基于人機工程學的抗疲勞汽車座椅設計的探討

王芳

摘 要：汽車的出現和廣泛普及在為人們的日常出行提供巨大便利的同時，也隨之產生了大量的汽車安全事故。其中有相當一部分汽車安全事故是由于駕駛員疲勞駕駛而導致的，而汽車座椅作為直接接觸駕駛員的工具之一，其設計的科學與否與駕駛員的疲勞程度有著直接的影響關系，甚至對汽車安全事故發生率也有著相應的影響作用。因此本文將通過立足人機工程學，對抗疲勞汽車座椅設計進行簡要分析研究，希望能夠為駕駛員的平安駕駛提供必要幫助。

關鍵詞：人機工程學；抗疲勞；舒適性；汽車座椅

中圖分類號：U463.836 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）12-0046-02

駕駛員在長時間的駕駛過程中，因受到自身坐姿、周圍溫度和濕度以及振動等各方面因素的影響，極有可能導致駕駛員出現駕駛疲勞的情況，并且隨著駕駛時間的不斷延長，駕駛員的疲勞程度還將進一步加劇，并對駕駛安全產生直接影響，極有可能誘發汽車安全事故。

1 基于人機工程學下影響汽車座椅抗疲勞性的因素分析

1.1 人體坐姿

根據人機工程學可知，在不同坐姿狀態下人的脊柱形態也不盡相同，如果汽車座椅結構與尺寸設計無法使得駕駛員脊柱形態保持幾近正常自然狀態，則會明顯增加人體腰椎以及腰背部肌肉負荷，在長時間駕駛下比較容易出現疲勞駕駛的問題。此外人在座椅上處于坐姿狀態時，通常身體重量會同時向汽車座椅靠背以及座墊方向分布，也就是坐姿體壓分布[1]。而從人體組織解剖學的角度出發，可知人體耐受壓力最強的部位便是坐骨結節，該部位比較適合承重，相比之下，大腿下靠近表面處因分布著下肢主動脈，因此該部位應當盡可能避免承重。在這一人體原理下，應當根據人體臀部各部位的實際承受壓力情況進行汽車座椅的座墊壓力分布，即以坐骨處壓力最大并逐漸向四周減少，到大腿部位時壓力應當降至最低。需要注意的是，人在處于坐姿狀態下，向汽車座椅靠背分布的壓力并不均勻，其中肩胛骨與腰椎兩大部位處承受的壓力相對集中，以肩胛骨和腰椎部位為中心壓力越向外應當越弱，否則也有可能因座椅不舒適而影響駕駛員的疲勞度。

1.2 振動因素

從人機工程學的角度看待汽車座椅設計，需要將駕駛員以及座椅視為一個完整的人機系統，而其中振動因素也是影響駕駛員疲勞程度的一大重要因素。駕駛員所承受的振動為一種全身振動，而根據呂國敏（2016）的相關研究可知，在縱向和橫向振動分別為4到8赫茲以及1到2赫茲時，人體對這一頻率范圍的敏感度最大。一旦外界產生的振動同人體器官共振頻率相接近時，振幅將會在短時間迅速增大，此時將會引起人體出現明顯的器官生理反應。受此影響，駕駛員的反應能力、判斷能力以及視覺作業效率等均將出現明顯變弱的情況，當達到一定限度時，人體的皮質細胞將難以繼續保持較高的工作強度，使人產生明顯的疲憊感，進而容易導致出現疲勞駕駛的問題[2]。

1.3 溫度濕度

國內外學者通過反復多次開展人體實驗，發現在溫度和濕度均相對較高的環境下，人體比較容易出現包括四肢乏力等在內的眾多不適感，難以繼續保持良好的工作狀態。歐陽丹（2012）通過從動態舒適性的角度對汽車座椅設計進行分析研究，其在經過多次實驗之后指出，當環境溫度在18℃到23℃之間，且環境濕度在40%到60%之間時，駕駛員能夠處于最佳的駕駛狀態，此時其代謝量在1到2met之間，駕駛員不易產生疲勞問題。但如果環境溫度和環境濕度超出這一范圍，將直接影響駕駛員的代謝量，并由此影響到駕駛員的疲勞程度。其在將駕駛員人體熱環境同汽車座椅進行相互整合下，提出座椅表面的溫度和濕度也會對駕駛員的疲勞性產生相應影響[3]。座椅表面的溫度和濕度特性對與汽車座椅直接接觸的人體部位如背部、臀部等自身的散熱性能、皮膚的呼吸功能等有著直接的影響作用，如果汽車座椅表面的溫度和濕度特性無法和人體生理機能相適應，則極有可能導致人體與座椅相接觸的部位產生不適感，從而加速出現駕駛員疲勞的情況。

2 傳統汽車座椅對駕駛員疲勞的影響分析

2.1 座椅高度與前后距離不當

筆者在對部分老款汽車座椅設計進行調查分析的過程中，發現有部分汽車座椅存在設計高度過高的情況，導致汽車在遇到高低不平的路況時，經常容易出現上下顛簸的情況，使得駕駛員頭部經常與車頂發生碰觸、磕碰，其一方面對駕駛員人身安全產生極為不利的影響，另一方面也直接影響著汽車的行車安全。此外，在其他部分老款的汽車座椅設計當中，由于汽車座椅高度相對較低，因此對于身高較高的駕駛員來說，其難以在駕駛過程中保持腿部的正常彎曲，因此比較容易增加駕駛員的身體不適感和疲勞感，進而影響汽車行駛安全。

除此之外，汽車座椅前后位置距離同樣也會對駕駛員的疲勞程度產生相應影響。根據相關研究可知，當汽車座椅位置相對靠后的情況下，需要駕駛員“竭盡全力”伸腳才能完成剎車或加油提速等操作，而這也將會在很大程度上影響駕駛安全。反之，如果汽車座椅位置過于靠前，駕駛員雙腿將始終處于不自然的彎曲狀態，同樣也會影響駕駛員的駕駛操作，對最終的駕駛效果產生相應不良影響。

2.2 汽車座椅結構尺寸不合理

在對不合理的傳統汽車座椅設計進行分析的過程中，因汽車座椅結構與尺寸設計合理程度不足而導致駕駛員在短途駕駛過程中出現疲勞和不適的情況相對較多。由于汽車座椅的結構和尺寸設計并未對駕駛員自身正常自然狀態下的脊柱形態予以充分考慮，因此導致駕駛員在長時間坐在此種汽車座椅上，會使得自身腰椎與背部肌肉群等位置處的負擔增大，進而加速駕駛員出現疲勞情況。另外值得注意的是，由于汽車座椅結構和尺寸缺乏足夠的合理性，因此其也很難對汽車座椅靠背以及座墊上的人體體壓分布進行科學承受，同樣也比較容易加大駕駛員的駕駛疲勞感。在設計汽車座椅座墊時，由于未能對人體臀部各部位的受壓情況進行深入分析，因此其設計的汽車座椅幾乎無法實現壓力的均勻分布。導致靠背無法同時分擔人體肩胛部位以及腰椎部位的壓力，也會增加駕駛員的疲勞感。

2.3 汽車座椅材料選擇不科學

為了追求一種高檔的效果，設計人員在對汽車座椅進行設計的過程中通常習慣使用真皮、皮革等材質，雖然此種材質本身可以增強汽車座椅的“高級感”，但由于其缺乏良好的透氣性，因此人體在長時間與此類材質的汽車座椅進行接觸下，容易導致汽車座椅表面溫度和濕度不斷增加，對人體皮膚自身的散熱性與呼吸功能產生相應影響。比如在夏季等溫度較高的天氣環境下，皮質汽車座椅在長時間吸收太陽輻射熱量后表面溫度會迅速升高，甚至出現“發燙”的情況，加之人體正常排汗使得周圍濕度變大，進而在汽車座椅范圍出現了一種高溫、高濕度的環境，對駕駛員的正常生理機能產生極大影響，容易導致其出現疲勞感和不適感，在長時間的駕駛下極有可能出現疲勞駕駛甚至引發交通安全事故。

3 基于人機工程學下的抗疲勞汽車座椅設計

3.1 座椅設計參數

通常情況下汽車座椅尺寸設計包括座椅的高度和寬度、座椅的傾角、椅面深度等等。由于汽車座椅過高或是過低會導致駕駛員大腿肌肉受壓或增加其背部肌肉負荷，影響其舒適度以及疲勞度。因此在設計汽車座椅椅面時應當適當降低高度。而在設計椅面寬度時則需要在空間允許范圍內盡可能增大其寬度值。使得駕駛員即便變換各種駕駛姿勢，也可以擁有足夠的寬度空間。設計汽車座椅椅面深度的過程中，則需要確保座椅靠背能夠有效為駕駛員的腰部提供相應支撐，椅面前緣和駕駛員的小腿間留有適當距離，從而使得其大腿肌肉和腿彎部分能夠免受擠壓與阻礙。在進行汽車座椅靠背寬度與高度的設計過程中，受人機工程學的影響，則需要保障座椅靠背的寬度與高度同駕駛員坐姿的肩高與肩寬基本一致，并且可以適當加高座椅靠背、增設靠枕以此有效提高駕駛員的舒適感。

3.2 基于靜態角度

3.2.1 合理設計座椅尺寸

為了能夠有效減輕駕駛員的疲勞感，使其可以長時間地維持良好駕駛狀態，需要在設計汽車座椅的過程中通過靈活運用人機工程學的相關內容，并對汽車座椅的抗疲勞性予以高度關注。在此過程中，設計人員需要通過采用實際測量等方式獲得大量與人體有關的真實的測量學數據，并在此基礎上進行汽車座椅的尺寸設計，注意保障座椅的可調節性，從而有效滿足不同駕駛坐姿的需要。根據坐姿生物力學的分析結果可知，人體感覺最為舒適的坐姿便是臀部稍離靠背向前移，上體朝上后方向略微傾斜，其與大腿間角需要保持在90°到115°的范圍內。與此同時，駕駛員的小腿在向前伸時，大腿和小腿以及小腿和腳掌之間的角度則需要分別控制在100°到120°以及85°到95°之間，進而使得汽車座椅能夠始終貼合駕駛員坐姿需要，盡可能減少駕駛員的疲勞感和不適感。

3.2.2 座椅選用發泡材料

目前汽車座椅中的發泡主要是通過將聚醚、異氰酸酯等同水和一定量的添加劑放入模具中進行一系列的化學反應后制造而成，并將其放置在自由狀態下進行大約24到72小時的靜置進行熟化，使之具有良好的硬度及相應性能的穩定性。再將面套包覆其上，形成座椅靠背或座墊，進而組裝成座椅。隨著工藝技術的不斷進步，為了能夠將汽車座椅發泡的實用性和審美性進行有機整合，目前已有汽車公司研發出了一種面套發泡一體式的發泡工藝（PIP工藝），即將座椅外面的面套同座椅的發泡進行互相整合。在結合人機工程學設計完成座椅面套的外觀和功能設計之后，制作面套的裁片并對其進行縫制且放入生成發泡的模具中，而后將發泡材料注入其中，使得發泡材料能夠同面套之間實現緊密貼合，以此有效對傳統的先生成發泡再加工座椅面套最后包覆在發泡上的制作工藝的優化和改進。在這一工藝技術下，汽車座椅面套同發泡基本能夠實現無縫貼合，從而實現符合人體背部凹面曲線的造型（駕駛員的駕車狀態），使得駕駛員的乘坐舒適性能夠得到極大提高。特別是在同汽車內部的空調以及安全氣囊等功能部件進行相互配合下，可以同時保障駕駛員的駕駛舒適性和安全性，盡可能減少因汽車座椅不適而導致的駕駛疲勞情況[4]。

以豐田公司旗下的LEXUS IS F Sport車型為例，該款車型在抗疲勞汽車座椅設計當中便通過采用了表皮一體發泡工藝，設計人員通過結合車型的運動特性，將座椅肩部設計成凹面支撐，并貼合人體曲線的側面支撐，進而可以在駕駛轉彎時使得汽車座椅可以為駕駛員身體提供有力支撐，保障駕駛的安全穩定性。在汽車座椅的背部設計當中，其采用了薄型設計的方式并融入了凹面設計，最大程度地增加了后排空間，對提高后排乘客的舒適性也起到了積極的幫助作用。我國部分汽車座椅設計和生產企業，也通過立足人機工程學，運用分泡沫區域設計硬度支撐的方式，設計出一系列雙硬度和多硬度的汽車座椅產品。比方說其針對駕駛員的腰椎部位，通過運用R-Comfort，DHH泡沫使得質地輕便也具有一定硬度的泡沫能夠在滿足配合人體輪廓的基礎上有效防止駕駛員在乘坐時出現“坐塌陷”的情況，均勻分布腰椎受壓，提高駕駛員乘坐舒適感并盡量延緩長途駕駛所帶來的疲勞感。

3.3 基于動態角度

3.3.1 需降低座椅共振率

從動態角度來看，汽車座椅的抗疲勞性和舒適性與振動特性之間有著緊密的關聯。一般在有懸架的汽車座椅系統當中，座椅和懸掛系統的剛度與阻尼系數、座椅系統連接件摩擦等均影響座椅系統的抗疲勞性。而在非懸架汽車座椅系統當中，座椅座墊的剛度和阻尼結構以及剛架結構動態性能等也會直接影響著汽車座椅的抗疲勞性。汽車座椅的振動衰減特性和共振頻率則直接受到剛度與阻尼系數的影響，而汽車行使在高低不平的道路上所產生的車輛隨機振動，以及汽車本身機械振動則共同組成了影響駕駛疲勞的振動。在這一過程中，駕駛員通常會同時受到來自橫向以及垂直方向的直線振動等，從而經由座椅的振動傳遞帶動人體臀部、后背等部位的振動。從而比較容易增加駕駛員的疲勞感，因此本文建議立足人機工程學設計抗疲勞性汽車座椅時，可以通過盡量隔離人體敏感度相對較大的振動，將彈簧以下和汽車座椅靠背振動降至最低，嚴格控制10赫茲附近的振動傳遞率。

3.3.2 確定座椅最優結構

此外，設計人員也需要通過將路面和輪胎以及汽車座椅與駕駛員看做是一個完整的動力學系統，通過結合座椅的動態特性，合理運用汽車發泡等保障座椅靠背在具有一定硬度的同時還可以兼具良好的柔軟度。通過將汽車座椅設計成靠背兩端稍隆起的方式，可以為駕駛員橫向移動起到緩沖作用的同時，將車輛振動對駕駛員造成的不適感降至最低。另外，通過盡量選擇具有良好透氣性、散熱性和親膚性的材料、材質，對座椅椅面的溫度和濕度進行有效控制，通過維護駕駛員的正常生理機能，從而達到延緩其疲勞感的效果。

4 結語

通過本文的分析研究可知，在運用人機工程學下，駕駛員的坐姿、汽車座椅振動以及溫濕度等均會在不同程度上影響著駕駛員的疲勞度以及汽車座椅的抗疲勞性。尤其是傳統汽車座椅設計因未能充分考慮人機工程學方面的內容，設計的汽車座椅尺寸與位置等合理性不足，也使得駕駛員在駕駛過程中極易感到疲勞。因此本文通過分別從靜態和動態兩個角度出發，指出需要通過結合人體特性與人體原理，合理設計座椅尺寸，并積極運用座椅發泡性能等方式從而有效提高汽車座椅的舒適性和抗疲勞性，以此有效保障駕駛安全。

參考文獻

[1]孫環.汽車座椅抗疲勞設計研究[J].山東工業技術，2017，（04）：212.

[2]呂國敏.基于AnyBody的汽車駕駛員坐姿力學特性建模及坐姿支撐設計[D].山東大學，2016.

[3]歐陽丹.基于動態舒適性的汽車座椅系統的研究[D].湘潭大學，2012.

[4]馬國忠，張學盡.汽車駕駛用座椅的抗疲勞人機工程設計[J].人類工效學，2004，（03）：34-36.