人機(jī)工程學(xué)在汽車座椅設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、題目 人機(jī)工程學(xué)在汽車座椅設(shè)計(jì)中的應(yīng)用熊雯湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系,湖北 十堰,442002摘要：駕駛員駕駛姿勢直接影響著駕駛員的舒適和健康，關(guān)系著是否能夠安全、高效準(zhǔn)確地駕駛。同時(shí)它還決定著舒適程度，以及長期駕駛是否對駕駛員造成生理和心理上的有害的影響。本文結(jié)合人機(jī)工程學(xué)的知識，從人的心理，生理特點(diǎn)出發(fā)并結(jié)合汽車振動特性，視野范圍以及空間分布來分析人與座椅的相互關(guān)系和相互作用，從而得出能符合人機(jī)工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的，并將舒適性、安全性都考慮到位的汽車座椅的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：人機(jī)工程學(xué)、座椅，舒適度、設(shè)計(jì)Ergonomics application in automobile seat designx

2、iongwen hubei automotive industry institute department of Mechanical Engineering,Hubei shiyan,442002 Abstract: Driving position directly influences the driver's comfortable and healthy, relationship with whether can be safe, efficient accurately driving. At the same time it also determines the c

3、omfort levels, and long-term driving to drivers whether caused by physical and mental harmful effects.Combining with the ergonomics knowledge from man's psychology, physiology characteristics and combined with auto vibration characteristics, the vision scope and empty room distribution to analyz

4、e the relationship between man and seat and interaction, thus developed can accord with standard of ergonomics and will comfort, safety is considered the car seat in the design.Keywords: Ergonomics, seat, comfort, design正文：一個(gè)性能優(yōu)良的汽車座椅主要取決于以下五個(gè)方面：座椅與人體的人機(jī)界面能否為人提供舒適而穩(wěn)定的坐姿。駕駛員(或乘坐)座椅車輛系統(tǒng)能否有效的隔離或衰減來自路面不

5、平度的激勵(lì)而產(chǎn)生的震動以及駕駛員或乘坐員所承受的全身震動負(fù)荷低于規(guī)定限值。駕駛員(或乘坐員)座椅駕駛室系統(tǒng)的幾何位置關(guān)系能否為駕駛員提供良好的視野。能否為駕駛員提供一個(gè)相對于各種操縱機(jī)構(gòu)的合適位置，使他能方便地進(jìn)行操作。能否提高駕駛員的人身安全性，當(dāng)發(fā)生翻車或撞車事故時(shí)，將駕駛員約束在駕駛座椅上面，下面就從這四個(gè)方面來分析人機(jī)工程學(xué)在汽車座椅設(shè)計(jì)上的運(yùn)用。1. 舒適坐姿的生理特征坐姿是人體較自然的姿勢，坐姿將以腳支撐全身的狀況轉(zhuǎn)變?yōu)橐酝尾恐稳恚欣诎l(fā)揮腳的作用，特別是能夠利用靠背來增大腿腳的蹬力這一特點(diǎn)，來控制操縱力較大的裝置。但如果坐姿不正確，座椅設(shè)計(jì)不合理，也會給身體帶來嚴(yán)重?fù)p害。1

6、.1坐姿生理學(xué)1.1.1脊柱結(jié)構(gòu)坐姿狀態(tài)下，支撐身體的是脊柱、骨盆、腿和腳。脊柱是人體的主要支柱，由24節(jié)椎骨以及5塊骶骨和4塊尾骨連接組成，如圖1-1所示，其中椎骨自上而下又分為頸椎（共7節(jié)）、胸椎（共12節(jié)）、腰椎（共5節(jié)）三部分，每兩節(jié)椎骨之間由軟骨組織和韌帶相聯(lián)系，使人體得以進(jìn)行屈伸、側(cè)曲和扭轉(zhuǎn)動作等有限度的活動。頸椎支撐頭部，胸椎與肋骨構(gòu)成胸腔，腰椎、骶骨和椎間盤承擔(dān)人體坐姿的主要負(fù)荷。圖1-1 脊柱的構(gòu)造從圖中可以看出脊柱呈現(xiàn)頸、胸、腰、骶四個(gè)彎曲部位，其中頸曲和腰曲凸向前，胸曲和骶曲凸向后。1.1.2腰曲弧線與坐姿舒適性直接相關(guān)的是腰曲。圖1-2為各種不同姿勢下所產(chǎn)生的腰曲弧線，

7、人體正常腰曲弧線是松弛狀態(tài)下側(cè)臥的曲線，如圖中曲線B所示；軀干挺直坐姿和前彎時(shí)的腰弧曲線會使腰椎嚴(yán)重變形，如圖中曲線F和G所示；欲使坐姿能形成幾乎正常的腰曲弧線，軀干與大腿之間必須有大于90度的角度，且在腰部有所支撐，如圖中曲線C所示?？梢姳ＷC腰弧曲線的正常形狀是獲得舒適性的關(guān)鍵。圖1-2 不同姿勢下所產(chǎn)生的腰椎曲度1.1.3腰椎后突和前突正常的腰線曲線是微微前突。為使坐姿下的腰弧曲線變形最小，座椅應(yīng)在腰椎部提供所謂兩點(diǎn)支撐。無腰靠或腰靠不明顯將會使正常的腰椎成圖1-3（a)中的后突形狀。而腰靠過分凸出將會使腰椎呈圖1-3（b）中的前突形狀。腰椎后突和過分前突都是非正常狀態(tài)，合理的腰靠應(yīng)該是使

8、腰弧曲線處于正常的生理曲線。圖1-3 腰椎后突和前突1.2坐姿生物力學(xué)1.2.1肌肉活動度脊椎骨依靠其附近的肌肉和腱連接，椎骨的定位借助于肌腱的作用力。一旦脊椎偏離自然狀態(tài)，肌腱組織就會受到相互壓力(拉或壓)的作用，使肌肉活動度（活動量）增加，招致疲勞酸痛。在挺直坐姿下，腰椎部位肌肉活動度高，因?yàn)檠登跋蚶笔辜∪饨M織緊張受力。提供靠背支承腰椎后，活動力則明顯減??；當(dāng)軀干前傾時(shí)，背上方和肩部肌肉活動度高。1.2.2體壓分布座墊上的體壓分布。根據(jù)人體組織的解剖學(xué)特性可知，坐骨結(jié)節(jié)處是人體最能耐受壓力的部位，合于承重，而大腿下靠近表面處因有下肢主動脈分布，故不宜承受重壓。據(jù)此座墊上的壓力應(yīng)按照臀部

9、不同部位承受不同壓力的原則來分布，即在坐骨處壓力最大，向四周逐漸減少，自大腿部位時(shí)壓力降至最低值，這是座墊設(shè)計(jì)的壓力分布不均勻原則。圖1-4是較為理想的坐墊體壓分布線。圖1-4 體壓分布曲線1.2.3骨盤受力分析人體結(jié)構(gòu)在骨盤下面有兩塊圓骨，稱為坐骨結(jié)節(jié)。如圖1-5所示。坐骨結(jié)節(jié)下面的底座呈近似水平時(shí)，可使兩坐骨結(jié)節(jié)外側(cè)的股骨處于正常的位置而不受過分的壓迫，如1-5（a）。當(dāng)坐面呈斗形時(shí)，會使股骨向上轉(zhuǎn)動，這種狀態(tài)會使肘部和肩部受力，從而引起不舒服。所以在座椅設(shè)計(jì)中，斗形坐面是應(yīng)該避免的。圖1-5 座面對股骨的影響1.2.4椎間盤受力分析當(dāng)坐姿腰弧曲線正常時(shí)，椎間盤上受的壓力均勻而輕微，幾乎無

10、推力作用于韌帶，韌帶不拉伸，腰部無不舒適感，如圖1-6（a）所示。但是，當(dāng)人體處于前彎坐姿時(shí)，椎骨之間的間距發(fā)生改變，相鄰兩椎骨前端間隙縮小，后端間隙增大，如圖1-6（b）。這會引起腰部的不舒適感，長期積累作用，可造成椎間盤病變。圖1-6 不同坐姿時(shí)椎間盤受力分析1.3坐姿人體測量尺寸坐姿人體測量尺寸是座椅靜態(tài)尺寸設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。與座椅設(shè)計(jì)相關(guān)的人體測量主要尺寸見圖1-7，具體測量數(shù)值如表1-8所示。圖1-7 對座椅設(shè)計(jì)有用的人體尺寸表1-8坐姿人體尺寸綜合來看，從坐姿生理學(xué)角度，應(yīng)保證要弧線正常，腰背肌肉處于松弛狀態(tài)，從上體通向大腿的血壓不受壓迫，保持血液正常循環(huán)。因此，最舒適的坐姿是臀部稍

11、離靠背向前移，使上體略微向后傾斜，保持腿夾角在90度到115度之間，小腿向前伸，大腿與小腿，小腿與腳面之間也有合適的夾角。如圖1-9所示：圖1-9 大腿、小腿和腳面的夾角 2.人體對乘坐振動的反應(yīng)座椅及懸架等部件隔離、吸收、緩和、衰減行駛中所產(chǎn)生的各種沖擊和振動激勵(lì)如果超出了人體承受振動的舒適性界限，就會使人產(chǎn)生不舒服感。車輛駕駛員所受的機(jī)械震動分為全局振動和全身震動兩大類。局部振動是指作用于人體特殊部位（如頭部和四肢）的震動，一般不會給駕駛員造成損害，但是對操縱的精確度有影響。全身震動是指通過人體支撐表面作為整體傳給人體的震動。車輛駕駛員承受的乘坐振動屬于全身震動，是對駕駛員可能造成嚴(yán)重傷害

12、的主要震動形式。人體承受全身震動將產(chǎn)生機(jī)械的、生理、病理的和心理的效應(yīng)。2.1乘坐振動的機(jī)械效應(yīng)乘坐振動通過駕駛員的臀部、腰部傳給駕駛員，激起人體的全身震動。當(dāng)振動激勵(lì)頻率接近人體的主要器官的固有頻率時(shí)，將引起相應(yīng)器官的共振而產(chǎn)生相對位移，從而使人感到不舒適。在正常重力情況下，人體對48Hz頻率的震動的能量傳遞最大，其生理效應(yīng)也最大，稱為第一共振峰。10 12Hz的震動頻率時(shí)出現(xiàn)第二共振峰，其生理效應(yīng)僅次于第一共振峰。在20 25Hz時(shí)出現(xiàn)第三共振峰，其生理效應(yīng)較第二共振峰稍低。以后隨著頻率的增高，震動在人體內(nèi)的傳遞逐步衰減，其生理效應(yīng)也相應(yīng)減弱。如圖2-1所示。圖2-1 坐姿時(shí)人體對垂直振動

13、的傳遞率坐在駕駛座上的駕駛員承受垂直振動時(shí)，人體各主要器官的固有頻率如圖2-2所示。圖2-2 人體器官的固有頻率將人置于震動臺上進(jìn)行各種典型工況下的激振試驗(yàn)，測得人體的坐姿震動特性如圖2-3、2-4、2-5所示。圖2-3 人體坐姿承受垂直振動的傳遞特性圖2-4 人體坐姿承受左、右水平振動的傳遞特性圖2-5 人體坐姿承受前、后水平振動的傳遞特性2.2乘坐振動的生理效應(yīng)全身振動引起的主訴癥狀及生理反應(yīng)與振動頻率有關(guān)。低于10Hz的震動，主要引起胸脯部不適；高于10Hz的振動，引起頭部癥狀的增強(qiáng)。全身振動英氣的生理效應(yīng)如圖2-6所示：圖2-6 全身振動的生理效應(yīng)全身振動最明顯的生理反應(yīng)時(shí)人體姿勢的變

14、化，低頻高強(qiáng)度的振動使人難以保持穩(wěn)定的姿態(tài)。2.3全身振動的病理效應(yīng)研究表明，駕駛員常患的兩種職業(yè)?。何覆『图棺祿p傷。圖2-7為拖拉機(jī)駕駛員的胃病患病率。主要原因是因?yàn)榧眲〉某俗駝訉ξ傅南δ墚a(chǎn)生了有害影響。圖2-7 拖拉機(jī)駕駛員的胃病患病率圖2-8為拖拉機(jī)駕駛員為脊椎病與年齡的關(guān)系。由此可以看出，駕駛員的脊椎畸形的發(fā)病率都很高，主要原因是因?yàn)轳{駛員承受劇烈的乘坐振動和不方便的乘坐姿勢。圖2-8 拖拉機(jī)駕駛員脊椎患病率與年齡的關(guān)系 實(shí)線男人；虛線女人2.4乘坐振動的心理效應(yīng)對車輛駕駛員來說，乘坐振動的心理效應(yīng)主要表現(xiàn)為操作能力的變化。讓人在座椅上用振動臺進(jìn)行各種典型情況下的激振試驗(yàn)，測得振

15、動對人的操作能力的影響如圖2-9至2-11所示。圖2-9 人體坐姿承受垂直振動時(shí)的實(shí)力降低情況（a） 加振中；（b）加振終了時(shí)2-10 人體坐姿承受水平振動時(shí)腳踩加速踏板壓力保持不變的能力左邊振動頻率的影響；右邊振動加速度的影響圖2-11 坐姿人體承受垂直振動時(shí)的平衡能力降低情況 （a）加振時(shí)；（b）加振終了時(shí)圖2-12 人體坐姿承受橫向水平振動時(shí)跟蹤誤差圖2-13 人體坐姿承受橫向水平振動選擇時(shí)的反應(yīng)時(shí)間圖2-14 人體坐姿承受垂直振動的手眼協(xié)調(diào)平均動作時(shí)間根據(jù)受振者的感覺，人體承受全身振動的評價(jià)指南即ISO26311982把振動劃分為三個(gè)不同的認(rèn)為界限：（1） 保持舒適性界限：在此振動界限

16、內(nèi)，沒有不舒服的感覺，受振者能順利的完成讀、寫、吃等動作。（2） 保持工作效率界限：在此振動界限內(nèi)，操作人員能在規(guī)定的時(shí)間保持正常的工作效率。超過此界限，則因疲勞而降低工作效率。（3） 保持健康與安全界限：它是身體所能承受振動的上限。超過此界限將使受振者的健康受到損害。一般對于小轎車和旅游車，選取保持舒適性界限作為評價(jià)振動舒適性的標(biāo)準(zhǔn)；對于拖拉機(jī)、工程機(jī)械和各種越野車輛，宜選擇保持工作效率界限作為評價(jià)振動舒適性的標(biāo)準(zhǔn)。3. 座椅空間位置的設(shè)計(jì) 座椅空間位置設(shè)計(jì)就是為了達(dá)到操作舒適性的目標(biāo)，而進(jìn)行駕駛座椅空間位置設(shè)計(jì)以確保駕駛員有良好的視野，同時(shí)對汽車轉(zhuǎn)向盤、 腳踏板等操作部件有恰當(dāng)?shù)牟僮饕缶?/p>

17、離，以達(dá)到操作舒適性的最終目的。好的駕駛設(shè)計(jì)必須要保證駕駛員在連續(xù)幾個(gè)小時(shí)操作的情況下，身體能夠得到很好的支持。并且座椅必須有額外的空間，允許駕駛員坐在座椅上的任一邊或改變在座椅上的角度，以便暫時(shí)使他的肌肉放松。確定駕駛座椅在車輛上的安裝位置之前，必須先確定坐著的駕駛員與座椅結(jié)構(gòu)的相對位置。美國汽車工程師協(xié)會SAE已將車輛駕駛座椅設(shè)計(jì)的參考點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化，這個(gè)參考點(diǎn)稱為座椅標(biāo)志點(diǎn)，即SIP，其位置如圖3-1所示。圖3-1 人體H點(diǎn)與座椅標(biāo)志點(diǎn)之間的關(guān)系圖3-2為轎車駕駛座椅的作業(yè)空間布置和尺寸推薦數(shù)據(jù)。圖3-3為載貨汽車的駕駛座椅的作業(yè)空間布置和尺寸推薦數(shù)據(jù)。圖3-2 轎車駕駛座椅的推薦設(shè)計(jì)圖3-3

18、 載貨汽車的駕駛座椅的操作位置尺寸4. 汽車座椅的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)座椅尺寸設(shè)計(jì)的合適與否，直接影響到駕駛員能否有一個(gè)舒適而穩(wěn)定的坐姿和合適的操縱位置。4.1汽車座椅的主要尺寸 座椅尺寸設(shè)計(jì)主要參數(shù)包括:椅面高度、寬度、深度、椅面傾角;靠背的高度、寬度和傾角。如圖4-1所示：圖4-1 座椅尺寸設(shè)計(jì)主要參數(shù)椅面高度A：為椅面前緣至駕駛員踵點(diǎn)的垂直距離。在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮到兩點(diǎn):椅面過高會使大腿肌肉受壓，椅面過低就會增加背部肌肉負(fù)荷。駕駛座椅的椅面高度應(yīng)低些。椅面寬度B :在空間允許的條件下，以寬為好。但對于汽車駕駛座椅來講，駕駛員坐姿單一，不涉及變換姿勢，通常設(shè)計(jì)應(yīng)以滿足最寬人體需要為準(zhǔn)。椅面深度C :

19、指椅面前緣至靠背前面水平距離。其尺寸應(yīng)滿足:腰部得到靠背的支承;椅面前緣與小腿之間留有適當(dāng)距離，以保證大腿肌肉不受擠壓，腿彎部分不受阻礙?？勘掣叨菵及寬度:靠背的高度和寬度與坐姿肩高和肩寬有關(guān)，對于汽車駕駛座椅靠背的高度應(yīng)采取高靠背，最好加靠枕?？勘硟A角:靠背傾角是指靠背與椅面水平方向的夾角。椅面傾角 :指椅面與水平之間的夾角。主要考慮到為了防止人體臀部向前滑動而是椅面前緣向后傾。此角不易過大，否則會增加大腿下平面與座墊前緣的壓力，從而減少雙腳著地的負(fù)荷，阻礙血液循環(huán)，引起身心疲勞。通過以上座椅尺寸參數(shù)的確定，以保證駕駛員人體脊柱曲線更接近于正常生理脊柱曲線。舒適坐姿的各關(guān)節(jié)的角度應(yīng)該滿足圖4

20、-2中所示的要求角度。圖4-2 舒適坐姿的關(guān)節(jié)角度4.2汽車座椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)代汽車座椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由頭枕、靠背、座墊、滑道等總成組成。4.2.1汽車座椅枕墊的設(shè)計(jì)頭枕是一種用以限制乘員頭部相對于軀干向后移位的彈性裝置，其作用是在發(fā)生碰撞時(shí)，減輕乘員頸椎可能受到的損傷。尤其是在汽車受到追尾碰撞時(shí)，可抑制乘員頭部后傾，防止或減輕頸部損傷。如圖4-3所示：圖4-3 汽車座椅的枕墊4.2.2汽車座椅的靠背的設(shè)計(jì)靠背的安全性設(shè)計(jì)應(yīng)考慮靠背的強(qiáng)度、傾角、基本尺寸及其形狀?？勘车膹?qiáng)度設(shè)計(jì)不但應(yīng)該在“追尾”等后部碰撞時(shí)給乘員提供良好的保護(hù)，而且也要考慮側(cè)碰時(shí)對乘員的保護(hù)。而靠背傾角、基本尺寸及其形狀對尾部碰

21、撞的嚴(yán)重程度有很大影響。依據(jù)靠背上體壓分布不均勻原則，在座椅靠背設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證有靠背兩點(diǎn)支承即就是人體背部和腰部的合理支承。汽車座椅設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)提供形狀和位置適宜的兩點(diǎn)支承，第一支承部位位于人體第5 一 6胸椎之間的高度上，作為肩靠;第二支承設(shè)置在腰曲部位，作為腰靠。肩靠能減輕頸曲變形，腰靠能保證乘坐姿勢下的近似于正常的腰弧曲線。如圖4-4所示：圖4-4 汽車座椅的靠背4.2.3汽車座椅座墊的設(shè)計(jì)坐墊一般不會造成對乘員的直接沖擊傷害，但坐墊的結(jié)構(gòu)可以影響到乘員運(yùn)動過程、約束力加到乘員身體上的方式及外部載荷(加速度、力等)的絕對值大小。坐墊深度設(shè)計(jì)的原則是在充分利用靠背的情況下，使臀部得到合理的支撐。

22、坐墊深度不應(yīng)該超過人的大腿長度。為了保證座墊上合理的體壓分布，座墊應(yīng)堅(jiān)實(shí)平坦。太軟的椅子容易令使用者曲起身子，全身肌肉和骨骼受力不均，從而導(dǎo)致腰酸背痛的現(xiàn)象的產(chǎn)生。研究表明間：過于松軟的椅面，使臀部與大腿的肌肉受壓面積增大，不僅增加了軀干的不穩(wěn)定性，而且不易改變坐姿，容易產(chǎn)生疲勞。如圖4-5所示：圖4-5 汽車座椅的坐墊5. 駕駛座椅設(shè)計(jì)的安全性座椅安全性設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括主動安全性和被動安全性。5.1坐椅主動安全性主動安全性是指汽車駕駛座椅防止事故的能力。汽車駕駛座椅的主動安全性設(shè)計(jì)主要從減輕駕駛員的疲勞人手進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，以滿足主動安全性要求。主動安全性主要考慮合理的座椅尺寸設(shè)計(jì)、座墊上合理的