基于人機工程學的汽車座椅設計研究

劉全

摘要：時至今日，國內從基于人機工程學角度考慮的汽車座椅舒適性設計研究仍存在一定問題，國內汽車生產商在設計汽車座椅時并未根據不同人體特征而設計出不同尺寸的舒適性座椅，即在可調節功能上尚需要突破;同時還沒有形成對座椅靜態舒適性評價的一套客觀系統的體系，應用神經網絡建模方法評價舒適性中輸入量的界定還不夠清晰明確，這些尚存在的不足需要汽車生產商和研究者們進一步研究和改善，以創造出人們夢寐以求的集完美舒適性和安全性于一體的汽車座椅。

關鍵詞：汽車座椅;人機工程學;舒適度;安全性

1人體坐姿生理特性分析

人處在坐姿狀態時，身體主要是靠脊柱、盆骨、腿和腳支撐。脊柱位于人體的背部中央，是人體的主要支撐。人處于不同的坐姿，脊柱的形態也會不同，只有座椅的結構和尺寸設計使駕駛員的脊柱形態接近于正常自然形態時，才會減少腰椎以及腰背部肌肉的負荷，防止駕駛疲勞的發生。根據人體組織的解剖學特性，坐骨結節處是人體最耐受壓力的部位，適合承重，而大腿下靠近表面處因有下肢主動脈分布，承擔過量壓力會影響血液循環，故不宜承受重壓。因此，座墊上的壓力分布，應根據臀部不同部位承受不同壓力的原則來分配，即在坐骨處承受壓力最大，自大腿部位時承受壓力降至最低，這就是座墊設計的壓力分布不均勻原則。

2人機工程學下對汽車座椅的分析

汽車座椅和人共同組成一個研究整體，下面分兩個方向（人體坐姿特征分析和環境分析）分析人機工程學下的汽車座椅。

2.1人體坐姿分析

人體坐姿壓力分布分析分為人坐下時的脊椎形態分析和壓力分布分析。我們都知道，不同的坐姿下人的脊椎呈現出不同的形態。而只有在脊椎形態最接近于自然狀態時，人體才是最放松和最舒適的狀態，也只有在這種狀態下，才會減少脊椎的負荷量，降低人體產生疲勞感的可能性，才能夠有效的防治疲勞駕駛的發生。因此，通過人機工程學設計座椅靠背的適當傾斜角度，對保持人體坐下時脊椎呈現自然狀態具有重要的意義。 坐墊上的體壓分布主要集中于人體坐骨，并以坐骨為中心向四周不斷減小，直至到達大腿部位時降至最低，這樣分布坐墊體壓的主要原因是人體骨骼是最能夠承受壓力的部位，而駕駛汽車時，大腿以下的部位主要用于操控汽車速度和停開車，要具有一定的靈活性，不適合承受壓力，同時大腿處有下肢主動脈分布不適合承受荷載。靠椅上的體壓分布是不均勻的，符合坐墊設計的壓力不均勻性原則，靠背的受力部位主要為腰椎和肩胛骨并以這兩個部位為中心向外擴張，壓力不斷減小。

2.2空間環境分析

人體和汽車空間作為一個研究整體，對駕駛員舒適性影響較大的環境因素包括汽車內的溫濕度和振動幅度。研究表明，人體最敏感的頻率范圍為縱向振動4～8HZ，橫向振動1～2HZ。[1]當汽車內的振動頻率解決人體能夠感知的振動頻率時，人體和汽車會形成共振現象，導致整體的震動幅度增大，從而引起人體的感官的錯誤判斷。振動主要影響人體的視覺和動手操作效率，兩者的關系具體表現為：汽車內的振動頻率接近人體器官可感知的振動頻率時皮質細胞（質膜內面的一層細胞質）的工作效率會降低，人體會產生疲勞，工作效率和行為反應能力降低，增加了疲勞駕駛的可能性。汽車內溫濕度對駕駛員的影響主要表現在：汽車內溫度越高，駕駛員往往會覺得昏昏欲睡，四肢無力，導致工作不能持久，不能夠專心開車;溫濕度越低，駕駛員往往需要分泌更多的腎上腺素保持自身體溫，能量消耗過多不利于駕駛員安全開始。因此，汽車內的溫濕度應該保持在一個合適的水平。研究表明，當汽車內的溫度保持在18～23度，適度保持在40%～55～時，駕駛員新陳代謝量可以達到1～2met，這個代謝量最有利于駕駛員保持頭腦的清醒，任何高于或者低于這個溫濕度都會在一定程度上造成駕駛員疲勞感的產生。因此，采取有效的設計使座椅表面和空間內的溫濕度保持在一定水品對降低安全事故具有重要的作用。

3基于汽車座椅的舒適性及安全性設計研究汽車

根據生物動力學研究結果表明，人體若長時間的承受高強度高負荷的全身震動，那么對其的健康損害也是極其嚴重的，這主要表現在腰脊和相關的神經系統會因此受到影響。而源于人體內部的新陳代謝、血液循環以及其他方面因素會惡化這個影響，同時如身體姿勢、低溫和氣流等等一些環境因素也會引起肌肉疼痛給駕乘帶來不適。由本小組研究人員取證分析，得到以下結論。

3.1 座椅舒適度研究

3.1.1 座椅舒適度的指標

①座椅尺寸應與人體測量尺寸d相適宜（一般d取45～60cm）;②汽車內部座椅應按人體坐高坐姿不同而合理設計成可自由調節，以便不同駕乘人員根據自己的客觀條件和需求來達到滿足自身坐姿要求的舒適度，如沃爾沃公司的F7型汽車坐高可調65mm;傾斜度可調64°;縱向位置可調130mm等;③同時汽車座椅應有使駕乘人員隨時保持舒適坐姿的能力，座椅靠背設計應根據需求設計合理結構和尺寸以給腰部充分的支撐，達到使人乘坐時其腰脊能成正常彎曲狀態。同時，座椅安裝位置的尺寸也很重要，它直接影響到使用者的便利性和舒適性，座椅布置需符合人體工程學的要求。駕駛座椅也是最關鍵的座椅，它需布置合理，操縱方便，即乘坐時駕駛者對方向盤、操縱桿和踏板具有良好可及性。對于同一地區的人群，也有男女性的差異，高矮差異，駕駛座椅必須要有調節機構，以適應絕大部分人的身材。

3.1.2 影響座椅舒適度的因素

座椅自身的尺寸設計、人體坐姿的舒適性需求度、座椅的可調節特性都是影響座椅舒適度的主要因素。基于人機工程學的研究，腰部是體現座椅功能的關鍵部位，因此座椅的腰托便成了影響舒適性設計的決定因素。而隨著現代技術的快速發展，轎車的座椅也裝配有氣動裝置，由發動機艙的氣泵提供氣壓，而靠背內分別有4個氣壓腔，實現對腰椎部的保護。靠背分成上下兩部分，角度可以分別調整以使腰部和肩部同時緊貼靠背，起到安全保護作用，若在靠背內裝一個由電腦控制的電子振蕩器，不僅舒適腰椎，還有按摩保健作用。所以，合理設計座椅腰托，并根據不同駕乘人員的腰部不同彎曲程度設計成可自動壓縮擠壓并有按摩功效的座椅腰托便是廣大駕乘人員一致稱好的。

3.2座椅安全性研究

汽車座椅的安全性，是指座椅有效預防事故的發生，并在事故發生時有效減輕乘員所受傷害的能力。根據座椅在碰撞事故發生時和發生后對減輕乘員傷害程度的不同作用，可以將座椅的安全性分為主動安全性和被動安全性兩個方面。

3.2.1汽車座椅的主動安全性

座椅的主動安全性是指座椅能夠有效地防止事故發生的能力。駕駛員視野、駕駛員定位以及其它汽車控制系統功能的發揮，以及這些系統之間的配合也會不同程度的影響到座椅的主動安全性。與此同時，座椅的舒適性和主動安全性有關，舒適的座椅可以為駕駛員提供一個良好的工作環境，使其心情愉快、精力集中，從而有效地預防交通事故的發生，提高汽車的主動安全性。

3.2.2汽車座椅的被動安全性

座椅的被動安全性是指汽車發生了交通事故后，能夠對車內人員進行保護，避免其發生傷害或使傷害降至最低程度的性能。一個好的汽車座椅要能夠減輕駕駛員及乘員的疲勞來滿足主動安全性要求，更要有足夠高的結構強度和剛度，以便與安全帶和安全氣囊一起對乘員定位的同時緩和碰撞的強度，使乘員的損傷達到最小。在加強座椅結構本身吸能性的同時，人們開始研究把安全氣囊安裝在座椅靠背側面，為乘員提供安全保護。這種帶有安全氣囊的座椅已經開始應用在各種高檔轎車中。

4結語

從人機工程學的角度出發，對汽車座椅的基本尺寸，結構，以及其他特性進行優化的設計，使駕駛座椅具有良好舒適性和安全性。

參考文獻

[1] 杜子學.汽車人機工程學.北京：機械工業出版社，2011.2.

[2] 肖生發.汽車工程概論.北京：北京理工大學出版社，2010.1.

[3] 朱序璋.人機工程學.西安：西安電子科技大學出版社，1999.11.

（作者單位：山東富路勇士汽車有限公司）