基于坐姿分析的汽车座椅优化设计

梁晓亮

摘 要：随着汽车走进我国千家万户，尤其是我国自主品牌汽车的产销占比不断升高，对合资品牌汽车造成很大的冲击，汽车售价比以前降低了很多， 消费者对汽车座椅的舒适性有越来越高的要求。因此汽车座椅的优化设计非常重要。本文从人体坐姿分析入手，对汽车座椅设计的优化原则进行了研究和分析，提出了汽车座椅设计的优化措施。

关键词：人体坐姿 汽车座椅 优化设计

Optimal Design of Car Seat Based on Sitting Posture Analysis

Liang Xiaoliang

Abstract：With the entry of automobiles into thousands of households in China， the increasing proportion of production and sales of China's own brand automobiles， have a great impact on joint venture brand automobiles. The price of automobiles has dropped a lot. People have increasingly higher requirements for the comfort of chairs. Therefore， the optimal design of car seats is very important. This article starts with the analysis of human sitting posture， studies and analyzes the optimization principles of car seat design， and proposes optimization measures for car seat design.

Key words： human sitting posture， car seat， optimized design

1 引言

目前人們在使用汽车的过程中对汽车座椅有更高的舒适和安全的要求，导致汽车座椅设计的过程中，如果我们仍然使用传统的汽车座椅设计方法，将在很大程度上不能满足设计要求，因此根据坐姿分析对汽车座椅的优化设计具有重要的意义。

2 汽车座椅构成及主要类型

在汽车座椅设计优化过程中，主要设计了六个部分，由塑料装饰、表面涂层材料、弹性元件、调整机构、座椅架等六部分组成。

汽车座椅由于汽车用途的不同，类型也有所不同。类型主要有单座、双座、多座、分拆座、半分拆座、整体座、固定座、多向可调座等。随着科技的不断进步，汽车座椅的种类会越来越多。研发人员还将对汽车座椅的新材料、新技术和新结构进行更深入的研究。 智能汽车座椅将在人们的出行中广泛应用。

3 坐姿分析

3.1 坐姿矫形学生理

（1）在平常姿势下，腰椎的脊柱部分前凸，当它到达骶骨时，它是凹的。坐姿良好时，压力均匀分、布在椎间盘上，肌肉组织承受均匀的静载荷。

（2）当坐的姿势不自然时，椎间盘内的压力分布异常，形成的压力梯度将椎间盘挤压出腰椎，压迫中枢神经系统，引起疲劳、腰痛等不适。

（3）躯干完全笔直的姿势会造成脊柱严重弯曲。由于压力不能正常分布椎间盘上，腰椎在上身的负荷作用下引起不适，所以直角靠背是一个不理想的设计。

（4）前倾的坐姿能导致凸出的腰椎变直甚至反凹，这是非常不舒服的，影响了胸椎和颈椎的正常弯曲，使颈部和背部疲劳。各种姿势与脊椎形状关系如图1所示。

通过以上分析，大腿和腰成95至115度，腰部有支撑是很理想的坐姿。

3.2 肌肉活动度

椎骨的位置依赖于肌腱的力量，这是由于椎骨连接附近肌肉和肌腱的。疲劳和疼痛是一旦脊柱偏离正常状态，相互之间压力（拉或压）就会作用在肌腱组织，增加肌肉活动度所导致的。

3.3 分析结论

（1）坐时躯干挺直或向前，容易引起疲劳

（2）设置适当的靠背可使疲劳降低

（3）大于90度的靠背可防止骨盆的旋转，增加坐姿稳定性 且使坐姿更接近自然状态

4 设计原则

1、座椅的形式与尺度及其功用有关

2、座椅的尺度必须参照人体测量学数据确定

3、身体的主要重量应由臀部坐骨结节承担

4、座椅前缘处，大腿与椅子之间压力应尽量减小

5、腰椎下部应提供支承，设置适当的靠背以降低背部紧张度

6、要使体重压力均匀地分布于坐骨结节区域，椅垫须有适当的硬度和足够的垫料。

5 汽车座椅设计优化措施

5.1 汽车座椅形状定位设计优化

汽车座椅设计的基本元素是形状，也是汽车座椅的重要标志。根据目前人们的生活观念，在形状优化设计的过程中，通过设置相关的具体符号，尽可能提高人们对汽车座椅的形态认同感。这个过程中可以向其中加入一定的色彩。设计汽车座椅颜色的同时，通过在设计的早期阶段调查，发现预期的颜色，通过示范和定位产品的颜色。

5.2 汽车座椅头枕设计优化

提供乘员头部舒缓和在碰撞过程中吸收能量保护头部功能的是汽车座椅头枕。在进行头枕优化设计的过程中， 应同时满足FMVSS201和FMVSS202中对于前排乘客和后排乘客的头部撞击所产生的能量吸收要求，有时会产生冲突，相对的结构或造型就必须作出让步。研究表明，头枕前后距离应控制在每百分位头枕前端到头部的50mm以内，头枕最高点与H点之间的距离应控制在772～832mm之间。

5.3 汽车座椅靠背设计优化

我们可以从两个方面入手靠背的设计和优化，即强度设计和外形设计的优化。为使靠背更符合人体曲线，设计人员在确保整个座椅的强度后，应该优化靠背的形状和高度。 在开车的过程中，要确保司机的肌肉处于放松的状态并能更好的支持司机的肩膀和背部，并给予驾驶员足够的侧向支撑，保证其处于相对稳定的位置，在转急弯时防止驾驶员发生横向移动，从而保证驾驶员的驾驶安全。根据以往经验设计汽车座椅靠背时，座椅靠背的设计应考虑以下方面：泡沫压痕、泡沫密度、泡沫厚度，高度从H-point，H-point宽度，高度从腰椎定点到H-point，向前和向后运动的距离腰椎的假人嵌入量和腰托。其中发泡压陷50%需要力220牛至350牛，发泡密度30kg/m3至55kg/m3，发泡厚度20毫米至60毫米，背部离H-point高度为500～570mm，离H-point宽度为300 ～350mm，腰椎支撑点离H-point高度为135mm，腰托前后和垂直移动距离分别为25毫米和65毫米，假人嵌入量30%至40%。

5.4 汽车座椅座垫设计优化

在汽车座垫的优化设计过程中，关键部位的深度优化设计的过程中，充分运用了靠背原则。这种设计的主要目的是确保有效地支撑司机的臀部，座墊结构对驾驶员的坐姿有较大影响部位有和胸部角度，另外座垫的深度、宽度等也会对驾驶人驾驶舒适感产生较大影响。正常坐姿与双腿交叉时坐骨受力情况如图2所示：

具体优化设计的过程中，泡沫厚度，长度从H-point到最前端的，座垫的内宽度和整体宽度以臀部最低点为基准，滑道坡度角，假人倾角，发泡压陷量和发泡密度等方面考虑。300牛至430牛可以使发泡压陷50%，靠背密度略低于发泡密度，是45/立方米至55公斤/立方米，泡沫厚度为100mm到150mm， 垫内则的宽度是300毫米到350毫米，长度从H点到座垫的前端是380毫米到400毫米，总体宽度是500毫米，向后滑动倾角是2至5度，侧翼高度为20毫米至50毫米，角度为40度至65度，假人躯干角23度至26度。

5.5 汽车座椅骨架设计优化

保证汽车座椅强度满足要求的关键是汽车座椅骨架，由座垫架、后架及相关的加强板连接件组成。座垫架的作用是保持正确的坐姿，限制乘客下部左右摇晃，支撑乘客的臀部和大腿，在发生碰撞时提供乘员保护。后架的主要功能是使乘员保持正确的坐姿，在转弯时为上半身提供支撑，在碰撞时为上半身提供保护。因此，座椅骨架是汽车座椅设计优化的重点。在设计优化过程中，首先要保证座椅材料的合格性和合理性。焊管材料一般采用Q235，Q295，Q345和QSTE340等，管径选择25毫米或22毫米，壁厚1.5毫米或2毫米等。一般采用厚度为2mm或2.5mm高强度冲压钢板。其必须能够给驾驶员提供出有效、安全的支撑。在汽车座椅骨架材料的选择，目前常采用镁合金整体压铸材料，该材料具有强度高、重量轻、稳定性好和刚度高等优点，常用于豪华轿车的座椅。另外许多非金属高强度材料的诞生，也为汽车座椅骨架的优化提供了更多可能。

5.6 汽车座椅发泡设计优化

座椅泡沫是影响座椅舒适性和H-point的关键，同时是形成座椅形状和形状的关键，通过对汽车座垫与座椅靠背之间泡沫的优化设计，使汽车座椅的人机感知得到提高。不同的汽车在设计过程中对座椅泡沫有不同的要求，所以设计师应在优化设计过程的初期根据客户的不同需求和不同型号进行特殊设计，使其更符合要求。发泡的化学成分目前有多元醇、催化剂、水、聚合多元醇、异氰酸酯、释放剂和表面活性剂，其中最为重要的是异氰酸酯和多元醇。优化乘客的乘坐感受可以通过控制上述成分的比例来调整泡沫的密度和硬度来实现。

6 结束语

综上所述，更为关键的是汽车座椅的优化设计，汽车设计师在具体设计工作中应在坚持设计原则的基础上，改变传统汽车座椅的设计理念，充分考虑人们对安全性和舒适性提出的新要求，设计出符合人们要求的汽车座椅。

1、广东理工学院院级科研项目 编号：GKJ2017021

2、广东省教育厅科研项目：“新工科”背景下广东省民办高校应用技术型汽车人才创新能力培养研究，编号：2017GXJK209

参考文献：

[l]葛存啸;黄键.汽车座椅骨架的CAE分析及轻量化设计[J]机电技术.2020（02）：103—106.

[2]陈静;袁建新.汽车座椅静态乘坐舒适性的评价方法研究[J] 景德镇学院学报.2019（06）：34-37.

[3]张利国;赵修文;李博;张涛;赵卫鸣.汽车座椅用高回弹泡沫撕裂强度影响因素研究[J]聚氨酯工业.2018（06）：24-27.