基于人体工程学的汽车座椅设计

基于人体工程学的汽车座椅设计

任宝林20080803 指导老师：李恩颖

摘要：运用人机工程学原理，针对汽车驾驶座持，从驾驶员生理特性与作业环境两个方面分析了影响驾驶舒适性及安全性的原因，在此基础上从坐姿舒适性，振动舒适性，操作舒适性，安全性等四个方面论述了人机工程学在汽车座椅设计中的应用，完成了对汽车驾驶座椅从分析到设计的系列开发过程。

关键词：汽车驾驶座椅人机工程学设计

一、引言

随着时代的发展，当今社会已由工业社会向信息社会即后工业社会过渡，人类赖以生存的生活空间和生活方式，处处都是经过设计并不断完善的设计世界。现代设计，作为一种广泛的文化活动，已成为人们生活中的一部分。人们开始追求高品质的舒适生活,于是按照人体工程学设计的产品也就越来越受到大众的欢迎。人体工程学的产品也就成了现代社会人们追求的目标。先以汽车座椅为例,人体工程学的家具并不是人们头脑中所想象的仅有数据符合的座椅,它还包括除了人体生理数据之外的很多因素。它的设计原则除了常见的尺度设计原则,人体机能和环境设计原则,健康设计原则外还应该讲求黄金分割比的设计原则。并指出在这些原则的指导下好的人体工程学座椅是功能与美学相结合的产品,可以为人带来身心两方面的享受。

二、坐姿舒适性

人体在座椅上坐着时的姿势，称为最终姿势。人体姿势由相邻关节的距离及每个关节的角度确定，通常情况下，各关节之间的距离是不能调整的，但每个关节的角度可以改变。在关节角度可变的范围内存在改变的最佳区间，在此区间内人不易疲劳。在座椅的设计中，使乘坐者的腰曲弧形保持正常，腰背部肌肉处于松弛状态，从腹部通向大腿的血管不受压迫，保持血液循环正常，舒适性的坐姿特点是：臀部离开靠背向前移，保持上体在腰椎以上的肩部与大腿下平面之间达到100°--115°角。根据“人体工程学’的研究,舒适坐姿时人体关节角度范围如图

2-1所示。可根据此去确定座椅的有关参数。

为使不同身高的驾驶员获得良好的坐姿舒适性，必须是座椅尺寸合适，驾驶位置合理。以下尺寸外形必须在规定的范围内：a坐姿深度一般取400—450mm。b坐垫高度一般以取350—400mm为宜，最低不小于300mm，最高不大于400mm。c坐垫角度及靠背与座椅

图2-1舒适坐姿时人体的关节角度范围（SAE267C ）

10°<1θ<20°

15° <2θ<30° 80°<3θ<90° 85°<4θ<100° 100°<5θ<120° 85°<6θ<95°

三、振动舒适性

汽车座椅的振动舒适性与座椅及个人的振动特性密切相关。座椅振动舒适性是指个人出于震动环境中所感受到主观上的相对舒适程度。振动对驾驶员的直接影响涉及躯干和身体局部的动态反应、生理反应、性能进退和敏感度障碍。表3-1列出了人体各个主要部位的共振频率。

表3-1人体主要部位共振频率

在路面—汽车—人系统中，人是振动的承受者，人体对振动的反应，是评价汽车平顺的基础。当汽车在不平路面上行驶时，将承受不规则的随机振动，从而导致乘员和驾驶员在不同程度上产生疲劳和不舒适。实验证明，影响座椅振动舒适性的因素有：坐垫的刚度和阻尼系数，悬挂系统的的质量、刚度和阻尼系数以及座椅钢架结构的动态性能。其中起决定性作用的是刚度和阻尼系数。刚度参数决定座椅的共振频率，而阻尼系数决定座椅的振动衰减特性。

目前的研究和笔者的工作实践证明，座椅悬架系统的质量较大时对人体振动舒适性有利，但考虑到与座椅刚度的配合，座椅连接

件的摩擦系数越小，对人体振动舒适性越有利，适当降低座椅悬架的阻尼系数对振动舒适性有利。

3-1 座椅振动参数的选择

汽车座椅的振动参数主要有两个，一个是刚度C ，它决定了座椅的固有圆频率n ω，其关系如下：

n ω=

式中 C ——座椅刚度；m ——座椅与人的质量。

另一个是阻尼系数k ，它决定了座椅的

振动衰减特性，对阻尼的评价常用相对阻尼系数ψ表示，其关系如下：

ψ=

式中k——座椅系统的阻尼系数； C——座椅的刚度；m——人体与座椅的质量。3-2座椅的传递特性

人坐在行驶中的汽车座椅上时，始终是处于有弹性的阻尼的状态下，由于大量道路试验结果所获的臀部加速度（w^2y）相对于车身地板垂直加速度（w^2y）的放大因数y/x与激励频率（w/2π）的关系曲线。用传递率β表示即：

β=y/x=w^2y/w^2x=ay/ax

式中w-----------激振圆频率。

ay----------臀部加速度。

ax----------地板加速度。

3-3座椅对阻尼系数￡的选择

应使座椅的共振频率wn尽量避开人体最敏感的4-8Hz。泡沫塑料的弹性元件接近这一要求，而金属弹簧的坐垫，为增加阻尼，可采用带减速器的“悬挂座椅”。这样可以改善驾驶员的劳动条件，提高效率，有的驾驶员座椅还可以根据人体质量调整刚度，并采用液压减震器，使隔振性能大大提高。

3-4座椅刚度C的选择：

由人——车——路系统的振动传递分析可知，座椅、悬架、车轮构成了一个串联的弹性系统。因此，座椅刚度C的选择，要从座椅的固有频率与悬架、车轮的固有频率相匹配来考虑，既要避免与悬架、车轮的固有频率相重合，又要避开人体最敏感的4~8H z的频率范围。根据统计，现代汽车用的座椅垫刚度C：

轿车为78~118/

N cm

货车为147~196/

N cm

对于研究的车型，取坐垫刚度C为

78.4/

N cm，ψ值取为0.3，可以保证其平顺性。

四、操作舒适性

驾驶员的座椅不仅要满足舒适的乘坐姿态，更重要的是应为驾驶操作提供轻便、安全的工作条件，亦即要保证驾驶员视野良好，擦噢噢做方便、调节轻便可靠、长时间工作不感到疲劳以及具有足够的安全性。

驾驶员驾驶的舒适性主要体现在座椅

的几何参数上。对于汽车驾驶员座椅，我们须对座椅A面进行可行性分析（A面可行性分析是指对于座椅表面（即STO面）静态特性是否符合设计要求进行分析），确定其合理的布置参数，对乘坐舒适性和操作舒适性至关重要。

汽车座椅属于车身内部部件，其A面分析主要依靠物理人体模型的H点装置。在座椅设计之前，首先根据轿车内部的空间、周边环境以及整车法规等确定座椅H点，根据已经确定H点及假人姿态对座椅A面进行可

行性分析。本设计中对驾驶员座椅A面可行性分析如下：

1) 座垫宽度：分为坐垫外形宽度及内部乘坐宽度，宽度一句整车内部的空间及人体臀部尺寸，而外轮廓需要考虑与中控台及门护板之间的空间大小，坐垫宽度可以稍微宽些，便于调整坐姿，太大了包覆感不好，影响操作性，同时在动态时支撑性不明显，所以座垫内部宽度在D点位置为340~350mm，座垫外部宽度不得小于500mm。

2）座垫侧翼高度：增加对人体的包覆感，确定坐姿在特定的范围内活动，在驾驶过程中保持较好的支持性。侧翼也不能太高，否则会影响上下车的方便性。侧翼高度根据统计经验值一般选为45~65mm.

3)座垫深度：座垫深度的定义对乘坐支撑性影响非常明显，也将会影响到驾驶的安全性，所以在小腿与座垫的前端保持一段距离，以免在驾车时影响小腿活动，同时又需要腰部与靠背能够互相贴合，不易于产生疲劳。

一般座垫的有效深度选为：420~530mm。 4）座垫角度：为了行车与制动时乘客身体下部分不会向前滑动，同时在碰撞时让身体相对移动的距离控制在一定范围内，座垫表面前端一般比后部要高，成一定倾角设计。倾角根据经验取值一般在13~15

。本设计取中间值14°

5）靠背与座垫的角度：人体在各种不同的坐姿下，感受疲劳的快慢程度也不相同，不正常坐姿还容易引起头部眩晕，腿部肿胀发麻等不适。

座垫与靠背角度经验值一般为112~118

，此处取115°

通过这些分析之后，座椅A面形成已具备了基本条件。然后可以根据造型、零部件功能及工程设计等即可建模制造了。

通过以上对座椅静态舒适性动态舒适性的分析，对我们座椅的设计提供了很多舒适性方的要求，我们要得到乘坐舒适的座椅，应该要从以下几个方面去考虑：

1、确保座椅的实际H点在测量时，与其设计位置的偏差在规定的范围内。

2、座椅的各个外形尺寸必须设计在合适的范围内，以满足人机工程学的要求。

3、通过调整泡绵、座椅面套等座椅零部件材料的相关性能来获得合理的体压分布。

4、选用增加舒适性能的座椅结构及部件，如座垫采用悬架系统，座垫和靠背用弹簧结构来吸收振动，增加腰部支撑机构，选用透气、透湿性能好的座椅面套材料等。

5、减小座椅的共振频率，降低对人体最有影响的高频区，降低共振时的振动传递率，与汽车的其它减振系统相匹配，降低乘员10 Hz 附近的振动传动率。

6、在设计验证时，对座椅舒适性进行主观性评价试验。

附表2座椅舒适性评价表

五、系统安全设计

为保证安全性，座椅高度要保证双脚能自如的踩到地板上，双脚要能自如前伸后屈；座椅安全性

设计的内容主要包括以下几个方面:座椅强度的设计、座椅结构型式的设计、靠 背的设计、坐垫的设计、头枕的设计。

5-1座椅强度

座椅强度的设计是安全性设计的首要内容。汽车行驶中，座椅要承受复杂的载荷。汽车座椅 必须有足够的强度，以确保座椅上

的人所受的伤害最小；座椅的寿命应足够长，不致过早变 形或损坏；受冲击载荷作用时，座椅不应发生断裂、严重变形等损坏现象。所以设计座椅时 必须对汽车座椅的强度进行计算，尽量以最少的材料、最小的质量满足强度要求。

5-2座椅结构

座椅整体结构的安全性设计应考虑的是其对其他约束系统效能的影响及与其他约束系统之间 的连接方式等。

5-3靠背

靠背的安全性设计应考虑靠背的强度、倾角调节范围为6°-65°、基本尺寸及其形状。靠背的强度设计不但应该 在“追尾”等后部碰撞时给乘员提供良好的保护，而且也要考虑侧碰时对乘员的保护。而靠 背倾角、基本尺寸及其形状对尾部碰撞的严重程度有很大影响。

5-4坐垫

坐垫一般不会造成对乘员的直接冲击伤害，但坐垫的结构可以影响到乘员运动过程、约束力加到乘员身体上的方式及外部载荷(加速度、力等)的绝对值大小。坐垫深度设计的原则是在充分利用靠背的情况下，使臀部得到合理的支撑。坐垫深度不应该超过人的大腿长度，。

5-5头枕

头枕是一种用以限制乘员头部相对于躯干向后移位的弹性装置，其作用是在发生碰撞时，减轻乘员颈椎可能受到的损伤。对头枕的强度要求的标准1、在跨点施加373N.m的力矩下，头枕后倾量不超过102mm。2、头枕及其固定件应能承受890N负荷而无损坏。3、用直径165mm的钢球以24.1km/h的速度投机头枕，过3ms以上时间，所测球的减速度不应超过80g。4、前苏联资料推荐头枕尺寸为：宽254mm，高305mm。

六、汽车座椅的UG实现

七、结论

随着汽车消费的不断增加，消费对舒适性的要求越来越高，汽车座的舒适性研究成为目前汽车设中值得深入探讨的问题，在今后的研究中，应对以下几个面进行重点探讨：

1、由于中国人群与其他国家的人群存在着差异，因此建立适合中国人的人体模型非常重要。目前，我们使用的假人模型大多为SAE标准反映欧美人群特性的模型，在实际设计往往需要对他进行修正，否则做出来的产品可能对于欧美人群来说是舒适的，对于我们国家的人来说反而不太舒适。

2、座椅的设计应该与整车设计同步进行。由于座椅与总布置关系非常密切，其舒适性与车内空间、汽车底盘悬架等系统密切相关，因此座椅的设计是整车设计中密不可分的一部分，需要与整车同步进行开发。

3、目前对于座椅舒适性的研究还远远不够。各大汽车厂和专业座椅公司在研发座椅时，对舒适性考虑得不多。大多数座椅的标准也没有针对座椅的舒适性进行明确的、可操作性的规定并提供试验方法。因此，建立一个可操作的、客观的、具体的座椅舒适性分析方法显得非常急迫和重要。

从人机工程学的角度出发，进行汽车驾驶座椅的设计，是使驾驶座椅具有良好坐姿舒适性、振动舒适性、操作舒适性和安全性的必要手段。

目前，虽然已有企业在利用人机工程学的研究成果来设计驾驶员座椅了，但对设计出来的驾驶座椅还不够完善，因此建立一个从分析——设计的系列开发过程有着非常重要的意义。

八、参考文献

[1]黄天泽、黄金陵，车身结构与设计[M]，机械工业出版社，1997年，第1版，p245-266 [2]唐天宝、汽车座椅舒适性研究

[J].1006—8937（2009）17--0049—03 [3]武一民、阎世竟，从安全性谈汽车座椅系统参数设计，汽车研究与开发[J]，1997第3期，p26-27