人机工程学在汽车座椅设计中的应用.docx

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人机工程学在汽车座椅设计中的应用

3、为确定感觉器官的适应能力提供依据。

一、汽车座椅人机工程学分析

1、人体坐姿生理特性分析

（1）坐姿时脊柱的形态

人坐着时，身体主要由脊柱、盆骨、腿和脚支撑。

脊柱位于人体的背部中央，是构成人体的中轴。

人处于不同的坐姿时，脊柱形态不同，只有座椅的结构和尺寸设计使驾驶员的脊柱形态接近于正常自然形态，才会减少腰椎的负荷以及腰背部肌肉的负荷，防止驾驶疲劳发生。

（2）坐姿体压分布

当座椅上的人处于坐姿状态时，人的身体重量作用于座垫和靠背上的压力分布称作坐姿的体压分布。

可见，坐姿体压分布包括座垫上的体压分布和靠背上的体压分布两部分。

（3）座垫上的体压分布

根据人体组织的解剖学特性可知，坐骨结节处是人体最能耐受压力的部位，适合于承重，而大腿下靠近表面处因有下肢主动脉分布，故不宜承受重压。

据此座垫上的压力应按照臀部不同部位承受不同压力的原则来分布，即在坐骨处压力最大，自大腿部位时压力降至最低，这是座垫设计的压力分布不均匀原则。

图1为坐姿时座垫上的体压分布。

（4）靠背上的体压分布

靠背上的体压分布也以不均匀分布，压力相对集中在肩胛骨和腰椎两个部位。

从这两个部位向外，压力应逐步降低。

2、环境分析

把驾驶员——座椅组成的系统看作一个典型人机系统，该系统所处的环境对系统中的驾驶员的影响主要体现在以下两个方面，具体分析如下：

（1）振动

驾驶员坐在行使中的汽车上所承受的振动属于全身振动的范畴。

有关研究表明，人体最敏感的频率范围为纵向振动4~8Hz，横向振动1~2Hz。

当外界振动接近器官的共振频率时，即产生共振，振幅迅速增大，此时引起器官的生理反应最大。

振动对驾驶员操作的影响主要表现为视觉作业效率的下降和操作动作准确性变差。

当振动频率低于2Hz时，由于眼肌的调节补偿作用，使视网膜上的映像相对稳定，因此对视觉的干扰作用不大，但当振动频率大于4Hz时，视觉作业效率将受到严重的影响，振动频率为10~30Hz时，对视觉的干扰最大，振动频率为50Hz、加速度为2m/s2时，视觉下降约50%。

振动对操作动作准确性的影响，主要是由于振动降低了手（或脚）的稳定性，从而使操纵动作的准确性变差，而且振幅越大，影响越大。

（2）温湿度

研究表明，驾驶员在驾驶状态下的舒适温度为18℃～23℃，舒适湿度为40%～60%，代谢量为1.0～2.0met。

座椅对人体热环境的主要影响因素有：

座椅表面的温度和湿度。

座椅表面的温湿度特性将影响人体背部、臀部、下体等部位的散热性能及皮肤的呼吸功能，当其温湿度特性与人体生理机能不适应时将引起人体局部不快感，从而加速人体疲劳的形成。

二、汽车座椅的人机工程设计

汽车驾驶座椅的人机工程学分析，安全舒适的汽车驾驶座椅的设计必须满足以下要求：

意识坐姿舒适性（静态舒适性）；二是振动舒适性（动态舒适性）；三是操作舒适性；四是安全性（包括主动安全性及被动安全性两个方面）。

上述要求具体到驾驶座椅的设计中满足驾驶员坐姿舒适性的座椅尺寸结构设计、满足驾驶员振动舒适性的座椅抗振减振设计、满足操作舒适性的座椅空间位置设计以及满足驾驶员的安全性的汽车驾驶座椅主动安全性及被动安全性的设计。

1、座椅尺寸结构设计

驾驶座椅尺寸结构设计的研究把注意力集中在人体生理结构特点对驾驶舒适程度的影响上，寻求最佳的座椅结构形式、尺寸、轮廓形状及材料选择。

（1）座椅尺寸设计

座椅尺寸设计主要参数包括：

椅面高度、宽度、深度、椅面倾角；靠背的高度、宽度和倾角。

座椅尺寸设计涉及主要参数如图2所示。

椅面高度A：

椅面高度定义为椅面前缘至驾驶员踵点的垂直距离。

在设计时主要考虑到两点：

椅面过高会使大腿肌肉受压，椅面过低就会增加背部肌肉负荷，驾驶座椅的椅面高度应低些。

椅面宽度B：

在空间允许的条件下，以宽为好。

但对于汽车驾驶座椅来讲，驾驶员坐姿单一，不涉及变换姿势，通常设计应满足最宽人体需要为准。

椅面深度C：

指椅面前缘至靠背前面水平距离。

其尺寸应满足：

腰部得到靠背的支撑；椅面前缘与小腿之间留有适当距离，以保证大腿肌肉不受挤压，腿弯部分不受阻碍。

靠背高度D及宽度：

靠背的高度和宽度与坐姿肩高和肩宽有关，对于汽车驾驶座椅靠背的高度应采取高靠背，最好加靠枕。

靠背倾角α：

靠背倾角是指靠背与椅面水平方向的夹角。

椅面倾角β：

指椅面与水平之间的夹角。

主要考虑到为了防止人体臀部向前滑动而是椅面前缘向后倾。

此角不易过大，否则会增加大腿下平面与座垫前缘的压力，从而减少双脚着地的负荷，阻碍血液循环，引起身心疲劳。

通过以上座椅尺寸参数的确定，以保证驾驶员人体脊柱曲线更接近于正常生理脊柱曲线。

舒适坐姿的各关节的角度应该满足图3中所示的要求角度。

（2）座椅结构设计

为了保证座垫上合理的体压分布，座垫应坚实平坦。

太软的椅子容易令使用者曲起身子，全身肌肉和骨骼受力不均，从而导致腰酸背痛现象的产生。

研究表明：

过于松软的椅面，使臀部与大腿的肌肉受压面积增大，不仅增加了躯干的不稳定性，而且不易改变坐姿，容易产生疲劳。

依据靠背上体压分布不均匀原则，在座椅靠背设计时应保证有靠背两点支撑，即就是人体背部和腰部的合理支撑。

汽车座椅设计时应提供形状和位置适宜的两点支撑，第一支撑不位位于人体第5—6胸椎之间的高度上，作为肩靠；第二支撑设置在腰曲部位，作为腰靠。

肩靠能减轻颈曲变形，腰靠能保证坐姿下的近似于正常的腰弧曲线。

（3）座椅材料选择

座椅材料的选择主要考虑到以下两个方面：

振动舒适性以及座椅对人体热环境的主要影响。

座椅材料是座椅的主要减振元件，要想使座椅获得较低的振动传递率，使座椅有较高的振动舒适性，必须采用合适的座垫和靠背减振材料。

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

2、座椅舒适性设计

通过查阅相关资料并对当前市民针对汽车座椅舒适性的市场调查考证，由生物动力学研究表明，长时间地承受高强度的全身振动对于人体健康的损害是相当严重的。

主要是腰脊和相关的神经系统会受到影响。

新陈代谢以及源于机体内部的一些其他因素会恶化这个影响，通常认为环境因素，如身体姿势、低温及气流会引起肌肉疼痛。

由本小组研究人员取证分析，得到以下结论：

（1）、座椅舒适度的指标

根据人机工程学原理,为保证良好的舒适度，针对静态舒适度，设计中应遵循以下原则：

①座椅尺寸应与人体测量尺寸相适宜；②座椅应可调节，能使乘坐者变换姿势，并最大范围满足各类人体的乘坐要求；③座椅应能使乘坐者保持舒适坐姿，靠背结构和尺寸应给腰部充分的支撑,使脊柱接近于正常弯曲状态。

（2）、座椅舒适度的影响因素

座椅的几何尺寸是影响座椅舒适度的因素，但研究发现这并非唯一最主要的影响因素。

许多文献都提及腰部支撑的重要作用。

腰托的形状和位置，对于是否能使人保持良好坐姿，减少人体疲劳具有重要作用。

从人机工程学的角度来讲，腰部是体现座椅功能的关键部位。

因此，座椅的腰托是影响舒适性的关键因素。

腰托的安装位置在座椅靠背结构设计中十分重要。

（3）、座椅舒适度的研究方法

从汽车座椅设计及改善的角度出发，消除座椅不舒适性最理想的方法是能建立定量模型，预测座椅的不舒适性。

国内外研究中,建立的模型主要有如下3种：

利用模糊理论建立的模型、线性模型和神经网络模型。

目前，国内在座椅舒适度的研究上还存在一些缺陷：

①没有针对中国人体特征尺寸的座椅舒适性研究；②对于座椅静态舒适性评价还没有形成一套客观系统的体系；③在应用神经网络建模方法评价舒适性中，对输入量的界定还不够清晰明确，有待进一步研究。

3、座椅空间位置设计

座椅空间位置设计就是为了达到操作舒适性的目标，而进行驾驶室座椅空间位置设计以确保驾驶员有良好的视野，同时对汽车转向盘、脚踏板等操作部件有恰当的操作要求距离，以达到操作舒适性的最终目的。

图4列出了驾驶作业空间设计的主要指标。

4、座椅安全性设计

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。

（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。

（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。

（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）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。

（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。

三、汽车座椅人机工程学的应用

所谓人机工程学，亦即是应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围、活动范围、动作速度、动作频率、重心变化以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等。

人机工程学的显著特点是，在认真研究人、机、环境三个要素本身特性的基础上，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将使用“物”的人和所设计的“物”以及人与“物”所共处的环境作为一个系统来研究。

在人机工程学中将这个系统称为“人——机——环境”系统。

四、结束语

从人机工程学的角度出发，进行汽车驾驶座椅的设计，是使驾驶座椅具有良好坐姿舒适性、振动舒适性、操作舒适性和安全性的必要手段。

目前，虽然已有企业在利用人机工程学的研究成果来设计驾驶员座椅了，但对设计出来的驾驶座椅还不够完善，因此建立一个从分析——设计的系列开发过程有着非常重要的意义。

参考文献

[1]王惠军《汽车造型设计》国防工业出版社，2007年

[2]郭竹亭《汽车车身设计》吉林科学技术出版社，1992年

[3]黄天泽《汽车车身结构与设计》机械工业出版社，2003年

[4]李少波《汽车车身计算机辅助设计与分析》[硕士论文]贵州工业大学，1999年

[5]吴翔《产品系统设计》中国轻工业出版社，2000年