汽车驾驶座椅的人机工程学设计

2014-07-08赵天鹏王淑芬胡文文

机械工程师 2014年9期

赵天鹏，王淑芬，胡文文

（大连大学机械工程学院，辽宁大连116622）

0 引言

在汽车的驾驶过程中汽车座椅的舒适性、安全性以及对汽车的操作便捷性十分重要［1］。因此现代汽车座椅的设计,应从人机工程学出发,寻求“人-机-环境”完美结合。在现代汽车设计中运用人机工程学理论，使驾驶员有一个安全舒适、操作方便的工作空间，可提高驾驶员的工作效率并降低事故发生率。

1 座椅的功能设计

1.1 座椅的功能设计

1）坐垫。坐垫的主要设计参数为坐垫倾角与坐垫深度。坐垫倾角应满足安全性与舒适性，通常在2°～10°之间。坐垫深度首先应充分利用靠背，再使臀部得到适当支撑。坐垫深度过大会使身体前移而腰部不能得到充分支撑，引起疲劳；坐垫深度过小会造成腿部得不到相应的支撑引起疲劳，一般取400～480 mm。在此设计中，坐垫倾斜角度设定为5°，坐垫深度设定为450 mm。

2）座椅骨架。座椅强度指的是座椅骨架强度，其属于汽车整车强制认证检测项目之一，应符合GB15083-2006。根据成本、强度要求、技术要求等条件，本设计采用钢质材料焊接而成。

3）头枕。设计头枕的目的是缩短在交通事故中驾驶员头部的变化距离，从而保护颈椎，并减少驾驶员颈部在驾驶中的疲劳程度，保证驾驶员的舒适性。

4）靠背。靠背强度与造型为靠背设计主要考虑的技术参数。靠背造型主要是使人体背部肌肉得到放松与乘坐人员的休息使用，所以靠背造型应符合人体曲线，靠背倾角应为可调式。根据要求，此座椅靠背倾角能在100°~115°内调节。

1.2 人机工程学在本设计中的应用

1）人机工程学对汽车座椅的要求［2-3］。贴合感：座椅靠背、坐垫符合人体形状，使其有较大的接触面积，增加舒适度。横向稳定性：座椅能够承受一定的侧向力，使人体受到侧向力作用时有所支撑。背部和腰部的合理支承：汽车座椅应有合适的形状与位置对脊柱有所支撑。各部合适的软硬感：座椅的作用是对乘坐人员提供支撑，其表面硬度应适中。

2）座椅的结构参数。座椅的结构参数应满足震动舒适性、操作舒适性和坐姿舒适性的条件。应该结合实验数据确定，以保证结构参数的正确性。

图1 座椅受力分布图

3）座椅的空间位置布局。座椅空间的位置要保证驾驶员乘坐舒适性，同时还要满足人体的布置要求。同时要考虑座椅所受压力分布。坐姿体压分布是影响座椅舒适性的主要因素。人乘坐座椅时，大概身体重量的80%通过背部及臀部作用在座椅表面上。座椅受力分布如图1 所示。

4）座椅的设计要求。有良好的静态特性，即座椅的形状尺寸应与人体的舒适性坐姿能够相吻合。座椅能够调整尺寸大小与并改变位置，从而使驾驶员乘坐既舒适稳定又操作方便。同时还要保证座椅有良好的动态特性，来减弱车体因运动产生的冲击和振动，能使驾驶员在长途驾车中不会有过度疲劳的感受。保证驾驶座椅静态舒适性的主要因素为以下几类：a.座椅的位置要与其驾驶空间相协调，便于人员作业；b.根据人体尺寸确定座椅尺寸；c.为适合各种坐姿，座椅应能适当调节；d.座椅表面所使用材料。由生物力学分析可知，最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移，使上体略向上后倾斜，保持上体与大腿间角在90°～105°。同时，小腿向前伸，大腿与小腿、小腿与脚掌之间也应达到一定角度。进行驾驶座椅设计，应充分考虑驾驶室特定的空间与环境。人体关节的舒适性是进行驾驶室设计的主要考虑因素，图2 所示为驾驶室人体各关节之间的关系。

图2 舒适性各关节角度

座椅的动态舒适性设计［4］：汽车行进过程中震动是影响汽车座椅舒适性的首要因素。其中座垫的阻尼系数和刚度对有悬架的汽车座椅舒适性影响最大；对于非悬架座椅，座椅刚架结构的动态性能、阻尼系数及刚度对汽车座椅的舒适性影响最大。质量与摩擦等其他因素对汽车座椅的动态舒适性影响不大，故本设计将其予以忽略。综上所述可知，座椅刚度与阻尼系数对座椅的动态特性影响最为主要。地面的凹凸不平引起车辆随机震动和车身固有的机械震动是产生驾驶疲劳的主要影响因素。因此，设计时尽量减少人体的振动。具体措施如下：降低对人体最有影响的高频振动，驾驶座椅与汽车的共振，减弱震动的传递；降低乘员10 Hz附近的振动传递率。

基于上述汽车座椅舒适性评价指标，首先对大量人员做出实验研究使用座椅时对座椅的压力分布，图3 所示为最终压力分布结果。

2 实验获取数据

本文对坐垫进行了乘坐舒适性的主观和客观评价实验。采用尺度法进行研究，将各种不同的实验坐垫曲面在驾驶位试验台上进行实验。本文选用以下五种坐垫曲面进行实验：1）形面1坐垫。整体平滑，坐垫面略微翘起的常规汽车坐垫；2）形面2 坐垫。坐垫面四周凸起，中部凹陷；3）形面3 坐垫。坐垫面四周稍微凹陷而中部凸起；4）形面4 坐垫。即臀部凸起，四周凹陷，凸起程度与臀部压力不同；5）形面5 坐垫。坐垫表面为平面。坐垫形面生成后，参试人员进行乘坐舒适性的主观评分，主观评价实验流程见图4。

选出年龄在18～55 岁、身体健康、身高体型不同的50 名实验人员，其基本情况如表1 所示。将乘坐座椅整体的舒适度、腿部的舒适度以及臀部舒适度作为本次试验的评价指标。评分尺度10分，分5 级，如图5 所示［5］。

图3 压力分布图

图4 试验流程

表1 参加实验人员的基本情况统计

图5 主观评价实验的评分尺度

实验人员对5 种坐垫的主观评价（“平均值±标准差”）如表2所示。

实验结果表明，形面1 坐垫最为舒适，形面5 坐垫次之，形面3 坐垫舒适度最差。

3 运用Pro/E 建立座椅模型

首先应用Pro/E 软件建立图6 所示的座椅骨架模型，主要过程：草绘一个矩形500 mm×400 mm，运用拉伸命令设置拉伸深度为80 mm，再运用倒角命令对其四个高线进行倒角，设置倒角半径为50 mm，至此得到座椅靠背的雏形。再对其内角进行相应的倒角，在座椅靠背的侧面运用拉伸剪切材料打出4 个φ20 的孔，运用相同的原理可得坐垫部分的模型尺寸为400 mm×400 mm，在坐垫部分根据坐垫压力分布相应地打出一些洞，用以在做一个部分强度满足要求的情况下减轻汽车座椅的质量并节约材料，在坐垫上作出相应的倾角，随后用螺栓等连接部件以及连接片最终将各个部分装配。