基于安全人机工程学的汽车座椅系统设计与优化

目录 绪论    1 第一章 座椅系统的安全性功能分析    3 第二章 座椅设计与驾驶疲劳的关系分析    4 2.1 人体坐姿生理特性分析    4 2.2 人体坐姿的压力分布    5 2.3 人体对车内振动的反应    5 2.4 人体对微天气的反应    6 第三章 座椅的安全性设计    7 3.1 靠背设计对安全性的影响    7 3.1.1 靠背形状    7 3.1.2 靠背倾角    7 3.1.3 靠背高度    7 3.2 安全性对座垫的要求    8 3.2.1 座垫高度    8 3.2.2 座垫宽度    8 3.2.1 座垫深度    8 3.2.2 座垫倾角    8 3.3 头枕的安全性设计    9 3.4 座椅总成强度设计    9 第四章 结论    10 参考文献    11 绪论 随着汽车日益普及以及购买者对汽车安全的意识的增强，国内外汽车厂商也把汽车安全性设计列入了重中之重。汽车整车的安全性的好坏不仅取决于汽车底盘和车身，内部其他部件也起着主导作用。汽车座椅作为汽车部件之一不仅为乘员提供了舒适而且还在汽车受到意外碰撞过程中提供了安全保障。现代汽车座椅的机械结构主要由头枕、靠背、座垫、滑道等总成组成如图1所示。座椅的主要功能是支撑驾驶员及乘坐人员的身体，减缓路面不平传给人体的冲击并减 弱由此而引起的振动。给驾乘提供舒适、安全的乘坐条件和便于驾驶操作的良好的工作条件 。 人是人机系统中最重要、最活跃的环节，同时也是最难控制的环节。从人的方面入手设计机械系统才能达到更加合理的效果，设计出的产品才能有使用的价值。人类一天的姿势主要有坐、躺、站三个动作。无论是居家、工作、交通还是休闲，坐着的时间占其中的相当大的比率。在当今社会中，汽车在人的生活中有着相当大的作用，工作、休闲、外出都离不开乘坐或是驾驶汽车。随着经济水平的提高，汽车价格相对于一般的家庭来说亦不是遥不可及。许多家庭都拥有私家车，这在大大方便了人们生活的同时，一些由于乘坐和驾驶的引发的健康问题也相继出现。究其原因，汽车座椅难逃干系。 作者通过查阅资料发现目前市场上的汽车座椅缺乏设计，有的是根据以往的经验值来进行座椅的尺寸调整和实际进行的反复的大量的“路试”最终得到一个比较合理的尺寸；有的是将国外引进的汽车座椅的尺寸照搬进行“仿制”设计。而实际中对于座椅设计的相关研究和设计方法没有特别的和规范。本研究从对座椅的使用者的调查以及亲身进行的市场调查得来的结果进行分析总结，得出设计的关键所在是“为人设计”，根据对用户的分析得出设计目标并进行实际的设计工作。 第一章 座椅系统的安全性功能分析 汽车座椅作为安全部件是在被动保护中起决定性作用的组成部件。首先，在事故中它要保证乘员处在自身的生存空间之内，并防止其他车载体进入到这个空间。其次，要使乘员在事故发生过程中保持一定的姿态，以使其他的约束系统能充分发挥其保护效能。除了防止事故发生的功能，座椅还应具有在乘员与其发生碰撞时(在事故中乘员与车内部发生的碰撞称为 二次碰撞”)，使对乘员的伤害减轻到最低的性能，即能吸收乘员与之碰撞的能量。座椅安全功能失效时可引起以下几种形式的乘员伤害： a.在正面碰撞中，座椅与车身连接强度不够，座椅脱离车体，使乘员逸出其生存空 间。如果后排乘员未受约束，前排座椅靠背强度不足，后排乘员的惯性力击溃前排座椅，使前排乘员受到伤害；前排座椅强度太高，又会对后排乘员在与之相撞时产生伤害；座椅的乘坐外廓设计不当，在前方碰撞时会使乘员沿座椅下滑，使腰部安全带移到浮肋以上(即所谓的 潜水”现象)，这是极为不利的约束姿态。 b.在后部碰撞中，如果头枕设计过低或与靠背的相对位置设置不当会引起胸部与 头部的加速度差，作用在颈部上的这个差值超过一定程度后会对乘员造成致命伤害。前 排座椅靠背的强度不足，会在其本身质量及乘员质量的惯性力作用下向后发生较大的弹 性变形以至塑性变形，失去对乘员的支撑作用，使前排乘员射向后排座椅或后窗，并伤及后排乘员。汽车座椅的安全性设计目标就是避免上述诸种不利情况的发生。 第二章 座椅设计与驾驶疲劳的关系分析 交通事故统计分析表明，疲劳驾驶是造成交通事故的主要原因之一。驾驶座椅是影响驾驶与乘坐舒适程度的重要设施，对于减少驾驶员疲劳程度，降低事故发生率有重要作用，汽车驾驶员座椅设计优劣与否直接关系到驾驶质量与安全[1]。人机工程学是一门综合性较强的新兴交叉学科，它是从人的生理和心理特点出发，研究人、机、环境相互关系和相互作用的规律；其目的是让人在使用机械的过程中，感到“安全、健康、舒适、高效”。汽车设计是否符合人机工程要求，不仅关系到有效利用车内空间及提高乘用舒适性，而且影响整车内外造型和尺寸参数，进而影响整车性能和市场竞争力。 2.1 人体坐姿生理特性分析 人处于不同的坐姿时，脊柱形态不同，只有座椅的结构和尺寸设计使驾驶员的脊柱形态接近于正常自然状态，才会减少腰椎的负荷及腰背部肌肉的负荷，防止驾驶疲劳发生。在坐姿状态下，支持人体的主要结构是脊柱、骨盆、腿和脚等。最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移，使上体略向上后倾斜，保持上体与大腿间角在90°～115°，同时，小腿向前伸, 大腿与小腿、小腿与脚掌之间也应达到一定角度，如图2所示，否则会造成腰部酸痛、疲劳等不舒适的感觉。此时，腰椎、骶骨和椎间盘及软组织承受坐姿时上身大部分负荷，还要实现弯腰扭转等动作( 图3)，对设计而言，这两部分最重要。 图 2 舒适的坐姿关节角度                          图 3 脊柱的形状及组成  2.2 人体坐姿的压力分布 人体的质量在靠背和坐垫上的压力分布叫坐姿的体压分布。根据人机工程学的研究，最舒适的坐姿分布应保证：人体的大部分质量应以较大的支承面积、较小的单位压力合理地分布到坐垫和靠背上；压力分布应从小到大平滑地过渡，避免突然变化。图4所示为人体的靠背和坐垫上最适宜的体压分布。由图可见，人体质量作用在座椅上的压力并非均布，由前面分析可知，舒适的坐姿是肩部和臀部同时支撑身体质量，因而应根据各部位在产生不舒适感觉之前所能承受压力的大小予以合理的分布。坐垫上的体压分布应使坐骨部分承受的压力最高，由坐骨周围扩展到臀部外围，压力逐渐降低，直到与坐垫前缘接触的大腿下平面趋于最低值。靠背上的体压分布则应以肩胛骨和腰椎骨两个部位的压力最高。这就是靠背设计中所强调的“两点支撑”。 图 4 座椅各部位的受力图 2.3 人体对车内振动的反应 有关研究表明，人体最敏感的频率范围为纵向振动4～8Hz，横向振动1～2Hz。当外界振动接近器官的共振频率时，即产生共振，振幅迅速增大，此时引起器官的生理反应最大。外界振动传进人体时所引起的增大或减弱效应与身体在振动系统中的姿势有关，一般来说，坐姿工作时，由于人腿的减振作用大大降低，抗振性要比站姿工作时差，特别是脊柱和胃部受到振动的损害，因此坐姿作业者轻易产生脊柱损伤和胃病这两种职业病。振动对驾驶员操纵的影响主要表现为视觉作业效率的下降和操纵动作正确性变差。当振动频率低于2Hz时，由于眼肌的调节补偿作用，使视网膜上的映像相对稳定，因此对视觉的干扰作用不大，但当振动频率大于4Hz时，视觉作业效率将受到严重的影响，振动频率为10～30Hz时，对视觉的干扰最大，振动频率为50Hz、加速度为2m/s2时，视觉下降约50%。振动对操纵动作正确性的影响，主要是由于振动降低了手（或脚）的稳定性，从而使操纵动作的正确性变差，而且振幅越大，影响越大。另外人体在振动环境中会加速疲惫过程。当振动环境中的振动特性处于人体神经系统的敏感区域时，这种刺激频繁传进大脑皮质，引起大脑皮质细胞兴奋。当达到一定限度时，皮质细胞的工作强度将减弱，人就会感到疲惫，工作效率明显下降。 2.4 人体对微天气的反应 人置身于高湿度、高温度的条件下，往往会感到浑身不适、四肢乏力，工作不能持久研究表明,驾驶员在驾驶状态下的舒适温度为18℃～23℃，舒适湿度为40%～60%，代谢量为1.0～2.0met。座椅对人体热环境的主要影响因素有：座椅表面的温度和湿度。座椅表面的温湿度特性将影响人体背部、臀部、下体等部位的散热性能及皮肤的呼吸功能，当其温湿度特性与人体生理性能不适应时将引起人体局部不快感，从而加速人体疲惫的形成。 第三章 座椅的安全性设计 汽车座椅设计的首要任务是满足安全性的要求,座椅安全性的设计内容包括:靠背、座垫、头枕、座椅总成强度等设计参数。 3.1 靠背设计对安全性的影响 3.1.1 靠背形状 据国外有关文献介绍,在中低等速尾部撞车时,不管靠背为何倾角,即使乘员没有佩带安全带,桶式座椅均可有效地承载乘员,使其不致于抛出座椅,形成二次碰撞。采用桶式座椅可有效地抑止侧面碰撞时人体的侧向滑动,无论是直线行驶还是弯道行驶,驾驶员两侧均有稳定的支撑,可以减轻驾驶人员的压力,更加集中精力操纵汽车。随着车速的提高和安全性要求的严格,桶式座椅将广泛地用于汽车座椅设计中。 3.1.2 靠背倾角 汽车在发生严重的尾部撞车时,会发生乘员沿座椅靠背向上窜动的现象,这种现象有可能使乘员头颈部与汽车内部结构发生二次碰撞。乘员向上窜动的趋势与靠背倾角、碰撞的严重程度、乘员的初始位置等因素有关,靠背倾角越大,越容易发生上窜现象。试验表明佩带安全带后,可有效地抑止这种现象。从安全性考虑希望靠背的初始倾角取小些,驾驶员座椅靠背倾角约为95°～105°,乘客座椅靠背倾角约为100°～115°。 3.1.3 靠背高度 靠背高度是指座垫上平面(空载时)至靠背上端平行于靠背平面的尺寸,相关人体尺寸是座垫上平面至肩高尺寸(女子5百分位为518mm,男子50百分位为598mm,男子95百分位为641mm)。靠背高度过低,乘员得不到可靠的肩靠,靠背高度过高,影响驾驶员的后方视野。对于不带头枕的座椅而言,靠背高度应为620mm,对于有头枕的座椅,头枕的设计高度为780mm,并可以上、下调节高度,调节范围为680～830mm。 国外有关统计数据表明,尾部撞车事故占全部汽车事故的12.1%,而人员伤亡则占伤亡总数的23.3%。因此,在汽车速度日益提高的情况下,趋于一致的看法是在靠背上加头枕,加上头枕后,可以减少尾部撞车事故中10%～20%的乘员头颈伤害,其中整体式头枕比可分离式头枕作用更佳。 3.2 安全性对座垫的要求 3.2.1 座垫高度 座面高度应使驾驶员大腿接近水平、小腿自然放置，即保证不因椅面过高而使大腿肌肉受压，又保证不因椅面过低而增加背部肌肉负荷。 3.2.2 座垫宽度 座宽必须能容纳身材粗壮的人。参考尺寸为臀宽，以女性群体尺寸上限为设计依据;为使驾驶员能调整坐姿，座宽取适当大于臀宽。座宽亦不能太大，否则肘部必须向两侧伸展以寻取支承，这样会引起肩部疲劳。另外座宽受车宽的限制。 3.2.1 座垫深度 座垫深度设计的原则是在充分利用靠背的情况下,使臀部得到合理的支承。人体在坐姿状态下的支撑机构为:脊柱、骨盆、腿和脚,椎骨下为骨盆,骨盆由骶尾段与髋骨构成,髋骨下部为坐骨。如果安全带约束骨盆,则约束力通过骨盆传至坐骨,这样,骨盆下坐骨与小腿足部构成了稳定的人体支撑,因此,从舒适性和安全性考虑安全带应约束骨盆而不应约束腰椎。据上分析,座垫深度不应该超过人的大腿长度。座垫深度过大时,为使小腿着地,人体躯干不得不前移,结果腰部没有得到支承,且被安全带所束缚,易造成腰部疲劳;在发生撞车时,安全带在腰椎上作用一个很大的冲击力,使乘员严重受伤。因此,从安全性方面考虑,为适于大多数人的需要,座垫深度应按臀部至大腿表面全长3/4的尺寸来设计。对于座垫深度不可调座椅,座垫深度设计为430mm,对于座垫深度可调座椅,调节上限为470mm,调节下限为380mm。 3.2.2 座垫倾角 驾驶员座椅一般采用三点式安全带,在发生正面撞车时,腰带对驾驶员的约束加紧,可以较好地保护乘员。而发生后部撞车时,情况则相反,此时腰带有下滑的趋势。为遏制这种趋势,驾驶员座椅座垫倾角向上,撞车时,惯性力使大腿绕H点向上转动,这种运动阻止了腰带的下滑,这样,安全带就可以更好地约束人体。所以,从安全性考虑,希望座垫倾角做大些,车速越高其驾驶员座椅座垫倾角也就越大。但座垫倾角过大,则操纵力将减小,且对乘坐舒适性也不利,因此,座垫倾角的选取应兼顾安全性和舒适性,一般座垫倾角以选取4°～8°为宜。 3.3 头枕的安全性设计 头枕在汽车尾部撞车时,能限制人的头部向后运动,避免脊髓受损导致截瘫。当发生尾部撞车时,乘员头部强烈撞击头枕,同时头枕对人体头部产生一个很大的冲击力,为使头枕很好地保护头部,头枕应当有一定弹性,能很好地吸收能量,具备缓冲功能,减少头部的减速度。对于头枕高度,应以50百分位作为设计高度,头枕在靠背上角度最好可以调节,以便使人的头部与头枕充分接触。 3.4 座椅总成强度设计 汽车座椅作为联系人—车的一个重要部件,承受着复杂的载荷。一方面,汽车行驶在凹凸不平的路面上,产生车体的随机振动,对汽车座椅产生随机动载荷,它是汽车座椅骨架疲劳破坏或其它破坏的主要原因;另一方面,汽车行驶的工况很复杂,如起步、加速、制动、减速、撞车等,在这些情况下,汽车座椅承受着很大的冲击载荷,尤其是撞车时,作用于座椅上的冲击力将非常大,很可能造成骨架断裂,严重变形或使调节机构失灵。因此,汽车座椅必须有足够的强度,以确保: (1)座椅上的人所受的伤害最小； (2)座椅的寿命应足够长,不致过早变形或损坏； (3)受冲击载荷作用时,座椅不应发生断裂、严重变形等损坏现象。 所以,设计座椅时必须对汽车座椅固定强度、安全带固定点强度进行计算,必须对靠背加载座椅强度、头枕加载时的座椅强度进行试验,尽量以最少的材料、最小的质量满足强度要求。 第四章 结论 汽车座椅设计的首要任务是满足安全性的要求,其次才是满足高舒适性、低成本、质量小及美观等要求。人机工程学应用于汽车座椅设计,能使座椅符合人体需求,从而保证乘坐和驾驶的舒适性和行车安全性。能提高人车接口的设计水平。随着数字化设计应用的不断深入,人机工程应用在汽车设计中的方法也更加精确,人机工程学将更注重人的信息处理能力,更注重人—机—环境的完整研究,并运用系统论、信息论等新兴科学来研究这个新的系统,以创造出更适合于人类使用的汽车,使人机系统的综合效能达到最佳水平。 由于本人自身水平的限制，文章中还存在着不尽人意的地方，在以后的工作和学习中进一步对汽车座椅做很深入的研究。主要有这些方面：驾驶座椅与疲劳的关系分析，座椅的安全性设计研究。驾车人无论做短途还是长途旅行都要求座椅十分舒适；座椅的设计必须能适应各种身材和高度的男女驾车人；座椅的强度必须保障乘驾人员在非极限条件下身体安全。 以上是作者对自己研究成果的概括。作者针对自己的研究结果对未来的座椅设计研究提出了几点建议和展望。座椅的研究对于人体和驾驶安全都有着重要的和关键的作用。虽然人们对于座椅的研究己经有很长的历史，但是设计的方法仍存在争议。汽车驾驶座椅人机工程学研究是一个系统的工程，需要应用到目前各种先进的技术和方法。未来的汽车必将走进每个人的家庭，“为人的设计”将引导产品设计的潮流。 参考文献 [1] 谢庆森，王秉权。安全人机工程学[M] . 天津：天津大学出版社。 [2] 周美玉，工业设计应用人类工程学[ M] . 北京: 中国轻工业出版社。 [3] 温吾凡，汽车人体工程学[M] . 长春：吉林科技出版社。 [4] 张洪欣，汽车设计. 北京:机械工业出版社。 [5] 武一民，阎世竟 . 从安全性谈汽车座椅系统参数设计[J]。 [6] 袁修干，人机工程[M] . 北京：北京航空航天大学出版。