運輸車座椅人機工程優化設計及評價

徐來春++楊甫勤

摘 要：本文從長途運輸車駕駛室座椅舒適性需求分析入手，依托人機工程設計分析理論，運用功能區域優化方法確定了運輸車座椅舒適性的區域位置，并利用Matlab軟件繪制出該優化區域，從而改善了運輸車座椅設計的靈活性和方便性，為運輸車運行安全提供了方法途徑。

關鍵詞：運輸車座椅；舒適性；人機工程

駕駛員座椅優良的舒適性，可以有效消除司機疲勞強度和降低車輛次生事故率。優化運輸車座椅的舒適性和人機運行環境設計，提升運輸車駕駛員良好的身心狀態，是有效解決長途運輸車不安全因素的基本途徑。

1 運輸車座椅位置舒適性需求分析

運輸車座椅的舒適性與駕駛員的坐姿密切相關，座椅對臀部的體壓、頸部的曲度以及駕駛時腰腿部與駕駛室地面的角度，都是影響駕駛汽車舒適性的重要因素。

如圖1所示，人體重量在運輸車坐墊上產生的壓力，由于臀部支撐作用而呈不均勻性分布，形成臀部壓力從坐骨向周圍逐漸減小的狀態，圖1中每條封閉的等壓線數字表示的是壓力分布情況（單位為kg/m2）。

圖2模型中顯示了整個人體處于最合理、最舒適的駕駛姿態和角度，在這種狀態下駕駛汽車，人體腰背肌肉放松，腰部和大腿血管受壓最小，頸椎曲度最合適，駕駛舒適性處于最優。

2 運輸車座椅舒適性位置的確定

人體H點是確定座椅在運輸車駕駛室中舒適位置的關鍵參考點，如圖3所示。所謂人體H點就是指二維或者三維人體模型樣板中人體軀干與大腿的連接點即胯點。

圖4是美國機動車工程師學會（SAE J1517）推薦的坐姿舒適的H點位置線，但該方法和位置線都存在不足，一是H點位置線主要考慮人體坐姿舒適性因素，且跺關節的角度是一個固定值，對應某一H30值具有單一性，局限性大；其次，該位置線依據的是美國駕駛員體型人體數據，不適合亞洲人體型。

由此可見，SAE J1517推薦的H點的位置線有很大的局限性，適應性較差。綜合根據考慮到人體數據范圍不同和若干其他因素，符合舒適性功能要求的H點不應僅僅只是一個點或者一條線，而應該是一個范圍或區域。我們可以用集合的方法來確定H點的區域，達到優化H點的目的。如下式：

{H}O={H}F1∩{H}F2 ∩{H}F3 ……{H}Fn

式中：{H}O為優化后的H點區域；

{H}Fn（n=l，2，...）為各功能約束條件下的H點區域。

主要從坐姿舒適性和視野功能區域兩個主要因素考慮來優化H點區域。

2.1 坐姿舒適功能區域的確定

如圖5所示為二維人體桿狀模型，各參數為： XH、ZH分別為H點的X向和Z向坐標值；α1為軀干與X垂直面之間的夾角；α9為大腿與水平面之間的夾角；α3為大腿與小腿之間的夾角；α4為小腿與踏平面之間的夾角；α8為踏平面與地板之間的夾角。

由幾何關系可得H點坐標方程為：

由式（2-1）、（2-2），結合表1中列出的變化范圍，由于運輸車車體較大，駕駛員多為男性，故取第95百分位人體模型為研究對象。根據表1中給定的舒適角度范圍，在確定H點時，固定其中某一角度，如固定α8，其余兩個角度α4、α9就會相應變化，在Matlab中繪制出H點的移動軌跡，根據H點的移動軌跡定義出舒適功能區域的邊界，如圖6所示，這些如同三角形式的封閉區域即為滿足坐姿舒適性要求的功能區域{H}F1。

2.2 視野功能區域的確定

駕駛員在駕駛運輸車時，良好的視野可以極大的提高駕駛的安全性。在設計時，為了減少駕駛員眼睛的疲勞。一般以靜視野感到舒適的角度范圍為依據進行設計。對于運輸車來說，左右視野非常寬闊，一般都大于舒適視野之間，不用專門進行設計。上下視野需要保證靜視野需在舒適度范圍內，如圖7所示，靜視野最佳眼睛轉動區內為上視野在標準視線上25°，下視野在標準視線下30°范圍內。

根據靜視野最佳眼睛轉動區上下視野的角度，眼睛轉動的上下最佳界限都經過眼橢圓中心，以95百分位人體尺寸為模板，設駕駛員眼橢圓中心位置為O點，其中心坐標為xO=624mm，zO=1325mm，眼睛上下最佳界限直線方程為：

Z1=0.4663x+1616 （2-3）

Z2=-0.5774x+1685.3 （2-4）

由圖7和圖8可得O點的坐標方程：

然后，代入Z1、Z2的方程整理得：

由Z1、Z2方程和表1中的舒適坐姿角度范圍，利用Matlab軟件，繪制出如圖9所示的駕駛員視野范圍{H}F2。

取{H}F1、{H}F2功能區域交集

（{H}O={H}F1∩{H}F2），即得出了符合兩種因素在內的的優化區域，如圖10所示。

優化后的H點區域具有以下一些優點：

①坐姿舒適；

②視野舒適；

③設計更加靈活和方便。