汽車座椅靠背對駕乘者腰部支撐強度的壓力特征及演變

王艷飛，黃玉強，王長余

（長春富維安道拓汽車飾件系統有限公司，長春 130033）

汽車座椅服務的是駕乘者，駕乘者坐姿各有不同，但不同駕乘者坐在不舒適的座椅上，隨著時間的推移，不舒適感積蓄后產生的坐姿變化機理相同。

座椅舒適性分為靜態舒適性和駕駛動態舒適性兩類。座椅開發完成初期，暴露最多的是短期靜態舒適性問題，一方面從座椅的靜態舒適性問題預判駕乘過程中的不舒適感知，如身體不同部位大小肌肉乏力、酸麻和鈍痛，甚至駕駛的職業病痛產生的機理。另一方面，收集駕乘過程中的疲勞問題。根據以上兩方面的積累，為座椅設計者分析、鎖定座椅設計缺陷提供基礎支撐。兩者之間預判分析的相互轉換離不開人體坐姿鉸鏈結構變化原理。

汽車座椅服務的是駕乘者，考察駕乘者和座椅結合后的狀態是重要環節。1982年日本學者首次提出人-椅接觸的壓力分布客觀評價方法，發展至今已得到行業內的廣泛認可和應用。

與汽車座椅坐墊相比，給予人體脊柱健康支撐的靠背設計是難點。多數研究圍繞座椅靠背與人接觸界面壓力的主客觀評價方法開展研究。MERGL等學者圍繞人體17位壓力分布開展系列人-椅接觸界面壓力舒適范圍的研究工作。結合人體坐姿鉸鏈結構變化原理，如何將座椅靜態識別到的不舒適問題與駕乘過程中人體不舒適性，或因座椅不舒適性導致駕駛過程中坐姿調整問題關聯起來的文獻報道很少。

綜上所述，采用廣泛應用的壓力分布客觀評價方法，選擇行業內口碑較好的某車型前排主駕駛座椅，調節腰托前后位置實現腰部支撐強度變化，目的是模擬座椅靠背特別是腰部不同支撐設計的座椅，得到壓力分布特征，再進一步基于人體工學原理和座椅不舒適部位，討論隨著駕駛時間的推移，駕乘者不舒適部位和坐姿變化規律，為駕駛產生的疲勞機理分析和座椅健康檢測技術的創新研發提供方向。

1 方法

為了模擬駕乘者在不同腰部支撐的座椅靠背壓力分布特征，并基于此討論隨著駕駛時間的推移不同腰部支撐的駕駛者坐姿變化規律，本文采用壓力分布和錄制駕乘者坐姿結合的方式表征人和座椅的結合狀態，依靠腰托調節實現腰部支撐強度變化，除座椅功能可以自由調節外，影響壓力分布的造型和裝飾等也應保持一致。

1.1 被試者

根據GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》中50～95百分位人群的肩高范圍，如圖1所示，采用人體測量尺測量10名被試者的人體尺寸，測量信息統計見表1。駕乘者中主觀感知肩部支撐缺失的人群大部分集中在50百分位以上。

圖1 人體測量尺

表1 被試者人體尺寸信息統計［11］

1.2 壓力分布數據采集

圖2是座椅舒適性評價臺，采用XSensor壓力測試墊鋪設并固定在座椅上方。要求被試者將座椅高調、滑軌、靠背位置依據駕駛視野和油門腳踏板位置調整至駕駛狀態后，被試者可以開始模擬駕駛姿態。每次模擬駕乘時間5 min后開始同步錄制人-椅接觸壓力和駕駛姿態，錄制時間為3 min，錄制期間，被試者視野看向前方路況，手臂可以自由移動方向盤模擬左右轉彎坐姿。

圖2 座椅舒適性評價臺

1.3 被試者主客觀評價

經過被試者中壓力分布試驗和主觀感知結果分析，選擇肩高在95百分位左右且駕齡5年以上的1名被試者進行詳細壓力分布試驗結果分析。在被試者調試座椅和坐姿的過程中，需要打開壓力分布墊調試與座椅的相對位置并固定；在3 min錄制被試者壓力分布過程中，詢問記錄被試者主觀感知供分析壓力分布結果時參考。被試者進行3次測試分別是：（1）腰托調節到被試者主觀感知腰部支撐舒適狀態；（2）腰托不工作狀態，被試者主觀感知腰部支撐不足；（3）腰托調節至最大狀態，被試者主觀感知腰部支撐過大，但并非不能接受的狀態。

2 試驗結果與分析

被試者坐在座椅上得到的壓力分布與人體骨骼對應關系如圖3所示，人體股骨外側隆起的地方稱之為大轉子，是座椅設計中H點位置。以H點為基準，腰部支撐在腰椎第3根到第5根區域，肩部支撐從肩胛骨下角開始發生在人體胸椎第1根到第7根區域。

圖3 被試者與座椅結合后壓力分布和人體骨骼的關系

2.1 腰部支撐適中

被試者坐在座椅上調節座椅前后上下和視野等位置到駕駛所需要的舒適姿態，重點是腰托調節支撐腰部強度到主觀感知適中即舒適狀態，得到壓力分布等值線與肩高關系如圖4所示。對應的腰部和肩部壓力分布比例如圖5所示，試驗座椅靠背造型有兩條裝飾線和一條拉緊線。從圖4中可以看出，無論是拉緊線還是裝飾線均能產生壓力集中，一般情況下，在人體肌肉群起始和小肌肉群位置座椅設計中，需要規避或減少類似此種壓力集中的產生。排除兩條裝飾線干擾，圖5顯示腰部壓力分布過渡平緩，對被試者腰部形成“面”支撐狀態，沿著肩高方向腰部平緩過渡區約60 mm，且支撐壓力大于肩部支撐壓力，同時根據人體工學背部支撐平衡分析，此種壓力分布曲線是腰部和肩部支撐達到較好平衡的典型分布之一。根據2020年王艷飛等發表的研究成果和10位被試者的試驗結果統計，得到一般性結論為肩部與背部合理支撐占比范圍為20%～35%，腰部與背部合理支撐占比范圍為60%～70%。

圖4 被試者與座椅結合后腰部支撐舒適姿態壓力云圖

圖5 被試者與座椅結合后主觀感知腰部支撐舒適姿態及其壓力分布

2.2 腰部支撐不足

被試者坐在座椅上調節座椅前后上下和視野等位置到駕駛所需的舒適姿態，將座椅腰托處于非工作狀態，被試者主觀感知腰部支撐不足，形成的壓力分布等值線如圖6所示，對應的腰部和肩部壓力分布比例如圖7所示，結果顯示腰部約60 mm區域支撐力小于肩部壓力，此種壓力分布曲線是腰部支撐不足的典型分布之一。值得關注的是腰部支撐不足的壓力分布體現形式較多，需要結合座椅造型特點和被試者坐姿特點，在熟悉人體構成的基礎上具體分析。與腰部支撐適中的圖5對比發現，腰部支撐不足時，人體與座椅靠背接觸面積增加，壓力有增加的趨勢。

圖6 被試者與座椅結合后腰部支撐不足壓力云圖

圖7 被試者主觀感知腰部支撐不足及其壓力分布

如圖8所示，駕乘者乘坐座椅腰部支撐不足，在駕乘初期依靠腰部肌肉收縮維持駕乘姿態，這時肌肉變得活躍做功，隨著駕乘時間增加，腰部肌肉產生疲勞，這時駕乘者在無意識情況下會將骨盆前移來緩解肌肉疲勞狀態，骨盆前移致使腰椎發生形變，脫離脊柱呈現“S”形健康生理彎曲狀態。由于骨盆前移，背部的主要支撐位置會上移至肩胛骨下角以下、腰椎以上的區域，如圖7所示。如圖9所示，人體肩胛骨部位是肌肉群及起始點集中感知較為敏感區域。同時，由于骨盆前移，背部支撐位置上移，與圖7壓力分布結果相呼應，這時會出現常說的“駝背”，如何規避駕乘者的駝背現象是座椅設計的難點。

圖8 腰部支撐不足時被試者骨骼鉸鏈結構演變

圖9 胸廓肩胛骨偏下區域肌肉群分布

2.3 腰部支撐過大

與圖5形成對比的是腰部支撐強度較大的壓力分布等值線（圖10）和腰肩部壓力分布（圖11）。座椅其他可調部位調至視野駕駛舒適姿態，讓座椅腰托處于滿荷工作狀態，被試者主觀感知腰部支撐強度過大，形成的壓力分布與腰托支撐舒適姿態相比，類似于背部支撐壓力分布形態，腰部支撐約60 mm區域內壓力有增加趨勢。此種壓力分布曲線是腰部支撐偏大的分布形式之一。根據人體工學背部支撐平衡分析預測，隨著腰部支撐強度的繼續增加，腰部壓力由于骨盆不動而腰椎上方自由活動，導致腰椎下方壓力較上方增加更明顯，甚至形成“點”支撐的壓力集中，壓力分布趨勢如圖11所示。與腰部支撐適中時形成的圖4～5對比可知，腰部支撐過大時，會削弱座椅靠背對肩部的支撐，如圖10～11所示。

圖10 被試者與座椅結合后腰部支撐過大壓力云圖

圖11 被試者主觀感知腰部支撐過大及其壓力分布

如果腰部支撐強度增加到某一程度時肩部支撐消失，相當于汽車座椅缺乏肩部支撐，駕乘者乘坐座椅初期，為了維持駕乘姿態，依靠肌肉力量維持上身的坐姿，如圖12所示，肌肉時刻處于收縮活躍而不是自然放松狀態，肌肉做功產生疲勞。隨著駕乘時間變長，駕乘者胸廓上部也就是第1根至第7根胸椎在無意識情況下向后方移動呈現后彎姿態，但是這樣后仰的姿態不適合駕駛視野，駕駛者會調整頭部重心恢復駕駛操作所需的眼睛位置，這時肩部和頸部的肌肉活動變得活躍，這部分會感到疲勞。

圖12 腰部支撐過大時被試者骨骼鉸鏈結構演變

3 結論

采用廣泛應用的壓力分布客觀評價方法結合主觀感知，利用調節腰托前后位置來實現腰部支撐強度變化，模擬駕乘者坐在不同靠背特別是腰部不帶腰托的座椅上，座椅背部不舒適使駕乘者坐姿鉸鏈結構產生的變化規律。主要結論如下：

（1）得到具有代表性的1名被試者腰部支撐強度適中、不足和過大3種形式的壓力分布特征圖。其中，腰部支撐強度適中時，腰部約60 mm區域內壓力變化平緩成“面”支撐，腰部壓力大于肩部壓力。腰部支撐強度不足時，腰部約60 mm區域內腰椎上方壓力集中，腰部壓力小于肩部壓力。腰部支撐強度過大時，腰部約60 mm區域內腰椎下方壓力集中，有“點”支撐的變化趨勢。

（2）腰部支撐強度不足時駕乘者鉸鏈結構變化規律：駕乘開始階段腰部肌肉維持坐姿，隨著駕乘時間增加，為緩解肌肉疲勞，骨盆會前移使腰椎脫離脊柱“S”形的健康生理彎曲狀態。

（3）腰部支撐強度過大時駕乘者鉸鏈結構變化規律：駕乘開始階段背部肌肉維持坐姿，隨著駕乘時間增加，胸廓后仰后調整駕駛所需的眼睛位置，頸部和肩部肌肉處于活躍做功狀態產生疲勞。

（4）無論是腰部支撐不足還是支撐過大，開始駕駛階段，腰部支撐不足導致腰椎附近區域的肌肉最先產生疲勞，腰部支撐過大導致肩部和頸部肌肉最先產生疲勞。但隨著駕駛時間的推移，伴隨這種局部肌肉疲勞而來的是其他部位肌肉活動也會活躍起來而產生疲勞。

4 展望

首先，駕駛產生疲勞機理分析和座椅健康檢測技術的創新研發離不開駕乘過程中的肌肉收縮，骨骼健康平衡線，人體神經控制肌肉和骨骼運動，骨骼鉸鏈結構變化規律，肌電和壓力分布結合客觀評價方法等內容。本文旨在為汽車座椅的創新研發設計提供方向性參考，為駕駛疲勞回歸設計的改進研發和監測技術提供思路。其次，被試者與座椅結合的壓力分布狀態，能代表大多數駕乘者的壓力結果才是更合理的。為此，滿足代表多數駕乘者壓力結果的統計方式是未來研究焦點之一。