基于人機工程學的汽車駕駛室座椅設計研究

曹海燕

基于人機工程學的汽車駕駛室座椅設計研究

曹海燕

（泰州機電高等職業(yè)技術(shù)學校，江蘇 泰州 225300）

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車僅作為代步工具已不能滿足人們的需求。駕駛者對于汽車的舒適度要求越來越高。在汽車設計開發(fā)過程中，人機工程學的運用越來越廣泛。文章從人機工程學的角度出發(fā)，對汽車駕駛室座椅的設計提出了建議，供汽車設計師參考。

人機工程學；汽車駕駛室座椅；汽車設計

前言

人機工程學是根據(jù)人的心理、生理特性，利用系統(tǒng)工程的理論，研究探討人和機器之間的聯(lián)系，為設計操作便捷、舒適、安全，人機合一的工程系統(tǒng)提供方法和理論的科學。汽車駕駛室座椅的設計屬于汽車駕駛室設計中的主要部分，座椅特性的好壞直接影響駕駛者的工作狀態(tài)，影響到駕駛的安全。

1 汽車座椅的人機要素

結(jié)合人體結(jié)構(gòu)特性性能良好的座椅應具備以下幾點：

（1）符合人體坐姿的生理特性，是駕駛員在駕駛過程中處于舒適的坐姿；

（2）保證駕駛員視野的開闊、清楚，便于操作其他部件；

（3）降低汽車行駛中對駕駛員的振動沖擊，符合振動舒適設計標準；

（4）在車輛發(fā)生交通事故時，將駕駛?cè)藛T固定在一個位置，保證駕駛?cè)藛T的人身安全；

（5）為駕駛?cè)藛T提供一個良好的操作位置，保證駕駛操作的便利性。

2 汽車座椅的人機工程學分析

2.1 人體坐姿的生理特點

人體結(jié)構(gòu)決定了人的不同生理特點。坐姿和站姿不同，人體主要軀干骨的受力也不同，其腰部曲線弧度隨之變化。人在端坐時身體的受力點主要集中在脊柱、盆骨、腿以及腳部。其中脊柱的變化最大，脊柱位于人體背部中間，對人體的支撐起到非常重要的作用。對于不同的坐姿，脊柱會呈現(xiàn)出不同的形態(tài)，在設計座椅的形式、尺寸和結(jié)構(gòu)時，需要考慮脊柱的變化，如設計的座椅不能使人體脊柱形態(tài)趨于自然，否則會引起駕駛員的駕駛疲勞，影響駕駛的舒適性。長期駕駛會影響人體的身體健康。

在駕駛時，人的背部需要靠在座椅上，靠背的舒適與否直接影響駕駛。人在倚靠時，分布在靠背的壓力是不均勻的，肩胛骨和腰椎這兩部分的壓力是最集中的，由這兩部分往外，壓力降低。在人體脊柱結(jié)構(gòu)中，肩靠為第5、6塊胸椎，腰靠為第4、5塊胸椎，因此在座椅設計中需要重視這兩部分的支撐，否則會造成對腰椎的損傷，具體如圖1所示。

圖1 不舒適坐姿對腰椎組織的影響

人在處于坐姿時，人體重量除了集中在靠背外，主要集中在坐墊上。分在坐墊上的壓力也是存在一定的規(guī)律：人體坐骨處的壓力為最大，大腿處壓力最小，壓力由坐骨處向大腿外逐漸減弱。這一規(guī)律驗證了解剖學特性：坐骨處是人體最能承受重力的地方，而大腿以下由于分布了主動脈不適合承重。在設計座椅時應結(jié)合應力分布不均勻規(guī)律進行對應設計，保證駕駛的舒適性。人體坐壓力分布圖見圖2。

圖2 坐壓分布圖

2.2 環(huán)境分析

駕駛員在駕駛時會受到外界的干擾，比如汽車的振動。人能夠承受的振動頻率范圍為橫向1～2赫茲的振動、縱向4～8赫茲的振動，超過此承受范圍會影響駕駛員操縱的準確性以及視覺的工作狀態(tài)，從而影響駕駛的安全性[1]。

汽車座椅表面存在著一定的溫度和濕度。二者的數(shù)值不可過高也不可過低。長期處于高溫高濕的環(huán)境中會造成關(guān)節(jié)疼痛、身體乏力，容易引起疲勞。有關(guān)研究顯示，最佳的濕度要求在40%～60%，代謝量1.0～2.0met，最佳的溫度要求為18゜C～23゜C。基于以上研究分析，座椅表面的設計不可忽略，比如座椅表面面料的材質(zhì)、座椅調(diào)溫裝置等方面。

3 汽車座椅設計

3.1 汽車座椅結(jié)構(gòu)和設計要求

汽車座椅一般由座椅骨架、頭枕、座椅連接件、坐墊、靠背、調(diào)節(jié)機構(gòu)等組成（如圖3所示）。座椅骨架是汽車座椅的基礎部件，它的強度直接影響座椅的安全性，一般使用鋼板沖壓或鋼管、型鋼進行壓制而成。坐墊和靠背的填充材料一般選擇發(fā)泡海綿和座椅蒙皮，為了保證駕駛員的舒適性一般發(fā)泡海綿采用回彈性能很高的聚氨酯發(fā)泡而成。因為駕駛員的身材各異，因此座椅必須具備調(diào)節(jié)裝置，主要包括滑軌、調(diào)角器、升降器等部件。滑軌主要是調(diào)節(jié)座椅前后移動，安裝在座椅底部。調(diào)角器是讓駕駛員能夠調(diào)整椅背的角度，一般安裝在座墊骨架和靠背骨架之間。升降器主要調(diào)節(jié)座椅的上下移動，安裝在座椅的下方[2]。

圖3 駕駛員座椅的結(jié)構(gòu)圖

3.2 汽車座椅設計

（1）座椅的靜態(tài)舒適性設計

座椅的舒適性設計分為靜態(tài)設計和動態(tài)設計，它們受很多因素的影響。現(xiàn)以靜態(tài)設計注意事項為例：

1）座椅尺寸設計

座椅尺寸設計包括靠背高度、寬度、傾角；座面高度、寬度、傾角、深度；頭枕高度、寬度、傾角等。座椅椅面前部到操作者頭部的垂直距離為靠背高度。在整體設計時座椅的高度盡量低一點，但是不能過低，太低會造成駕駛者背部肌肉疼痛，太高會給腿部帶來一定的壓力。汽車駕駛者的坐姿比較簡單，坐姿幾乎不會發(fā)生變化，從乘坐舒適角度出發(fā)，椅面寬度以寬為好。在設計椅面深度時需要考慮腰椎需要支撐，腳下部與椅面之間留有一定的間隙，同時可以使腿部有活動空間。靠背的寬度和高度與駕駛員坐姿的肩寬和肩高有一定的關(guān)系，在車上添加靠枕主要是為了提高靠背的高度。

2）座椅可調(diào)節(jié)

駕駛者在駕駛時雖然操縱動作比較單一，但是對于舒適性要求卻是極高。駕駛員身材各異，研究的座椅適合于P95的人群，為了更好地服務每位駕駛者，座椅應該設置調(diào)節(jié)功能[3]。駕駛者的舒適坐姿關(guān)節(jié)角度如圖4所示。

圖4 舒適坐姿的關(guān)節(jié)角度

3）座椅材料選擇

汽車在行駛過程中汽車部件的振動會通過座椅傳遞給駕駛者，因此汽車座椅在選擇材料時第一需要解決的是減震。座椅材料是座椅減震的主要因素，在選擇座椅材料時需要考慮該因素。由于人體結(jié)構(gòu)的不同，分在座椅上的振動強度也是不同的。在橫向方面，人體脊柱依靠腰間盤前部和后部的前縱韌帶起作用，使得脊柱在橫向方面的忍耐能力有限；而在縱向方面，腰椎盤有很大的彈性和支撐力，使得脊柱在縱向方面的忍耐能力極強。介于這些原因在選擇座椅材料的時候需要加強橫向的忍耐力。比如選擇靠背墊要有彈性和柔軟性，椅面和靠背的邊緣兩側(cè)做成隆起狀，靠背向后傾斜操作使得腰椎和背部得到依靠，增加橫向的摩擦力減小橫向位移，降低人體的橫向沖擊，提高人體的舒適性。

（2）座椅的動態(tài)舒適性設計

汽車駕駛室座椅的動態(tài)設計主要解決的問題就是如何進行減震，除了汽車座椅材料對于減震的影響，從汽車座椅的剛性結(jié)構(gòu)方面也需對減少震動作出改進。在汽車座椅設計中主要需要考慮的動態(tài)參數(shù)包括阻尼系數(shù)、剛度系數(shù)。通過對這二者的優(yōu)化選擇對汽車座椅的懸架結(jié)構(gòu)進行設計改善，是的座椅能夠很好地衰減汽車運行中的振動。

4 結(jié)論

本文根據(jù)人機工程學原理和理論，圍繞核心思想“人機合一”對汽車駕駛室座椅的結(jié)構(gòu)進行了詳細的、全面的設計分析與描述。汽車的尺寸可以是固定的，但是駕駛員是變化的，同樣一輛車可以符合不同體型駕駛者的要求，讓每位駕駛者都能夠獲得滿意的駕駛體驗。隨著人們生活水平的提高，人們對于汽車要求不只是一個交通工具，對舒適度的要求會越來越高，也會對車輛人機工程學提出更多新的研究方向。

[1] 靳曉雄.關(guān)于振動對人體生理參數(shù)影響的研究[J].人類工效學, 1997,3(2):16-20.

[2] 劉惟信.汽車設計[M].北京:清華大學出版社,2012.

[3] 李惠彬.車輛人機工程學[M].北京:北京理工大學出版社.2017.

Research on Seat Design of Automobile Cab Based on Ergonomics

Cao Haiyan

( Taizhou Electromechanical Higher Vocational and Technical School, Jiangsu Taizhou 225300 )

With the rapid development of modern science technology and the improvement of people's living standards, cars can not meet people's needs only as a means of transportation. Drivers for the comfort of the car more and more high requirements. In the process of Automobile Design and Development, ergonomics is used more and more widely. From the point of view of Ergonomics, this paper puts forward some suggestions for the design of automobile cab seats, which can be referred by automobile designers.

Ergonomics; Cab seats; Car design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.019

U463.8

A

1671-7988(2021)07-57-03

U463.8

A

1671-7988(2021)07-57-03

曹海燕，女，江蘇南通人，本科，講師，就職于泰州機電高等職業(yè)技術(shù)學校，研究方向：汽車技術(shù)。