基于人機工程學的座椅設計

孫明欣

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

在對許多需長時間駕車的駕駛員的調查中，發現很多駕駛員都患有輕重不同的腰部疾病，一般表現為長時間駕駛后出現腰部酸痛癥狀，嚴重者則患有腰椎間盤突出。可見，汽車座椅除了對乘坐的舒適性有較強的影響之外，對身體健康的干預也很大，所以基于人機工程學的座椅設計越來越重要。關于座椅靜態舒適性的研究，汽車工業發達的西方國家投入了大量的人力物力，例如：Mehta C.R和Tamari提出了一種新的座椅設計的基本模式，這種模式建立在生物力學基礎上并可以進行舒適度的相關設計；美國ROHO集團研發出一種能防止乘員完全陷入座椅的車用充氣座墊；德國一家專業制造汽車座椅的公司在生產的座椅底部巧加了氣囊式懸架結構，用這種方式能同時保證汽車行駛過程中乘員的駕乘安全性和舒適性[1]。目前國內各大主機廠和座椅生產廠商在座椅舒適性方面做得還遠遠不夠，相比國外的人性化設計國內還很欠缺，對座椅的具體舒適性結構參數未做到完整的定義。因此文章根據以往車型的座椅設計經驗，對座椅的各項布置設計參數、座椅的各項結構設計參數及座椅的動態舒適性軟件分析等進行了詳細的表述，用以指導新車型的座椅設計。

1 汽車人機工程學的常用工具

1.1 百分位人體

人體尺寸決定了人體占據的幾何空間和活動范圍，是人機系統或產品設計的基本資料。百分位是人體測量學中的一個術語，用以表示人體某項尺寸數據的等級[2]。以50th百分位人體尺寸為例，表示人群中有50%的個體該尺寸小于此值，有50%的個體該尺寸大于此值。在汽車總布置以及人機工程學研究中，通常用到的是5%、50%及95%3種分位的人體模板，分別表示小身材、中等身材和大身材的人體尺寸，如圖1所示。5%和95%的人體坐姿，如圖2所示。

圖1 3種分位的人體模板示意圖

圖2 5%和95%人體坐姿示意圖

1.2 H點、踵點（AHP點）、踏點（PRP點）

H點、AHP點及PRP點是汽車人機工程中最常用的3個硬點，此3點確定之后，整個假人姿態基本可確定，如圖3所示。

圖3 H點、AHP點、PRP點示意圖

H點：汽車總布置的基準點，是二維人體模板上大腿線和軀干線的交點。

AHP點：假人鞋跟與地毯的交點，同時考慮了地毯的壓縮量。

PRP點：在假人鞋底中線上，距離AHP點203 mm的點。

1.3 RAMSIS

RAMSIS是“用于乘員仿真的計算機輔助人體數字系統”的德語縮寫，是一種基于虛擬人體技術的高效CAD工具。RAMSIS軟件具備人體姿勢模擬、視野分析、可及性分析及舒適性分析等多種人機工程分析功能。RAMSIS軟件示意圖，如圖4所示。

圖4 RAMSIS軟件示意圖

2 人機工程學在座椅設計中的應用

2.1 座椅的人機工程學要求

基于乘用車座椅的使用需求和以往車型的開發經驗，座椅的人機工程學要求主要可概括為3個方面：1）座椅的操作舒適性；2）座椅的靜態舒適性；3）座椅的動態舒適性。

2.2 座椅的布置設計

在項目開始初期，座椅的布置是先行確定的，包括座椅的行程（前后滑動行程和高低舉升行程）、座椅的靠背角以及其他的包括座椅與周邊環境件的布置要求，在座椅造型CAS發布之后，需要逐項地進行校核。座椅行程確定示意圖，如圖5所示。假人裝置角度示意圖，如圖6所示。

圖5 座椅行程的確定示意圖

圖6 假人裝置角度示意圖

座椅布置設計中一些具體參數和經驗值如下。

1）座椅行程。座椅行程設定原則上需要覆蓋2.5%～97.5%分位人體舒適線范圍。座椅設計位置向前滑動距離（L01）一般為200～220 mm，座椅設計位置向后滑動距離（L02）一般為20～40 mm。座椅設計位置Z向向上距離（H01）一般為20～40 mm，座椅設計位置Z向向下距離（H02）一般為20 mm。

2）座椅靠背角度（A40）。考慮舒適性，A40的設定范圍推薦為20～30°。

3）座椅與周邊部件布置。座墊外輪廓與門護板的間隙：座椅外側不同形式的調節手柄對此處的間隙設定各不相同，輪式手柄設定間隙一般最小為50 mm，泵式與掀式的手柄一般最小為45 mm；座墊外輪廓和中控臺的間隙：為避免因座椅內側表面或安全帶鎖扣和中控臺摩擦時產生噪聲，根據造型需要，通常留有10～15 mm的間距；座椅靠背和門護板、B柱的間隙，最小要求為20 mm。

4）座椅操縱件的布置。隨座椅前后移動的操縱件的控制曲線，如圖7所示。

圖7 座椅操縱件控制曲線圖

2.3 座椅的結構參數

1）人體到座椅骨架的距離。為避免乘客在實際乘坐過程中，由于發泡厚度過薄，而對座椅骨架產生異物感，乘客坐上座椅之后，與軀干線和大腿線垂直的每個截面內，人體與座椅骨架之間的距離要大于35 mm，人體與座墊骨架之間的距離要大于50 mm。

2）座墊尺寸。通過對一系列對標車的測量積累，整理出較為舒適的座墊尺寸統計量，如表1所示。

表1 座墊結構參數尺寸

3）靠背尺寸。通過對一系列對標車的測量積累，由于測量誤差等原因，大致整理出較為舒適的座椅的靠背尺寸統計量，如表2所示。

表2 靠背結構參數尺寸 mm

4）坐壓分布。設計前期，定義好座椅的各項參數，對座椅的坐壓分布進行CAE仿真分析，發現有應力集中過大的地方，可以對發泡進行適應性更改，避免后期開完正式模具之后，再因舒適性問題對發泡進行更改，造成較大的經濟損失。

通過做好前期的CAE分析，以及之后的座椅布置和座椅結構尺寸的控制，最終使座椅的舒適性得到很大的提升。座墊和靠背壓力分布，如圖8和圖9所示。

圖8 座墊壓力分布圖

圖9 靠背壓力分布圖

2.4 座椅的動態分析

1）RAMSIS分析。通過RAMSIS軟件，約束好假人的各項尺寸，可通過“駕駛員長時間正常駕駛疲勞評價”命令，得到當前駕駛員在長時間保持正常駕駛姿態下，其總體不舒適感覺，以及頸、肩、背、臀、腿及臂等部位的疲勞感覺。某車型用RAMSIS軟件的坐姿疲勞分析顯示界面，如圖10所示。

圖10 某車型用RAMSIS軟件坐姿疲勞分析顯示界面

2）虛擬樣機仿真分析。利用CATIA軟件建立人椅系統的三維模型，并把人椅模型通過接口文件導入多體動力學軟件ADAMS中進行仿真分析，通過選擇不同的動力學參數，仿真分析獲得汽車座椅動力學參數的最佳取值范圍。

更深一步的研究為：可以基于ADAMS/Car建立包括汽車前后懸架系統、轉向系統、車身、動力總成系統、輪胎及人椅系統的整車系統動力學模型，并給與符合國家標準的路面不平激勵，得到仿真分析結果，并根據ISO人體舒適性評價方法對仿真結果進行評價，以驗證汽車座椅動力學參數選擇的正確性[3]。

3 結論

文章根據以往車型的座椅設計經驗，總結出了可以保證乘坐舒適性的座椅布置和座椅結構等經驗參數，可有效減輕乘員長期乘坐或者駕駛汽車帶來的疲勞感和不舒適感。后期還需提高的方面包括：可應用ADAMS/Car軟件建立整車的動力學模型進行分析，進而達到整車各個部件對于舒適性的動態平衡和統籌考慮。同時人機工程學作為一個越來越被各大主機廠所重視的研究方向，不僅可以用于座椅設計，而且整車大多數系統都可以應用人機工程學來設計開發，進而保證整車的便利性和舒適性性能。