坐姿力分布在汽车座椅靠背设计中的应用探讨

高彬

泛亚汽车技术中心有限公司 上海 201208

引言

随着我国人民生活水平的不断提升，汽车消费已经非常普及，城市的汽车保有量在逐步提升，而且人们对于汽车安全性、节能环保性、舒适性的要求也越来越高。汽车座椅是汽车内饰重要的一个组成部分，也是与驾驶员接触最为紧密的一个部件，在近几年的汽车结构设计中越来越受到重视。甚至根据相关的市场调研发现，汽车座椅舒适性和外形设计已经成为消费者购买汽车的主要因素。汽车座椅不仅能够直观的反映出汽车本身的价值，而且通过汽车座椅能够体现出设计者的情感色彩，汽车座椅设计中还能够体现出对驾驶员负责任的态度。

1 汽车座椅概述

1.1 汽车座椅组成

文章在研究过程中，主要以驾驶员座椅作为研究对象。驾驶员座椅主要是由坐垫骨架、靠背骨架、发泡、头枕、调角器、调节机构、塑料装饰件等几个部分组成[1]。其具体组成结构如下图1所示。

图1 汽车座椅组成

汽车座椅靠背的主要作用是对乘坐人员躯干主体部分形成支撑，这样在汽车加速、减速或者是发生碰撞的情况下，通过汽车座椅靠背能够承受大部分的力量，可见在汽车座椅结构中，靠背发挥的作用非常重要。汽车座椅靠背的形状会对驾驶员乘坐舒适感形成较大影响。针对汽车座椅靠背进行合理设置能够有效缓解乘坐人员背部的紧张感，人体脊柱只有处在自然形态下才能达到最佳的舒适点，在进行汽车座椅设计过程中，要通过做面和靠背之间平衡的角度、靠背的形状来对腰椎形成有效支撑来实现最佳的舒适度。汽车头枕主要作用是避免乘坐人员在乘坐过程中产生头颈疲劳，同时能够保障基本的人身安全，尤其是在当汽车发生追尾事故时，能够对颈椎的损害进行有效缓解。

1.2 汽车座椅分类

根据位置的不同，可以将汽车座椅划分为前排、中排、后排等三种类型[2]。前排座椅主要指的是驾驶员或者副驾驶员座椅，而中排座椅通常有独立座椅、双人连体座椅等几种类型，而后排座椅通常情况下为三连排座椅或者是5/5、4/6分座椅。

2 汽车座椅设计基本原则

汽车座椅设计属于一项非常复杂的系统性工程，在具体设计环节中不仅涉及到机械、化工、纺织、喷涂、热处理等多个学科知识，与此同时还会涉及到人体力学、人体工程学的几个学科[3]。在进行汽车座椅设计的过程中应该以人体工程力学基本原理为出发点，对座椅的舒适性、减震性能、安全性能进行全方位考虑。另外，还需要对人体生理特征以及具体尺寸进行充分考虑，尽可能的做到量身定做，这样才能让汽车座椅舒适性得到全面提升。

2.1 安全性原则

汽车座椅设计首先要以安全性为基本原则。因此，在设计环节首先必须要保证座椅强度，当汽车发生碰撞情况下，要充分保证汽车座椅不会对乘坐人员造成伤害，或者能够最大程度缓解乘坐人员所受到的伤害，同时能够对乘客人员形成有效保护。

2.2 操纵便捷性

座椅设计过程中需要充分保证操作的便捷性，要让驾乘人员伸手就能够接触到调整手柄或按钮，同时还要对乘坐人员日常行为习惯进行充分结合，保证操作力量设置的合理性。

2.3 乘坐舒适型

汽车座椅在设计过程中必须要能保障驾乘人员保持良好坐姿。让脊柱能够处在自然弯曲状态，让体压分布保持合理性，从而使得肌肉能够完全处在松弛状态，驾乘人员上体通向大腿血管不会受到压迫，尽可能的保持血液实现正常循环；而且座椅设计中要能够实现对驾乘人员腰椎的依托感，同时要保障产生贴合感。对于汽车在路面上行驶产生的震动能够进行最大程度缓解或隔离，使驾乘人员的乘坐舒适性达到最佳。

3 汽车座椅靠背设计中坐姿力分布应用分析

汽车座椅靠背设计过程中主要涉及到强度、造型等两个部分的设计工作。在设计过程中应该尽可能保证汽车靠背的高度、形状完全符合人体曲线，在这种情况下才能够让驾乘人员的背部肌肉完全处在放松状态，同时还能够对背部、肩部形成有效支撑，让驾驶员能够始终保持坐姿稳定。与此同时，还要为乘坐人员的侧背提供足够支撑，从而有效避免在汽车高速转弯情况下人体产生横向滑动。在具体设计过程中，汽车靠背的高度和宽度通常情况下设置在600mm和480mm[4]。

汽车靠背的中心脊线与人体脊柱会直接进行接触。而人体脊柱侧面同时会产生颈曲、胸曲、腰曲及骶曲等几种生理上的弯曲。如下图2所示。其中以坐姿舒适性关联最紧密的属于腰曲；人体处在坐姿状态下的时候，上半身的全部重量都会施加在腰椎、骶骨以及相关软组织上面，而且人体在坐姿状态下还需要完成扭转等一些动作，因此在针对中心脊线轮廓进行设计的过程中，要保证坐者完全能够达到腰曲弧线，而且在必要的情况下，还要让躯干和大腿之间形成一定的钝角，在这种情况下就能够对腰部形成有效支撑，同时腰弧曲线能够处在正常情况下，进一步提升了坐姿状态下乘坐人员的舒适性。

图2 驾乘人员坐姿下脊柱形状及腰椎曲度

此外，当人体处在正常坐姿状态下时脊柱腰椎部分会产生一定的前突。在这种情况下会在腰间盘上分布一定的压力，因此在具体针对中心脊线设计中要结合中国成年人身体尺寸标准的相关要求来对其高度进行合理设置。

外界轮廓主要是对肩靠在宽度方向上的定位以及背靠行业的走势等产生影响，从而最终能够对乘坐人员的腰弧曲线是否正常，以及腰部的侧向异常的作用产生一定影响。在具体进行设计的过程中可以采取双向投影法来对其轮廓边界进行设计。

汽车靠背倾斜角的不同会导致椎间盘内部压力以及背部肌肉负荷产生较大差异。如果在进行靠背设计过程中其倾角超过了110°的情况下，椎间盘压力会明显下降因此在设计过程中必须要对靠背倾角进行充分考虑。为了能够最大程度提升汽车座椅的舒适性，同时能够满足乘坐人员的休息需求，因此针对靠背倾角要设置可调节式，而且要尽可能保障实现大范围调整。通常情况下针对重载货车其靠背的倾角可以在100°～115°的范围内进行调节，而大型客车通常情况下靠背倾角设置在90°～135°范围内，而针对小型轿车其靠背倾角通常情况下设置在80°～170°的范围内。

另外，腰部支撑和扶手的合理设计也能够最大程度缓解椎间盘的压力。在具体设计环节，腰部支撑必须要具有一定的厚度和硬度，同时还要达到良好的透气性，这样才能充分保障在坐骨结节区域实现人体启动的均匀分布。对于人体来说通常情况下是在第三到第五腰椎部位来形成腰部支撑，而且其实际的支撑厚度通常应该设置在5cm的范围内。针对汽车座椅腰部支撑目前主要有机械支撑和空气支撑等两种方式。机械支撑方式主要是充分利用机械结构来对人体进行支撑，因此其支撑部位通常情况下为刚性，会严重影响舒适性。空气支撑方法主要是通过空气气囊而对人体形成支撑，气囊充放气主要是通过控制阀来实现控制，在这种方式下就能够让人体腰部受到良好保护和支撑。腰部支撑气囊，通常情况下会使用厚度为0.4～0.8mm之间的聚氨酯板焊接而成，整体的制造工艺简单，而且实际使用成本较低，具有较强耐磨性和抗老化型，目前在汽车座椅设计过程中的应用比较广泛。腰部支撑的气囊控制法不仅可以对气囊的进排气进行有效控制，同时还能够有效的发挥出溢流保护作用，也就是说当气囊内部压力超过一定数值的情况下，控制方能够及时进行卸压，从而保障气囊实现安全使用。目前我国针对汽车靠背腰部支撑装置已经开发出了一些新型的空气支撑，这种新型的空气支撑装置能够按照一定的顺序和频率来实现对颈部、腰部、肩部进行有规律的充放气，利用气囊规律性的膨胀和收缩作用，让腰部、颈部、肩部等位置形成有规律挤压，在此基础上很好的发挥出人体局部的按摩作用，从而使得汽车座椅靠背的舒适性得到极大提升。

座椅扶手安装位置应该要充分保证与人体处在坐姿状态下时肘部高度尺寸完全相符，在进行设计过程中，通常情况下将座椅扶手设置在距离坐垫250mm的位置。注意扶手，通常情况下有固定式、角度可调试和可翻转式等几种。

汽车座椅在设计过程中不仅仅是针对靠背进行设计，同时还需要针对头枕以及座椅骨架等几个部分进行设计，头枕的设计同样是为了提升乘坐人员的舒适性和安全性，而座椅骨架在设计过程中需要充分保证其具备足够的载荷承受能力。在进行靠背和坐垫骨架形状设计的过程中，需要充分结合人体生理特征，在此基础上做出的设计作品才能够为驾驶员提供更加安全有效的支撑。

4 结束语

综上所述，在当前汽车不断普及的前提下，作为汽车内饰非常重要的一个组成部分，汽车座椅在当前受到了极大的关注，而汽车座椅靠背是汽车座椅中直接与人体进行接触的一个重要部位，不仅关系到人体脊柱的舒适型，而且对于驾乘人员的安全性有紧密关联，因此在设计过程中不仅需要从人体工程学原理的角度来针对座椅型面进行科学设计，与此同时还需要针对自由曲面机械产品把设计特征进行充分结合，这样才能进一步提升汽车座椅的舒适性。