座椅設(shè)計(jì)參數(shù)及其對(duì)舒適性的影響

1、上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 座椅設(shè)計(jì)參數(shù)及其對(duì)舒適性的影響第二章 座椅設(shè)計(jì)參數(shù)及其對(duì)舒適性的影響1986年Grieco提出了一個(gè)新概念“Postural fixity” 2,這是指駕駛員在較長(zhǎng)的一段車輛行駛過(guò)程中，肢體很少移動(dòng)。這種情況的確可以想象，在駕駛席開(kāi)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(shí)轎車座椅設(shè)計(jì)時(shí)需要更多考慮人體生理結(jié)構(gòu)，避免使人體受到靜態(tài)載荷，否則肌肉長(zhǎng)期受載會(huì)對(duì)人體生理機(jī)能產(chǎn)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(guò)程中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換，嚴(yán)重的更會(huì)形成硬化區(qū)域。為了防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，一個(gè)設(shè)計(jì)合理的座椅系統(tǒng)首先應(yīng)當(dāng)考慮人

2、體生理結(jié)構(gòu)，其次需要考慮結(jié)合人體工程學(xué)原理，最后需要優(yōu)化座椅本身的設(shè)計(jì)參數(shù)。2.1人體生理結(jié)構(gòu)與乘坐舒適性的關(guān)系2.1.1舒適坐姿時(shí)人體的解剖學(xué)原理圖二人體直立時(shí)，脊柱呈S型，一般成年人的脊柱具有四個(gè)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(shí)，身體的負(fù)擔(dān)主要施加在軀干上。脊柱總長(zhǎng)約70cm，有26塊獨(dú)立游離的骨塊3，詳細(xì)分布見(jiàn)圖2-1。研究資料表明，凡是符合人體生理要求的乘坐姿勢(shì)，就是最舒適的乘坐姿勢(shì)。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(gòu)成前彎，也就是向前突起的形狀。當(dāng)人體以正常姿勢(shì)入座后，靠背腰椎部分承受的負(fù)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(shì)，腰椎會(huì)變得筆直或向后彎的不自然狀態(tài)，使人體感覺(jué)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(dǎo)致韌帶受壓迫繃緊，容易引起腰酸等不適的感覺(jué)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(jiàn)，最舒適的乘坐姿勢(shì)要求5：(1).腰曲弧形應(yīng)保持正常的生理彎曲

4、而不受載變形，腰部的肌肉應(yīng)處于松弛休息狀態(tài)。(2).腹部通向大腿的血管和神經(jīng)不受壓迫，保持血液循環(huán)暢通?？紤]到人體生理結(jié)構(gòu)的影響，座椅設(shè)計(jì)應(yīng)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(xué)統(tǒng)計(jì)，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(shè)計(jì)需要在這個(gè)位置設(shè)置腰托裝置，同時(shí)它還能夠?yàn)樾厍糠值募珉喂翘峁{靠，減輕胸曲變形。當(dāng)然身體某一部分受力也不能夠過(guò)大，否則人體同樣會(huì)產(chǎn)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(shì)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(shì)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(yīng)考慮采用下列座椅設(shè)計(jì)參數(shù)：1.適當(dāng)提高坐墊與水平方向的夾角，約5°10°為宜這樣的話可以使壓力集中于大腿后部的坐骨結(jié)節(jié)周圍，同時(shí)還能夠防止行車過(guò)程中乘客臀部向前滑動(dòng)的趨勢(shì)，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(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看出，臀部不同部位在產(chǎn)生不適感之前所承受的壓力不同，構(gòu)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

6、承部位，另外，分布于大腿下面肌肉中的血管和神經(jīng)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(chǎn)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(kuò)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(guò)大，否則容易增大大腿前緣的壓力，并減少雙腳著地的負(fù)荷，這樣反而會(huì)防礙血液循環(huán)而引起的雙腿發(fā)麻。2. 體腿夾角，一般在105°115°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105°115°左右時(shí)，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

7、理需求同樣要求座椅靠背稍微向后傾?？勘硟A斜能使軀干的部分體壓分布在座椅靠背上，可以對(duì)人體腰背部進(jìn)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(guò)大，否則會(huì)使乘員起坐不便，會(huì)造成人體頸部上抬有沉重的感覺(jué)，并產(chǎn)生頸部疲勞以及心理上的不適和疲勞感。同時(shí)坐墊不宜過(guò)高，應(yīng)該比小腿長(zhǎng)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(dá)到105°115°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(shí)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

8、起到促進(jìn)上肢靜脈血回流及減輕疲勞的作用，但其高度要配合適當(dāng)，應(yīng)該不能使得人體的肌肉為湊合扶手高低而產(chǎn)生屈曲或伸張的感覺(jué)。5.可考慮增加靠背腰托裝置對(duì)于靠背，為保持人體脊柱的自然生理彎曲，乘坐時(shí)，人體靠背的主要受力點(diǎn)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(shuō)的肩靠和腰墊的兩點(diǎn)支撐。這兩點(diǎn)是乘坐舒適的憑靠點(diǎn)，而且其承受的壓力最大，并沿著兩點(diǎn)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(huì)明顯增加對(duì)于人體腰部區(qū)域的支撐，避免腰部區(qū)域受載過(guò)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(jié)果最終通過(guò)一系列量化的指標(biāo)體

9、現(xiàn)出來(lái)，他們應(yīng)當(dāng)分別從不同角度體現(xiàn)座椅的特性，尤其應(yīng)體現(xiàn)那些與乘坐舒適性關(guān)系密切的幾何物理參數(shù)的影響，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(xiàn)中，不同的研究者分別采用了一些指標(biāo)來(lái)表征體壓分布，即使是相同的指標(biāo)，計(jì)算方法也有差異，以下8個(gè)具有較高價(jià)值、能夠較好的體現(xiàn)前述原則的指標(biāo)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(duì)稱系數(shù)l 縱向壓力分布曲線l 縱向力矩分布曲線l 側(cè)傾穩(wěn)定性系數(shù)2.2人體測(cè)量學(xué)與乘坐舒適性的關(guān)

10、系 在座椅開(kāi)發(fā)初期，座椅技術(shù)部門一般會(huì)從汽車主機(jī)廠得到整個(gè)車身的三維模型。因此在一開(kāi)始便需要從人機(jī)工程角度來(lái)考慮問(wèn)題，進(jìn)而在車身環(huán)境中布置整個(gè)座椅系統(tǒng)，從而滿足座椅舒適性的要求10。座椅系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)、靠背角度以及腳跟點(diǎn)等等的信息。以此模型作為布置時(shí)的基準(zhǔn)，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(fù)責(zé)管理另外一個(gè)項(xiàng)目簡(jiǎn)稱為CAESAR 11即Civilian American and European Surface Anthropometry Resource。該項(xiàng)目的目的是為

11、了更新與補(bǔ)充現(xiàn)代人體測(cè)量學(xué)方面的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)采樣了將近北美公民與左右的歐洲公民（男性與女性）的尺寸，如圖2-3，他們年齡跨度從到周歲，CAESAR代表了當(dāng)今最完整的成年公民人體測(cè)量學(xué)方面的研究數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來(lái)自于不同的國(guó)家與不同的行業(yè)，其中當(dāng)然包含了汽車工業(yè)，CAESAR能夠反映人類長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)之中目前的階段性變化，從而為我們更好的設(shè)計(jì)汽車座椅系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。圖2-3 CAESAR采集人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)Fig.2-3 Anthropometry data gathered by CAESAR對(duì)于座椅系統(tǒng)而言,以下參數(shù)必須考慮到人體測(cè)量學(xué)。· 坐墊寬度為了滿足絕大部分人體尺寸的要求，坐墊寬

12、度應(yīng)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(dòng)12。· 坐墊長(zhǎng)度為了滿足絕大部分人體尺寸的要求，坐墊長(zhǎng)度應(yīng)該能夠承載最小的乘坐者。坐墊的長(zhǎng)度因人而異，高個(gè)的駕駛者一般喜歡坐墊的長(zhǎng)度短一些，這樣他們更能夠踩上剎車板。而個(gè)子稍微小一點(diǎn)的駕駛者則喜歡稍微長(zhǎng)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(yīng)能夠承載最小的乘坐者。同時(shí)為了滿足不同尺寸人群的需要，座椅的高度應(yīng)該能夠調(diào)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(yīng)該能夠承載最大人群的的肩部與腰部，同時(shí)為了避免人體手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)與靠背區(qū)域干涉，靠

13、背的肩部區(qū)域最好有足夠的寬度。布置時(shí)，整個(gè)靠背的寬度還需要與轎車前排的中央控制盒以及外側(cè)車門門板區(qū)域進(jìn)行匹配，以防止干涉。· 座椅靠背高度為了滿足絕大部分人體尺寸的要求，靠背高度應(yīng)該能夠承載最小的乘坐者。座椅靠背需要足夠高度來(lái)支持人體的上背部以及肩部區(qū)域，當(dāng)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(cè)量數(shù)據(jù)與座椅設(shè)計(jì)尺寸關(guān)系Table 2-1The relationship between CAESAR and seating design parameters座椅尺寸人體測(cè)量學(xué)相應(yīng)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.

14、3mm 99%女性=522.6mm500-525 mm左右坐墊長(zhǎng)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）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(guò)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(cè)量值 取自H點(diǎn)以上220mm的數(shù)據(jù)384mm （從H點(diǎn)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(diǎn)沿軀干 線測(cè)量2.3人體工程學(xué)與乘坐舒適性的關(guān)系 Handle space

15、Knee spaceHead spaceHead spaceFront and rear spaceLeg space圖2-4在車身里座椅的人機(jī)工程學(xué)尺寸Fig.2-4 The Ergonomics in automobile enviroment乘客在座椅里面的位置對(duì)于舒適及安全性相當(dāng)重要。尤其是以下三點(diǎn)。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(duì)于人體舒適性而且對(duì)于安全性也相當(dāng)重要。足夠的頭部空間能夠提供人們充足的視覺(jué)空間，防止頭暈，同時(shí)避免車輛顛簸時(shí)造成頭部受傷13。足夠的手部空間對(duì)于駕駛員而言是相當(dāng)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

16、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(méi)有壓迫感。從而有效防止因?yàn)樽说囊怀刹蛔円鸶共恳约把繀^(qū)域受到壓載而導(dǎo)致人體不適。2.視覺(jué)空間保證汽車安全運(yùn)行需要駕駛員能夠及時(shí)接受足夠正確的信息。事實(shí)上80%以上的信息是駕駛員通過(guò)視覺(jué)獲得的，汽車駕駛視野是汽車主動(dòng)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(yù)防交通事故的性能。同時(shí)充足的視覺(jué)空間能夠保證在車輛行駛過(guò)程中方向盤、汽車頂板、保險(xiǎn)帶、柱子等對(duì)駕駛員視線影響最小，使駕駛員能夠清晰的通過(guò)反光鏡來(lái)控制駕駛15。 3.操作的控制性對(duì)于座椅設(shè)計(jì)而言

17、，乘員的可操作性是另外一個(gè)嚴(yán)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(duì)車輛的控制。在系著保險(xiǎn)帶后乘員仍能夠靈活的控制車輛。包括對(duì)方向盤、排檔、信號(hào)燈、點(diǎn)火開(kāi)關(guān)等等的控制。次要控制是針對(duì)舒適與便利而言，諸如對(duì)收音機(jī)按鈕、點(diǎn)煙器、座椅調(diào)節(jié)按鈕的控制等等，見(jiàn)圖2-5。操縱裝置又稱為控制裝置或調(diào)節(jié)裝置，是指能夠?qū)⒉僮髡叩捻憫?yīng)輸出轉(zhuǎn)換為機(jī)器設(shè)備的輸入信息，進(jìn)而控制機(jī)器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的機(jī)構(gòu)。在操縱裝置的設(shè)計(jì)中，必須充分考慮人體的體形、尺度、生理特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)特征和心理特征，以及人的體力和能力限度，才能夠使所設(shè)計(jì)的操縱裝置具有較高的宜人性，為操作者安全、準(zhǔn)確、舒適持續(xù)操縱提供物質(zhì)保障。圖2-5操作的

18、控制性Fig.2-5 Handle control operation上圖便是座椅設(shè)計(jì)時(shí)，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(diào)節(jié)按鈕。 Electrical ButtonCar body43.22 圖2-6 通用凱越座椅電動(dòng)按鈕操作空間Fig.2-6 SGM Buick Excelle power button operation distance43每一個(gè)座椅按鈕之間轉(zhuǎn)動(dòng)空間為16毫米。圖2-7 通用景程座椅電動(dòng)按鈕操作空間Fig.2-7 SGM EPICA power button operation distance22ButtonFin 圖 2-8東風(fēng)日產(chǎn)風(fēng)神四

19、號(hào)座椅電動(dòng)按鈕之間間隙值Fig.2-8 The clearance between power button in Dongfeng Nissan Aeolus IV產(chǎn)品設(shè)計(jì)中需要嚴(yán)格按照人機(jī)工程的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，諸如在通用景誠(chéng)中電動(dòng)按鈕手部操作值為43.2，通用凱越中電動(dòng)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(dòng)按鈕之間操作間隙值也有嚴(yán)格的規(guī)定，一般大于16毫米，在東風(fēng)日產(chǎn)風(fēng)神四號(hào)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中電動(dòng)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(dòng)按扭，不會(huì)引起不適感。Knee Room25mm圖2-9 后排乘員膝部空間Fig.2-9 Knee ro

20、om 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(duì)于后排乘員而言，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(huì)造成后排乘員舒適性的降低，而符合設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)影響圖2-11 SAE J1100中描述的座椅設(shè)計(jì)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(diǎn)到腳跟點(diǎn)之間垂直高度,圖上對(duì)應(yīng)為H30,這

21、個(gè)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(guò)346mm。2.4.1.2座椅前后位置即從H-點(diǎn)到腳跟點(diǎn)之間水平距離，圖上對(duì)應(yīng)為L(zhǎng)53.根據(jù)車型不同該值范圍可進(jìn)行調(diào)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?？勘尘€在SAE J1100 3.6.1中定義為連接座椅H點(diǎn)與假人胸膛最頂端支點(diǎn)的連線。如上圖中L40所示。一般靠背角度為20°25°之間。2.4.1.4腳跟點(diǎn)(AHP point)從圖2-11種能夠看到人體腳部區(qū)域有一點(diǎn)定義為AHP點(diǎn)，即為腳跟點(diǎn)。2.4.1.5座椅座

22、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(shè)計(jì)角度出發(fā)，坐墊角度應(yīng)該是系統(tǒng)值，即SAE假人按照一定的H點(diǎn)坐標(biāo)、軀干角以及腳跟點(diǎn)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(gè)座椅系統(tǒng)，不僅要考慮假人自然大腿角度，同時(shí)也要考慮此時(shí)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(guò)座墊離去點(diǎn)與坐墊BITELINE離去點(diǎn)這2個(gè)點(diǎn)組成，見(jiàn)圖2-1

23、2。這個(gè)角度一般是在10°15°左右。Cushion Biteline Exit pointCushion Angle圖2-12 座椅座墊角度Fig.2-12 Cushion Angle2.4.1.6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87°88°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105°115°左右時(shí)，人體最為舒適。2.4.1.8大腿與

24、小腿之間夾角(Knee angle)大腿線與小腿線之間的夾角一般達(dá)到105°115°左右為舒適。在實(shí)際項(xiàng)目中，我們經(jīng)常會(huì)使用LAYOUT 這種圖紙形式來(lái)分析在整車中整個(gè)座椅基本參數(shù)。例如圖2-13為通用景程項(xiàng)目所完成的PACKAGE LAYOUT。DummyHip 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

25、坐上座椅坐墊以后，D點(diǎn)區(qū)域與座椅系統(tǒng)上的堅(jiān)硬物體相碰，所以規(guī)定了在座椅之中結(jié)構(gòu)物體與假人之間的最小距離，坐墊為50mm左右，見(jiàn)圖2-14。Dummy 50mm Distance 圖2-14 座墊Meat to metal clearanceFig.2-14 Seating Cushion Meat to Metal Clearance靠背為35mm左右，見(jiàn)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

26、Penetration through H-點(diǎn)） 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(gè)壓縮比，這個(gè)壓縮比是通過(guò)截面得出的。通過(guò)H點(diǎn)且垂直于大腿線，切出一個(gè)截面，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%=A÷BA代表了假人輪廓線最低點(diǎn)到坐墊面套輪廓線最高點(diǎn)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(diǎn)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(gè)壓縮比，同樣可以通過(guò)截面得出。通過(guò)H點(diǎn)

27、且垂直于軀干線，且向上100mm處切出一個(gè)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%=A÷BA代表了假人輪廓線最低點(diǎn)到靠背面套輪廓線最高點(diǎn)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 Back Penetration2.4.2.4 D-點(diǎn)壓陷深度所謂D點(diǎn)是指假人輪廓線在座骨區(qū)域最低的一點(diǎn)，如下圖所示，D點(diǎn)壓陷深度，是指座墊發(fā)泡表面到人體D點(diǎn)之間的距離。通常乘用車的值為30mm-50mm。Thigh with lower leg attachedH-Point(SgR

28、P)Front of Cushion 380mm max From H-Point圖2-18 D-點(diǎn)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(biāo)之一。具體含義為：在D-點(diǎn)向前300mm處畫一半徑300mm圓弧與人體大腿輪廓下端交于第1點(diǎn)，從該點(diǎn)向上作一根垂線，與發(fā)泡交于第2點(diǎn)，這兩點(diǎn)之間的距離值便為大腿壓陷深度，詳見(jiàn)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

29、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(diǎn)（大腿離去點(diǎn)）位置可以通過(guò)圖2-12中看到座墊離去點(diǎn)的位置，該尺寸通過(guò)測(cè)量座墊離去點(diǎn)與H點(diǎn)之間的距離得到，它描述了大腿對(duì)于人體支撐的量度。這個(gè)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(diǎn)不能超過(guò)305mm左右。2.4.2.7腰托支撐高度Lumbar supports vertical position of apexLumbar support in/

30、out position 圖2-20腰托設(shè)計(jì)參數(shù)Fig.2-20 Seating Lumbar Design Parameters對(duì)于腰托系統(tǒng)而言，正如前面在人體解剖學(xué)與舒適性關(guān)系中描述的那樣，只有符合人體舒適姿勢(shì)下的座椅結(jié)構(gòu)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(shì)，坐椅中增加了腰托裝置。顯而易見(jiàn)，腰托裝置頂出的最高點(diǎn)到H點(diǎn)之間的距離是我們相當(dāng)關(guān)心的。高度范圍一般為從H點(diǎn)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(gè)尺寸是測(cè)量腰托頂出時(shí)腰托最凸出一點(diǎn)到軀干點(diǎn)之間的距離。一般這個(gè)值選擇為90110mm之間。2.

31、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?qū)挾韧扑]的坐墊INSERT區(qū)域?qū)挾葹橹行膶?duì)稱280mm左右。Cushion widthCushion Insert Width圖2-21座墊寬度與INSERT區(qū)域?qū)挾?Fig.2-21 Cushion Width and Cushion Insert Width2.4.3.3座墊BOLSTER區(qū)域高度（經(jīng)過(guò)H-點(diǎn)）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 Cu

32、shion Bolster Height2.4.3.4靠背寬度（經(jīng)過(guò)H-點(diǎn)）Back WidthBack Insert Width圖2-23靠背寬度與INSERT區(qū)域?qū)挾菷ig.2-23 Back Width and Back insert width2.4.3.5靠背INSERT區(qū)域?qū)挾龋ń?jīng)過(guò)H-點(diǎn)）推薦的靠背INSERT區(qū)域?qū)挾葹橹行膶?duì)稱384mm左右。Back Height2.4.3.6靠背WING區(qū)域高度（經(jīng)過(guò)H-點(diǎn)）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

33、 Angle LineBack Spinal Reference Line(BSR Curve)Depressed Manikin Back設(shè)計(jì)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(jiǎn)稱BSR曲線，英文全稱為Back Spinal Reference Line。圖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(duì)應(yīng)的整椅。據(jù)此分為運(yùn)動(dòng)型跑車以及一般用途的乘用車等。如圖2-26所示，對(duì)于跑車而言靠背泡沫稍微要硬一點(diǎn)，這一類歸為第一層次。一般用途的乘用車需要

34、硬度適中的靠背發(fā)泡，此類歸為第二層次。相應(yīng)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(duì)應(yīng)的壓陷量尺寸。具體壓陷深度值參考見(jiàn)下圖。Z點(diǎn)代表了腰托區(qū)域泡沫位置最高點(diǎn)。第一層次發(fā)泡z值最小，相應(yīng)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(yīng)的壓陷深度值最大，發(fā)泡最軟。MEASURED 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(shè)計(jì)Fig.2-26Establishing Design Coutour For Lumbar Region

35、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(shè)計(jì)曲線最低位置應(yīng)該在沿軀干線H點(diǎn)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(duì)人體提供合適的靠背支撐，需要根據(jù)不同的泡沫硬度調(diào)節(jié)曲線與靠背泡沫上端的交線數(shù)值，具體數(shù)值可以參見(jiàn)圖2-27以及圖2-28，這些數(shù)值測(cè)量時(shí)沿軀干線，并以H-點(diǎn)作為基準(zhǔn)。 Back Angle Line Design ContourSacrum AreaBSR LineTermination of Lumbar Region Contact

36、50mm Above H PointCushion to Back Bite LinePoint Z Back Angle Line Design ContourSacrum AreaBSR LineTermination of Lumbar Region Contact 50mm Above H PointCushion to Back Bite LinePoint Z圖2-27 腰托區(qū)域泡沫輪廓下端設(shè)計(jì)Fig.2-27Termination of the Lumbar Region LEVEL I 450470mm LEVEL I 460485mm LEVEL I 475500mmBSR

37、LineThoracic RegionBack Angle Line圖2-28腰托區(qū)域泡沫輪廓上端設(shè)計(jì)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(guò)制作LAYOUT這種形式進(jìn)行綜合分析，LAYOUT 形式有座椅舒適性、環(huán)境、座椅PACKAGING、安全性、運(yùn)動(dòng)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(guān)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、

38、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(zhuǎn)以后H點(diǎn)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(gè)項(xiàng)目可以根據(jù)不同的要求，制作相應(yīng)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 C

39、omfort Layout Section 2 LAYOUT截面圖一反映了通過(guò)座椅H點(diǎn)且垂直于人體軀干線的一個(gè)截面。截面圖二反映了通過(guò)人體中心區(qū)域的一個(gè)截面。兩個(gè)截面具體反映的信息見(jiàn)下圖。Back B-face PanelMear To Metal ClearanceFinBack STOBack foamWing Height35mm OffsetBack Insert WidthBack WidthH-點(diǎn)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(yīng)的信息如上

40、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?qū)挾?、靠背WING角度與WING高度。通過(guò)這張截面以及后續(xù)截面即垂直于軀干線且距離H點(diǎn)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(guān)信息。通過(guò)以上2個(gè)截面包括后續(xù)的相關(guān)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(guān)參數(shù)，可有利于開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行后續(xù)改進(jìn)。Back Pan

41、elBack STOBack FoamHeadrest STOShould ProminenceMax Mankina Penetration to Back STO Normal to TorsolBACK STO NORMAL TO TORSOMaxium Back Foam ThicknessMankin Penetration Intoback STONormal To Torso 100mm Above H-POINTFoam Thickness From STO Measured Normal To Torso 100mm Above H-POINTBack Bite LineEx

42、it Point Normal To TorsoCushion Bite LineExit Point Normal To TorsoMeet to metal DistanceLumbar ApexCushion LengthH/R HeightShould ExitTorso Angle ANGGLEHip AngleKnee AngleCushion AngleThigh Exit pointManikin Penetration IntoCushion STO Below H-POINTFoam ThicknessBelow H-POINTFrom STOFoam ThicknessF

43、rom 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)

44、劑、催化劑、泡沫穩(wěn)定劑、開(kāi)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(jié)構(gòu)的剛度應(yīng)該遵循上述的體壓分布原則進(jìn)行合理分配。在座墊長(zhǎng)度的2/3區(qū)域處，即乘坐時(shí)人體坐骨接觸部位的硬度應(yīng)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(yīng)該較小，以減小座墊彈性體對(duì)大腿的支撐力，避免壓迫大腿下面的血管和神經(jīng)。中間的硬度過(guò)渡則采用厚度的變化而實(shí)現(xiàn)硬度的合理分配，對(duì)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(lái)實(shí)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(yīng)該有一個(gè)密度共混區(qū)，這個(gè)共混區(qū)的存在，還可以大大的簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝。同樣道理，靠背的彈性元件結(jié)構(gòu)設(shè)

45、計(jì)，也應(yīng)該符合靠背體壓分布要求。為了阻止乘員橫向滑移，泡沫結(jié)構(gòu)中在座墊與靠背兩側(cè)增加翼狀結(jié)構(gòu)，增加這種結(jié)構(gòu)，能夠明顯提高兩側(cè)硬度，從而可以形成必要的橫向穩(wěn)定支承。對(duì)于泡沫而言評(píng)價(jià)的項(xiàng)目也相當(dāng)?shù)亩?，不同的主機(jī)廠會(huì)有不同的測(cè)試評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，部分測(cè)試項(xiàng)目見(jiàn)下表。表2-2座椅發(fā)泡部分測(cè)試項(xiàng)目Table 2-2Seating foam some test items試驗(yàn)項(xiàng)目單位主要部分主要側(cè)翼部分1硬度N176.5±19.6196±19.62密度g/cm30.040.043拉神強(qiáng)度kpa6.96.94撕裂強(qiáng)度N/cm4.94.95氣味試驗(yàn)3以下3以下1.裝置（1）強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)（INSTRO

46、N/SWICK設(shè)備）（2）圓型加壓板，（直徑200mmx厚度5mm的鋁制或鐵制，見(jiàn)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-Suface Testing PointB-Suface Testing Point圖2-34泡沫的主要測(cè)試區(qū)域以及測(cè)試方向Fig2-34 Foam Hardness testing Main Area and testing Direction3.測(cè)試區(qū)域: 見(jiàn)圖

47、2-344.試驗(yàn)條件：（1）試驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，原則上以JIS Z 8703中的標(biāo)準(zhǔn)溫度狀態(tài)（溫度1526）標(biāo)準(zhǔn)濕度狀態(tài)（濕度4585%）為基準(zhǔn)。（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(cè)試機(jī)的臺(tái)上，首先測(cè)定施加4.9N(約0.5Kgf）載荷時(shí)的厚度，將此厚度作為起始厚度。（2）以規(guī)定的壓縮速度采用圓型加壓板擠壓開(kāi)始厚度25%的距離，靜止后讀取經(jīng)過(guò)20秒鐘時(shí)的載荷，將此作為硬度，見(jiàn)圖2-35。圖2-35泡沫硬度測(cè)試設(shè)備以及操作過(guò)程Fig2-35 Foam Hardness testing Main Area and testing Directio

48、n2.5.2座椅面套的影響座椅面套對(duì)于消除長(zhǎng)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(diào)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(shí)為了調(diào)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(duì)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(shè)計(jì)時(shí)要避免在這些區(qū)域使人產(chǎn)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 S

49、ystem 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統(tǒng)與只安裝彈性元件的座椅系統(tǒng)，有經(jīng)驗(yàn)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

50、年，Akerblom18在他的專著中便有關(guān)于腰托裝置的描述，他在深入研究了人體的脊柱生理結(jié)構(gòu)以后，發(fā)現(xiàn)應(yīng)該對(duì)座椅設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)范，尤其強(qiáng)調(diào)需要在座椅的腰部區(qū)域增加支撐。自那時(shí)開(kāi)始，學(xué)術(shù)界在有關(guān)人機(jī)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(duì)于乘員舒適性的提高，更多方面是體現(xiàn)在對(duì)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2-37所示通過(guò)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(shí)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(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2-36?；仡櫄v史

51、Akerblom、Keegan以及其他先驅(qū)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(gè)堅(jiān)實(shí)的支撐物應(yīng)該加在第四以及第五腰部脊柱區(qū)域，Keegan則建議座椅在設(shè)計(jì)位置的時(shí)候靠背部分能夠形成一根支撐曲線，這根曲線應(yīng)介于人類站立與入座時(shí)兩種Lordosis自然脊柱曲線之間。因?yàn)橥ㄟ^(guò)長(zhǎng)期的觀察，他發(fā)現(xiàn)大部分腰部有障礙的患者更愿意斜著身子坐在座椅上。70年代的中期，Andersson測(cè)試了靠背伸肌以及腰部壓力值，他發(fā)現(xiàn)了人體站立時(shí)的壓力明顯小于坐姿下的壓力值。通過(guò)試驗(yàn)，Andersson發(fā)現(xiàn)了保持人體坐姿時(shí)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該遵守的法則。P

52、orter 與Norris也進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)，挑選一組測(cè)試者進(jìn)行腰托部位人體主觀舒適度的評(píng)價(jià)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)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(diǎn)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(yàn)狀態(tài)下均不能產(chǎn)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(diǎn)也間接驗(yàn)證了低于人體自然脊椎形狀的頂出高度更容易使人產(chǎn)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(guò)程。通過(guò)長(zhǎng)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(shí)自然脊椎腰部區(qū)域距離的一半

53、。為了驗(yàn)證使用腰托以后對(duì)于人體脊椎生理曲線產(chǎn)生的影響，porter進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)。測(cè)試者分為中等女性、中等男性、較小女性、較大男性等四組。測(cè)試座椅分別為一個(gè)帶腰托的座椅，一個(gè)不帶腰托的座椅。試驗(yàn)小組采用了sonic digitizer的儀器裝置用來(lái)記錄人體landmarks的位置，乘坐者頸項(xiàng)的彎曲曲率等。每個(gè)測(cè)試階段測(cè)試后的數(shù)據(jù)都會(huì)進(jìn)行處理，之后形成軀干與姿勢(shì)的輪廓，最后工程師對(duì)于投影到XZ平面的全部曲線進(jìn)行匯總以及比較19。圖2-38描述了該試驗(yàn)中所有測(cè)試點(diǎn)的位置以及需要測(cè)試的一些角度。TopheadTorso AngleGlabellaOccipuThroax AngleTop SternumBottom SternumPel