运输车座椅人机工程优化设计及评价

徐来春++杨甫勤

摘 要：本文从长途运输车驾驶室座椅舒适性需求分析入手，依托人机工程设计分析理论，运用功能区域优化方法确定了运输车座椅舒适性的区域位置，并利用Matlab软件绘制出该优化区域，从而改善了运输车座椅设计的灵活性和方便性，为运输车运行安全提供了方法途径。

关键词：运输车座椅；舒适性；人机工程

驾驶员座椅优良的舒适性，可以有效消除司机疲劳强度和降低车辆次生事故率。优化运输车座椅的舒适性和人机运行环境设计，提升运输车驾驶员良好的身心状态，是有效解决长途运输车不安全因素的基本途径。

1 运输车座椅位置舒适性需求分析

运输车座椅的舒适性与驾驶员的坐姿密切相关，座椅对臀部的体压、颈部的曲度以及驾驶时腰腿部与驾驶室地面的角度，都是影响驾驶汽车舒适性的重要因素。

如图1所示，人体重量在运输车坐垫上产生的压力，由于臀部支撑作用而呈不均匀性分布，形成臀部压力从坐骨向周围逐渐减小的状态，图1中每条封闭的等压线数字表示的是压力分布情况（单位为kg/m2）。

图2模型中显示了整个人体处于最合理、最舒适的驾驶姿态和角度，在这种状态下驾驶汽车，人体腰背肌肉放松，腰部和大腿血管受压最小，颈椎曲度最合适，驾驶舒适性处于最优。

2 运输车座椅舒适性位置的确定

人体H点是确定座椅在运输车驾驶室中舒适位置的关键参考点，如图3所示。所谓人体H点就是指二维或者三维人体模型样板中人体躯干与大腿的连接点即胯点。

图4是美国机动车工程师学会（SAE J1517）推荐的坐姿舒适的H点位置线，但该方法和位置线都存在不足，一是H点位置线主要考虑人体坐姿舒适性因素，且跺关节的角度是一个固定值，对应某一H30值具有单一性，局限性大；其次，该位置线依据的是美国驾驶员体型人体数据，不适合亚洲人体型。

由此可见，SAE J1517推荐的H点的位置线有很大的局限性，适应性较差。综合根据考虑到人体数据范围不同和若干其他因素，符合舒适性功能要求的H点不应仅仅只是一个点或者一条线，而应该是一个范围或区域。我们可以用集合的方法来确定H点的区域，达到优化H点的目的。如下式：

{H}O={H}F1∩{H}F2 ∩{H}F3 ……{H}Fn

式中：{H}O为优化后的H点区域；

{H}Fn（n=l，2，...）为各功能约束条件下的H点区域。

主要从坐姿舒适性和视野功能区域两个主要因素考虑来优化H点区域。

2.1 坐姿舒适功能区域的确定

如图5所示为二维人体杆状模型，各参数为： XH、ZH分别为H点的X向和Z向坐标值；α1为躯干与X垂直面之间的夹角；α9为大腿与水平面之间的夹角；α3为大腿与小腿之间的夹角；α4为小腿与踏平面之间的夹角；α8为踏平面与地板之间的夹角。

由几何关系可得H点坐标方程为：

由式（2-1）、（2-2），结合表1中列出的变化范围，由于运输车车体较大，驾驶员多为男性，故取第95百分位人体模型为研究对象。根据表1中给定的舒适角度范围，在确定H点时，固定其中某一角度，如固定α8，其余两个角度α4、α9就会相应变化，在Matlab中绘制出H点的移动轨迹，根据H点的移动轨迹定义出舒适功能区域的边界，如图6所示，这些如同三角形式的封闭区域即为满足坐姿舒适性要求的功能区域{H}F1。

2.2 视野功能区域的确定

驾驶员在驾驶运输车时，良好的视野可以极大的提高驾驶的安全性。在设计时，为了减少驾驶员眼睛的疲劳。一般以静视野感到舒适的角度范围为依据进行设计。对于运输车来说，左右视野非常宽阔，一般都大于舒适视野之间，不用专门进行设计。上下视野需要保证静视野需在舒适度范围内，如图7所示，静视野最佳眼睛转动区内为上视野在标准视线上25°，下视野在标准视线下30°范围内。

根据静视野最佳眼睛转动区上下视野的角度，眼睛转动的上下最佳界限都经过眼椭圆中心，以95百分位人体尺寸为模板，设驾驶员眼椭圆中心位置为O点，其中心坐标为xO=624mm，zO=1325mm，眼睛上下最佳界限直线方程为：

Z1=0.4663x+1616 （2-3）

Z2=-0.5774x+1685.3 （2-4）

由图7和图8可得O点的坐标方程：

然后，代入Z1、Z2的方程整理得：

由Z1、Z2方程和表1中的舒适坐姿角度范围，利用Matlab软件，绘制出如图9所示的驾驶员视野范围{H}F2。

取{H}F1、{H}F2功能区域交集

（{H}O={H}F1∩{H}F2），即得出了符合两种因素在内的的优化区域，如图10所示。

优化后的H点区域具有以下一些优点：

①坐姿舒适；

②视野舒适；

③设计更加灵活和方便。