对工程施工车辆座椅舒适度及安全性能的分析

汪中兴　李瑞宝

摘要：工程施工车辆由于工作的特殊性，其座椅的配置很讲究，它既要让司机有舒适感，更要体现安全性，这是现代社会对汽车制造业的要求。文章对这一问题进行了分析。

关键词：工程施工；车辆座椅；舒适度；安全性

中图分类号：U463文献标识码：A

文章编号：1674-1145（2009）14-0147-02

一、前言

车辆的乘坐舒适度及安全性是评价汽车性能的主要指标，其中座椅的舒适度及安全性设计已成为汽车厂商所

关注的主要内容。当今汽车座椅的机械结构主要由头枕、靠背、座垫、滑道等组成。座椅的主要功能是支撑驾驶员及乘坐人员的身体，减缓路面不平传给人体的冲击并减弱由此而引起的震动。给驾乘提供舒适、安全的乘坐条件和便于驾驶操作的良好的工作条件。

根据生物动力学原理，长时间地承受高强度的全身震动对于人体健康的损害是相当严重的。主要是腰脊和相关的神经系统会受到影响。新陈代谢以及源于机体内部的一些其他因素会恶化这个影响，通常认为环境因素，如

身体姿势、低温及气流会引起肌肉疼痛。工程施工车辆司乘人员对这种影响感受最深。

二、座椅舒适度研究

（一）座椅舒适度的指标

根据人机工程学原理，静态舒适度设计中应遵循以下原则：（1）座椅尺寸应与人体测量尺寸相适宜；（2）座椅应可调节，能使乘坐者变换姿势，并最大范围满足各类人体的乘坐要求；（3）座椅应能使乘坐者保持舒适坐姿，靠背结构和尺寸应给腰部充分的支撑,使脊柱接近于正常弯曲状态。

车辆座椅的几何相关特性应符合人体测量学特征。如座宽对应人的臀宽，它的设计应符合身材高大的人，适宜采用较大百分位的女性测量值为设计依据；靠背的尺寸与坐高及肩宽有关，舒适的靠背形状与人体脊柱曲率有关等。压力分布特征要符合人体坐姿：根据人体脊椎骨受力特征，坐垫上合理的压力分布应是坐骨处最大，并向四周递减，大腿部位压力最小；靠背处腰椎部应有强大的支撑，沿此向外逐渐减小；另外，左右两边压力应当对称分布。

（二）影响座椅舒适度的因素

座椅的几何尺寸是影响座椅舒适度的因素，但研究发现这并非唯一的影响因素。许多相关资料都提及腰部支撑的重要作用。腰托的形状和位置，对于是否能使人保持良好坐姿，减少人体疲劳具有重要作用。从人机工程学的角度来讲，腰部是体现座椅功能的关键部位。因此，座椅的腰托是影响舒适性的关键因素。腰托的安装位置在座椅靠背结构设计中十分重要。乘员正常入座时，人体身躯与大腿的连接点—胯点（hip point）简称H点，H点的位置是决定驾驶员操作方便、乘坐舒适性相关的车内尺寸的基准。此外，座椅的调节特性对座椅的舒适度影响很大，已成为座椅舒适度设计中重点考虑的因素。压力分布是导致不舒适的最主要的生物力学因素，通过界面压力对座椅舒适度进行评价是一种重要客观、有效的方法。

（三）座椅舒适度的研究方法

从汽车座椅设计及改善的角度出发，消除座椅不舒适性最理想的方法是能建立定量模型，预测座椅的不舒适性。国内外研究中,建立的模型主要有如下3种：利用模糊理论建立的模型；线性模型；神经网络模型。E. Levrat利用多标准的模糊理论模型对不同种类的不舒适以及座椅不同部位的不舒适建立了模糊理论的评价模型；M.Kolic则将测得的压力分布值、人体测量值、对座椅的外观评价值等作为自变量，以综合舒适度OCI作为因变量，分别建立起了舒适度的线性模型和神经网络模型。利用这些定量化的模型能够有效确定各因子影响程度的大小，准确评价及预测座椅的舒适度，并反馈于座椅的舒适度设计中。

目前国内在座椅舒适度的研究上还存在一些缺陷。没有针对中国人体特征尺寸的座椅舒适性研究，特别没有对工程施工车辆座椅进行专门研究；其次，对于座椅静态舒适性评价还没有形成一套客观系统的体系；最后，在应用神经网络建模方法评价舒适性中，对输入量的界定还不够清晰明确，有待进一步研究。

三、座椅安全性设计

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

（一）座椅强度的设计

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。

（二）座椅结构型式的设计

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。

（三）靠背的设计

靠背的安全性设计应考虑靠背的强度、倾角、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。

（四）坐垫的设计

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承。坐垫深度不应该超过人的大腿长度。

（五）头枕的设计

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。尤其是在汽车受到追尾碰撞时，可抑制乘员头部后倾，防止或减轻颈部损伤。现多采用模拟计算和试验验证相结合的研究方法，该方法重复性好、存储信息量大、开发周期短且开发费用低。

一般的座椅是由几千个零件组装而成，在建模前首先需要对座椅的整体结构进行分析，确定各个零件对强度特性的影响，根据影响程度的不同对零件进行筛选。对于座椅中主要的支撑性零部件，应精确建模，以保证模型的正确性；对静强度特性影响不大的零件，只要抓住其主要的几何形状进行建模即可；对于基本没影响的部件，可以简单建模或不建模。汽车座椅骨架属于空间杆系和空间板系的组合结构，由于各种调节机构设计，导致结构不完全对称；同时，汽车在行驶过程中，座椅承受复杂的载荷，结构中的各个杆件既受弯曲又受扭转。对于这种复杂结构，利用有限元方法对座椅系统进行各种情况仿真，具有明显优越性，不仅能节省大量的人力、物力、财力，还能取得良好效果。

早期的汽车座椅骨架大都采用简单的钢管结构，因此最早采用空间梁单元进行强度分析。受硬件设备与软件水平的限制，当时的座椅有限元模型都比较简单，单元和节点数目较少。随着座椅结构形式的不断变化，单纯用梁单元已不足以精确地描述座椅骨架的结构，于是越来越多地使用了其他的单元形式建模，如空间板壳单元、实体单元等。目前可用于座椅强度分析的有限元软件有MSC.NASTRAN、ABAQUAS、ANSYS、SAP、PAM-CRASH、DYNA-3D等。座椅在承受外部载荷时，主要受力部件是骨架，骨架表面的蒙皮及软垫等覆盖物对外部载荷的分配很少，基本上不能承受外部带来的较大载荷力。另外，由于软垫及蒙皮的形状往往是复杂且不规则的，如果对这种软垫和蒙皮结构进行有限元建模，不仅大大增加了工作量，而且对结果的精确度提高往往不明显。因此，对于软垫和蒙皮的处理采取在有限元建模时不予考虑。基于以上分析，在对座椅进行强度特性分析时，只考虑对座椅骨架总成进行几何建模。几何建模采用M S C.PATRAN软件。MSC.PATRAN是世界上著名的有限元前、后处理软件，已广泛应用于航空、航天、汽车、造船、国防等各大领域。ABAQIJS是国际上最先进的大型通用非线性有限元力学分析软件之一，在采用MSC.PATRAN完成座椅总成强度有限元计算模型建立后，即可将其打包生成分析文件并运用ABAQUS进行计算。

四、结语

汽车座椅行业应该致力于简化座椅的设计开发过程，大幅度缩短开发周期，减少开发费用和成本，提高产品质量和性能，获得最优化的创新设计产品，希望有专业厂商针对工程施工车辆座椅进行研究设计，让工程施工车辆司乘人员体会到社会进步带来的幸福。

参考文献

[1]蔡志鸿．汽车座椅安全振动舒适度分析[J]．科技资讯，2007，（19）．

[2]孟翔，王宏明．基于ADAMS的汽车座椅冲击强度研究[J]．机械设计与制造，2007，（11）．

作者简介：汪中兴（1980- ），男，武警水电第一总队第二支队助理工程师，研究方向：工程机械的使用、维修、保养工作；李瑞宝（1980- ），男，武警水电第一总队后勤部物资运输科助理工程师，研究方向：水电施工的现场协调和管理。