威驰轿车驾驶员座椅设计Word下载.docx

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Safety

第1章绪论

1.1概述

汽车座椅属于汽车的基本装置，是汽车的重要安全部件。

在汽车中，它将人体和车身联系在一起，直接关系到乘员的驾乘舒适性和安全性。

1886年德国人戴姆勒制成了最早的汽车座椅，其座垫是以棉花等软填料作为芯子，靠背是用木板和木条围成。

一百多年来，随着汽车的发展和人们要求的不断提高，汽车座椅已不是单纯满足乘坐和美观需要的车身部件，而是关系到汽车的驾乘舒适性和安全性，集人机工程学、机械振动、控制工程等为一体的系统工程产品。

1.2汽车座椅的研究内容和设计要求

1.2.1研究内容

本课题的主要任务是根据驾驶员的安全性、舒适性与座椅的静态特性分析，对轿车的驾驶员座椅进行结构设计，运用绘图软件绘制出驾驶员座椅的三维实体造型。

通过查阅相关资料，对汽车座椅相关知识有了较深入的理解，并掌握了汽车座椅的设计思路；

了解并掌握了驾驶员座椅的靠背骨架总成结构与座垫骨架总成结构，根据人机工程学原理，结合驾驶员的安全性与舒适性，确定了汽车座椅的结构尺寸；

学习三维制图软件，并绘制所设计座椅的三维实体造型；

应用有限元分析软件，结合国内和国际标准，对所设计的轿车座椅靠背部分进行静强度受力分析。

本课题的内容可以归纳为以下几个方面：

⑴在阅读大量文献的基础上，要求对汽车座椅材料有全面的了解；

⑵结合国家相关设计标准，对座椅各方面的性能、参数进行研究与分析；

⑶对轿车座椅骨架总成进行设计；

⑷绘制汽车座椅骨架的三维实体模型；

⑸参考我国和国际对座椅系统强度的法规要求，座椅骨架靠背部分结构的

静态强度进行分析；

⑹全文总结。

1.2.2轿车座椅的设计要求

作为人和汽车之间联接部件，对其性能要求越来越高，轿车座椅设计应满足

以下各点：

⑴安全——座椅是支撑和保护人体的构件，必须十分安全可靠，应具有充分

的强度、刚度与耐久性。

对可调的座椅，要有可靠的锁止机构，以保证安全。

设

计的座椅应满足国家标准和法规（形状、尺寸、强度等）的要求。

⑵操纵方便——设计的座椅还需操纵方便，调整手柄和按钮的布置必须在驾乘者伸手可及的位置，并符合常人的习惯且操纵力量适中，便于驾乘者对座椅的前后上下、靠背的倾斜角度、头枕的前后上下等进行调节。

⑶乘坐舒适——按人机工程学的要求，座椅必须具有良好的静态与动态舒适性。

外形必须符合人机生理功能，而且在不影响舒适性的前提下，力求美观大方。

⑷结构成本——座椅设计应采用最经济的结构，尽可能地减少质量。

1.3汽车座椅的作用和功用

1.3.1汽车座椅的作用

汽车座椅的类型：

根据结构、用途及驾乘人员的不同，汽车座椅分为固定座椅和旋转座椅、可调节座椅和不可调节座椅、可翻转座椅和不可翻转座椅、带减振的悬架座椅和不带减振的汽车座椅以及专用汽车座椅等。

其中，悬架座椅又可分机械悬架座椅和空气悬架座椅，可调节座犄又分为机械调节座椅、气动调节座椅和电动调节座椅等。

在现代汽车中，座椅的主要作用是：

（1）为人体提供良好的支撑。

座椅通过对人体提供合理的体压分布，可以有效的保证人体在车辆行驶过程中的平衡与平稳。

（2）驾驶员的定位系统。

通过座椅对驾驶员的定位，可以使驾驶员获得良好的视野，并实现驾驶员对汽车操纵系统的控制。

（3）为乘员提供舒适的驾乘环境。

座椅中各种人性化的附属设备以及豪华配置，能为乘员提供优越的驾乘环境。

（4）在汽车受到撞击时最大限度的保护乘员的安全。

合理的配置头枕和靠背的软垫，防止驾驶员或乘员的颈部以及头部在汽车发生碰撞时受到意外伤害。

简而言之，汽车座椅的功能为：

在规定的条件下，能够为驾驶员和乘员提供舒适的位置并保证乘员的安全。

1.3.2汽车座椅的舒适性

座椅设计的基本原则，汽车座椅设计是一项复杂的系统工程，它涉及机械、化工、纺织、喷涂、热处理、美学、力学、人体工程学等多门学科，设计时应依据人体工程学原理综合考虑座椅的舒适性、减振性、安全性以及座椅的合理布置，此外，还要考虑人体生理特征及尺寸，进行量身定做，以提高座椅的乘坐舒适性。

汽车乘坐的舒适性包括静态舒适性，动态舒适性（又称作振动舒适性）以及操作舒适性三方面内容。

座椅的静态舒适性是指座椅在静止状态下提供给人体的舒适特性，主要与座椅尺寸参数、表面质量、调节特性等有关；

动态舒适性是指汽车在运动状态下通过座椅骨架以及软垫将振动传递到人体的舒适特性；

操作舒适性是驾驶员和乘员在车内正常活动（如操纵方向盘）的舒适程度，主要与座椅和车内其他部件的布置有关。

1、汽车座椅的静态舒适性

设计时首先要绝对保证驾乘者的安全，这就要求座椅要有足够的强度，在发生碰撞时，座椅不会或可以减轻对乘坐者造成伤害，并能起到一定的保护作用。

座椅静态舒适性是人体工程学在座椅设计中的具体应用，它通过人体舒适坐姿、合理的体压分布、人体测量的基本数据和视觉美学等使座椅的设计满足人的生理和心理要求，为乘员提供舒适、安全的驾驶和乘车条件。

2、汽车座椅的动态舒适性

设计的座椅必须能使乘客保持良好的坐姿，使其脊柱自然弯曲，保证合理的体压分布并使其肌肉松弛，上体通向大腿的血管不受压迫，血液循环正常；

并具有腰椎依托感、腰背部贴和感和侧向稳定感。

能有效隔离或衰减路面不平产生的振动，满足大多数驾乘者坐姿舒适性的要求。

汽车座椅的动态舒适性与座椅以及人体的振动特性密切相关。

来自路面的振动（或激励）通过轮胎、汽车悬架和座椅三个减振环节传递到人体，每一部分的传递特性都影响到乘员的舒适程度。

研究表明：

座椅动态参数的改变对汽车其它使用性能没有影响，而且制造方便易行，周期短、见效快。

因此，研究和改善座椅动态性能，对提高驾乘舒适性有着十分重要的意义。

3、汽车座椅的操作舒适性

设计的座椅还需操纵方便，调整手柄和按钮的布置必须在驾乘者伸手可及的位置，并符合常人的习惯且操纵力量适中。

座椅的操作舒适性主要包括以下两方面：

一方面，就座椅的各种调节装置而言，应该是使操作更容易实现，并且更容易达到；

另一方面，在保证静态舒适性的前提下，为驾驶员提供更为广阔的操作空间，也将成为座椅操作舒适性研究的主要方向。

1.3.3汽车座椅的安全性

汽车座椅的安全性是指座椅能有效的防止事故的发生，并在事故发生时有效的减轻驾驶员及乘员所受伤害的能力。

根据座椅在碰撞事故发生时和发生后对减轻乘员伤害程度的不同作用，可以将座椅的安全性分为主动安全性和被动安全性两个方面。

1、汽车座椅的主动安全性

座椅的主动安全性是指座椅能够有效地防止事故发生的能力。

座椅系统的设计与驾驶员视野、驾驶员定位以及其它汽车控制系统功能的更好发挥息息相关，这些系统之间配合的好坏也不同程度的影响座椅的主动安全性。

另外，应当指出的是，座椅的舒适性与主动安全性有关，舒适的座椅可以为驾驶员提供一个良好的工作环境，使其心情愉快、精力集中，从而有效地防止交通事故的发生，提高汽车的主动安全性。

2、汽车座椅的被动安全性

座椅的被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员进行保护，避免发生伤害或使伤害降低至最低程度的性能。

一个好的汽车座椅要能够减轻驾驶员及乘员的疲劳来满足主动安全性要求，更要有足够高的结构强度和刚度，以便与安全带和安全气囊一起对乘员定位的同时缓解碰撞的强度，力图使乘员的损伤指标达到最小。

在各种事故中，座椅作为减少损伤的安全部件起着重要的保护作用。

首先，在事故中它要保证乘员处在自身的生存空间之内，并防止其它车载体（如其它乘员、货物等）进入到这个空间。

其次，要使乘员在事故发生过程中保持一定的姿态，以保证其它的约束系统能充分发挥其保护效能。

1.4本章小结

本设计力求在驾驶员座椅传统设计的基础上，在满足上述座椅作用和功能的前提下，对座椅材料和结构加以改进，以达到减轻座椅质量，降低座椅生产成本的目标。

第2章汽车座椅的人机工程设计

2.1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，为了提高乘员的身体保持性，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，能保证乘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乘员的身体，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。

2.2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。

2.3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征的有效工具，是对人及系统进行考察研究、分析评价、实验设计不可缺少的重要辅助手段。

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-"

l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。

2.4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。

2.5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2.1。

图2.1人体压力分布图

2.6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：

座椅的尺度必须参照人体测量学数据确定；

座椅可适当调节，以满足坐姿变换；

座椅所使用的材料应适应人体的舒适性；

座椅的位置要与其作业空间相协调，便于人员作业。

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，保持上体和大腿间角在90°

~115°

。

同时，小腿向前伸，大腿与小腿、小腿与脚掌间也应达到一定角度。

另外，根据驾驶室的微气候环境，调整座椅表面的温湿度特性，可以适当调节人体代谢，达到减轻疲劳的目的。

2.7座椅的动态舒适性设计

驾驶员座椅动态舒适性主要与震动特性有关。

对于有悬架的座椅系统，影响其动态特性因素有：

座垫的刚度和阻尼系数，悬挂系统的质量、刚度和阻尼系数以及座椅系统连接件的摩擦；

对于非悬架座椅系统主要考虑座垫的刚度、阻尼以及座椅钢架结构的动态性能。

刚度决定座椅的共振频率，二阻尼系数决定座椅的振动衰减特性。

虽然座椅系统的质量和结构连接件的摩擦会影响整个座椅系统的动态性能，但由于质量和摩擦受其他因素限制而不会变化太大，所以刚度参数和阻尼系数就成了影响整个座椅系统动态性能的主要因素。

影响驾驶疲劳的震动主要是行驶中因道路凹凸不平而引起车辆书记振动和车辆本身的机械振动。

驾驶员受到纵向、横向及垂直方向的直线振动，以及绕着3个方向的角振动。

其中垂直振动和绕纵、横坐标轴的角振动对人体的影响较大。

振动通过座椅传递到人体的臀部、后背部而引起全身性振动。

因此，在设计汽车座椅时应尽量隔离人体敏感的振动。

在座椅设计中可采取如下措施：

减小座椅共振频率，降低对人体最有影响的高频区；

降低共振时的振动传递率；

降低乘员10Hz附近的振动传递率，以减轻弹簧以下的共振的影响和减少来自座椅靠背的高频振动；

把路面一轮胎、悬架、座椅一人三者看作一个整体大动力学系统，寻求在各种路面随机输入情况下使乘员不易疲劳的最优结构。

另外，对于座椅的动态特性按照传入人体的能量最小、使人体在感频率区域动态响应最小、传给人体的加速度均方根值最小等目标进行优化，与汽车的其他减振系统相匹配，使人体处于更合适的振动环境，这些都是减轻驾驶疲劳的重要措施。

2.8本章小结

人机工程学应用于汽车座椅设计，能使座椅符合人体需求，从而保证乘坐和驾驶的舒适性和行车安全性。

能提高人车接口的设计水平。

随着数字化设计应用的不断深入，人机工程应用在汽车设计中的方法也更加精确，人机工程学将更注重人的信息处理能力，更注重人一机环境的完整研究，并运用系统论、信息论等新兴科学来研究这个新的系统，以创造出更适合于人类使用的汽车，使人机系统的综合效能达到最佳水平。

第3章驾驶员座椅的结构设计

3.1汽车座椅的结构和分类

汽车座椅一般由座垫、调节装置、靠背、头枕和座椅连接件组成，设计原则的依据是：

座垫、靠背的造形和曲线应与人体放松状态下的背部曲线和臀部曲线相吻合，能支撑到腰椎部位，不会因血液循环不良而引起肢体麻木，长时间乘坐不易感到疲劳；

骨架及各机构应能满足强度（安全）要求和使用要求，通过对座椅的前后上下、靠背的倾斜角度、头枕前后上下等位置的有限调节，使大部分人处于舒适状态。

如下图3.1所示。

图3.1汽车座椅结构示意图

汽车座椅骨架是汽车座椅的基础结构，可分为靠背骨架和座垫骨架两部分。

座椅骨架常用轧制型材（钢管、型钢）制成或用钢板冲压焊接而成，并用螺钉直接固定或通过座椅调节机构固定在车身上。

座椅行程调节装置、靠背角度调节装置、限位装置等是与座椅相关的一些机械装置。

其中座椅行程调节装置是安装在座垫骨架和地板之间，调节座椅与地板的前后和上下位置的机械装置。

靠背角度调节装置安装在座垫骨架和靠背骨架之间，是用来调节座椅靠背角度的机械装置。

座椅的分类方法很多，按功用可分为：

驾驶员座椅、乘员座椅、儿童安全座椅；

按性能可分为：

固定式、可拆式、调节式；

按形状可分为：

分离式、半分离式、长凳式；

按乘坐人数可分为：

单人、双人、多人等。

近年来，随着汽车工业的发展，许多具有特殊功能的座椅陆续面市，如冷热可调式座椅、防下滑式座椅、带按摩功能的座椅、带电子记忆调节装置的座椅、空气悬挂式座椅等等，极大提高了驾乘舒适性和安全性。

3.2汽车座椅的主要部件设计

座椅部件主要包括座垫、靠背、头枕、骨架、蒙皮、减振机构、调整机构等。

设计原则的依据是：

3.2.1靠背与座垫设计

靠背的设计主要指强度设计和造型设计，设计时应使靠背的高度、形状符合人体曲线，使背部肌肉处于放松状态，并能给背部、肩部有效可靠的支撑，使驾驶员保持稳定的坐姿，还要有足够的侧背支撑，从而避免高速转弯时的横向滑动。

设计时，靠背的高度和宽度一般分别为600mm和480mm。

不同的靠背倾角会导致不同的椎间盘内压力及背部肌肉负荷。

当靠背倾角超过110°

时，椎间盘压力显著减小，所以设计时应考虑合理的靠背倾角。

为了提高舒适性，满足司乘人员在休息时的需求，靠背倾角应为可调式，并且调整范围尽可能大。

一般载重汽车为100°

～115°

，大客车为95°

～135°

，轿车为80°

～170°

本设计靠背高度为600mm,宽度为480mm,靠背调节角度为80°

～160°

座垫设计主要是座垫深度和坐垫倾角的确定。

座垫深度的设计原则是在充分利用靠背的情况下，使臀部得到合理支撑。

人体在坐姿状态下，坐骨与小腿足部构成稳定的人体支撑。

座垫深度过大时，造成人体躯干相对前移，腰部得不到良好的支撑，引起疲劳；

座垫深度过小时，会因大腿得不到良好的支撑而感到不舒适：

因此，座垫的深度应按臀部至大腿表面全长的3/4设计，一般取400～480

mm。

座垫的倾角应兼顾安全性和舒适性，一般为2°

～10°

本设计中座垫深度取450mm,座垫倾角取5°

3.2.2头枕设计

头枕是为提高汽车乘坐舒适性和安全性而设置的一种辅助装置。

头枕的主要作用是保障安全，一旦汽车发生追尾碰撞，颈椎会承受到很大的加速度而容易伤害。

有了头枕的承托，可以减少头部自由移动的空间，降低对颈椎的冲击力，起到避免或减轻乘员颈部受伤的作用。

按照国家标准，汽车座椅头枕属汽车整车强制认证检测项目之一，汽车前排座椅应装有头枕。

本设计中头枕的结构如图3.2

1.头枕靠面总成2.竖梁3.导向套4.卡簧5.横梁

图3.2头枕结构简图

具体尺寸如表3.3

表3.3座椅头枕基本尺寸

名称

参数值

头枕竖梁直径D1/mm

12

头枕竖梁上半部分长度L1/mm

155

头枕竖梁上、下部分的夹角α/（ 

）

134

头枕靠面的宽度W1/mm

180

头枕横梁直径D2/mm

7

头枕横梁下半部长度L2/mm

118

头枕靠面厚度Th/mm

1.5

3.2.3座椅调节机构设计

调节机构主要包括座椅高度调整机构、前后位移调整机构（即座椅滑道）、靠背仰角调整机构（即调角器）等。

（1）高度调整机构

高度调整机构是调整座椅在车厢内垂直位置上下移动的机构，有机械调整机构、可控空气弹簧调整机构、气动调整机构和电动调整机构等。

高度调整的范围应根据人机工程学原理，以能满足大部分人群的使用要求为目标进行确定，一般调整范围为0～100mm。

高度调节机构主要由一套铰接杆件和调整螺杆组成，当高度调节机构下端和上端分别固定在底座侧板与轨道上时，铰接的杆件便与底座侧板、轨道呵调整螺杆组成了上下两个等腰梯形，具有稳定的整体性，防止其自由变形。

如图3.4

图3.4高度调节示意图

其中，铰接杆件2与调整螺杆连接部分为光滑通孔，与调整螺杆无螺纹一端相接合，在调整螺杆有螺纹部分与连接杆件2的接触处，焊有有固定螺母，将铰接杆件2固定在调整螺杆有螺纹处和无螺纹处的中间，限制其沿调整螺杆轴向的自由度。

铰接杆件1与调整螺杆连接部分为内螺纹结构，与调整螺杆的外螺纹相连接，当调整螺杆转动时，铰接杆件1会沿调整螺杆轴向移动，改变铰接杆件上下杆与调整螺杆的角度，从而使底座得到垂直方向的的位移改变。

如图3.5

调整过程中高度调节机构主调整一侧的垂直方向位移改变会通过座椅左右两侧铰接杆件间的前后杆，带动另一侧的铰接机构产生垂直位移，达到底座在垂直方向位移整体改变的目的。

高度调节机构铰接杆件部分材料为45钢。

图3.5连接图

（2）滑道

滑道是调整座椅在车厢纵向水平位置前后位移的机构，有单锁止滑道和双锁止滑道之分，滑道的选用一般根据锁止强度确定。

例如：

当安全带固定点不在座椅上时，一般选用单锁止滑道；

当安全带固定点在座椅上时，选用双锁止滑道或加强双锁止滑道。

滑道位移的尺寸即座椅前后调整的距离需根据相应人体尺寸和人机工程学原理确定，一般前后调整距离为0～±

100mm。

本设计中采用的的是双锁止滑道，调整距离为0～±

100mm。

（3）调角器

调角器是对靠背、座垫夹角进行调整和锁止的机构。

锁止强度必须能满足GB15083-1994《汽车座椅系统强度要求及实验方法》的规定。

调角器分为机