坐姿力分布在汽車座椅靠背設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討

高彬

摘 要 汽車座椅是汽車整體結(jié)構(gòu)中非常重要的一個(gè)組成部分，其直接關(guān)系著駕駛員的安全性和舒適性。當(dāng)前汽車在我國逐漸實(shí)現(xiàn)普及的情況下，座椅舒適性已經(jīng)成為汽車設(shè)計(jì)制造過程中一個(gè)重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一。在進(jìn)行汽車座椅設(shè)計(jì)的過程中需要從消費(fèi)者實(shí)際需求的角度，充分結(jié)合坐姿力的分布狀況來進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)之上汽車座椅的功能和舒適性得到進(jìn)一步拓展，這樣才能給駕駛員帶來更加安全愉悅的駕駛體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞 坐姿力分布;汽車座椅;靠背設(shè)計(jì)

引言

隨著我國人民生活水平的不斷提升，汽車消費(fèi)已經(jīng)非常普及，城市的汽車保有量在逐步提升，而且人們對(duì)于汽車安全性、節(jié)能環(huán)保性、舒適性的要求也越來越高。汽車座椅是汽車內(nèi)飾重要的一個(gè)組成部分，也是與駕駛員接觸最為緊密的一個(gè)部件，在近幾年的汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中越來越受到重視。甚至根據(jù)相關(guān)的市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，汽車座椅舒適性和外形設(shè)計(jì)已經(jīng)成為消費(fèi)者購買汽車的主要因素。汽車座椅不僅能夠直觀的反映出汽車本身的價(jià)值，而且通過汽車座椅能夠體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者的情感色彩，汽車座椅設(shè)計(jì)中還能夠體現(xiàn)出對(duì)駕駛員負(fù)責(zé)任的態(tài)度。

1 汽車座椅概述

1.1 汽車座椅組成

文章在研究過程中，主要以駕駛員座椅作為研究對(duì)象。駕駛員座椅主要是由坐墊骨架、靠背骨架、發(fā)泡、頭枕、調(diào)角器、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、塑料裝飾件等幾個(gè)部分組成[1]。其具體組成結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

汽車座椅靠背的主要作用是對(duì)乘坐人員軀干主體部分形成支撐，這樣在汽車加速、減速或者是發(fā)生碰撞的情況下，通過汽車座椅靠背能夠承受大部分的力量，可見在汽車座椅結(jié)構(gòu)中，靠背發(fā)揮的作用非常重要。汽車座椅靠背的形狀會(huì)對(duì)駕駛員乘坐舒適感形成較大影響。針對(duì)汽車座椅靠背進(jìn)行合理設(shè)置能夠有效緩解乘坐人員背部的緊張感，人體脊柱只有處在自然形態(tài)下才能達(dá)到最佳的舒適點(diǎn)，在進(jìn)行汽車座椅設(shè)計(jì)過程中，要通過做面和靠背之間平衡的角度、靠背的形狀來對(duì)腰椎形成有效支撐來實(shí)現(xiàn)最佳的舒適度。汽車頭枕主要作用是避免乘坐人員在乘坐過程中產(chǎn)生頭頸疲勞，同時(shí)能夠保障基本的人身安全，尤其是在當(dāng)汽車發(fā)生追尾事故時(shí)，能夠?qū)︻i椎的損害進(jìn)行有效緩解。

1.2 汽車座椅分類

根據(jù)位置的不同，可以將汽車座椅劃分為前排、中排、后排等三種類型[2]。前排座椅主要指的是駕駛員或者副駕駛員座椅，而中排座椅通常有獨(dú)立座椅、雙人連體座椅等幾種類型，而后排座椅通常情況下為三連排座椅或者是5/5、4/6分座椅。

2 汽車座椅設(shè)計(jì)基本原則

汽車座椅設(shè)計(jì)屬于一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，在具體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中不僅涉及到機(jī)械、化工、紡織、噴涂、熱處理等多個(gè)學(xué)科知識(shí)，與此同時(shí)還會(huì)涉及到人體力學(xué)、人體工程學(xué)的幾個(gè)學(xué)科[3]。在進(jìn)行汽車座椅設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)該以人體工程力學(xué)基本原理為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)座椅的舒適性、減震性能、安全性能進(jìn)行全方位考慮。另外，還需要對(duì)人體生理特征以及具體尺寸進(jìn)行充分考慮，盡可能的做到量身定做，這樣才能讓汽車座椅舒適性得到全面提升。

2.1 安全性原則

汽車座椅設(shè)計(jì)首先要以安全性為基本原則。因此，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)首先必須要保證座椅強(qiáng)度，當(dāng)汽車發(fā)生碰撞情況下，要充分保證汽車座椅不會(huì)對(duì)乘坐人員造成傷害，或者能夠最大程度緩解乘坐人員所受到的傷害，同時(shí)能夠?qū)Τ丝腿藛T形成有效保護(hù)。

2.2 操縱便捷性

座椅設(shè)計(jì)過程中需要充分保證操作的便捷性，要讓駕乘人員伸手就能夠接觸到調(diào)整手柄或按鈕，同時(shí)還要對(duì)乘坐人員日常行為習(xí)慣進(jìn)行充分結(jié)合，保證操作力量設(shè)置的合理性。

2.3 乘坐舒適型

汽車座椅在設(shè)計(jì)過程中必須要能保障駕乘人員保持良好坐姿。讓脊柱能夠處在自然彎曲狀態(tài)，讓體壓分布保持合理性，從而使得肌肉能夠完全處在松弛狀態(tài)，駕乘人員上體通向大腿血管不會(huì)受到壓迫，盡可能的保持血液實(shí)現(xiàn)正常循環(huán);而且座椅設(shè)計(jì)中要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)駕乘人員腰椎的依托感，同時(shí)要保障產(chǎn)生貼合感。對(duì)于汽車在路面上行駛產(chǎn)生的震動(dòng)能夠進(jìn)行最大程度緩解或隔離，使駕乘人員的乘坐舒適性達(dá)到最佳。

3 汽車座椅靠背設(shè)計(jì)中坐姿力分布應(yīng)用分析

汽車座椅靠背設(shè)計(jì)過程中主要涉及到強(qiáng)度、造型等兩個(gè)部分的設(shè)計(jì)工作。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該盡可能保證汽車靠背的高度、形狀完全符合人體曲線，在這種情況下才能夠讓駕乘人員的背部肌肉完全處在放松狀態(tài)，同時(shí)還能夠?qū)Ρ巢俊⒓绮啃纬捎行е危岏{駛員能夠始終保持坐姿穩(wěn)定。與此同時(shí)，還要為乘坐人員的側(cè)背提供足夠支撐，從而有效避免在汽車高速轉(zhuǎn)彎情況下人體產(chǎn)生橫向滑動(dòng)。在具體設(shè)計(jì)過程中，汽車靠背的高度和寬度通常情況下設(shè)置在600mm和480mm[4]。

汽車靠背的中心脊線與人體脊柱會(huì)直接進(jìn)行接觸。而人體脊柱側(cè)面同時(shí)會(huì)產(chǎn)生頸曲、胸曲、腰曲及骶曲等幾種生理上的彎曲。如下圖2所示。其中以坐姿舒適性關(guān)聯(lián)最緊密的屬于腰曲;人體處在坐姿狀態(tài)下的時(shí)候，上半身的全部重量都會(huì)施加在腰椎、骶骨以及相關(guān)軟組織上面，而且人體在坐姿狀態(tài)下還需要完成扭轉(zhuǎn)等一些動(dòng)作，因此在針對(duì)中心脊線輪廓進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，要保證坐者完全能夠達(dá)到腰曲弧線，而且在必要的情況下，還要讓軀干和大腿之間形成一定的鈍角，在這種情況下就能夠?qū)ρ啃纬捎行е危瑫r(shí)腰弧曲線能夠處在正常情況下，進(jìn)一步提升了坐姿狀態(tài)下乘坐人員的舒適性。

此外，當(dāng)人體處在正常坐姿狀態(tài)下時(shí)脊柱腰椎部分會(huì)產(chǎn)生一定的前突。在這種情況下會(huì)在腰間盤上分布一定的壓力，因此在具體針對(duì)中心脊線設(shè)計(jì)中要結(jié)合中國成年人身體尺寸標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求來對(duì)其高度進(jìn)行合理設(shè)置。

外界輪廓主要是對(duì)肩靠在寬度方向上的定位以及背靠行業(yè)的走勢(shì)等產(chǎn)生影響，從而最終能夠?qū)Τ俗藛T的腰弧曲線是否正常，以及腰部的側(cè)向異常的作用產(chǎn)生一定影響。在具體進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中可以采取雙向投影法來對(duì)其輪廓邊界進(jìn)行設(shè)計(jì)。

汽車靠背傾斜角的不同會(huì)導(dǎo)致椎間盤內(nèi)部壓力以及背部肌肉負(fù)荷產(chǎn)生較大差異。如果在進(jìn)行靠背設(shè)計(jì)過程中其傾角超過了110°的情況下，椎間盤壓力會(huì)明顯下降因此在設(shè)計(jì)過程中必須要對(duì)靠背傾角進(jìn)行充分考慮。為了能夠最大程度提升汽車座椅的舒適性，同時(shí)能夠滿足乘坐人員的休息需求，因此針對(duì)靠背傾角要設(shè)置可調(diào)節(jié)式，而且要盡可能保障實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)整。通常情況下針對(duì)重載貨車其靠背的傾角可以在100°～115°的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而大型客車通常情況下靠背傾角設(shè)置在90°～135°范圍內(nèi)，而針對(duì)小型轎車其靠背傾角通常情況下設(shè)置在80°～170°的范圍內(nèi)。

另外，腰部支撐和扶手的合理設(shè)計(jì)也能夠最大程度緩解椎間盤的壓力。在具體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，腰部支撐必須要具有一定的厚度和硬度，同時(shí)還要達(dá)到良好的透氣性，這樣才能充分保障在坐骨結(jié)節(jié)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)人體啟動(dòng)的均勻分布。對(duì)于人體來說通常情況下是在第三到第五腰椎部位來形成腰部支撐，而且其實(shí)際的支撐厚度通常應(yīng)該設(shè)置在5cm的范圍內(nèi)。針對(duì)汽車座椅腰部支撐目前主要有機(jī)械支撐和空氣支撐等兩種方式。機(jī)械支撐方式主要是充分利用機(jī)械結(jié)構(gòu)來對(duì)人體進(jìn)行支撐，因此其支撐部位通常情況下為剛性，會(huì)嚴(yán)重影響舒適性。空氣支撐方法主要是通過空氣氣囊而對(duì)人體形成支撐，氣囊充放氣主要是通過控制閥來實(shí)現(xiàn)控制，在這種方式下就能夠讓人體腰部受到良好保護(hù)和支撐。腰部支撐氣囊，通常情況下會(huì)使用厚度為0.4～0.8mm之間的聚氨酯板焊接而成，整體的制造工藝簡(jiǎn)單，而且實(shí)際使用成本較低，具有較強(qiáng)耐磨性和抗老化型，目前在汽車座椅設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用比較廣泛。腰部支撐的氣囊控制法不僅可以對(duì)氣囊的進(jìn)排氣進(jìn)行有效控制，同時(shí)還能夠有效的發(fā)揮出溢流保護(hù)作用，也就是說當(dāng)氣囊內(nèi)部壓力超過一定數(shù)值的情況下，控制方能夠及時(shí)進(jìn)行卸壓，從而保障氣囊實(shí)現(xiàn)安全使用。目前我國針對(duì)汽車靠背腰部支撐裝置已經(jīng)開發(fā)出了一些新型的空氣支撐，這種新型的空氣支撐裝置能夠按照一定的順序和頻率來實(shí)現(xiàn)對(duì)頸部、腰部、肩部進(jìn)行有規(guī)律的充放氣，利用氣囊規(guī)律性的膨脹和收縮作用，讓腰部、頸部、肩部等位置形成有規(guī)律擠壓，在此基礎(chǔ)上很好的發(fā)揮出人體局部的按摩作用，從而使得汽車座椅靠背的舒適性得到極大提升。

座椅扶手安裝位置應(yīng)該要充分保證與人體處在坐姿狀態(tài)下時(shí)肘部高度尺寸完全相符，在進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，通常情況下將座椅扶手設(shè)置在距離坐墊250mm的位置。注意扶手，通常情況下有固定式、角度可調(diào)試和可翻轉(zhuǎn)式等幾種。

汽車座椅在設(shè)計(jì)過程中不僅僅是針對(duì)靠背進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)還需要針對(duì)頭枕以及座椅骨架等幾個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，頭枕的設(shè)計(jì)同樣是為了提升乘坐人員的舒適性和安全性，而座椅骨架在設(shè)計(jì)過程中需要充分保證其具備足夠的載荷承受能力。在進(jìn)行靠背和坐墊骨架形狀設(shè)計(jì)的過程中，需要充分結(jié)合人體生理特征，在此基礎(chǔ)上做出的設(shè)計(jì)作品才能夠?yàn)轳{駛員提供更加安全有效的支撐。

4 結(jié)束語

綜上所述，在當(dāng)前汽車不斷普及的前提下，作為汽車內(nèi)飾非常重要的一個(gè)組成部分，汽車座椅在當(dāng)前受到了極大的關(guān)注，而汽車座椅靠背是汽車座椅中直接與人體進(jìn)行接觸的一個(gè)重要部位，不僅關(guān)系到人體脊柱的舒適型，而且對(duì)于駕乘人員的安全性有緊密關(guān)聯(lián)，因此在設(shè)計(jì)過程中不僅需要從人體工程學(xué)原理的角度來針對(duì)座椅型面進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，與此同時(shí)還需要針對(duì)自由曲面機(jī)械產(chǎn)品把設(shè)計(jì)特征進(jìn)行充分結(jié)合，這樣才能進(jìn)一步提升汽車座椅的舒適性。

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