對工程施工車輛座椅舒適度及安全性能的分析

汪中興　李瑞寶

摘要：工程施工車輛由于工作的特殊性，其座椅的配置很講究，它既要讓司機有舒適感，更要體現安全性，這是現代社會對汽車制造業的要求。文章對這一問題進行了分析。

關鍵詞：工程施工；車輛座椅；舒適度；安全性

中圖分類號：U463文獻標識碼：A

文章編號：1674-1145（2009）14-0147-02

一、前言

車輛的乘坐舒適度及安全性是評價汽車性能的主要指標，其中座椅的舒適度及安全性設計已成為汽車廠商所

關注的主要內容。當今汽車座椅的機械結構主要由頭枕、靠背、座墊、滑道等組成。座椅的主要功能是支撐駕駛員及乘坐人員的身體，減緩路面不平傳給人體的沖擊并減弱由此而引起的震動。給駕乘提供舒適、安全的乘坐條件和便于駕駛操作的良好的工作條件。

根據生物動力學原理，長時間地承受高強度的全身震動對于人體健康的損害是相當嚴重的。主要是腰脊和相關的神經系統會受到影響。新陳代謝以及源于機體內部的一些其他因素會惡化這個影響，通常認為環境因素，如

身體姿勢、低溫及氣流會引起肌肉疼痛。工程施工車輛司乘人員對這種影響感受最深。

二、座椅舒適度研究

（一）座椅舒適度的指標

根據人機工程學原理，靜態舒適度設計中應遵循以下原則：（1）座椅尺寸應與人體測量尺寸相適宜；（2）座椅應可調節，能使乘坐者變換姿勢，并最大范圍滿足各類人體的乘坐要求；（3）座椅應能使乘坐者保持舒適坐姿，靠背結構和尺寸應給腰部充分的支撐,使脊柱接近于正常彎曲狀態。

車輛座椅的幾何相關特性應符合人體測量學特征。如座寬對應人的臀寬，它的設計應符合身材高大的人，適宜采用較大百分位的女性測量值為設計依據；靠背的尺寸與坐高及肩寬有關，舒適的靠背形狀與人體脊柱曲率有關等。壓力分布特征要符合人體坐姿：根據人體脊椎骨受力特征，坐墊上合理的壓力分布應是坐骨處最大，并向四周遞減，大腿部位壓力最小；靠背處腰椎部應有強大的支撐，沿此向外逐漸減小；另外，左右兩邊壓力應當對稱分布。

（二）影響座椅舒適度的因素

座椅的幾何尺寸是影響座椅舒適度的因素，但研究發現這并非唯一的影響因素。許多相關資料都提及腰部支撐的重要作用。腰托的形狀和位置，對于是否能使人保持良好坐姿，減少人體疲勞具有重要作用。從人機工程學的角度來講，腰部是體現座椅功能的關鍵部位。因此，座椅的腰托是影響舒適性的關鍵因素。腰托的安裝位置在座椅靠背結構設計中十分重要。乘員正常入座時，人體身軀與大腿的連接點—胯點（hip point）簡稱H點，H點的位置是決定駕駛員操作方便、乘坐舒適性相關的車內尺寸的基準。此外，座椅的調節特性對座椅的舒適度影響很大，已成為座椅舒適度設計中重點考慮的因素。壓力分布是導致不舒適的最主要的生物力學因素，通過界面壓力對座椅舒適度進行評價是一種重要客觀、有效的方法。

（三）座椅舒適度的研究方法

從汽車座椅設計及改善的角度出發，消除座椅不舒適性最理想的方法是能建立定量模型，預測座椅的不舒適性。國內外研究中,建立的模型主要有如下3種：利用模糊理論建立的模型；線性模型；神經網絡模型。E. Levrat利用多標準的模糊理論模型對不同種類的不舒適以及座椅不同部位的不舒適建立了模糊理論的評價模型；M.Kolic則將測得的壓力分布值、人體測量值、對座椅的外觀評價值等作為自變量，以綜合舒適度OCI作為因變量，分別建立起了舒適度的線性模型和神經網絡模型。利用這些定量化的模型能夠有效確定各因子影響程度的大小，準確評價及預測座椅的舒適度，并反饋于座椅的舒適度設計中。

目前國內在座椅舒適度的研究上還存在一些缺陷。沒有針對中國人體特征尺寸的座椅舒適性研究，特別沒有對工程施工車輛座椅進行專門研究；其次，對于座椅靜態舒適性評價還沒有形成一套客觀系統的體系；最后，在應用神經網絡建模方法評價舒適性中，對輸入量的界定還不夠清晰明確，有待進一步研究。

三、座椅安全性設計

座椅安全性設計的內容主要包括以下幾個方面：座椅強度的設計、座椅結構型式的設計、靠背的設計、坐墊的設計、頭枕的設計

（一）座椅強度的設計

座椅強度的設計是安全性設計的首要內容。汽車行駛中，座椅要承受復雜的載荷。汽車座椅必須有足夠的強度，以確保座椅上的人所受的傷害最小；座椅的壽命應足夠長，不致過早變形或損壞；受沖擊載荷作用時，座椅不應發生斷裂、嚴重變形等損壞現象。所以設計座椅時必須對汽車座椅的強度進行計算，盡量以最少的材料、最小的質量滿足強度要求。

（二）座椅結構型式的設計

座椅整體結構的安全性設計應考慮的是其對其他約束系統效能的影響及與其他約束系統之間的連接方式等。

（三）靠背的設計

靠背的安全性設計應考慮靠背的強度、傾角、基本尺寸及其形狀。靠背的強度設計不但應該在“追尾”等后部碰撞時給乘員提供良好的保護，而且也要考慮側碰時對乘員的保護。而靠背傾角、基本尺寸及其形狀對尾部碰撞的嚴重程度有很大影響。

（四）坐墊的設計

坐墊一般不會造成對乘員的直接沖擊傷害，但坐墊的結構可以影響到乘員運動過程、約束力加到乘員身體上的方式及外部載荷(加速度、力等)的絕對值大小。坐墊深度設計的原則是在充分利用靠背的情況下，使臀部得到合理的支承。坐墊深度不應該超過人的大腿長度。

（五）頭枕的設計

頭枕是一種用以限制乘員頭部相對于軀干向后移位的彈性裝置。其作用是在發生碰撞時，減輕乘員頸椎可能受到的損傷。尤其是在汽車受到追尾碰撞時，可抑制乘員頭部后傾，防止或減輕頸部損傷。現多采用模擬計算和試驗驗證相結合的研究方法，該方法重復性好、存儲信息量大、開發周期短且開發費用低。

一般的座椅是由幾千個零件組裝而成，在建模前首先需要對座椅的整體結構進行分析，確定各個零件對強度特性的影響，根據影響程度的不同對零件進行篩選。對于座椅中主要的支撐性零部件，應精確建模，以保證模型的正確性；對靜強度特性影響不大的零件，只要抓住其主要的幾何形狀進行建模即可；對于基本沒影響的部件，可以簡單建模或不建模。汽車座椅骨架屬于空間桿系和空間板系的組合結構，由于各種調節機構設計，導致結構不完全對稱；同時，汽車在行駛過程中，座椅承受復雜的載荷，結構中的各個桿件既受彎曲又受扭轉。對于這種復雜結構，利用有限元方法對座椅系統進行各種情況仿真，具有明顯優越性，不僅能節省大量的人力、物力、財力，還能取得良好效果。

早期的汽車座椅骨架大都采用簡單的鋼管結構，因此最早采用空間梁單元進行強度分析。受硬件設備與軟件水平的限制，當時的座椅有限元模型都比較簡單，單元和節點數目較少。隨著座椅結構形式的不斷變化，單純用梁單元已不足以精確地描述座椅骨架的結構，于是越來越多地使用了其他的單元形式建模，如空間板殼單元、實體單元等。目前可用于座椅強度分析的有限元軟件有MSC.NASTRAN、ABAQUAS、ANSYS、SAP、PAM-CRASH、DYNA-3D等。座椅在承受外部載荷時，主要受力部件是骨架，骨架表面的蒙皮及軟墊等覆蓋物對外部載荷的分配很少，基本上不能承受外部帶來的較大載荷力。另外，由于軟墊及蒙皮的形狀往往是復雜且不規則的，如果對這種軟墊和蒙皮結構進行有限元建模，不僅大大增加了工作量，而且對結果的精確度提高往往不明顯。因此，對于軟墊和蒙皮的處理采取在有限元建模時不予考慮。基于以上分析，在對座椅進行強度特性分析時，只考慮對座椅骨架總成進行幾何建模。幾何建模采用M S C.PATRAN軟件。MSC.PATRAN是世界上著名的有限元前、后處理軟件，已廣泛應用于航空、航天、汽車、造船、國防等各大領域。ABAQIJS是國際上最先進的大型通用非線性有限元力學分析軟件之一，在采用MSC.PATRAN完成座椅總成強度有限元計算模型建立后，即可將其打包生成分析文件并運用ABAQUS進行計算。

四、結語

汽車座椅行業應該致力于簡化座椅的設計開發過程，大幅度縮短開發周期，減少開發費用和成本，提高產品質量和性能，獲得最優化的創新設計產品，希望有專業廠商針對工程施工車輛座椅進行研究設計，讓工程施工車輛司乘人員體會到社會進步帶來的幸福。

參考文獻

[1]蔡志鴻．汽車座椅安全振動舒適度分析[J]．科技資訊，2007，（19）．

[2]孟翔，王宏明．基于ADAMS的汽車座椅沖擊強度研究[J]．機械設計與制造，2007，（11）．

作者簡介：汪中興（1980- ），男，武警水電第一總隊第二支隊助理工程師，研究方向：工程機械的使用、維修、保養工作；李瑞寶（1980- ），男，武警水電第一總隊后勤部物資運輸科助理工程師，研究方向：水電施工的現場協調和管理。