汽車駕駛座椅的人機(jī)工程學(xué)與舒適性

1、姓名：王桃英 學(xué)號： S0704111汽車駕駛座椅的人機(jī)工程學(xué)與舒適性隨著汽車的技術(shù)進(jìn)步及其普及,人們對汽車要求越來越高,越來越關(guān)注駕駛的舒適性。座椅的設(shè)計無法完全保證舒適性,但是可以減少引起不舒適性的因素,避免不舒適感覺的產(chǎn)生。1 汽車座椅舒適性的指標(biāo)體系設(shè)計 根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理,為保證良好的舒適性,針對靜態(tài)舒適性,設(shè)計中應(yīng)遵循以下原則: (1) 座椅應(yīng)可調(diào)節(jié),能使乘坐者變換姿勢,并大范圍滿足各類人體的乘坐要求;(2) 座椅應(yīng)能使乘坐者保持舒適坐姿,靠背結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)給腰部充分的支撐,使脊柱接近于正常彎曲狀態(tài)。(3) 座椅的尺度必須與相對的人體測量值配合;(4) 座椅的設(shè)計必須能提供坐在其上的

2、人體有足夠的支撐與穩(wěn)定作用; (5) 靠背,特別是在腰部的支撐,可降低脊柱所產(chǎn)生的緊張壓力;(6) 座墊必須有充分的襯墊和適當(dāng)?shù)挠捕?使之有助于將人體重量的壓力分布于坐骨結(jié)節(jié)附近。（7）座椅前緣處，大腿與椅子之間壓力應(yīng)盡量減少。據(jù)此,將座椅的特性分為幾何、調(diào)節(jié)及物理特性(見圖1) 。座椅的各種特性都會影響到乘坐舒適性。 2 座椅的研究現(xiàn)狀汽車駕乘人員經(jīng)常抱怨座椅在乘坐時不夠舒適，其主要原因有以下方面：首先，國產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型轎車多是國內(nèi)企業(yè)與國外企業(yè)合資的產(chǎn)品，大部分車型都是借鑒國外的同型轎車的技術(shù)開發(fā)設(shè)計而成，不論主要零部件，還是關(guān)鍵技術(shù)、工藝，甚至是座椅的外形尺寸都一并借鑒過來。而國外同型轎車座椅

3、的外形尺寸都是根據(jù)歐美人的體形而設(shè)計的，中國人和歐美人在人體結(jié)構(gòu)尺寸上存在著較大的差別，主要反映在轎車座椅上，因此，中國用戶乘坐國產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型轎車感覺極不舒適，這一缺點反映出國產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型轎車生產(chǎn)廠家對國外轎車技術(shù)的引進(jìn)停留在簡單仿制階段。其次，國產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型轎車座椅多采用價格低材料。這主要是經(jīng)濟(jì)型轎車生產(chǎn)廠家對經(jīng)濟(jì)型轎車概念的誤解，經(jīng)濟(jì)型轎車不僅僅價格低，更不是低質(zhì)低價的代名詞，經(jīng)濟(jì)型轎車應(yīng)該是老百姓的價格、配置上的實用和造型上的新穎這三大特點的集中體現(xiàn)。再次，國產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型轎車的座椅調(diào)整不方便且極易出現(xiàn)故障。可調(diào)性好的座椅，可以使乘坐者根據(jù)自己的體形特點和就座習(xí)慣調(diào)整轎車座椅，使乘客在轎車行駛過程中獲得最

4、滿意的乘坐效果，并最大限度地減輕乘客在長時間、長距離旅行中的疲勞。購車選座椅如同人們購鞋一樣，必須注意舒適性，每個人的身材各有千秋，每個人都有適合自己的座椅。一些轎車的座椅加上色彩、面料修飾后，看起來很漂亮，但不一定適合駕駛者。而有些座椅也許不怎么好看，但是坐上去后感到舒適，這遠(yuǎn)比外表好看重要的多。因為座椅的設(shè)計關(guān)系著人體健康。國外對于座椅的研究比較多，有從整體研究的，也有從座椅的各個側(cè)面作單項研究，各單項包括座高，靠背角，座面傾角，座寬，座深，靠背高度等。有些因家己經(jīng)制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。雖然如此汽車座椅中存在的問題仍然不少。2003年6月，德國一個叫“背部健康行動”的組織統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，40%的德國

5、人由于每天開車時間超過1個半小時，大多患有背部疾病，汽車座椅是重要的因素。他們根據(jù)一套健康標(biāo)準(zhǔn)對德國市場上的汽車座椅進(jìn)行測試，97%的項目不合。該組織的負(fù)責(zé)人德特延說，大多數(shù)廠商不愿在改進(jìn)座椅上下功夫，實際上生產(chǎn)適合人體健康標(biāo)準(zhǔn)的座椅并不困難。他說，一款好的汽車座椅，表面應(yīng)該足夠容納人的腿部，座椅還應(yīng)給人很好的支撐，不應(yīng)在車行過程中滑動。幾乎同時，英國科學(xué)家調(diào)查發(fā)現(xiàn)；汽車座椅不合理司機(jī)易患慢性病?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，人們忽視了座椅結(jié)構(gòu)的不合理，從而引發(fā)司機(jī)患上很多慢性病，例如脊柱側(cè)凸、神經(jīng)根炎。大批出租車司機(jī)的工作特點就是連續(xù)幾小時，甚至十幾個小時操縱方向盤，長時間接觸身體的座椅直接影響了司機(jī)的健康。

6、當(dāng)今市場上，中高檔轎車特別是進(jìn)口車的座椅非常講究，各有千秋。雖然沒有明確打出”健康座椅”的旗號，卻在這方面進(jìn)行了大量的科技研究?，F(xiàn)今的優(yōu)質(zhì)駕駛座椅，可以八方調(diào)節(jié)，配備有腰部支撐氣囊，面料透氣性能好，行駛過程中駕駛者會感到特別穩(wěn)定，當(dāng)然有益于健康。Volvo(富豪)汽車公司于1998年推出了WHIPS頭頸部保護(hù)系統(tǒng)，2000年以后，該系統(tǒng)成為所有車型的標(biāo)準(zhǔn)配置。盡管該系統(tǒng)旨在撞車時保護(hù)頸椎，這亦說明健康因素在座椅設(shè)計中比重的增加，這也是人機(jī)工程效應(yīng)在座椅設(shè)計中的很好應(yīng)用。Volvo汽車公司有專門的座椅設(shè)計專家工作組，目標(biāo)是利用人機(jī)工程學(xué)，設(shè)計出內(nèi)涵豐富并讓顧客感到得心應(yīng)手的汽車。努力使司機(jī)在”結(jié)

7、束長達(dá)一整天的駕車旅行之后，仍能感到像剛出發(fā)時一樣精神飽滿?！蔽譅栁止局袊N售部門的一位技術(shù)人員講，對于座椅健康目前國際上尚無具體標(biāo)準(zhǔn)，基本上都是企業(yè)自己的標(biāo)準(zhǔn)，都是以舒適為標(biāo)準(zhǔn)，但這個標(biāo)準(zhǔn)尚無量化，也難界定。不僅Volvo公司，美國通用汽車公司生產(chǎn)了一種可以由司機(jī)和乘客自我調(diào)節(jié)的汽車座椅。這一座椅中含有10個壓力可變化的空氣泡;對該座椅的調(diào)節(jié)是通過電腦控制完成的。乘客或司機(jī)坐在椅子上之后，可以根據(jù)自己的感覺向控制系統(tǒng)發(fā)出指令，說明身體的哪一部分仍然感到不太舒適。電腦將根據(jù)乘坐者的意見，并參照其內(nèi)存的關(guān)于如何使人體感覺舒適的信息，向座椅內(nèi)的空氣泡發(fā)出命令，調(diào)整氣泡的壓力和形狀，以使人體達(dá)到最

8、佳狀態(tài)。3 汽車駕駛座椅人機(jī)工程學(xué)3.1 人體坐姿生理特性分析（1）坐姿時脊柱的形態(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?？梢? 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。體壓分布是影響乘坐舒適性的重要因素,合理的體壓分布有利于全身肌肉放松,保證正常的血

9、液循環(huán)和神經(jīng)傳導(dǎo)。(3) 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脈分布, 故不宜承受受重壓。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。體壓分布不良會造成皮膚局部受壓,長時間乘坐局部會出現(xiàn)酸麻等疲勞癥狀。圖2 為坐姿時座墊上的體壓分布。 坐墊寬度/cm 圖2 坐姿時座墊上的體壓分布( 4) 靠背上的體壓分布?？勘成系捏w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

10、兩個部位向外, 壓力應(yīng)逐步降低。3.2 環(huán)境分析把駕駛員座椅組成的系統(tǒng)看作一個典型人機(jī)系統(tǒng), 該系統(tǒng)所處的環(huán)境對系統(tǒng)中的駕駛員的影響主要體現(xiàn)在振動及溫濕度上, 具體分析如下:( 1) 振動。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。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)達(dá)到一定限度時, 皮質(zhì)細(xì)胞的工作強(qiáng)度將減弱, 人就會感到疲勞, 工作效率明顯下降。( 2) 溫濕度。 座椅的溫、

11、濕度特性，即座椅和身體的貼緊部位的悶熱間題，也是在座椅評價中有重要影響的因素。尤其是在夏季，對于沒有冷風(fēng)的汽車是個特別重要的問題。其評價方法是，通過測定人在坐著時座椅表面的溫度(T：0C)和濕度(RH：%)進(jìn)行評價的。人置身于高濕度、高溫度的條件下,往往會感到渾身不適、四肢乏力, 工作不能持久。研究表明, 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1.02.0 met, 高于或低于這個范圍都會增加駕駛員的疲勞程度。駕駛座椅對駕駛員人體熱環(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

12、, 當(dāng)其溫濕度特性與人體生理機(jī)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。針對汽車座椅局部熱濕過高這樣的問題, 從改變結(jié)構(gòu)的方面考慮解決問題的途徑,即在座椅與人體接觸面下開槽,并強(qiáng)制通風(fēng)。這種方法可以降低汽車座椅與人接觸區(qū)域的溫度和相對濕度,提高局部熱舒適性。3.3汽車駕駛座椅人機(jī)工程學(xué)設(shè)計汽車駕駛座椅的人機(jī)工程學(xué)分析, 安全舒適的汽車駕駛座椅的設(shè)計必須滿足以下要求: 一是坐姿舒適性( 靜態(tài)舒適性) ; 二是振動舒適性( 動態(tài)舒適性) ; 三是操作舒適性; 四是安全性( 包括主動安全性及被動安全性兩個方面) 。上述要求具體到駕駛座椅的設(shè)計中滿足駕駛員坐姿舒適性的座椅尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計、

13、滿足駕駛員振動舒適性的座椅抗振減振設(shè)計、滿足操作舒適性的座椅空間位置設(shè)計以及滿足駕駛員的安全性的汽車駕駛座椅主動安全性及被動安全性的設(shè)計。3.3.1 座椅尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計駕駛座椅尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計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。( 1) 座椅尺寸設(shè)計。座椅尺寸設(shè)計主要參數(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3所示。 A. 椅面高度 B. 椅面寬度 C. 椅面深度D.靠背高度 .靠背傾角 .椅面傾角椅面高度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

14、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?？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。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。

15、座面后傾的作用有兩點:一是由于重力，驅(qū)趕后移，使背部抵靠靠背，獲得支持，可以降低背肌靜壓;二是防止坐者從坐緣滑出座面，這對于經(jīng)常處于震動顛簸環(huán)境中的駕駛員座椅非常重要。但是如果座面過分后傾，進(jìn)行駕駛操作時，脊椎因身體前屈而會被拉直，破壞正常的腰椎曲線，形成一種費力的姿勢，同時還會壓迫腹部，長期駕駛會造成生理上的傷害。因此傾角不能太大，一般為50 150。坐墊表面最好是與臀部形態(tài)相適應(yīng)。 座墊:坐姿狀態(tài)下，與座面緊密接觸的實際上只是臀部的兩塊坐骨結(jié)節(jié)，其上只有少量肌肉，人體重量的75%左右由約25cm2的坐骨周圍的部位來支承，這樣久坐足以產(chǎn)生壓力疲勞，導(dǎo)致臀部痛楚麻木感。若在座面上加上軟硬適度的

16、坐墊，則測試研究表明，坐于坐墊上的臀部壓力大為降低，而接觸支承面積也由900 cm2增大到1050 cm2，使壓力分散。坐墊的另一優(yōu)點是能使身體采取一種較穩(wěn)定的姿勢，讓身體可以適度地陷入坐墊。過硬的坐墊不足以起到預(yù)想的作用；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: 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。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

17、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(dá)到減輕疲勞的目的。3.3.2 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

18、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(qiáng)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。4 結(jié)束語對汽車座椅的綜合要求可歸納為:1、貼合感:座椅靠背和考點的形狀是否與人體背部、臀部、大

19、腿底面的形狀 相貼合。接觸面積和部位以及座椅的彈性遲滯損失特征與貼合感密切相 關(guān)。2、側(cè)向穩(wěn)定感:汽車轉(zhuǎn)向行使時乘坐者能受到座椅左右的適當(dāng)約束，避免人體橫向偏斜。側(cè)向穩(wěn)定感與座椅兩側(cè)形狀、壓力以及壓力分布等因素 有關(guān)系。適當(dāng)選擇側(cè)向壓力與總壓力 之比能改善側(cè)向穩(wěn)定感。3、腰椎依托感:腰椎依托感良好的座椅，其乘坐者容易獲得舒適姿勢。第3至第5腰椎部的力與靠背總壓力比適當(dāng)時，依托感有明顯改善。4、震動彈性感:與震動彈性感相聯(lián)系的是座椅的靜態(tài)剛度、共振頻率及衰 減特性。5、坐墊與靠背的軟硬感:可用392N佐夫和德靜態(tài)變形特性來反映，不得有 陷落的感覺。除上述要求外，汽車座椅不得有臀部滑落感、腹部壓迫

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