态。

2008年上半年，尽管受到特大自然灾害的影响，但受益于宏观经济高速增长，我国客车市场总体需求保持平稳增长，6月份客车月度销量创造了新的历史纪录。

进入下半年后，国际金融危机在全球范围内蔓延，客车产销明显下降，海外出口市场遭遇较大冲击。

2008年1-12月，中国客车（含底盘）累计生产33.71万辆，累计销售34.06万辆，产销量均呈现下滑态势。

　　2009年上半年，客车行业面临严峻的挑战，一方面国内旅游、农村客运市场需求不畅，另一方面铁路运行效率的提升挤占了公路客运市场不少份额，同时出口严重下滑也加剧了行业低迷的态势。

受此影响，客车市场需求量明显下降。

进入09年三季度后，客车市场开始逐渐回暖。

从7、8两个月的销量看，我国客车市场已经恢复到2007年的水平。

　　公交客车及公路客车需求的恢复，将推动国内客车需求的好转，随着国际经济形势逐渐触底回升，客车出口也将渐进回暖，我国客车市场将重现蓬勃发展的良好势头。

发展环境的改变、技术升级的趋势及竞争的进一步加剧都要求客车业完善产业结构，加速转型升级步伐，未来我国客车行业将进行新一轮调整期。

　　与其他细分市场相比，城际短途客运市场、农村客运市场、公交市场、单位接待客车市场、旅游客车市场等都是具有传统优势的市场，客车企业应当将其作为企业发展的重点，投入更多营销成本，开发适合细分市场需求的产品。

特别是农村客运市场，国家政策大力支持是一个方面，另一个方面是农村客运市场老旧车辆居多，置换要求强烈，市场前景广阔（如图1-1所示）。

图1-1中国公路客车市场供需平衡分析

近年来随着国民经济的飞速发展，人民生活水平的不断提高，人们对运输工具——汽车的舒适和安全性要求也越来越高，不管是城际客运还是城乡客运都迫切需要豪华、舒适、性能优良和安全可靠的客车。

在客车上，座椅是将乘员与车身联系在一起的重要内饰部件，它直接影响到整车的舒适性和安全性。

因此客车座椅的设计质量就对整车的性质影响较大了。

一个好的座椅设计不仅能保证驾驶员和乘客的舒适性，缓解乘员的疲劳，还能保证人们的安全性，并让乘客在列车上享受到良好的视觉效果，带来愉快的心情。

我本次选择的毕业设计课题内容即为客车的座椅及其布置设计，针对本次毕业设计的课题，我们进行了充分的准备工作。

我在网上及通过实习考察收集了大量资料，了解了国内外客车行业发展前景以及设计方面的信息，工艺水平。

在收集时我大量阅读有关造型、工业设计、美术，客车发展规划等方面的资料，并收集了不少的图片，以供参考。

2市场现状

我国有世界上最大的农村（包括乡村，中心城镇和城市郊区），人口占全国总人口的80%以上。

我国是一个农业大国，农业是国民经济的基础，农业放在国民经济的首位，这是一项基本国策。

而且，没有农业的现代化，便没有全国的现代化。

在不久前召开的党的“十六大“会议上，明确了我国今后的中心任务就要带领全国人民实现小康社会。

这对我国尤其是广大农村是一次大的发展机遇。

实现小康离不开交通工具，大力发展农村交通工具对于加快农村小城镇建设，完善我国的现代交通运输网络系统，保证农村经济的持续、高速、稳定的发展以实现小康其意义重大。

农村需要适合其特点的交通用车，大力发展农村交通车辆，更有利于我国汽车工业的发展，可以说我国新世纪的农村将是汽车的一个大市场。

我国农村的客运量正以每年10%-15%的惊人速度增长。

随着我国改革开放的不断深入，农村经济活动空前活跃，农、林、牧、副、渔业及多种经营迅速发展，农村人员流动梁和货运量急剧增加，交通运输的机械化以成为农村经济发展的迫切需要。

考虑到对道路状况的适应性和农民的购买力水平，经济实用的农用客车是较为适宜的首选。

我国农村自改革开放以来，农村实现了村村通路，给农户出行带来了很多快捷和便利。

近年来，由于农村市场经济的发展，农村劳动力过剩，农民外出打工，经商的人数越来越多，农村人口向城市流动，农村乡镇集市活动也越来越频繁，农村的客运量更是与日俱增。

特别是西部大开发，使我国西部农村地区由封闭、半封闭状态转向开放，人员流动迅速增加起来，这给城乡客车带来了新的机遇，这也是当前客车行业发展的新机遇。

在我国东南沿海地区刚刚富裕起来的农民，随着人民生活水平的提高，已不满足过去那种坐手扶拖拉机，搭乘货车进城的现状，对所使用车辆的安全性和乘坐舒适性也提出了较高的要求，他们的主要交通工具开始向客车，面的，甚至轿车方向转变。

所以说城乡客车将具有更广阔的市场。

我国农村客运业的特点是：

①道路条件差，坡陡路窄，弯多且急；②客源分散，运量小，运距短；③对运价要求低廉；④农民带的物品、行李较多。

我国农村现阶段的交通工具的特点主要是廉价实用、安全可靠。

这就要求所开发的城乡客车既要适合我国广大农村的购买力，又要适合农村道路的使用条件。

纵观目前国内客车行业，真正适合我国城乡短途客运市场特点的客车品牌屈指

可数。

因为普通档次的客车走的是低端产品线，始终处于市场金字塔的塔基，所以相对长途豪华大客车的单车附加值要低的多。

一般情况下，厂家卖几辆低档客车还不如卖一辆高级客车的利润多，因此，一些生产客车的大企业往往对此不感兴趣。

但值得注意的是，城乡客车虽然利润低，但有其强大的市场支持，可以说未来几年城乡客运市场将有一个飞跃的发展。

我国的基本国情:

我国仍是一个农业大国,农村人口占全国人口总数的80％左右,因此,我国消费主体仍在农村.由于我国农民收入低观念保守,故其消费水平较低.进入二十一世纪以来，农村城镇化建设初见成效，农民收入和消费已经达到一定的水平，因此如何开发及占领广阔的农村市场将成为一些企业研究的主要课题。

不少企业的成功就是因其与农村市场的紧密结合。

例如：

北汽福田、安徽飞彩集团、六安民江集团等。

因此，一些小的客车厂有必要开发出适合农民要求的产品。

1）2000以来，随着国家对环保的重视，各大、中小城市开始限制农有车进城。

2）公安交管等部门也加大了农用运输车的交管力度，故有必要开发出适合市场且性价比合适的产品。

3）由于公安部门春运期间对超载严格禁止，农用运输车由于空间小，效益下降且运输效益大部分来自春运，故其市场前景不容乐观。

因此，从经济效益上讲，开发六米车有大的市场空间。

4）在世界燃油税的情况下，轻型客车比较划算。

基于以上原因,现有一大部分农用车进入更新期,考虑到农村现状,要更新这一部分农用车最好的方案就是设计出适合实际情况的城乡用轻型客车来代替老式车。

“九五”期间，全国公路网将逐步建成，全国公路通车里程已达到135万公里，高速公路已进入世界前十名。

，2010年，我国公路布局“五纵七横”将形成。

这些将为轻型客车的发展提供良好的发展空间。

由于国家今后把扩大内需作为经济增长的主要动力，将实施积极的财政政策，这在一定程度上继续促进汽车消费，促进私人购车的积极性。

西部大开发也为轻型客车的发展提供了良好的机遇，如图2-1。

图2-1中国公路客车产品需求预测

座椅作为汽车内部最重要的功能部件，也必将会随着客车市场的发展得到更多的重视和研究。

客车座椅由座垫、靠背、侧背支撑、头枕等组成，座椅除满足乘坐的功能外，还有很大的作用是在发生交通事故时座椅能最大限度地起到保护乘车人的作用。

因此，整车厂对客车座椅有一套严格的安全检测标准。

    客车座椅的设计与检测有一套非常严密的流程，所以座椅的构造看似简单，但是要满足与整车配套实际上有很高的技术含量。

客车座椅里的调角器和滑轨是关键零部件，生产制造的技术工艺要求高。

    正因为客车座椅的系统设计与制造具有相当的难度，座椅总成的行业进入壁垒还比较高，所以在世界汽车行业最后能被各大整车厂认可的乘用车座椅系统集成企业也只有江森、李尔、佛吉亚、英提尔等几家。

    分析认为，我国汽车产业近几年快速发展，未来一段时期还将稳步发展，这对座椅有大量的需求，因此客车座椅行业未来仍有巨大的发展空间。

目前我国的客车座椅市场主要集中在以江森、李尔、佛吉亚、英提尔、提爱斯等几家外资为主体的系列合资企业里，国内本土企业技术研发能力比较低，生产的产品档次比较低，市场占有率也较小，合资趋势明显，未来的本土企业将会逐步与外资企业合资合作，纯粹的本土企业将会消失。

3设计原则

1、按GB/T12427-90《客车产品系列型谱》设计，属车长7M以下车，可根据需要变形。

2、其应符合GB7258-97《机动车运行安全技术条件》和GB13094-97《客车结构安全要求》，同时符合人机工程学的要求，使其舒适性得到保证。

3、客车乘客座椅设计时，必须首先满足强度要求，这就要求对其进行结构分析、强度计算和试验，找出影响座椅强度和刚度的关键部位和薄弱环节，加以改进。

4、在满足强度要求的前提下尽量减轻座椅质量，以提高客车的动力性和经济性。

同时应做等强度设计、优化结构。

5、符合“三化”要求，尽量采用新技术、新材料、新工艺。

4座椅的结构安全性设计

现代汽车座椅的机械结构主要由头枕、靠背、座垫、滑道等总成组成。

座椅的主要功能是支撑驾驶员及乘坐人员的身体，减缓路面不平传给人体的冲击并减弱由此而引起的振动。

给驾乘提供舒适、安全的乘坐条件和便于驾驶操作的良好的工作条件。

座椅安全性设计的内容主要包括以下几个方面:

座椅强度的设计、座椅结构型式的设计、靠背的设计、坐垫的设计、头枕的设计。

4.1座椅强度的设计

座椅强度的设计是安全性设计的首要内容。

汽车行驶中，座椅要承受复杂的载荷。

汽车座椅必须有足够的强度，以确保座椅上的人所受的伤害最小；座椅的寿命应足够长，不致过早变形或损坏；受冲击载荷作用时，座椅不应发生断裂、严重变形等损坏现象。

所以设计座椅时必须对汽车座椅的强度进行计算，尽量以最少的材料、最小的质量满足强度要求。

4.2座椅结构型式的设计

座椅整体结构的安全性设计应考虑的是其对其他约束系统效能的影响及与其他约束系统之间的连接方式等。

4.3靠背的设计

靠背的安全性设计应考虑靠背的强度、倾角、基本尺寸及其形状。

靠背的强度设计不但应该在“追尾”等后部碰撞时给乘员提供良好的保护，而且也要考虑侧碰时对乘员的保护。

而靠背倾角、基本尺寸及其形状对尾部碰撞的严重程度有很大影响。

4.4坐垫的设计

坐垫一般不会造成对乘员的直接冲击伤害，但坐垫的结构可以影响到乘员运动过程、约束力加到乘员身体上的方式及外部载荷（加速度、力等）的绝对值大小。

坐垫深度设计的原则是在充分利用靠背的情况下，使臀部得到合理的支撑。

坐垫深度不应该超过人的大腿长度。

4.5头枕的设计

头枕是一种用以限制乘员头部相对于躯干向后移位的弹性装置，其作用是在发生碰撞时，减轻乘员颈椎可能受到的损伤。

尤其是在汽车受到追尾碰撞时，可抑制乘员头部后倾，防止或减轻颈部损伤。

现多采用模拟计

算和试验验证相结合的研究方法，该方法重复性好、存储信息量大、开发周期短且开发费用低。

一般的座椅是由几千个零件组装而成，在建模前首先需要对座椅的整体结构进行分析，确定各个零件对强度特性的影响，根据影响程度的不同对零件进行筛选。

对于座椅中主要的支撑性零部件，应精确建模，以保证模型的正确性；对静强度特性影响不大的零件，只要抓住其主要的几何形状进行建模即可；对于基本没影响的部件，可以简单建模或不建模。

汽车座椅骨架属于空间杆系和空间板系的组合结构，由于各种调节机构设计，导致结构不完全对称；同时，汽车在行驶过程中，座椅承受复杂的载荷，结构中的各个杆件既受弯曲又受扭转。

对于这种复杂结构，利用有限元方法对座椅系统进行各种情况仿真，具有明显优越性，不仅能节省大量的人力、物力、财力，还能取得良好效果。

5座椅整体布置设计

5.1座椅的选择

5.1.1乘客座椅高靠背座椅，可选用华士汽车座椅公司的HS-B型，如下图。

图5-1立体图图5-2平面图

5.1.2驾驶员座椅前、后、上、下及靠背角度均可调。

如下图。

图5-3立体图图5-4平面图

5.2驾驶区座椅布置

按照GB/T13053-91《客车驾驶区尺寸》及GB/T13055《客车乘客区尺寸》的要求，对驾驶区和乘客区进行了布置。

驾驶员座椅前后调节量140㎜，座椅靠背角150，方向盘倾角200，因本车前悬较短，且要充分考虑人机工程学的要求，仪表板、方向盘、驾驶员座椅及各操纵踏板的相对尺寸基本满足标准要求。

具体参数见下表5-1，视图如图5-5所示。

表5-1驾驶区设计参数

尺寸符号

尺寸名称

尺寸

H2/mm

座垫上表面至地板距离

420

α2/（°）

座垫角度

15°

α1/（°）

靠背与座垫夹角

100°

L1/mm

座垫深度

450

W1/mm

座垫宽度

460

A1/mm

靠背高度

580

W2/mm

靠背宽度

450

H3/mm

座椅上下调节

±40

L2/mm

座椅前后调节范围

±60

α3/（°）

靠背角调节范围

±15°

L3/mm

靠背下沿至前围距离

1100

L4/mm

靠背至仪表板距离

800

H5/mm

转向盘下沿至座垫上平面距离

240

L5/mm

转向盘外缘至靠背距离

365

W3/mm

座椅中心面至车身内侧壁距离

370

W9/mm

转向盘中心距座椅中心面距离

0

α6/（°）

上视角

50°

α7/（°）

下视角

23°

变速杆手柄位置（任何位置都应为与转向盘下方位置、驾驶员座椅右侧、不低于座垫表面，并且距靠背表面的距离不小于130，距R点的距离不大于600mm，距驾驶区内其它零件或操纵杆不小于55mm）

图5-5驾驶区布置图

5.3乘客区座椅布置

乘客区内宽1850㎜，最低内高1730㎜，车架分四段：

前段4000㎜，第二段765㎜，第三段765㎜，第四段500㎜，其中第二段与第三段、第三段与第四段的连接处均有一处高为160㎜的台阶（这是为增加行李箱，后面将详细叙述）。

所有座椅均向前布置，座椅单排宽460㎜，双排宽910㎜，座间距为700㎜（除驾驶员座椅与其后排间距为1080㎜外）。

座椅高为450㎜。

共有座椅7排，座椅前两排采用1＋1布置形式，最后一排为四座，其余除乘客门处外为2＋1布置。

整车共有坐席19个。

车内通道宽470㎜，人均乘坐空间比较宽裕，在加上设置了扶手等设施，大大提高了乘坐的方便性、舒适性和安全性。

见下表5-2所列。

表5-2驾驶区设计参数

乘客区尺寸

尺寸名称

尺寸

座椅间距

700mm

座垫深度

430mm

过道纵向倾角

2°

座垫倾角

6°

靠背与座垫夹角

98°

踏步深度

160mm

过道宽度（肘靠间）

470mm

过道宽度（底板上）

470mm

两踏步间垂直距离

450mm

第一级踏板至地面距离

300mm

第二级踏步高

160mm

胕靠高度

210mm

座椅座垫高度

120mm

座椅坐垫宽度

450mm

5.4座椅的整体布置

座椅整体布置如图5-6所示，共19个座位。

图5-6座椅布置图

6驾驶员座椅设计

汽车的设计开发必须围绕以人为中心的人性化前提。

本节的任务就是设计出使驾驶操作方便、高效、不易疲劳，使驾驶员感到舒适、安全的座椅。

6.1座椅设计的人文关系

由于驾驶者身材各异，而一种汽车的布置尺寸只有，要使一种操纵件的布置能最大限度地满足不同身驶者的手脚伸及性与姿势舒适性的要求，必须对人进行仔细研究。

例如，同是操纵油门踏板，高个子比矮个的座椅要靠后一些，但他们的手臂和腿的长差并不大，因此，高大的男人比娇小的女人更不易触板（如图6-1）。

对操作姿势来说，通过试验研究，由座椅、踏板和转的位置以及驾驶姿势参数的变化得到了驾驶者的舒适特性。

（如图6-2）。

图6-1操纵件的手脚伸及性图6-2驾驶者的舒适性

6.2座椅的结构参数

汽车座椅的舒适性通常包括震动舒适性，坐姿舒适性和操作舒适性。

震动舒适性一般不能只靠尺寸参数来保证，而驾驶席的坐姿舒适性和操作舒适性以及乘员席的坐姿舒适性则应通过座椅的结构和尺寸参数得到相应程度的保证。

座椅的尺寸结构参数可参考驾驶或乘坐姿势下人体尺寸的测量值加以确定，其基本尺寸必须要

考虑到各种影响因素。

为了使不同身高的驾驶员获得良好的静态舒适性，并自如地进行操作，必须使座椅的尺寸合适，驾驶位置合理。

通常对于座椅来说，以下外形尺寸必须在规定的范围之内：

1坐垫深度：

对于身材高大的驾驶员来说，坐垫太浅会因大腿下面无足够的支撑而感到不适，反之，身材稍小的驾驶员则会因为坐垫太深而背部不能与靠背接触，势必要端坐，长时间的端坐更易疲劳。

因此，坐垫深度一般取400—500mm。

2坐高：

即坐垫上表面至地板的距离。

坐垫的高度应保证双脚能自如踏在地板上，并可以自由的前伸后屈。

坐垫过高，身材稍小的驾驶员踩踏板困难，大腿下面过分受压而使血液流动不畅，以致麻木而很快疲劳；反之，坐垫过低，会使身材高大的驾驶员因小腿与大腿的角度小而很快疲劳。

因此，坐垫高度一般以取350—400mm为宜，最低不小于300mm，最高不大于400mm。

3坐垫角度及靠背与坐垫的夹角：

坐垫上表面若是水平的，则人坐上去身体会产生向前滑动的趋势，为保证驾驶员身体不向前滑动，垫面一般设计成前高后低的倾斜状，一般以取50—80为宜。

由于坐垫有水平夹角而造成靠背与坐垫夹角减小，如果角度过小，则腰椎就会由正常弯曲变直，使腰部很快疲劳，因此，一般靠背都设计成可调，使其后倾，以增大躯干和大腿之间的夹角。

对于汽车座椅，其躯干和大腿间夹角以在950—1050范围为宜。

6.3座椅布置

根据人体的舒适坐姿和汽车设计对人体的布置要求，对座椅进行布置并确定座椅与操纵装置的相对位置；按舒适坐姿选择座椅的座面高度、座宽、座深、座面倾角、靠背的高、靠背与座面夹角；按汽车中利用人体样板进行人体布置的原则，来确定座椅与操纵装置的相对位置，确定出座椅与方向盘和加速踏板的相对位置，同时确定座椅的水平调节量和垂直调节量。

6.4人体压力在座椅上的分布

人体与座椅之间的压力分布称为坐姿的体压分布，坐姿的体压分布是影响乘坐

舒适性的重要因素。

人就坐时，身体重量的大部分（约80％）经过臀部、背部隆起部分及其附着的肌肉压在座椅面上。

座椅各部位的受力分布如图6-3。

图6-3座椅各部位的受力分布

6.5座椅的人机工程学要求

1）各部贴合感：

要求座椅靠背和坐垫的形状与人体背部、臀部及大腿底面的形状相贴合。

贴合感强的座椅将有利于改进接触面积和部位。

2）横向稳定性：

汽车转弯时，人体承受横向加速度，为了提高驾驶员的身体保持性，要求座椅的侧面稍加高，以便两跨和大腿部能轻轻支承身体。

3）背部和腰部的合理支承：

汽车座椅设计时应提供形状和位置适宜的两点支承，第一支承位于人体第5—6胸椎之间的高度上，作为肩靠能减轻颈曲变形；第二支承设置在腰曲部位作为腰靠，能保证驾驶员坐姿势下近似于正常的腰曲弧线。

4）各部合适的软硬感：

座椅最重要的作用是支撑驾驶员的身体，不能只是一把安乐椅，表面硬一些的座椅不易使人疲劳，但与身体不是特别贴合的硬座椅会压迫身体的某一部分，使疲劳感倍增。

5）振动舒适性：

需要设计好座椅的静态刚度、共振频率及衰减特性。

6.6人体模板在车辆座椅设计中的应用

利用人体模板考察车辆室内主要人机工程学设计参数，用以了解和评价汽车的人机工程设计。

以人体参数为基础建立的人体模型是描述人体形态特征和力学特性的有效工具，是对人机系统进行考察研究，分析评价，试验设计不可缺少的重要辅助手段。

目前SAEJ826人体模板是车身布置最常用的（如图6-4），这种人体模板是根据人体测量数据进行处理和选择而得到的标准人体尺寸来制作的。

将人体模板置于1：

1模型或样车的作业空间内，或将二维人体模型置于设计图纸的相关位置，可用于校核设计的可行性和合理性。

结合精确的人体模板中各种主要的人体参数，按照一定的经验理论，考察汽车室内主要人机工程学设计参数。

根据人体模板的标准参数，包括人体静态尺寸（主要是坐寸），功能尺寸（坐姿活动范围尺寸），作业尺寸（主要是手部，脚部的力学参数）等，确定相应的汽车车厢空间，座椅位置，转向盘，操控台，扶手等的设计参数。

具体分类上主要是人体的舒适性设计参数（座椅，室内空间等）操作性设计参数（方向盘，控制台，扶手，脚踏板等）以及安全性设计参数等。

图6-4SAEJ826人体模板

6.7座椅的静态舒适性设计

座椅的静态舒适性设计须考虑的因素很多，可以概括为以下基本原则：

1）座椅的形式和尺度与其功用有关；

2）座椅的尺度必须参照人体测量学数据确定；

3）座椅可适当调节，以满足坐姿变换；

4）座椅所使用的材料应适应人体的舒适性；

5座椅的位置要与其作业空间相协调，便于人员作业。

座椅各部分主观舒适性情况如下表6-1所示。

表6-1主观舒适性评价表

由坐姿生物力学分析，最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移，使上体略向上后倾斜，保持上体与大腿间角在90度到115度之间。

同时，小腿向前伸，大腿与小腿，小腿与脚掌之间也应达到一定角度，如图6-5所示。

另外，根据驾驶室的温湿特性，可以适当调节人体代谢，达到减轻疲劳的