汽車(chē)座椅的人機(jī)工程學(xué)分析

1、汽車(chē)中的座椅是影響駕駛與乘坐舒適程度的重要設(shè)施，而駕駛員的座椅就更為 重要。舒適而操縱方便的駕駛座椅，可以減少駕駛員疲憊程度，降低故障的發(fā) 生率 1 。汽車(chē)駕駛員座椅設(shè)計(jì)優(yōu)劣與否直接關(guān)系到駕駛質(zhì)量。本文以人因分析為手段，以設(shè)計(jì)出公道的駕駛座椅來(lái)滿足駕駛員人體安全、舒 適為設(shè)計(jì)目標(biāo)，得到結(jié)論：駕駛座椅安全性設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮人（駕駛員）坐姿 生理特性及人體對(duì)車(chē)內(nèi)振動(dòng)、微天氣的反應(yīng)等兩大方面。并從主動(dòng)安全性設(shè)計(jì)、 被動(dòng)安全性設(shè)計(jì)兩個(gè)方面詳盡分析了駕駛座椅安全性設(shè)計(jì)的思路。1. 人座椅系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)中人的因素分析 任何系統(tǒng)實(shí)際上都是人機(jī)系統(tǒng)，人機(jī)系統(tǒng)包括人、機(jī)、環(huán)境三個(gè)方面 2 。顯然 駕駛員 - 座椅

2、也屬于人機(jī)系統(tǒng)研究的范疇。人機(jī)系統(tǒng)的安全模式多以人的行為為 主體，即以人為本。對(duì)人機(jī)系統(tǒng)的研究始于第二次世界大戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)和使用高 度復(fù)雜的軍事裝備中，人們逐步熟悉到必須把人和機(jī)器作為一個(gè)整體，在系統(tǒng) 設(shè)計(jì)中必須考慮人的因素。1.1 人（駕駛員）坐姿生理特性分析（1）坐姿時(shí)脊柱形態(tài)人坐著時(shí)，身體主要由脊柱、骨盆、腿和腳支承。脊柱位于人體的背部中心， 是構(gòu)成人體的中軸。人處于不同的坐姿時(shí)，脊柱形態(tài)不同，只有座椅的結(jié)構(gòu)和 尺寸設(shè)計(jì)使駕駛員的脊柱形態(tài)接近于正常自然狀態(tài)，才會(huì)減少腰椎的負(fù)荷以及 腰背部肌肉的負(fù)荷，防止駕駛疲憊發(fā)生。（2）坐姿體壓分布當(dāng)座椅上的人處于坐姿狀態(tài)時(shí)，人的身體重量作用于座墊和靠背

3、上的壓力分布 稱(chēng)作坐姿的體壓分布 3 ?？梢?jiàn)，坐姿體壓分布包括座墊上的體壓分布和靠背上 的體壓分布兩部分。 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，適 合于承重，而大腿下靠近表面處因有下肢主動(dòng)脈分布，故不宜承受重壓。據(jù)此 座墊上的壓力應(yīng)按照臀部不同部位承受不同壓力的原則來(lái)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 為坐姿時(shí)座墊上的體壓分布 4 。20C圖1坐姿時(shí)座墊上的體壓分布靠背上的體壓分布靠背上的體壓分布也以不均勻分布，壓力相對(duì)集中在肩胛骨和腰椎兩個(gè)部位。 從這兩個(gè)部位向外，壓

4、力應(yīng)逐步降低。1.2人體對(duì)車(chē)內(nèi)振動(dòng)、微天氣的反應(yīng)（1）人體對(duì)振動(dòng)的反應(yīng)駕駛員坐在行使中的汽車(chē)上所承受的振動(dòng)屬于全身振動(dòng)的范疇。有關(guān)研究表明，人體最敏感的頻率范圍為縱向振動(dòng)48Hz,橫向振動(dòng)12Hn當(dāng)外界振動(dòng)接近器官的共振頻率時(shí)，即產(chǎn)生共振，振幅迅速增大，此時(shí)引起器官 的生理反應(yīng)最大。外界振動(dòng)傳進(jìn)人體時(shí)所引起的增大或減弱效應(yīng)與身體在振動(dòng) 系統(tǒng)中的姿勢(shì)有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，坐姿工作時(shí)，由于人腿的減振作用大大降低， 抗振性要比站姿工作時(shí)差，特別是脊柱和胃部受到振動(dòng)的損害，因此坐姿作業(yè) 者輕易產(chǎn)生脊柱損傷和胃病這兩種職業(yè)病。振動(dòng)對(duì)駕駛員操縱的影響主要表現(xiàn)為視覺(jué)作業(yè)效率的下降和操縱動(dòng)作正確性變 差。當(dāng)振動(dòng)頻率

5、低于2Hz時(shí)，由于眼肌的調(diào)節(jié)補(bǔ)償作用，使視網(wǎng)膜上的映像相 對(duì)穩(wěn)定，因此對(duì)視覺(jué)的干擾作用不大，但當(dāng)振動(dòng)頻率大于4Hz時(shí)，視覺(jué)作業(yè)效率將受到嚴(yán)重的影響，振動(dòng)頻率為1030Hz時(shí)，對(duì)視覺(jué)的干擾最大，振動(dòng)頻率 為50Hz加速度為2m/s2時(shí)，視覺(jué)下降約50%振動(dòng)對(duì)操縱動(dòng)作正確性的影響， 主要是由于振動(dòng)降低了手（或腳）的穩(wěn)定性，從而使操縱動(dòng)作的正確性變差， 而且振幅越大，影響越大。另外人體在振動(dòng)環(huán)境中會(huì)加速疲憊過(guò)程。當(dāng)振動(dòng)環(huán) 境中的振動(dòng)特性處于人體神經(jīng)系統(tǒng)的敏感區(qū)域時(shí)，這種刺激頻繁傳進(jìn)大腦皮質(zhì)，引起大腦皮質(zhì)細(xì)胞興奮。當(dāng)達(dá)到一定限度時(shí)，皮質(zhì)細(xì)胞的工作強(qiáng)度將減弱，人 就會(huì)感到疲憊，工作效率明顯下降。(2)

6、微天氣研究表明,駕駛員在駕駛狀態(tài)下的舒適溫度為18C23C,舒適濕度為 40%- 60%代謝量為1.02.0met。座椅對(duì)人體熱環(huán)境的主要影響因素有：座 椅表面的溫度和濕度。座椅表面的溫濕度特性將影響人體背部、臀部、下體等 部位的散熱性能及皮膚的呼吸功能，當(dāng)其溫濕度特性與人體生理性能不適應(yīng)時(shí) 將引起人體局部不快感，從而加速人體疲憊的形成。2.駕駛座椅安全性設(shè)計(jì)基于以上分析，以人體舒適性、安全性為目標(biāo)進(jìn)行駕駛座椅安全性設(shè)計(jì)。2.1主動(dòng)安全性主動(dòng)安全性是指汽車(chē)駕駛座椅防止事故的能力。汽車(chē)駕駛座椅的主動(dòng)安全性設(shè) 計(jì)主要從減輕駕駛員的疲憊進(jìn)手進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，以滿足主動(dòng)安全性要求。如前 論述，主動(dòng)安全性主

7、要考慮公道的座椅尺寸設(shè)計(jì)、座墊上公道的體壓分布、靠 背上公道的體壓分布等為駕駛員提供一個(gè)舒適的作業(yè)環(huán)境，減輕駕駛員的疲憊， 從而保證駕駛座椅主動(dòng)安全性的設(shè)計(jì)要求。(1)座椅尺寸設(shè)計(jì) 駕駛座椅尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究把留意力集中在人體生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)駕駛舒適程 度的影響上，尋求最佳的座椅結(jié)構(gòu)型式、尺寸、輪廓外形及材料選擇。座椅尺寸設(shè)計(jì)46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。座椅尺寸設(shè)計(jì)涉及主要參數(shù)如圖2中所示。A.持面高度B.持面寬度C.持面深度D.金背高度Q.余背傾角盡持面傾角圖2座椅尺寸設(shè)計(jì)主要參數(shù)椅面高度A:椅面高度定義為椅眼前緣至駕駛員踵點(diǎn)的垂直間隔。在設(shè)計(jì)時(shí)

8、主 要考慮到兩點(diǎn)：椅面過(guò)高會(huì)使大腿肌肉受壓，椅面過(guò)低就會(huì)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:在空間答應(yīng)的條件下，以寬為好。但對(duì)于汽車(chē)駕駛座椅來(lái)講，駕 駛員坐姿單一，不涉及變換姿勢(shì)，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:指椅眼前緣至靠背前面水平間隔。其尺寸應(yīng)滿足：腰部得到靠背 的支承；椅眼前緣與小腿之間留有適當(dāng)間隔，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(duì)于汽車(chē)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a :靠背傾角是指靠背與椅面水平方向的夾角。椅面傾角B :指椅面與水平之間的夾角。主要考慮到為

9、了防止人體臀部向前滑 動(dòng)而是椅眼前緣向后傾。此角不易過(guò)大，否則會(huì)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)，引起身心疲憊。通過(guò)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3中所示的要求角度7。ioe12(r圖3舒適坐姿的關(guān)節(jié)角度(2)座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了保證座墊上公道的體壓分布，座墊應(yīng)堅(jiān)實(shí)平坦。太軟的椅子輕易令使用者 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4:過(guò)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，輕易差生疲憊。依據(jù)

10、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公道支承。汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)提供外形和位置適宜的兩 點(diǎn)支承，第一支承部位位于人體第 56 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(shì)下 的近似于正常的腰弧曲線。3）座椅材料選擇 座椅材料的選擇主要考慮到以下兩個(gè)方面：振動(dòng)舒適性以及座椅對(duì)人體熱環(huán)境 的主要影響。座椅材料是座椅的主要減振元件，要想使座椅獲得較低的振動(dòng)傳遞率，使座椅 有較高的振動(dòng)舒適性，必須采用合適的座墊和靠背減振材料。根據(jù)駕駛室的微天氣環(huán)境，調(diào)整座椅表面的溫濕度特性，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)人體代 謝

11、，達(dá)到減輕疲憊的目的。如進(jìn)步座椅材料的呼吸能力，增加材料的透氣性 , 在 不同的季節(jié)條件、溫濕環(huán)境下使用不同的座椅面料，以及在中高檔汽車(chē)中采用 主動(dòng)透風(fēng)式座椅 , 消除駕駛員在座墊表面和背部表面所產(chǎn)生的熱量，使人體與座 椅接觸區(qū)保持適宜的溫濕度等措施均能改善座椅表面的溫濕度特性，減輕駕駛 疲憊。2.2 座椅振動(dòng)舒適性設(shè)計(jì) 座椅材料是座椅的主要減振元件，那么在座椅振動(dòng)舒適性設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的就是從座椅材料的選擇上下功夫來(lái)保證座椅振動(dòng)舒適性。座椅的結(jié)構(gòu)外形也不同程度的影響其振動(dòng)舒適性。由于椎間盤(pán)有較大的壓縮潛 力和很好的彈性，所以脊柱具有忍受較強(qiáng)的縱向振動(dòng)的能力。在橫向上，脊柱 只有前縱韌帶分別附

12、在腰間盤(pán)的前緣和后緣并起一定的作用。因此，人體脊柱 忍受橫向力的能力很低。在設(shè)計(jì)座椅時(shí)必須使其具有抵抗橫向振動(dòng)的能力。座 椅靠背后傾斜使腰部背部得到依靠，加之靠背襯墊的適度柔軟性，致使摩擦力 增大，可緩沖橫向振動(dòng)對(duì)人體的沖擊，同時(shí)靠背兩側(cè)稍隆起、椅面的外形 （ 如圖 2）兩邊向上隆起，也能減輕人體的橫向移動(dòng)趨勢(shì)，使人感覺(jué)乘坐舒適。2.3 座椅空間位置設(shè)計(jì) 座椅空間位置設(shè)計(jì)就是為了達(dá)到操縱舒適性的目標(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(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)、腳踏板等操縱部件有恰 當(dāng)?shù)牟倏v要求間隔，以達(dá)到操縱舒適性的終極目的。圖 4 列出了駕駛作業(yè)空間 設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)。2.4駕駛座椅被動(dòng)安全性設(shè)計(jì)被動(dòng)安全性是指事故發(fā)生時(shí)，保護(hù)乘員的能力。駕駛座椅作為安全部件，是汽 車(chē)被動(dòng)安全性設(shè)計(jì)的主要考慮部件之一?？紤]進(jìn)步駕駛員的人身安全性，汽車(chē) 駕駛座椅被動(dòng)安全性設(shè)計(jì)目標(biāo)為：（1）在事故中要保證駕駛員處在自身的生存空間之內(nèi)，并防止其他車(chē)載體進(jìn) 進(jìn)到這個(gè)空間；（2）要保持駕駛員在事故發(fā)生時(shí)，保持一定的姿態(tài)，以使其他的約束系統(tǒng)能 充分發(fā)揮其保護(hù)效能；（3）在事故中，使得事故后果對(duì)駕駛員的傷害降低到最小限度。目前采取的主要安全措施：進(jìn)步座椅骨架強(qiáng)度，達(dá)到汽車(chē)駕駛座椅強(qiáng)度的要求 值；設(shè)置座椅安全帶，使在緊急制動(dòng)或正面撞