汽車座椅高度相關(guān)人機(jī)工程分析

陸圣青 韓盛興 何偉 陳龍毅 范學(xué)

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司汽車工程研究院）

車輛使用者在車內(nèi)的所有操作都是坐在座椅上完成的，座椅的位置和尺寸決定了使用者的乘坐及操作姿勢(shì)，從而直接決定使用者的乘坐舒適性。汽車座椅高度作為決定座椅位置的重要參數(shù)，對(duì)座椅相關(guān)的眾多人機(jī)問題影響較大，也是汽車尺寸類人機(jī)工程最為常見的問題之一。由于整車布置方面諸多的特殊性影響，在新能源車型上相關(guān)問題更為突出。因此文章旨在探討座椅高度相關(guān)方面存在的人機(jī)問題以及針對(duì)此類問題的評(píng)價(jià)和測(cè)量方法，為快速解決此類問題提供思路。

1 研究思路

此次研究從常見用戶不良感受入手，分析影響用戶感受的車型問題，將用戶感受和車型問題結(jié)合分析制定評(píng)價(jià)方法，依據(jù)評(píng)價(jià)方法對(duì)車型進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，同時(shí)針對(duì)車型問題展開客觀數(shù)據(jù)的測(cè)量，將主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)，指導(dǎo)車型問題的改進(jìn)。同時(shí)，建議將評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行收集整理，形成數(shù)據(jù)庫，為車型設(shè)計(jì)、問題改進(jìn)及評(píng)價(jià)方法的完善進(jìn)行服務(wù)。

2 用戶不良感受及車型問題

車輛在實(shí)際使用過程中，從駕駛員上車到進(jìn)入座椅，再到操作車輛，一系列動(dòng)作過程都與座椅高度有著直接的關(guān)系，最常見的相關(guān)人機(jī)舒適性問題集中表現(xiàn)在上下車方便性、頭部空間、腿部及腳部空間、視野及操作方便性這5個(gè)方面。圖1示出在車輛實(shí)際使用過程中常見的2例座椅高度相關(guān)人機(jī)問題。

圖1 常見的座椅高度相關(guān)人機(jī)問題

根據(jù)實(shí)際情況，表1示出常見的汽車用戶不良感受，并且列舉分析了對(duì)應(yīng)的車型問題。對(duì)用戶使用車輛過程中的一系列動(dòng)作及不良感受的分析是制定主觀評(píng)價(jià)方法的基本依據(jù)。

表1 汽車用戶不良感受及車型問題

3 主觀評(píng)價(jià)方法

表1中列出的車型問題都是跟座椅高度相關(guān)的，除了表1中列出的用戶不良感受，它們還可能引起其他方面的人機(jī)舒適性問題，針對(duì)這些車型問題，分析所有的可能情況制定座椅高度相關(guān)舒適性主觀評(píng)價(jià)表，如表2所示。分別以中國95百分位及50百分位身高男性、50百分位及5百分位身高女性對(duì)同一車型進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，得到不同身高人群對(duì)于一款車型座椅高度相關(guān)舒適性主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)分別給出各分項(xiàng)評(píng)分，同時(shí)匯總得到總評(píng)分。評(píng)價(jià)以7分為基礎(chǔ)分，代表評(píng)價(jià)項(xiàng)處于正常水平，滿分為10分，評(píng)價(jià)結(jié)果能直觀反映車型座椅高度方面存在的問題[1]。

表2 汽車座椅高度相關(guān)人機(jī)問題主觀評(píng)價(jià)表

4 客觀數(shù)據(jù)測(cè)量

4.1 測(cè)量設(shè)備

在車型客觀數(shù)據(jù)測(cè)量中需要用到的測(cè)量設(shè)備包括：用于測(cè)定車輛上實(shí)際H點(diǎn)和實(shí)際軀干角的裝置——三維H點(diǎn)裝置、關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x，以及一些常規(guī)的測(cè)量工具，例如數(shù)顯傾角儀、鋼板尺、水平尺及卷尺等。測(cè)量過程需要由經(jīng)過培訓(xùn)的專業(yè)人員進(jìn)行，以保證測(cè)量結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。

4.2 測(cè)量項(xiàng)目

圖2示出影響主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的一些汽車座椅高度相關(guān)的客觀數(shù)據(jù)測(cè)量項(xiàng)目的尺寸代號(hào)，及其在整車上的測(cè)量位置，這些數(shù)據(jù)將“量化”主觀評(píng)價(jià)過程中發(fā)現(xiàn)的問題，將人的主觀感受同客觀數(shù)據(jù)結(jié)合起來，驗(yàn)證主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，為指導(dǎo)車型問題改進(jìn)提供數(shù)據(jù)方面的支持。通過圖2可以直觀地看出座椅高度是如何通過其他相關(guān)尺寸影響人機(jī)舒適性的。

圖2 汽車座椅高度相關(guān)的客觀數(shù)據(jù)測(cè)量位置

4.2.1 H點(diǎn)位置

H點(diǎn)是指二維或三維人體模型樣板中人體軀干與大腿的連接點(diǎn)，即胯點(diǎn)，在人體模板中為髖關(guān)節(jié)，它提供了一個(gè)用于定位乘坐位置的參考。H點(diǎn)的位置決定了車輛使用者眼橢圓、頭廓包絡(luò)線和手部伸及界面在車身中的位置。因此，H點(diǎn)決定了使用者的舒適性、操縱性以及視野[2]。

4.2.2 踵點(diǎn)至H點(diǎn)（H30）

H30定義為踵點(diǎn)至H點(diǎn)的垂直高度，其值決定了使用者在車輛中的坐姿，直接被使用者感受。在坐墊傾角（A27）固定的情況下：其值過大，則矮小的使用者腳部將產(chǎn)生“懸吊”的感覺，坐墊對(duì)大腿的擠迫感也會(huì)非常明顯，而且過高的H30限制使用者的腳部活動(dòng)，導(dǎo)致使用者腳部難以前伸，使用者會(huì)認(rèn)為座椅太高；其值過小，則使用者的大腿部得不到有效的支撐，會(huì)產(chǎn)生“坐小板凳”的感覺，使用者則會(huì)認(rèn)為座椅高度不足[3]。

4.2.3 坐墊傾角（A27）

A27定義為坐墊與水平線的角度，其值反映了坐墊相對(duì)于水平面的傾斜程度。在座椅高度固定的情況下：其值過大，則坐墊前端對(duì)膝窩位置的擠迫感會(huì)相對(duì)明顯；其值過小，則坐墊前端對(duì)膝窩位置的支撐不足。設(shè)計(jì)時(shí)在考慮座椅高度的同時(shí)，也要考慮坐墊傾角的固定值或者調(diào)節(jié)范圍，以得到最佳組合范圍[3]。

4.2.4 地面至H點(diǎn)（H5）

H5定義為地面至H點(diǎn)的垂直高度，其值反映了座椅離地高度，直接決定車輛上下車方便性。一般來說，同一座椅，H5的值越大，矮小使用者上下車方便性越差，使用者會(huì)認(rèn)為座椅太高[3]。

4.2.5 方向盤下沿至椅面（H74）

H74定義為過方向盤中心的Y平面上方向盤至未受壓坐墊間的最小距離。一般來說，H74的值越小，駕駛員在駕駛時(shí)手碰到大腿的風(fēng)險(xiǎn)越高，也容易造成心理上的不愉悅，且駕駛員在上下車時(shí)容易感受到腿部空間不夠，駕駛員會(huì)認(rèn)為座椅過高[3]。

4.2.6 H點(diǎn)至方向盤（BH93）

BH93定義為方向盤中心至H點(diǎn)的垂直高度。一般來說，在方向盤傾角固定的情況下：BH93的值越小，駕駛員開車時(shí)手臂不用抬得太高，操作越輕松，但儀表盤或按鍵被方向盤遮擋的風(fēng)險(xiǎn)增大，駕駛員有可能認(rèn)為座椅過高。反之，其值越大，駕駛員開車時(shí)手臂抬得越高，越容易疲乏，且方向盤遮擋前方視野的風(fēng)險(xiǎn)增大，駕駛員有可能認(rèn)為座椅高度不足。

4.2.7 H點(diǎn)至頂篷（H61）

H61定義為乘坐參考點(diǎn)到頂篷后8°的直線長度再加上102 mm（考慮到乘坐參考點(diǎn)到下臀部的距離）。H61值越大，使用者頭部空間越充裕，越能帶給使用者良好的體驗(yàn)。相反，其值越小，使用者頭部空間越小，在顛簸路面頭頂碰到頂篷的風(fēng)險(xiǎn)越大，安全問題越突出，同時(shí)，易給使用者帶來壓抑感，使用者會(huì)認(rèn)為座椅過高[3]。

4.2.8 H點(diǎn)至前窗上頂篷最低點(diǎn)（①）

①定義為H點(diǎn)到前窗上頂篷最低點(diǎn)的垂直高度。其值間接反映了駕駛員前方視野（主要考慮上視野）的范圍大小。其值越小，則駕駛員前方視野范圍越小，駕駛員會(huì)認(rèn)為座椅過高[3]。

5 R車型后排座椅高度問題舉例

表3示出針對(duì)R車型的3個(gè)研發(fā)階段后排位置的評(píng)價(jià)結(jié)果，其中包括對(duì)于3個(gè)階段座椅高度主觀評(píng)價(jià)及客觀數(shù)據(jù)的測(cè)量結(jié)果，還包括其參考車型的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。推薦值是根據(jù)人體相關(guān)舒適性要求，結(jié)合已有車型數(shù)據(jù)參考針對(duì)R車型給出的。

表3 R車型后排舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果匯總

如表3所示，R車型后排座椅階段1主觀評(píng)價(jià)綜合評(píng)分只有5分，處于較差水平。經(jīng)過階段2和階段3對(duì)座椅高度的不斷調(diào)整，R車型上下車方便性、頭部空間及整體的乘坐舒適性都得到了較大程度的改善。文章將以后排座椅自身高度（H30-2）及頭部空間（H61-2）為例，說明R車型問題的改進(jìn)過程。

5.1 后排座椅高度（H30-2）總體得分

從表3可以看出，參考車型后排座椅高度總體得7分，處于正常水平，對(duì)應(yīng)的H30為403 mm。R車型階段1后排座椅高度總體得5分，處于較差水平，突出問題為座椅高度較高，且發(fā)泡密度較硬，坐墊對(duì)1 650 mm以下身高使用者大腿擠迫感強(qiáng)烈，且使用者腳部得不到地板有效支撐，對(duì)應(yīng)的后排H30為419 mm，與參考車型相差較大。階段2進(jìn)行問題改進(jìn)時(shí)降低了后排座椅高度，使用者主觀感受有所提升，H30接近參考車型，但階段1存在的突出問題在1580mm以下身高使用者使用過程中仍然有明顯的體現(xiàn)。因此階段3進(jìn)行問題改進(jìn)時(shí)進(jìn)一步降低了R車型后排座椅的高度，同時(shí)降低坐墊發(fā)泡密度，結(jié)果后排座椅高度總體得分達(dá)到8分，屬于較優(yōu)秀水平，階段1和階段2暴露的座椅高度問題得到了解決。經(jīng)測(cè)量，此時(shí)后排座椅H30為398mm。

5.2 后排座椅頭部空間（H61-2）得分

圖3示出后排座椅頭部空間（H61-2）得分。從圖3可以看出，參考車型后排座椅頭部空間單項(xiàng)得7分（單項(xiàng)得分未在表3中列出），處于正常水平，對(duì)應(yīng)的后排H61為958mm。R車型階段1后排頭部空間單項(xiàng)得6分，處于稍差水平，對(duì)應(yīng)的后排H61為945 mm，與參考車型存在差距。階段2進(jìn)行問題改進(jìn)時(shí)降低了后排座椅高度，但后排頭部空間改善不明顯，頭部空間單項(xiàng)得分依然為6分。階段3進(jìn)一步降低后排座椅，后排頭部空間得到較明顯改善，主觀評(píng)價(jià)單項(xiàng)得分達(dá)到7分，屬于正常水平，從數(shù)據(jù)上看，其H61也與參考車型持平。

圖3 后排座椅頭部空間（H61-2）單項(xiàng)得分

6 結(jié)論

分析表3可以看出，通過階段1之后的問題改進(jìn)，R車型在階段2時(shí)H點(diǎn)高度已經(jīng)達(dá)到理論值要求，甚至低于參考車型，但評(píng)價(jià)過程中發(fā)現(xiàn)座椅仍然偏高。之所以會(huì)產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象是因?yàn)樵陔A段2車型問題改進(jìn)時(shí)沒有考慮到發(fā)泡硬度對(duì)舒適性的影響。座椅高度相關(guān)人機(jī)問題是一個(gè)綜合問題，不能把它當(dāng)成一個(gè)獨(dú)立的問題進(jìn)行研究，實(shí)際上它的研究范圍包括所有與座椅高度相關(guān)的方面。

在車型問題改進(jìn)過程中，綜合考慮各方面的因素將有利于盡早找出問題所在，制定改進(jìn)方案。改進(jìn)方案的制定需要進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，大量的數(shù)據(jù)積累是進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的前提。