座椅設計參數(shù)及其對舒適性的影響

1、上海交通大學碩士學位論文 第二章 座椅設計參數(shù)及其對舒適性的影響第二章 座椅設計參數(shù)及其對舒適性的影響1986年Grieco提出了一個新概念“Postural fixity” 2,這是指駕駛員在較長的一段車輛行駛過程中，肢體很少移動。這種情況的確可以想象，在駕駛席開車的人僅僅需要腳踩一下踏板，把握一下方向盤，操縱一下檔位而已。此時轎車座椅設計時需要更多考慮人體生理結構，避免使人體受到靜態(tài)載荷，否則肌肉長期受載會對人體生理機能產生不良的影響。在受迫情況下血液循環(huán)將受影響從而涉及到正常新陳代謝過程中營養(yǎng)物質的交換，嚴重的更會形成硬化區(qū)域。為了防止這種現(xiàn)象的產生，一個設計合理的座椅系統(tǒng)首先應當考慮人

2、體生理結構，其次需要考慮結合人體工程學原理，最后需要優(yōu)化座椅本身的設計參數(shù)。2.1人體生理結構與乘坐舒適性的關系2.1.1舒適坐姿時人體的解剖學原理圖二人體直立時，脊柱呈S型，一般成年人的脊柱具有四個生理彎曲，即頸曲、腰曲、胸曲和骶尾曲，這稱為脊柱的正常生理彎曲。就座時，身體的負擔主要施加在軀干上。脊柱總長約70cm，有26塊獨立游離的骨塊3，詳細分布見圖2-1。研究資料表明，凡是符合人體生理要求的乘坐姿勢，就是最舒適的乘坐姿勢。從圖2-1中分析在自然狀態(tài)下脊柱呈現(xiàn)S型曲線，腰椎構成前彎，也就是向前突起的形狀。當人體以正常姿勢入座后，靠背腰椎部分承受的負荷最大，腰曲最易于變形，即腰曲部位向前傾

3、。形成諸如貓背姿勢，腰椎會變得筆直或向后彎的不自然狀態(tài)，使人體感覺不舒適，脊柱處于非正常生理彎曲狀態(tài)，使腰曲弧度減小，椎間盤的前緣受壓、后緣受拉，從而導致韌帶受壓迫繃緊，容易引起腰酸等不適的感覺4。crurapelvisbreastbonecervical vertebrasternumcrurapelviscoccyxsacrumwaistbonecentrum圖2-1人體脊椎的基本組成Fig.2-1 Humanbeing acanthas configuration因此，汽車乘員，尤其是駕駛員首先感到疲勞的部位就是腰部。由此可見，最舒適的乘坐姿勢要求5：(1).腰曲弧形應保持正常的生理彎曲

4、而不受載變形，腰部的肌肉應處于松弛休息狀態(tài)。(2).腹部通向大腿的血管和神經不受壓迫，保持血液循環(huán)暢通?？紤]到人體生理結構的影響，座椅設計應使乘員脊柱處于正常生理彎曲狀態(tài)，各部分肌肉處于放松狀態(tài)，身體屈伸部位的角度以及受壓都要有利于人體保持正常的血液循環(huán)。由于下體的腰椎承重最大，彎曲度也最大。據(jù)醫(yī)學統(tǒng)計，幾乎95%的病變均發(fā)生于第4和第5腰椎的椎間盤，所以一般座椅設計需要在這個位置設置腰托裝置，同時它還能夠為胸曲部分的肩胛骨提供憑靠，減輕胸曲變形。當然身體某一部分受力也不能夠過大，否則人體同樣會產生不適感6。2.1.2座椅合理體壓分布所謂體壓分布是指人坐在座椅上，人體與座椅之間的接觸壓力分布。

5、座椅的體壓分布分座墊壓力分布與靠背壓力分布，體壓分布和乘坐姿勢互相影響。顯然，這里所講的合理體壓分布是指舒適乘坐姿勢狀態(tài)下的體壓分布, 合理的體壓分布以保證全身肌肉放松及血液正常循環(huán)7。為了使座椅具有合理的體壓分布，應考慮采用下列座椅設計參數(shù)：1.適當提高坐墊與水平方向的夾角，約510為宜這樣的話可以使壓力集中于大腿后部的坐骨結節(jié)周圍，同時還能夠防止行車過程中乘客臀部向前滑動的趨勢，避免造成生理和心理上的疲勞感。根據(jù)人體臀部的組織結構特點可以看出，臀部不同部位在產生不適感之前所承受的壓力不同，構成骨盆的粗壯坐骨所承受的壓力比周圍大腿的肌肉承受的壓力大，是人體重量的主要支承部位，另外，分布于大腿

6、下面肌肉中的血管和神經極容易受壓而使兩腿發(fā)麻造成腿部疲勞。因此，合理的座椅體壓分布并不是一種平均分配的分布，而是按照臀部的不同部位的在產生不適感之前所能承受的壓力大小的合理分布，即從坐骨的最大壓力部位逐漸向外擴展減弱，大腿下面的壓力最小。但也要注意坐墊的后傾角不宜過大，否則容易增大大腿前緣的壓力，并減少雙腳著地的負荷，這樣反而會防礙血液循環(huán)而引起的雙腿發(fā)麻。2. 體腿夾角，一般在105115左右為舒適軀干和大腿之間的角度稱為體腿夾角。在體腿夾角為105115左右時，能夠保證人體腹部與大腿之間的血管不受壓迫且血液通暢，這一生理需求同樣要求座椅靠背稍微向后傾。靠背傾斜能使軀干的部分體壓分布在座椅靠

7、背上，可以對人體腰背部進行支撐，使得腰背部肌肉得以放松，減少肌肉做功，從而減緩疲勞的發(fā)生。但靠背角度不宜過大，否則會使乘員起坐不便，會造成人體頸部上抬有沉重的感覺，并產生頸部疲勞以及心理上的不適和疲勞感。同時坐墊不宜過高，應該比小腿長度短，這樣使雙腿能夠踩到地面以支撐大腿的部分重量。3.小腿與大腿之間達到105115左右為舒適這樣的話，小腿可以向前伸，保持人體血液流暢。此外，坐位時大腿稍微傾斜并向后下、小腿稍微向前的位置也使得靜脈血易于回流，可以減少疲勞的發(fā)生。4.可考慮增加座椅前排扶手有了扶手能夠起到促進上肢靜脈血回流及減輕疲勞的作用，但其高度要配合適當，應該不能使得人體的肌肉為湊合扶手高低

8、而產生屈曲或伸張的感覺。5.可考慮增加靠背腰托裝置對于靠背，為保持人體脊柱的自然生理彎曲，乘坐時，人體靠背的主要受力點就是由肩胛骨提供憑靠的支承和腰曲部位的支承8。這就是我們通常所說的肩靠和腰墊的兩點支撐。這兩點是乘坐舒適的憑靠點，而且其承受的壓力最大，并沿著兩點向外逐漸減小。合理的體壓分布，例如圖2-2所示。增加靠背腰托裝置后會明顯增加對于人體腰部區(qū)域的支撐，避免腰部區(qū)域受載過大變形而造成人體疲勞。The lumbar region pressure體壓分布的數(shù)據(jù)處理結果最終通過一系列量化的指標體現(xiàn)出來，他們應當分別從不同角度體現(xiàn)座椅的特性，尤其應體現(xiàn)那些與乘坐舒適性關系密切的幾何物理參數(shù)的

9、影響，如座墊形狀、座墊的剛度以及剛度的分布等。圖2-2典型靠背與座墊的體壓分布圖Fig.2-2 Pressure support map of seating back and cushion在已有的文獻中，不同的研究者分別采用了一些指標來表征體壓分布，即使是相同的指標，計算方法也有差異，以下8個具有較高價值、能夠較好的體現(xiàn)前述原則的指標9。l 最大壓力l 平均壓力l 最大壓力梯度l 平均壓力梯度l 不對稱系數(shù)l 縱向壓力分布曲線l 縱向力矩分布曲線l 側傾穩(wěn)定性系數(shù)2.2人體測量學與乘坐舒適性的關系 在座椅開發(fā)初期，座椅技術部門一般會從汽車主機廠得到整個車身的三維模型。因此在一開始便需要從人

10、機工程角度來考慮問題，進而在車身環(huán)境中布置整個座椅系統(tǒng)，從而滿足座椅舒適性的要求10。座椅系統(tǒng)設計時在CAD環(huán)境中布置SAE J826中規(guī)定的假人模型，該模型勾勒出了重要的H點、靠背角度以及腳跟點等等的信息。以此模型作為布置時的基準，從而保證乘坐者有足夠的可視性、合理的駕駛操作性等等。除了SAE假人模型以外，SAE還負責管理另外一個項目簡稱為CAESAR 11即Civilian American and European Surface Anthropometry Resource。該項目的目的是為了更新與補充現(xiàn)代人體測量學方面的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)庫采樣了將近北美公民與左右的歐洲公民（男性與女性）的

11、尺寸，如圖2-3，他們年齡跨度從到周歲，CAESAR代表了當今最完整的成年公民人體測量學方面的研究數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來自于不同的國家與不同的行業(yè)，其中當然包含了汽車工業(yè)，CAESAR能夠反映人類長期發(fā)展趨勢之中目前的階段性變化，從而為我們更好的設計汽車座椅系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。圖2-3 CAESAR采集人體測量學數(shù)據(jù)Fig.2-3 Anthropometry data gathered by CAESAR對于座椅系統(tǒng)而言,以下參數(shù)必須考慮到人體測量學。 坐墊寬度為了滿足絕大部分人體尺寸的要求，坐墊寬度應該能夠承載較寬臀部區(qū)域且保留足夠的間隙以方便人體活動12。 坐墊長度為了滿足絕大部分人體尺寸的要求，坐墊

12、長度應該能夠承載最小的乘坐者。坐墊的長度因人而異，高個的駕駛者一般喜歡坐墊的長度短一些，這樣他們更能夠踩上剎車板。而個子稍微小一點的駕駛者則喜歡稍微長一些的坐墊，這樣才能便于他們踩到剎車板。 座椅高度為了滿足絕大部分人體尺寸的要求，座椅高度應能夠承載最小的乘坐者。同時為了滿足不同尺寸人群的需要，座椅的高度應該能夠調節(jié)。 座椅靠背寬度 為了滿足絕大部分人體尺寸的要求，靠背寬度應該能夠承載最大人群的的肩部與腰部，同時為了避免人體手臂運動時與靠背區(qū)域干涉，靠背的肩部區(qū)域最好有足夠的寬度。布置時，整個靠背的寬度還需要與轎車前排的中央控制盒以及外側車門門板區(qū)域進行匹配，以防止干涉。 座椅靠背高度為了滿足

13、絕大部分人體尺寸的要求，靠背高度應該能夠承載最小的乘坐者。座椅靠背需要足夠高度來支持人體的上背部以及肩部區(qū)域，當然為了不影響了后排乘客的視線，靠背不能太高。表2-1人體測量數(shù)據(jù)與座椅設計尺寸關系Table 2-1The relationship between CAESAR and seating design parameters座椅尺寸人體測量學相應的部位CAESAR數(shù)據(jù)推薦尺寸坐墊寬度滿足95%女性的人體 臀部尺寸95%女性=480.3mm 99%女性=522.6mm500-525 mm左右坐墊長度滿足5%最小女性臀部 到腿彎部的尺寸5%最小女性=440mm（指從 臀部區(qū)域到腿彎部區(qū)域）

14、440mm左右坐墊高度滿足5%最小女性的腿 彎部高度尺寸5%最小女性=340mm不超過363mm,推薦為346mm左右?？勘硨挾葷M足95%男性的肩部 寬度尺寸95%男性=384mm測量值 取自H點以上220mm的數(shù)據(jù)384mm （從H點向上220mm的 數(shù)據(jù),靠背Insert區(qū)域值）靠背高度滿足5%最小女性靠背 高度尺寸5%最小女性=414mm410-550mm從H點沿軀干 線測量2.3人體工程學與乘坐舒適性的關系 Handle spaceKnee spaceHead spaceHead spaceFront and rear spaceLeg space圖2-4在車身里座椅的人機工程學尺寸F

15、ig.2-4 The Ergonomics in automobile enviroment乘客在座椅里面的位置對于舒適及安全性相當重要。尤其是以下三點。1.頭，手部，腿部，以及膝部空間如圖2-4所示，頭部空間不僅對于人體舒適性而且對于安全性也相當重要。足夠的頭部空間能夠提供人們充足的視覺空間，防止頭暈，同時避免車輛顛簸時造成頭部受傷13。足夠的手部空間對于駕駛員而言是相當重要的，這樣能夠保證手臂操縱自如 14。同樣道理，充足的腿部空間能夠保證駕駛員踩上剎車。膝部空間是指后排乘坐者的膝部與前排靠背后部之間的距離。足夠的膝部空間，能夠使得后排的乘坐者腿部伸展自由，沒有壓迫感。從而有效防止因為坐姿

16、的一成不變引起腹部以及腰部區(qū)域受到壓載而導致人體不適。2.視覺空間保證汽車安全運行需要駕駛員能夠及時接受足夠正確的信息。事實上80%以上的信息是駕駛員通過視覺獲得的，汽車駕駛視野是汽車主動安全系統(tǒng)中的重要組成部分。汽車駕駛視野的宜人化程度直接決定車輛預防交通事故的性能。同時充足的視覺空間能夠保證在車輛行駛過程中方向盤、汽車頂板、保險帶、柱子等對駕駛員視線影響最小，使駕駛員能夠清晰的通過反光鏡來控制駕駛15。 3.操作的控制性對于座椅設計而言，乘員的可操作性是另外一個嚴格的因素，控制又可分為主要控制與次要控制。主要控制是指對車輛的控制。在系著保險帶后乘員仍能夠靈活的控制車輛。包括對方向盤、排檔、

17、信號燈、點火開關等等的控制。次要控制是針對舒適與便利而言，諸如對收音機按鈕、點煙器、座椅調節(jié)按鈕的控制等等，見圖2-5。操縱裝置又稱為控制裝置或調節(jié)裝置，是指能夠將操作者的響應輸出轉換為機器設備的輸入信息，進而控制機器設備運行狀態(tài)的機構。在操縱裝置的設計中，必須充分考慮人體的體形、尺度、生理特點、運動特征和心理特征，以及人的體力和能力限度，才能夠使所設計的操縱裝置具有較高的宜人性，為操作者安全、準確、舒適持續(xù)操縱提供物質保障。圖2-5操作的控制性Fig.2-5 Handle control operation上圖便是座椅設計時，必須考慮到一定的手臂操作的空間，從而能夠自如的控制座椅上的調節(jié)按鈕

18、。 Electrical ButtonCar body43.22 圖2-6 通用凱越座椅電動按鈕操作空間Fig.2-6 SGM Buick Excelle power button operation distance43每一個座椅按鈕之間轉動空間為16毫米。圖2-7 通用景程座椅電動按鈕操作空間Fig.2-7 SGM EPICA power button operation distance22ButtonFin 圖 2-8東風日產風神四號座椅電動按鈕之間間隙值Fig.2-8 The clearance between power button in Dongfeng Nissan Aeol

19、us IV產品設計中需要嚴格按照人機工程的原理進行設計，諸如在通用景誠中電動按鈕手部操作值為43.2，通用凱越中電動按鈕手部操作值為43，這樣基本滿足人手部操縱按鈕所需要的距離。同樣道理，不同電動按鈕之間操作間隙值也有嚴格的規(guī)定，一般大于16毫米，在東風日產風神四號產品開發(fā)中電動按鈕之間操作間隙值大于22毫米，這樣可以保證乘員自如操作電動按扭，不會引起不適感。Knee Room25mm圖2-9 后排乘員膝部空間Fig.2-9 Knee room in rear seatKnee room L40=40圖2-10 通用景程膝部空間Fig.2-10 Knee room in SGM EPICA對于

20、后排乘員而言，膝部空間也是影響舒適性的重要因素之一。局促的膝部空間會造成后排乘員舒適性的降低，而符合設計規(guī)范的膝部空間更能夠提高后排乘員的舒適性。H PointD Point2.4座椅設計參數(shù)影響圖2-11 SAE J1100中描述的座椅設計參數(shù)Fig.2-11 Seating design parameters in SAE J11002.4.1座椅布置參數(shù)影響162.4.1.1座椅高度即從H-點到腳跟點之間垂直高度,圖上對應為H30,這個高度值需要滿足5%最小女性的腿彎部高度尺寸，一般不能超過346mm。2.4.1.2座椅前后位置即從H-點到腳跟點之間水平距離，圖上對應為L53.根據(jù)車型不

21、同該值范圍可進行調節(jié)。2.4.1.3軀干角（靠背角）（Torso angle）軀干角（靠背角）是由2根直線的夾角組成，一根直線為垂直線，另一根直線為靠背線。靠背線在SAE J1100 3.6.1中定義為連接座椅H點與假人胸膛最頂端支點的連線。如上圖中L40所示。一般靠背角度為2025之間。2.4.1.4腳跟點(AHP point)從圖2-11種能夠看到人體腳部區(qū)域有一點定義為AHP點，即為腳跟點。2.4.1.5座椅座墊角度(Cushion angle) Cushion Exit Point根據(jù)SAE座椅座墊角度定義為大腿線與水平線之間的夾角。而從座椅舒適性設計角度出發(fā)，坐墊角度應該是系統(tǒng)值，即

22、SAE假人按照一定的H點坐標、軀干角以及腳跟點放置以后，假人大腿與座椅發(fā)泡相交以后形成的角度，顯然兩者之間有一定的區(qū)別。從舒適性角度出發(fā)，需要全面考慮整個座椅系統(tǒng)，不僅要考慮假人自然大腿角度，同時也要考慮此時發(fā)泡與人體大腿之間相交后Penetration值是否符合人體舒適性的要求。因此定義坐墊角度是由2根直線的夾角組成，一根直線為水平線，另外一根直線則通過座墊離去點與坐墊BITELINE離去點這2個點組成，見圖2-12。這個角度一般是在1015左右。Cushion Biteline Exit pointCushion Angle圖2-12 座椅座墊角度Fig.2-12 Cushion Angl

23、e2.4.1.6腳踝角(Ankle angle)腳踝角可以是由2根直線的夾角組成，一根是小腿線，另外一根是人體腳跟線。如上圖中L46所示，一般腳踝角大約是在8788左右。2.4.1.7體腿夾角(Hip angle)體腿夾角如前所述，是軀干線與大腿線之間的夾角線，從人體生理角度分析，在體腿夾角為105115左右時，人體最為舒適。2.4.1.8大腿與小腿之間夾角(Knee angle)大腿線與小腿線之間的夾角一般達到105115左右為舒適。在實際項目中，我們經常會使用LAYOUT 這種圖紙形式來分析在整車中整個座椅基本參數(shù)。例如圖2-13為通用景程項目所完成的PACKAGE LAYOUT。Dumm

24、yHip AngleAnkle AngleH-PointKnee Angle圖2-13通用景程部分座椅布置參數(shù)Fig.2-13 Seating Layout parameters in SGM EPICA2.4.2座椅外形輪廓參數(shù)及其影響2.4.2.1 Meat to metal clearance (mm) 為了避免乘員坐上座椅坐墊以后，D點區(qū)域與座椅系統(tǒng)上的堅硬物體相碰，所以規(guī)定了在座椅之中結構物體與假人之間的最小距離，坐墊為50mm左右，見圖2-14。Dummy 50mm Distance 圖2-14 座墊Meat to metal clearanceFig.2-14 Seating C

25、ushion Meat to Metal Clearance靠背為35mm左右，見圖2-15。Dummy35mm Distance圖2-15靠背Meat to metal clearanceFig.2-15 Seating Back Meat to Metal Clearance2.4.2.2座墊壓陷深度（Cushion Penetration through H-點） DummySeating STO Line圖2-16坐墊壓陷深度Fig.2-16 Seating Cushion Penetration坐墊壓陷深度是指一個壓縮比，這個壓縮比是通過截面得出的。通過H點且垂直于大腿線，切出一個截

26、面，之后比較座椅A面壓縮前后的壓縮比，壓縮比的公式：坐墊壓陷深度%=ABA代表了假人輪廓線最低點到坐墊面套輪廓線最高點之間的距離。B代表了未壓縮前泡沫的厚度 2.4.2.3靠背壓陷深度（在H-點中心截面以上100mm處）同坐墊壓陷深度類似，靠背壓陷深度也是指一個壓縮比，同樣可以通過截面得出。通過H點且垂直于軀干線，且向上100mm處切出一個截面，之后比較座椅A面壓縮前后的壓縮比，壓縮比的公式：靠背壓陷深度%=ABA代表了假人輪廓線最低點到靠背面套輪廓線最高點之間的距離。B代表了未壓縮前泡沫的厚度Seating STO LineDummyAB圖2-17靠背壓陷深度Fig.2-17 Seating

27、 Back Penetration2.4.2.4 D-點壓陷深度所謂D點是指假人輪廓線在座骨區(qū)域最低的一點，如下圖所示，D點壓陷深度，是指座墊發(fā)泡表面到人體D點之間的距離。通常乘用車的值為30mm-50mm。Thigh with lower leg attachedH-Point(SgRP)Front of Cushion 380mm max From H-Point圖2-18 D-點壓陷深度Fig.2-18 D-Point Penetration2.4.2.5大腿壓陷深度（Thigh Penetration）大腿壓陷深度也是影響乘坐舒適性的指標之一。具體含義為：在D-點向前300mm處畫一半

28、徑300mm圓弧與人體大腿輪廓下端交于第1點，從該點向上作一根垂線，與發(fā)泡交于第2點，這兩點之間的距離值便為大腿壓陷深度，詳見圖2-19。通常乘用車的大腿壓陷深度為23-42mm。H-pointFront of Cushion 380mm max From H-PointD-point D-point PenetrationOccupantThigh PenetrationSeat design contour圖2-19 大腿壓陷深度Fig.2-19 Thigh Penetration2.4.2.6座墊離去點（大腿離去點）位置可以通過圖2-12中看到座墊離去點的位置，該尺寸通過測量座墊離去點與

29、H點之間的距離得到，它描述了大腿對于人體支撐的量度。這個尺寸受限于5%女性臀部到腿部彎曲之間的尺寸。一般而言，大腿離去點不能超過305mm左右。2.4.2.7腰托支撐高度Lumbar supports vertical position of apexLumbar support in/out position 圖2-20腰托設計參數(shù)Fig.2-20 Seating Lumbar Design Parameters對于腰托系統(tǒng)而言，正如前面在人體解剖學與舒適性關系中描述的那樣，只有符合人體舒適姿勢下的座椅結構才能夠使人體感到舒適，為了滿足人體自然狀態(tài)下的脊椎S型姿勢，坐椅中增加了腰托裝置。顯而

30、易見，腰托裝置頂出的最高點到H點之間的距離是我們相當關心的。高度范圍一般為從H點上去大約150mm左右。2.4.2.8腰托頂出距離腰托裝置頂出量同樣是影響人體乘坐舒適性的重要因素。如圖所示，這個尺寸是測量腰托頂出時腰托最凸出一點到軀干點之間的距離。一般這個值選擇為90110mm之間。2.4.3座椅幾何輪廓參數(shù)及其影響2.4.3.1座墊寬度滿足95%女性的人體臀部尺寸，一般尺寸為500-525mm。2.4.3.2座墊INSERT區(qū)域寬度推薦的坐墊INSERT區(qū)域寬度為中心對稱280mm左右。Cushion widthCushion Insert Width圖2-21座墊寬度與INSERT區(qū)域寬度

31、 Fig.2-21 Cushion Width and Cushion Insert Width2.4.3.3座墊BOLSTER區(qū)域高度（經過H-點）Cushion Bolster Height圖2.15座墊BOLSTER區(qū)域高度圖2-22座墊BOLSTER區(qū)域高度Fig.2-22 Cushion Bolster Height2.4.3.4靠背寬度（經過H-點）Back WidthBack Insert Width圖2-23靠背寬度與INSERT區(qū)域寬度Fig.2-23 Back Width and Back insert width2.4.3.5靠背INSERT區(qū)域寬度（經過H-點）推薦的靠

32、背INSERT區(qū)域寬度為中心對稱384mm左右。Back Height2.4.3.6靠背WING區(qū)域高度（經過H-點）H point圖2-24靠背WING區(qū)域高度Fig.2-24 Back wing height2.4.3.7靠背腰托區(qū)域泡沫輪廓Lumbar CenterlineBack Angle LineBack Spinal Reference Line(BSR Curve)Depressed Manikin Back設計靠背腰托區(qū)域泡沫輪廓需要充分考慮人體生理曲線。這是一根能夠代表人體生理脊椎外形的曲線，簡稱BSR曲線，英文全稱為Back Spinal Reference Line。圖

33、2-25 BSR 曲線Fig.2-25 The Back Spinal Reference Line根據(jù)整車定位的不同，汽車座椅系統(tǒng)也需要與之對應的整椅。據(jù)此分為運動型跑車以及一般用途的乘用車等。如圖2-26所示，對于跑車而言靠背泡沫稍微要硬一點，這一類歸為第一層次。一般用途的乘用車需要硬度適中的靠背發(fā)泡，此類歸為第二層次。相應更軟的發(fā)泡則歸為第三層次。為了保證人體的舒適性，根據(jù)泡沫不同的層次采用對應的壓陷量尺寸。具體壓陷深度值參考見下圖。Z點代表了腰托區(qū)域泡沫位置最高點。第一層次發(fā)泡z值最小，相應的壓陷深度值最小，發(fā)泡最硬；第三層次發(fā)泡z值最大，相應的壓陷深度值最大，發(fā)泡最軟。MEASURE

34、D FORWARD OF BSR LINEBSR LINELEVEL I Z1=20mmLEVEL I Z2=35mmLEVEL I Z3=50mm 圖2-26 腰托區(qū)域泡沫輪廓設計Fig.2-26Establishing Design Coutour For Lumbar Region泡沫截面腰托區(qū)域輪廓曲線的中間區(qū)域與BSR曲線保持平行。曲線下端自然延伸到座墊與靠背的咬合線附近，從舒適性方面考慮，設計曲線最低位置應該在沿軀干線H點以上50mm處區(qū)域，保證人體骶骨以上區(qū)域與泡沫接觸。同樣道理，曲線上端自然延伸到靠背泡沫的上部區(qū)域，為了保證對人體提供合適的靠背支撐，需要根據(jù)不同的泡沫硬度調節(jié)曲

35、線與靠背泡沫上端的交線數(shù)值，具體數(shù)值可以參見圖2-27以及圖2-28，這些數(shù)值測量時沿軀干線，并以H-點作為基準。 Back Angle Line Design ContourSacrum AreaBSR LineTermination of Lumbar Region Contact 50mm Above H PointCushion to Back Bite LinePoint Z Back Angle Line Design ContourSacrum AreaBSR LineTermination of Lumbar Region Contact 50mm Above H PointC

36、ushion to Back Bite LinePoint Z圖2-27 腰托區(qū)域泡沫輪廓下端設計Fig.2-27Termination of the Lumbar Region LEVEL I 450470mm LEVEL I 460485mm LEVEL I 475500mmBSR LineThoracic RegionBack Angle Line圖2-28腰托區(qū)域泡沫輪廓上端設計Fig.2-28Termination of Upper Back Contact座椅幾何輪廓參數(shù)與座椅外形輪廓參數(shù)都可以通過制作LAYOUT這種形式進行綜合分析，LAYOUT 形式有座椅舒適性、環(huán)境、座椅PA

37、CKAGING、安全性、運動特性、緊固件、工藝制造性等等，與座椅幾何與外形輪廓等有一定關系的是舒適性以及座椅PACKAGING LAYOUT,這些LAYOUT 根據(jù)不同的功能要求又可以分別制作幾十張圖紙，諸如舒適性LAYOUT根據(jù)不同的分析部分，可分為諸如CM1、CM2、CM3、CM4、CM5、CM6直到CM21等十幾張圖紙，這些LAYOUT反映的信息包括靠背或坐墊最惡劣的Meat to Metal距離、后排扶手水平翻轉以后H點到扶手頂面之間距離、坐墊與靠背寬度、INSERT寬度、坐墊bolster角度與高度、安裝Iso-fix(兒童座椅固定支架)情況下最惡劣的Meat to Metal距離等

38、等。同樣座椅PACKAGING LAYOUT也可以分為十幾張圖紙按照這種思路，每個項目可以根據(jù)不同的要求，制作相應的LAYOUT。H-Point 圖2-29舒適性 LAYOUT截面圖一Fig.2-29 Comfort Layout 圖2-30舒適性LAYOUT截面圖二Fig.2-30 Comfort Layout Section 2 LAYOUT截面圖一反映了通過座椅H點且垂直于人體軀干線的一個截面。截面圖二反映了通過人體中心區(qū)域的一個截面。兩個截面具體反映的信息見下圖。Back B-face PanelMear To Metal ClearanceFinBack STOBack foamWi

39、ng Height35mm OffsetBack Insert WidthBack WidthH-點Wing Angle 95% Dummy圖2-31舒適性LAYOUT一 信息Fig.2-31 Comfort Layout 1 Information舒適性LAYOUT 一所反應的信息如上圖所示，包括了在截面一的位置假人到STO的距離，最惡劣MEAT TO METAL 距離，假人中心泡沫厚度、靠背寬度與靠背INSERT 區(qū)域寬度、靠背WING角度與WING高度。通過這張截面以及后續(xù)截面即垂直于軀干線且距離H點以上一百毫米為單位的若干截面，可以得到類似的截面分析圖。舒適性LAYOUT截面圖二分析的

40、信息如下圖所示，包括了在截面二的位置最大靠背與坐墊人體壓陷深度、最大靠背與坐墊發(fā)泡厚度、腰托高度、軀干角、體腿夾角、坐墊角、大小腿夾角等相關信息。通過以上2個截面包括后續(xù)的相關截面可以綜合反映座椅本身以及人體與座椅之間的影響舒適性的相關參數(shù)，可有利于開發(fā)團隊進行后續(xù)改進。Back PanelBack STOBack FoamHeadrest STOShould ProminenceMax Mankina Penetration to Back STO Normal to TorsolBACK STO NORMAL TO TORSOMaxium Back Foam ThicknessMankin

41、 Penetration Intoback STONormal To Torso 100mm Above H-POINTFoam Thickness From STO Measured Normal To Torso 100mm Above H-POINTBack Bite LineExit Point Normal To TorsoCushion Bite LineExit Point Normal To TorsoMeet to metal DistanceLumbar ApexCushion LengthH/R HeightShould ExitTorso Angle ANGGLEHip

42、 AngleKnee AngleCushion AngleThigh Exit pointManikin Penetration IntoCushion STO Below H-POINTFoam ThicknessBelow H-POINTFrom STOFoam ThicknessFrom STO Along TorsoManikin Penetration Along TorsoFrom STOCushion STOCushion Foam圖2-32舒適性LAYOUT二信息Fig.2-32 Comfort Layout2 Information2.5座椅其他部件的影響2.5.1座椅泡沫的

43、影響座椅系統(tǒng)里的發(fā)泡主要材料為聚氨酯。組成聚氨酯的原材料又分ISO(異氰酸酯)部分和聚醚組合料部分，其中ISO部分的主要原料為Pure TDI（純甲苯二異氰酸酯），Pure MDI（純二甲苯二異氰酸酯）和TDI&MDI（兩者混合物）。而聚醚組合料部分包含了聚醚、助劑、發(fā)泡劑、交聯(lián)劑、催化劑、泡沫穩(wěn)定劑、開孔劑以及其他助劑。為了給臀部提供合理的體壓分布支撐，座墊彈性結構的剛度應該遵循上述的體壓分布原則進行合理分配。在座墊長度的2/3區(qū)域處，即乘坐時人體坐骨接觸部位的硬度應該比其他部分的硬度高，以此承受坐骨部位的較大壓力。而座墊前緣的硬度應該較小，以減小座墊彈性體對大腿的支撐力，避免壓迫大腿下面的

44、血管和神經。中間的硬度過渡則采用厚度的變化而實現(xiàn)硬度的合理分配，對于聚氨脂泡沫塑料的彈性體，一般采用改變組分比例的方法來實現(xiàn)硬度變化。此外，為了使不同的密度區(qū)的界面不造成硬度突變，界面應該有一個密度共混區(qū)，這個共混區(qū)的存在，還可以大大的簡化生產工藝。同樣道理，靠背的彈性元件結構設計，也應該符合靠背體壓分布要求。為了阻止乘員橫向滑移，泡沫結構中在座墊與靠背兩側增加翼狀結構，增加這種結構，能夠明顯提高兩側硬度，從而可以形成必要的橫向穩(wěn)定支承。對于泡沫而言評價的項目也相當?shù)亩啵煌闹鳈C廠會有不同的測試評判標準，部分測試項目見下表。表2-2座椅發(fā)泡部分測試項目Table 2-2Seating foa

45、m some test items試驗項目單位主要部分主要側翼部分1硬度N176.519.619619.62密度g/cm30.040.043拉神強度kpa6.96.94撕裂強度N/cm4.94.95氣味試驗3以下3以下1.裝置（1）強度試驗機（INSTRON/SWICK設備）（2）圓型加壓板，（直徑200mmx厚度5mm的鋁制或鐵制，見圖2-33）2.試樣: 完整的發(fā)泡 圖2-33圓型加壓板Fig.2-33 Round Pressure Testing BoardFoam Hardness Main testing AreaTesting Direction試方向 圖2-30泡沫A-Sufac

46、e Testing PointB-Suface Testing Point圖2-34泡沫的主要測試區(qū)域以及測試方向Fig2-34 Foam Hardness testing Main Area and testing Direction3.測試區(qū)域: 見圖2-344.試驗條件：（1）試驗室的標準狀態(tài)，原則上以JIS Z 8703中的標準溫度狀態(tài)（溫度1526）標準濕度狀態(tài)（濕度4585%）為基準。（2）壓縮速度:10mm/sec以下（3）壓縮率：25%5.操作方法：（1）將試樣平放到測試機的臺上，首先測定施加4.9N(約0.5Kgf）載荷時的厚度，將此厚度作為起始厚度。（2）以規(guī)定的壓縮速度采

47、用圓型加壓板擠壓開始厚度25%的距離，靜止后讀取經過20秒鐘時的載荷，將此作為硬度，見圖2-35。圖2-35泡沫硬度測試設備以及操作過程Fig2-35 Foam Hardness testing Main Area and testing Direction2.5.2座椅面套的影響座椅面套對于消除長期坐姿下人體臀部悶熱和出汗有重要作用。為此，要求座椅面料具有吸濕性和熱量調節(jié)性?？紤]到舒適性的原因，大部分中高端轎車座椅采用的是真皮座椅，同時為了調節(jié)熱量從而保持一定的透氣性，所以目前更為流行采用打孔真皮。對乘員而言,座椅高壓力區(qū)域更易使人敏感,諸如坐骨與腰部區(qū)域。所以面套設計時要避免在這些區(qū)域使人

48、產生異物感。 2.5.3.腰托裝置的影響Lumbar SystemSuspension System圖2-36分別安裝腰托系統(tǒng)與彈性元件的座椅Fig2-36 Comparision Between Seating Equiped With Lumbar System And Suspension SystemHeight of ProminenceJ826 Manikin Back LineReference Line Tangent to Thorax and ButtocksProminenceH-point轎車靠背總成主要由泡沫、腰托裝置或彈性元件等部件組成。圖2-36顯示為安裝有腰托系

49、統(tǒng)與只安裝彈性元件的座椅系統(tǒng)，有經驗表明腰托裝置比彈性元件更能夠改善人體腰部的支撐17，從而提高人體的乘坐舒適性。圖2-37腰托安裝尺寸圖Fig2-37 Lumbar Support Assembly Layout腰托裝置的使用并非是新生事物，早在1948年，Akerblom18在他的專著中便有關于腰托裝置的描述，他在深入研究了人體的脊柱生理結構以后，發(fā)現(xiàn)應該對座椅設計進行規(guī)范，尤其強調需要在座椅的腰部區(qū)域增加支撐。自那時開始，學術界在有關人機工程方面的論文中大部分都推薦使用腰托裝置。腰托裝置對于乘員舒適性的提高，更多方面是體現(xiàn)在對于人體腰部給予一定的支撐，從而保持人體脊柱生理曲線，如圖2-3

50、7所示通過幾何的方法可以更加清楚地了解腰托給予人體腰部的支撐。在圖上顯示了SAE J826上定義的假人靠背輪廓線。腰托部位參考線與乘坐者臀部尾端曲線相切，同時又與人體胸部曲線相切，而腰托高度范圍定義為離參考線最大的偏移量，典型腰托結構見圖2-36?；仡櫄v史Akerblom、Keegan以及其他先驅都建議在人類靠背的腰部區(qū)域增加一定的支撐，Akerblom建議這個堅實的支撐物應該加在第四以及第五腰部脊柱區(qū)域，Keegan則建議座椅在設計位置的時候靠背部分能夠形成一根支撐曲線，這根曲線應介于人類站立與入座時兩種Lordosis自然脊柱曲線之間。因為通過長期的觀察，他發(fā)現(xiàn)大部分腰部有障礙的患者更愿意

51、斜著身子坐在座椅上。70年代的中期，Andersson測試了靠背伸肌以及腰部壓力值，他發(fā)現(xiàn)了人體站立時的壓力明顯小于坐姿下的壓力值。通過試驗，Andersson發(fā)現(xiàn)了保持人體坐姿時腰椎部曲線的形狀能夠明顯降低人體腰部的壓力,這是座椅設計時應該遵守的法則。Porter 與Norris也進行了相關的試驗，挑選一組測試者進行腰托部位人體主觀舒適度的評價。經過試驗發(fā)現(xiàn)大部分的乘員更愿意接受20毫米的腰托頂出距離以及腰托在H點以上150mm甚至更高的高度位置。并發(fā)現(xiàn)40甚至50毫米的頂出距離在不同的試驗狀態(tài)下均不能產生令人滿意的效果，而4050毫米的距離最接近人體自然脊椎腰部區(qū)域的距離，從這點也間接驗證

52、了低于人體自然脊椎形狀的頂出高度更容易使人產生舒適感。之后Porter 與Norris的研究工作更多的放在了腰托裝置本身的研制過程。通過長期觀察，Porter 與Norris發(fā)現(xiàn)大部分的乘員愿意接受的腰托最大頂出量一般是人體站立時自然脊椎腰部區(qū)域距離的一半。為了驗證使用腰托以后對于人體脊椎生理曲線產生的影響，porter進行了相應的試驗。測試者分為中等女性、中等男性、較小女性、較大男性等四組。測試座椅分別為一個帶腰托的座椅，一個不帶腰托的座椅。試驗小組采用了sonic digitizer的儀器裝置用來記錄人體landmarks的位置，乘坐者頸項的彎曲曲率等。每個測試階段測試后的數(shù)據(jù)都會進行處理，之后形成軀干與姿勢的輪廓，最后工程師對于投影到XZ平面的全部曲線進行匯總以及比較19。圖2-38描述了該試驗中所有測試點的位置以及需要測試的一些角度。To