基于人机工程学的座椅设计

孙明欣

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

在对许多需长时间驾车的驾驶员的调查中，发现很多驾驶员都患有轻重不同的腰部疾病，一般表现为长时间驾驶后出现腰部酸痛症状，严重者则患有腰椎间盘突出。可见，汽车座椅除了对乘坐的舒适性有较强的影响之外，对身体健康的干预也很大，所以基于人机工程学的座椅设计越来越重要。关于座椅静态舒适性的研究，汽车工业发达的西方国家投入了大量的人力物力，例如：Mehta C.R和Tamari提出了一种新的座椅设计的基本模式，这种模式建立在生物力学基础上并可以进行舒适度的相关设计；美国ROHO集团研发出一种能防止乘员完全陷入座椅的车用充气座垫；德国一家专业制造汽车座椅的公司在生产的座椅底部巧加了气囊式悬架结构，用这种方式能同时保证汽车行驶过程中乘员的驾乘安全性和舒适性[1]。目前国内各大主机厂和座椅生产厂商在座椅舒适性方面做得还远远不够，相比国外的人性化设计国内还很欠缺，对座椅的具体舒适性结构参数未做到完整的定义。因此文章根据以往车型的座椅设计经验，对座椅的各项布置设计参数、座椅的各项结构设计参数及座椅的动态舒适性软件分析等进行了详细的表述，用以指导新车型的座椅设计。

1 汽车人机工程学的常用工具

1.1 百分位人体

人体尺寸决定了人体占据的几何空间和活动范围，是人机系统或产品设计的基本资料。百分位是人体测量学中的一个术语，用以表示人体某项尺寸数据的等级[2]。以50th百分位人体尺寸为例，表示人群中有50%的个体该尺寸小于此值，有50%的个体该尺寸大于此值。在汽车总布置以及人机工程学研究中，通常用到的是5%、50%及95%3种分位的人体模板，分别表示小身材、中等身材和大身材的人体尺寸，如图1所示。5%和95%的人体坐姿，如图2所示。

图1 3种分位的人体模板示意图

图2 5%和95%人体坐姿示意图

1.2 H点、踵点（AHP点）、踏点（PRP点）

H点、AHP点及PRP点是汽车人机工程中最常用的3个硬点，此3点确定之后，整个假人姿态基本可确定，如图3所示。

图3 H点、AHP点、PRP点示意图

H点：汽车总布置的基准点，是二维人体模板上大腿线和躯干线的交点。

AHP点：假人鞋跟与地毯的交点，同时考虑了地毯的压缩量。

PRP点：在假人鞋底中线上，距离AHP点203 mm的点。

1.3 RAMSIS

RAMSIS是“用于乘员仿真的计算机辅助人体数字系统”的德语缩写，是一种基于虚拟人体技术的高效CAD工具。RAMSIS软件具备人体姿势模拟、视野分析、可及性分析及舒适性分析等多种人机工程分析功能。RAMSIS软件示意图，如图4所示。

图4 RAMSIS软件示意图

2 人机工程学在座椅设计中的应用

2.1 座椅的人机工程学要求

基于乘用车座椅的使用需求和以往车型的开发经验，座椅的人机工程学要求主要可概括为3个方面：1）座椅的操作舒适性；2）座椅的静态舒适性；3）座椅的动态舒适性。

2.2 座椅的布置设计

在项目开始初期，座椅的布置是先行确定的，包括座椅的行程（前后滑动行程和高低举升行程）、座椅的靠背角以及其他的包括座椅与周边环境件的布置要求，在座椅造型CAS发布之后，需要逐项地进行校核。座椅行程确定示意图，如图5所示。假人装置角度示意图，如图6所示。

图5 座椅行程的确定示意图

图6 假人装置角度示意图

座椅布置设计中一些具体参数和经验值如下。

1）座椅行程。座椅行程设定原则上需要覆盖2.5%～97.5%分位人体舒适线范围。座椅设计位置向前滑动距离（L01）一般为200～220 mm，座椅设计位置向后滑动距离（L02）一般为20～40 mm。座椅设计位置Z向向上距离（H01）一般为20～40 mm，座椅设计位置Z向向下距离（H02）一般为20 mm。

2）座椅靠背角度（A40）。考虑舒适性，A40的设定范围推荐为20～30°。

3）座椅与周边部件布置。座垫外轮廓与门护板的间隙：座椅外侧不同形式的调节手柄对此处的间隙设定各不相同，轮式手柄设定间隙一般最小为50 mm，泵式与掀式的手柄一般最小为45 mm；座垫外轮廓和中控台的间隙：为避免因座椅内侧表面或安全带锁扣和中控台摩擦时产生噪声，根据造型需要，通常留有10～15 mm的间距；座椅靠背和门护板、B柱的间隙，最小要求为20 mm。

4）座椅操纵件的布置。随座椅前后移动的操纵件的控制曲线，如图7所示。

图7 座椅操纵件控制曲线图

2.3 座椅的结构参数

1）人体到座椅骨架的距离。为避免乘客在实际乘坐过程中，由于发泡厚度过薄，而对座椅骨架产生异物感，乘客坐上座椅之后，与躯干线和大腿线垂直的每个截面内，人体与座椅骨架之间的距离要大于35 mm，人体与座垫骨架之间的距离要大于50 mm。

2）座垫尺寸。通过对一系列对标车的测量积累，整理出较为舒适的座垫尺寸统计量，如表1所示。

表1 座垫结构参数尺寸

3）靠背尺寸。通过对一系列对标车的测量积累，由于测量误差等原因，大致整理出较为舒适的座椅的靠背尺寸统计量，如表2所示。

表2 靠背结构参数尺寸 mm

4）坐压分布。设计前期，定义好座椅的各项参数，对座椅的坐压分布进行CAE仿真分析，发现有应力集中过大的地方，可以对发泡进行适应性更改，避免后期开完正式模具之后，再因舒适性问题对发泡进行更改，造成较大的经济损失。

通过做好前期的CAE分析，以及之后的座椅布置和座椅结构尺寸的控制，最终使座椅的舒适性得到很大的提升。座垫和靠背压力分布，如图8和图9所示。

图8 座垫压力分布图

图9 靠背压力分布图

2.4 座椅的动态分析

1）RAMSIS分析。通过RAMSIS软件，约束好假人的各项尺寸，可通过“驾驶员长时间正常驾驶疲劳评价”命令，得到当前驾驶员在长时间保持正常驾驶姿态下，其总体不舒适感觉，以及颈、肩、背、臀、腿及臂等部位的疲劳感觉。某车型用RAMSIS软件的坐姿疲劳分析显示界面，如图10所示。

图10 某车型用RAMSIS软件坐姿疲劳分析显示界面

2）虚拟样机仿真分析。利用CATIA软件建立人椅系统的三维模型，并把人椅模型通过接口文件导入多体动力学软件ADAMS中进行仿真分析，通过选择不同的动力学参数，仿真分析获得汽车座椅动力学参数的最佳取值范围。

更深一步的研究为：可以基于ADAMS/Car建立包括汽车前后悬架系统、转向系统、车身、动力总成系统、轮胎及人椅系统的整车系统动力学模型，并给与符合国家标准的路面不平激励，得到仿真分析结果，并根据ISO人体舒适性评价方法对仿真结果进行评价，以验证汽车座椅动力学参数选择的正确性[3]。

3 结论

文章根据以往车型的座椅设计经验，总结出了可以保证乘坐舒适性的座椅布置和座椅结构等经验参数，可有效减轻乘员长期乘坐或者驾驶汽车带来的疲劳感和不舒适感。后期还需提高的方面包括：可应用ADAMS/Car软件建立整车的动力学模型进行分析，进而达到整车各个部件对于舒适性的动态平衡和统筹考虑。同时人机工程学作为一个越来越被各大主机厂所重视的研究方向，不仅可以用于座椅设计，而且整车大多数系统都可以应用人机工程学来设计开发，进而保证整车的便利性和舒适性性能。