轿车座椅强度设计.docx

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轿车座椅强度设计

摘要

汽车座椅结构设计对汽车驾乘者的舒适感有着很大影响,要求座椅的设计者要在设计产品的时候能充分将人的因素、产品使用的环境因素科学地运用在一起。

同时，汽车座椅系统也是保障车辆安全性能的一部分，其结构设计、材料应用的合理性及其质量直接影响到乘员的安全性。

由于轿车座椅的特殊性，因此对其舒适性和安全性要求都较高。

随着科学技术的发展和生产力的提高，人们对工作、生活、休息质量的要求不断提高，以前的那种从产品到人的产品设计模式己不能满足日益丰富的工业产品的生产以及广大消费者对工业品的期望。

这就要求产品设计者在设计产品的时候能充分将人的因素、产品使用的环境因素甚至整个社会的文明文化合理地、科学地运用其中。

在设计中必须始终将人的因素贯穿在整个设计的得始终。

本毕业设计分析了人与座椅的人机关系，并结合我国国民对汽车座椅的使用要求，以人机工程学、汽车设计等学科的理论为依据，以国家和国际标准为准则，对驾驶座椅进行了综合研究。

关键词：

座椅系统；结构设计；人机工程学；静力分析

Abstract

Thedesignofvehicleseatframehasgreateffectonthecomfortofthepeopleinvehicle,itrequiresthedesignertocombinehumanfactorsandtheproduct’sworkingenvironment,andusethemscientificallyandadequately.Meanwhile,thevehicleseatsystemisalsoapartofvehiclesecurityelements,therationalityandqualityofitsframeandmaterialdirectlyaffectthesecurityofthepeopleinvehicle.Becauseoftheparticularityofcar,itismoreimportantforitsseattobecomfortableandsafe.

Withdevelopmentandimprovementofproductivityofscienceandtechnology,people’srequestofqualityofworking,living,andrelaxationraiseconstantly,formerproductdesignmodethatfromproductstopeoplethatalreadycan’tsatisfiedthemanufactureofabundantindustryproductionandthemassesofconsumerofindustrialproductsdaybydayexpectation.Thisrequiresproductsdesignercantakethehumanafactorwhendesigntheproducts,environmentalfactorthattheproductsbeingused,thecivilizationcultureoftheevenwholesocietyintoaccountrationally,scientifically.Mustisitdesignhumanfactorentirelytorunthroughallthetimeindesign.

Thisdesignanalyzedtheergonomicsrelationshipbetweenhumanandvehicleseat,combinedthecountry’sdemandonvehicleseat,andmadeageneralresearchonvehicleseatbasedonergonomicsinvehicleengineering,vehicledesign.etc,andthenational&internationalstandard.

Keywords：

seatsystem;framedesign;ergonomics;staticanalysis

第1章绪论

本毕业设计的研究意义和内容

.本课题研究的意义

从人的安全、健康的角度，现代人越来越多地的时间在汽车中度过，座椅的安全与舒适直接影响到人们的健康与安全。

尤其是对人们脊椎的伤害。

从社会的角度，汽车走进千家万户，人们对汽车的情感也有所转变，从以前的遥远、到现在的占有，将来必将转变为挑剔。

因此汽车座椅的发展也要跟上时代的步伐。

座椅是汽车与人接触的界面，人们在选择汽车时，往往首先接触到的是座椅。

从经济和技术的角度，汽车制造业正在迅速地向全面数字化设计、制造和测试这种新方式转化。

传统的实物模型被数字模型所取代，这使得汽车产品可以直接从设计阶段进入生产阶段，缩短了产品设计开发周期。

从这个角度来看，在技术上能够脱离那种反复的设计实验周期。

.本课题研究的内容

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：

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；

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；

对轿车座椅骨架总成进行设计；

绘制汽车座椅骨架的三维实体模型；

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；

全文总结。

轿车座椅的功能和设计要求

轿车座椅的作用

轿车座椅是汽车中将乘员及驾驶员与轿车车身联系在一起的重要部件，主要作用是：

为驾乘者提供良好的支撑。

座椅通过对人体提供合理的体压分布，在重要的人体结构点上支撑人体，可以有效的保证人体在车辆行驶过程中的平衡与平稳。

驾乘人员的定位系统。

通过座椅对驾乘者的定位，可以使驾乘者获得良好的视野，并实现对汽车操纵系统的控制。

提供驾乘者舒适性，为驾乘者提供一定的舒适性，重点在于长时间驾乘。

轿车空间狭小密闭，座椅就在长途驾驶的舒适性上起到尤为重要的作用。

在汽车受到撞击时最大限度的保护驾乘者的安全。

轿车速度较其他车辆快，发生事故时，合理的配置头枕和靠背的软垫，可以最大程度上减少或减轻驾乘者在碰撞时受到意外伤害。

简而言之，其功能为：

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。

可见，座椅的安全性及舒适性是其最重要的功能，也是汽车座椅的设计、研发中必须作着重解决的问题。

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：

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。

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。

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。

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。

轿车座椅的结构

汽车座椅伴随着汽车的诞生而出现，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，而是关系到汽车的乘坐舒适性和安全性，集人机工程学、汽车设计等为一体的系统工程产品。

汽车座椅（图1.1）一般由座垫及其骨架、靠背及其骨架、头枕及其骨架，以及相应的导向、调节机构等基本部分组成。

图1.1驾驶员座椅结构简图

轿车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，用螺钉直接固定或通过座椅调节机构固定在车身上。

座椅前后调节装置、靠背角度调节装置、高度调节装置等是与座椅相关的一些装置。

座椅前后调节装置就是座椅底座滑轨，用于调节座椅与地板的前后位置。

靠背角度调节装置安装在座垫骨架和靠背骨架之间，用于调节座椅靠背角度。

高度调节装置是安装在底座滑轨和座垫骨架之间的装置，用于调节座椅与地板间上下位置。

CATIA软件

CATIA软件的介绍

CATIA是法国达索公司的产品，已在很多里成为首要的3D设计和模拟解决方案：

汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子和通用机械制造等。

CATIA覆盖了产品开发的整个过程、提供了完备的设计能力：

从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立；同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计，工程分析及仿真，数控加工和CATweb网络应用解决方案有机的结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境，特别是针对汽车、摩托车业的专用模块,使CATIA拥有了最宽广的专业覆盖面，从而帮助客户达到缩短设计生产周期、提高产品质量及降低费用的目的。

CATIA软件在本毕业设计的应用

本毕业设计使用了CATIA机械设计模块组中的：

零件设计、装配设计、草图设计、工程绘图、钣金设计和线架与曲面设计等模块进行轿车座椅的结构设计。

此外，还使用分析与仿真模块组中的GenerativeStructuralAnalysis模块对轿车座椅靠背骨架进行静强度分析。

第2章轿车座椅的设计基础

人机工程学在轿车座椅设计中的应用

坐姿与座椅

坐姿是人体较自然的姿势，也是进行各种操作经常采用的姿势。

座椅与人们的生活息息相关，无论是工作、学习、出门旅行、在家休息都离不开座椅。

人的坐姿是个相当复杂的问题，虽然座椅伴随人类的生活己经有几千年的历史了，但是关于座椅的设计问题至今仍然是值得研究的课题。

在生物学中，当坐立时，人的身体由脊椎、胯骨、腿和脚支撑。

主要用来支撑人体重量的关节为胯骨和腰椎，腰椎的第三、第四腰椎为整个脊椎骨中受力最大的部位。

所以腰椎也就比上方的椎骨大而且硬得多。

坐姿时，尾椎将受到压力而往前弯，有缓冲震荡的作用。

坐骨构成了胯骨最下方的部位，其后下方的坐骨结节为L字母形状，当人们坐着的时候，此处往下顶住来支撑身体的重量。

长期的姿势不良、受伤或者疾病，伤害就会发生在脊椎弯曲的地方，如胸弯过分弯曲就会造成圆肩或驼背;腰部脊椎过分弯曲，会造成脊椎的侧弯或是脊椎的前凸症、后凸症。

当人们在椅子上时，若坐姿不良，骨盆很容易下陷，仔细摸骨盆两侧，发现整个骨盆往后倾，整个人会感到胸廓与腰杆交界处造成腰酸背疼、驼背。

长期使用电脑的上班族而言，坐姿不良通常是造成腰酸背疼得最主要的凶手。

人们的脊椎在坐姿情况下就像是一根杠杆，如果头部向前倾，为了支撑前倾的头部，骨头的韧带就会产生一个拉力，当力量超过韧带所能负荷的范围，这个力量就会转移到背后的肌肉上，于是肌肉便持续暴露在张力之下。

久而久之，就会出现颈部、背部、腰部肌肉酸痛的症状。

舒适坐姿的生理特征

坐姿状态下，支撑身体的是脊柱、骨盆、腿和脚。

脊柱是人体的主要支柱，由24节椎骨以及5块骸骨（已连成一体）和4块尾骨（己连成一体）连结组成，如图2.1所示，其中椎骨自上而下又分为颈椎（共7节）、胸椎（共12节）、腰椎（共5节）三部分，每两节椎骨之间由软骨组织和韧带相联系，使人体得以进行屈伸、侧曲和扭转动作等有限度的活动。

颈椎支撑头部，肋椎与肋骨构成胸腔，腰椎、骸骨和椎间盘承担人体坐姿的主要负荷。

图2.1人体脊椎构造图图2.2人体在不同状态下腰椎弯曲形状

由于腰椎几乎承受着人的上体的全部重量，并且要实现弯腰、侧曲、扭转等人体运动，所以最容易损伤或腰曲变形。

从侧面观察脊柱，可看到脊柱呈现颈、胸、腰、骸四个弯曲部位，其中颈曲和腰曲凸向前，胸曲和骸曲凸向后。

脊柱的自然弯曲弧形应如图2.1所示，椎骨的支承表面相互位置正常，椎间盘没有错位的趋势。

一旦人体改变这种自然弯曲状态，会引起惟间盘压力改变，使腰部疼痛。

图2.2所示为人体在各种不同姿势下的腰椎弯曲形状。

曲线C是最接近人体脊柱自然弯曲状态的坐姿，椎间盘上的压力可较正常分布。

因此，欲使坐姿能形成接近正常的脊柱自然弯曲形态，躯干与大腿之间须有大约135°的夹角，且座椅应使坐者的腰部有适当支撑，以便腰曲弧形自然弯曲，腰背肌肉处于放松状态。

人坐着时，大腿和上身的重量必须由座椅来支承。

人体结构在骨盆下面有两块圆骨，称为坐骨结节，如图2.3所示。

这两块小面积能够支持大部分上身的重量。

座面上的臀部压力分布是在坐骨结节处最大，由此向外压力逐渐减小，直至与座而前缘接触的大腿下部，压力为最小。

座垫的柔软程度要适当，坐骨部分的座垫应当是支承性的，它要承受加在座位上的大约60%的重量，而其余部分则应当比它更柔软些，以便能够把重量分布在更大约面积上。

座椅靠背上的压力分布，应当是肩脚骨和腰椎骨两个部位最高，此即靠背设计中所谓的“两点支承”准则。

靠背的两点支承中，上支承点为肩脚骨提供凭靠，称为肩靠，其位置相当于第5~6

节胸椎之间的高度；下支承点为腰曲部分提供凭靠，称为腰靠，其位置相当于第

4~5节腰椎之间的高度。

不同用途的座椅，两点支承的作用不一样，休息用的座椅，体、腿夹角较大（舒适角度约为115°），坐着时身体向后倾斜，只要肩部分支承稳靠，没有腰靠也能得到舒适的坐姿，因此是以肩靠起主要作用；而一般操作用座椅，由于操作的要求，身体需要略向前倾，肩胖骨部分几乎接触不到靠背，因此只有腰靠起支撑作用，一般无需设置肩靠。

腰靠支承是使背疼和疲劳减到最轻的主要措施，否则，将

图2.3股骨正常位置

只靠肌肉来维持腰曲弧形，势必引起腰部肌肉疲劳和损伤。

考虑到人的身材高矮不同，对某些座椅应当具有能调节腰靠位置的装置。

腿的主动脉紧靠着大腿下表面和膝盖的后面，在这个部位上，任何持续的压力都会给人造成极端的不好适和肿胀感觉需要借助于适当减短座深、把座垫前缘修圆和采用较软的泡沫塑料座垫等措施来防止发生这种情况。

同时，还要使座面离地板的高度足够低，以便使脚能踩着地板，让人的这个重要部位感觉不到有任何压力。

坐骨下面的座面应当近似是水平的。

图2.3表示带有股骨的骨盆部位的前视图，股骨在股节中从连接骨盆的球孔向外伸去。

用平的座位，股骨的这一部分在坐骨平面之上，因此不承受过分的压迫。

座椅的设计必须有可能让人经常地改变自己的姿势和位置，以便减轻压力和

活动伸展各部分肌肉。

体压分布与坐姿疲劳

人在坐姿状态下，体重作用在座面和靠背上的压力分布称为坐态体压分布，它与坐姿及座椅的结构密切相关，图2.4为人体在靠背和座垫上最适宜的体压分布，对于体压的研究是目前人们对座椅进行研究的主要方法和参数。

体压分布的测量一般采用等高线的形式反映压力分布状况。

就座者的骨盆可以比喻为倒立的锥体，与椅面接触的主要是臀部两块薄肌肉层下的坐骨。

由坐骨向外，压力逐渐减少。

为了减少臀部下部的压力，座面一般应设计成软垫，其柔软程度以使坐骨出支承人体的60%左右的重量为宜，采用软性坐垫，增大臀部与座面的接触面积，就改善了这种压力集中的现象，使整个臀

a靠背b座垫

图2.4人体在靠背和座垫上最适宜的体压分布

部均承担体重的压力，减缓坐骨下支点处的疲劳，可以延长就座时间。

但不论什

么座面，不论哪种姿势，长时间采取一种坐姿总会产生静力疲劳。

因此，任何一种座椅在设计时都应考虑变换坐姿的可能性。

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

图2.5座椅各部位的受力分布

压在坐椅面上。

图2.5为座椅各部位的受力分布示意图。

座椅主要部件的功能及结构要求

靠背

靠背的设计主要指强度设计和造型设计，靠背造型设计时应使靠背的高度、形状符合人体曲线，给背部、肩部有效可靠的支撑和足够的侧背支撑，使驾驶员保持稳定的坐姿，避免横向滑动。

图2.6靠背骨架

靠背骨架（图2.6），是一个关键的结构件，在前撞、侧撞尤其是后撞情况下，靠背骨架在撞击能量处理方面起关键的保护作用。

根据普遍轿车座椅靠背机构分析，本设计靠背选用左、右侧板，上、下横梁结构形式。

座垫

轿车座垫设计主要是座垫深度和座垫倾角。

座垫深度过大时，躯干相对前移，腰部得不到良好支撑；过小时，大腿得不到良好支撑。

因此，深度应按臀部至大腿表面全长的3/4设计，一般取400～480mm。

座垫的倾角应兼顾安全性和舒适性，一般为2°～10°。

座垫骨架通过调角器与靠背连接，靠背受到的载荷通过调角器传至座垫再到地板。

此外，座垫骨架还承受乘客的静载荷、乘客下潜载荷（轿车高速制动时乘客向前的载荷）、乘客在座垫上运动产生的疲劳载荷。

根据调节方向分，轿车座垫骨架大致有2向（前、后）、4向（前、后、上、下）和6向（前、后、上、下、前后倾斜或前、后、前部上下、后部上下）等形式，座垫骨架上装有座盆，有整体式和局部式两种。

局部式座盆需安装弹簧钢丝以支撑发泡，整体式则不需要。

为保证轿车日常使用需求及产经济性，本设计采用4向调节、整体式座盆的座垫骨架。

头枕

头枕（图2.7）是为提高汽车乘坐安全性和舒适性而设置的一种辅助装置。

图2.7头枕结构

首先，头枕主要作用是保障安全。

日常生活中，轿车经常发生追尾碰撞，颈椎承受到很大的加速度，头枕可以减少头部自由移动，避免或减轻乘员颈部受伤。

按国家标准GB11550-1995《汽车座椅头枕性能要求和试验方法》，头枕属汽车整车强制认证检测项目之一，轿车前排座椅应装有头枕。

其次，正常行驶下，当脊椎与垂直面夹角超过30°时，使用头枕可以避免头颈疲劳。

轿车座椅中，头枕一般为一个单体，用单柱或双柱插杆，通过导套插入靠背的插座中。

头枕调节机构可以对头枕进行上下和前后的调节。

为同时保证轿车日常使用的安全性、舒适性和经济性，选用双柱式上下可调头枕。

调节机构

座椅调节方向主要有高度调整（图2.8-a）、前后调整（图2.8-b）、靠背仰角调整（图2.8-c）。

a上下调节b前后调节c靠背角度调节

图2.8座椅调节方向

高度调整机构，用于调整座椅垂直位置，分机械调整、可控空气弹簧调整和电动调整等。

调整范围按人机工程学原理，以满足大部分人使用要求确定。

根据大多数乘员对轿车的使用需求，同时为了保证生产成本，选定机械调整机构，高度调整范围为0～100mm。

滑道是纵向水平位置的调整机构，分单锁止滑道和双锁止滑道，一般根据锁止强度确定。

安全带固定点不在座椅上时，一般选用单锁止滑道；安全带固定点在座椅上时，选用双锁止滑道。

滑道位移尺寸根据相应人体尺寸和人机工程学原理确定。

根据轿车使用强度以及轿车常用的安全带安装形式，结合轿车实际使用空间，选用双锁止滑道，前后调整距离为0～±100mm。

调角器主要有常啮合式和棘轮棘爪式两种类型,用于对靠背角度进行调整和锁止，必须满足GB15083-1994《汽车座椅系统强度要求及实验方法》规定。

常啮合式调角器始终保持啮合状态，有手动和电动两种。

手动常啮合调角器要连续转动旋钮座椅靠背才能调整到理想位置。

电动常啮合调角器通过电机驱动齿轮进行调节，有传动平稳、强度高、调解范围大等优点，适于高档汽车座椅。

棘轮棘爪式通过操作手柄进行解锁，没有电动形式。

采用棘轮棘爪工作原理及板簧式复位结构，容易调整到理想位置，最大能够实现180°范围有级调节，适于各类汽车座椅。

为了满足轿车驾驶员日常操作的操作便利性的要求，同时控制产品成本，选用棘轮棘爪式调角器，调节范围为80°～170°。

第3章轿车座椅外形尺寸参数的确定

人体尺寸的研究

各种设备和工具等设计对象在适合于人的使用方面，首先涉及的问题是适合人的形态和功能范围的限度。

人机工程学范围内的人体形态测量数据主要有两类，即人体构造尺寸和功能尺寸，也就是人体静态尺寸和人体动态尺寸。

而针对于座椅设计的人体尺寸相关的主要有人体坐姿尺寸等。

人体静态尺寸

人体静态尺寸，着眼于人体天然结构，比如身高、体重、腿臂长度等，是建立人体尺寸模型的基础。

国家标准GB10000-88《中国成年人人体尺寸》按照人机工程学的要求提供了我国成年人人体尺寸的基础数据。

标准中共给出了7类47项人体尺寸基本数据。

根据有关统计数据，结合本毕业设计的需要，列举如下我国人体基本尺寸男（18-60岁）第95百分位以及女（18-55岁）第5百分位相

关数值，见表3.1。

尺寸

名称

尺寸数值（mm）

尺寸

名称

尺寸数值（mm）

男

女

男

女

坐高

958

809

最大肩宽

469

363

坐姿颈椎点高

641

518

坐姿臀宽

355

310

坐深

494

401

小腿加足高

448

342

表3.1我国人体基本尺寸

人体H点的确定

H点指人体身躯与大腿的铰接点，即胯点。

图3.1三维H点测量装置

根据相关的法规规定，首先利用GB11559-1989《汽车室内尺寸测量用三维H点装置》所规定的三维H点测量装置，即H点三维人体模型（图3.1），再按照GB11563-1995《汽车H点确定程序》中规定的H点确定程序确定三维人体模型的H点。

H点三维人体模型由背板、座板、大腿杆及头部空间探测杆等构件组成。

座板模仿人体臀部及大腿，是二者的合一。

背板模仿人体的背部。

H点三维人体模型的各构件尺寸、质量及质心位置均以人体测量数据为依据。

图3.1三维H点测量装置

模型的背板与座板在相当于人体胯关节处通过转动副相铰接。

转动副的转动中心点即H点。

工作座椅的设计要求

工作座椅的座位空间及座椅的尺寸应保证适应人体舒适坐姿的生理特征，提供实现舒适坐态的支承条件。

GB14774-1993《工作座椅一般人类工效学要求》给出了工作座椅的基本结构和主要参数，是工作座椅设计的基本依据。

工作座椅主要参数的取值范围列于表3.3，其中坐高、腰靠厚、腰靠高、座面倾角、腰靠倾角等参数为操作者坐在座椅上之后形成的尺寸、角度，测量时应使用规定参数的重物代替坐姿状态的人。

表中所列参数，已经考虑了操作穿鞋着（女性：

鞋跟高20mm；男性：

鞋跟高25-30mm）和着冬装的因素。

表3.3工作座椅的的主要参数

参数

数值

测量要点

座高（mm）

360-480

在座面上压以60kg，直径350mm的半球状重物时测量

座宽（mm）

370-420

在座椅转动轴与座面的交点处或座面深度方向二分之一处测量

座深（mm）

360-390

在腰靠g=210mm处测量，测量时为非受力状态

腰靠长（mm）

320-340