汽車駕駛座椅的人機工程學(xué)設(shè)計

1、汽車駕駛座椅的人機工程學(xué)設(shè)計作者：許英 朱序璋 楊宏剛    來源：汽車與安全摘要：本文以人因分析為手段，以設(shè)計出合理的駕駛座椅來滿足駕駛員人體安全、舒適為設(shè)計目標(biāo)，得到結(jié)論：駕駛座椅安全性設(shè)計應(yīng)著重考慮人（駕駛員）坐姿生理特性及人體對車內(nèi)振動、微氣候的反應(yīng)等兩大方面。并從主動安全性設(shè)計、被動安全性設(shè)計兩個方面詳盡分析了駕駛座椅安全性設(shè)計的思路，以期達到對汽車駕駛座椅的安全性設(shè)計提供一定的指導(dǎo)作用。 引言 汽車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。舒適而操作方便的駕駛座椅，可以減少駕駛員疲勞程度，降低故障的發(fā)生率1。汽車駕

2、駛員座椅設(shè)計優(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)計出合理的駕駛座椅來滿足駕駛員人體安全、舒適為設(shè)計目標(biāo)，得到結(jié)論：駕駛座椅安全性設(shè)計應(yīng)著重考慮人（駕駛員）坐姿生理特性及人體對車內(nèi)振動、微氣候的反應(yīng)等兩大方面。并從主動安全性設(shè)計、被動安全性設(shè)計兩個方面詳盡分析了駕駛座椅安全性設(shè)計的思路。 1. 人座椅系統(tǒng)安全性設(shè)計中人的因素分析 任何系統(tǒng)實際上都是人機系統(tǒng)，人機系統(tǒng)包括人、機、環(huán)境三個方面2。顯然駕駛員-座椅也屬于人機系統(tǒng)研究的范疇。人機系統(tǒng)的安全模式多以人的行為為主體，即以人為本。對人機系統(tǒng)的研究始于第二次世界大戰(zhàn)。在設(shè)計和使用高度復(fù)雜的軍事裝備中，人們逐步認(rèn)識到必須把人和

3、機器作為一個整體，在系統(tǒng)設(shè)計中必須考慮人的因素。 1.1 人（駕駛員）坐姿生理特性分析 （1）坐姿時脊柱形態(tài) 人坐著時，身體主要由脊柱、骨盆、腿和腳支承。脊柱位于人體的背部中央，是構(gòu)成人體的中軸。人處于不同的坐姿時，脊柱形態(tài)不同，只有座椅的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計使駕駛員的脊柱形態(tài)接近于正常自然狀態(tài)，才會減少腰椎的負(fù)荷以及腰背部肌肉的負(fù)荷，防止駕駛疲勞發(fā)生。 （2）坐姿體壓分布 當(dāng)座椅上的人處于坐姿狀態(tài)時，人的身體重量作用于座墊和靠背上的壓力分布稱作坐姿的體壓分布3?？梢姡梭w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

4、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分布，即在坐骨處壓力最大，向四周逐漸減少，自大腿部位時壓力降至最低值，這是座墊設(shè)計的壓力分布不均勻原則。圖1為坐姿時座墊上的體壓分布4。 圖 1坐姿時座墊上的體壓分布 靠背上的體壓分布 靠背上的體壓分布也以不均勻分布，壓力相對集中在肩胛骨和腰椎兩個部位。從這兩個部位向外，壓力應(yīng)逐步降低。 1.2 人體對車內(nèi)振動、微氣候的反應(yīng) （1）人體對振動的反應(yīng) 駕駛員坐在行使中的汽車上所承受的振動屬于全身振動的范疇。 有關(guān)研究表明，人體最敏感的頻率范圍為縱向振動48Hz，橫向

5、振動12Hz。當(dāng)外界振動接近器官的共振頻率時，即產(chǎn)生共振，振幅迅速增大，此時引起器官的生理反應(yīng)最大。外界振動傳入人體時所引起的增大或減弱效應(yīng)與身體在振動系統(tǒng)中的姿勢有關(guān)，一般來說，坐姿工作時，由于人腿的減振作用大大降低，抗振性要比站姿工作時差，特別是脊柱和胃部受到振動的損害，因此坐姿作業(yè)者容易產(chǎn)生脊柱損傷和胃病這兩種職業(yè)病。 振動對駕駛員操作的影響主要表現(xiàn)為視覺作業(yè)效率的下降和操作動作準(zhǔn)確性變差。當(dāng)振動頻率低于2Hz時，由于眼肌的調(diào)節(jié)補償作用，使視網(wǎng)膜上的映像相對穩(wěn)定，因此對視覺的干擾作用不大，但當(dāng)振動頻率大于4Hz時，視覺作業(yè)效率將受到嚴(yán)重的影響，振動頻率為1030Hz時，對視覺的干擾最大，

6、振動頻率為50Hz、加速度為2m/s2時，視覺下降約50%。振動對操作動作準(zhǔn)確性的影響，主要是由于振動降低了手（或腳）的穩(wěn)定性，從而使操縱動作的準(zhǔn)確性變差，而且振幅越大，影響越大。另外人體在振動環(huán)境中會加速疲勞過程。當(dāng)振動環(huán)境中的振動特性處于人體神經(jīng)系統(tǒng)的敏感區(qū)域時，這種刺激頻繁傳入大腦皮質(zhì)，引起大腦皮質(zhì)細(xì)胞興奮。當(dāng)達到一定限度時，皮質(zhì)細(xì)胞的工作強度將減弱，人就會感到疲勞，工作效率明顯下降。 （2）微氣候 研究表明5,駕駛員在駕駛狀態(tài)下的舒適溫度為1823，舒適濕度為40%60%，代謝量為1.02.0met。座椅對人體熱環(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

7、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機能不適應(yīng)時將引起人體局部不快感，從而加速人體疲勞的形成。 2. 駕駛座椅安全性設(shè)計 基于以上分析，以人體舒適性、安全性為目標(biāo)進行駕駛座椅安全性設(shè)計。 2.1 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)計主要從減輕駕駛員的疲勞入手進行分析設(shè)計，以滿足主動安全性要求。如前論述，主動安全性主要考慮合理的座椅尺寸設(shè)計、座墊上合理的體壓分布、靠背上合理的體壓分布等為駕駛員提供一個舒適的作業(yè)環(huán)境，減輕駕駛員的疲勞，從而保證駕駛座椅主動安全性的設(shè)計要求。 （1）座椅尺寸設(shè)計 駕駛座椅尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計

8、的研究把注意力集中在人體生理結(jié)構(gòu)特點對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、輪廓形狀及材料選擇。 座椅尺寸設(shè)計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)計主要參數(shù)椅面高度A：椅面高度定義為椅面前緣至駕駛員踵點的垂直距離。在設(shè)計時主要考慮到兩點：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

9、勢，通常設(shè)計應(yīng)以滿足最寬人體需要為準(zhǔn)。 椅面深度C：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。 靠背高度D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。 靠背傾角：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

10、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。 圖3舒適坐姿的關(guān)節(jié)角度（2）座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計 為了保證座墊上合理的體壓分布，座墊應(yīng)堅實平坦。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4：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，容易差生疲勞。 依據(jù)靠背上體壓分布不均勻原則，在座椅靠背設(shè)計時應(yīng)保證有靠背兩點支承即就是人體背部和腰部的合理支承。汽車座椅設(shè)計時應(yīng)提供形狀和位置適宜的兩點支承，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

11、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。 （3）座椅材料選擇 座椅材料的選擇主要考慮到以下兩個方面：振動舒適性以及座椅對人體熱環(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傳遞率，使座椅有較高的振動舒適性，必須采用合適的座墊和靠背減振材料。 根據(jù)駕駛室的微氣候環(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，達到減輕疲勞的目的。如提高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，以及在中高檔汽車中采用主動通風(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

12、措施均能改善座椅表面的溫濕度特性，減輕駕駛疲勞。 2.2座椅振動舒適性設(shè)計 座椅材料是座椅的主要減振元件，那么在座椅振動舒適性設(shè)計時首先要考慮的就是從座椅材料的選擇上下功夫來保證座椅振動舒適性。 座椅的結(jié)構(gòu)形狀也不同程度的影響其振動舒適性。由于椎間盤有較大的壓縮潛力和很好的彈性，所以脊柱具有忍受較強的縱向振動的能力。在橫向上，脊柱只有前縱韌帶分別附在腰間盤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)計座椅時必須使其具有抵抗橫向振動的能力。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，可緩沖橫向振動對人體的沖擊，同時靠背兩側(cè)稍隆起、椅面的形狀

13、(如圖2)兩邊向上隆起，也能減輕人體的橫向移動趨勢，使人感覺乘坐舒適。 2.3 座椅空間位置設(shè)計 座椅空間位置設(shè)計就是為了達到操作舒適性的目標(biāo)，而進行駕駛座椅空間位置設(shè)計以確保駕駛員有良好的視野，同時對汽車轉(zhuǎn)向盤、腳踏板等操作部件有恰當(dāng)?shù)牟僮饕缶嚯x，以達到操作舒適性的最終目的。圖4列出了駕駛作業(yè)空間設(shè)計的主要指標(biāo)。 圖4駕駛作業(yè)空間設(shè)計的主要指標(biāo)2.4 駕駛座椅被動安全性設(shè)計 被動安全性是指事故發(fā)生時，保護乘員的能力。駕駛座椅作為安全部件，是汽車被動安全性設(shè)計的主要考慮部件之一。考慮提高駕駛員的人身安全性，汽車駕駛座椅被動安全性設(shè)計目標(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)，并防止其他車載體進入到這個空間； （2） 要保持駕駛員在事故發(fā)生時，保持一定的姿態(tài)，以使其他的約束系統(tǒng)能充分發(fā)揮其保護效能； （3） 在事故中，使得事故后果對駕駛員的傷害降低到最小限度。 目前采取的主要安全措施：提高座椅骨架強度，達到汽車駕駛座椅強度的要求值；設(shè)置