汽车座椅的人机工程学设计与分析

     汽车在行驶中,驾驶员坐在座椅上对汽车进行操纵，汽车座椅的舒适性、安全性和在座椅上易于操纵方向盘,踏板和按钮开关等就显得十分重要.在现代汽车产品设计中,应从人机工程学出发,寻求一种“人 - 机 - 环境”和谐、统一和协调。如何运用人机工程学原理, 使现代汽车为驾驶员提供安全、舒适、高效而又方便的工作空间,进一步提高工作效率和降低事故发生率, 是目前汽车产品设计中值得深入探讨的问题，同时人机工程学因素也是企业提高其竞争力的手法之一。

1 汽车人机工程设计的任务和要求

汽车的设计开发必须围绕以人为中心的人性化前提展开。所以汽车人机工程设计的任务就是开发出使驾驶者感到操作方便、高效、不易疲劳、舒适、安全的汽车产品。由于驾驶者身材各异，而一种汽车的布置尺寸只有一种，要使一种操纵件的布置能最大限度地满足不同身材驾驶者的手脚伸及性与姿势舒适性的要求，必须对人机工程进行仔细研究。例如，同是操纵油门踏板，高个子驾驶者比矮个的座椅要靠后一些，但他们的手臂和腿的长度相差并不大，因此，高大的男人比娇小的女人更不易触到仪表板（如图 1）。对操作姿态来说，通过试验研究，有座椅、踏板和方向盘的位置以及驾驶姿势参数的变化得到了驾驶者的舒适特性(如图 2)。

2 汽车座椅的人机工程设计

2.1 座椅的人机工程学综合要求可归纳为：

2.1.1 贴合感：要求座椅靠背和座垫的形状与人体背部、臀部及大腿底面的形状贴合。贴合感强的座椅将有利于改进接触面积和部位。

2.1.2 横向稳定性：汽车转弯时，人体承受横向加速度，为了提高乘员的身体保持性，要求座椅的侧面稍加高，以便两跨和大腿部能轻轻支承身体。

2.1.3 背部和腰部的合理支承：汽车座椅设计时应提供形状和位置适宜的两点支承，第一支承位于人体第 5- 6 胸椎之间的高度上，作为肩靠能减轻颈曲变形；第二支承设置在腰曲部位，作为腰靠，能保证乘坐姿势下近似于正常的腰曲弧线。

2.1.4 各部合适的软硬感：座椅最重要的作用是支撑乘员的身体，不能只是一把安乐椅，表面硬一些的座椅不易使人疲劳，但与身体不是特别贴合的硬座椅会压迫身体的某一部分，使疲劳感倍增。

2.1.5 振动舒适性：与之相联系的是座椅的静态刚度、共振频率及衰减特性。除上述要求外，汽车座椅不得有臀部滑落感、腹部压迫感、脊背部弓形感等。

2.2 座椅的结构参数

汽车座椅的舒适性通常包括振动舒适性、坐姿舒适性和操作舒适性。振动舒适性一般不能只靠尺寸参数来保证，而驾驶席的坐姿舒适性和操作舒适性以及乘员席的坐姿舒适性则应通过座椅的结构和尺寸参数得到相应程度的保证。座椅的尺寸结构参数可参考驾驶或乘坐姿势下人体尺寸的测量值加以确定。

2.3 人体模模板在车辆座椅设计中的应用

利用人体模版考察车辆室内主要人机工程学设计参数，用以了解和评价汽车的人机工程设计。以人体参数为基础建立的人体模型是描述人体形态特征和力学特性的有效工具，是对人机系统进行考察研究、分析评价、试验设计不能少的重要辅助手段。目前 SEAJ826 人体模板是车身布置常用的（如图 3），这种人体模板是根据人体测量数据进行处理和选择而得到的标准人体尺寸来制作的。将人体模版置于 1：1 模型或样车的作业空间内，或将二维人体模型置于设计图纸的相关位置，可用于校核设计的可行性和合理性。结合精确的人体模版中各种主要的人体参数，按照一定的经验理论，考察汽车室内主要人机工程学设计参数。根据人体模板的标准参数，包括人体静态尺寸（主要是坐寸）、功能尺寸（坐姿活动范围尺寸）、作业尺寸（主要是手部、脚部的力学参数）等，确定相应的汽车车厢空间、座椅位置、转型盘、操控台、扶手等设计参数。具体分类上主要是人体的舒适性设计参数（座椅、室内空间等），操作性设计参数（方向盘、控制台、扶手、脚踏板等）以及安全性设计参数等。

2.4 座椅布置

根据人体的舒适性坐姿和汽车设计对人体的布置要求对座椅进行布置并确定座椅与操纵装置的相对位置；按舒适坐姿选择座椅的座面高度、座宽、座深、座面倾角、靠背的高、靠背与座面夹角；按汽车中利用人体样板进行人体布置的原则，来确定座椅与操纵装置的相对位置，确定出座椅与方向盘和加速踏板的相对位置，同时确定座椅的水平调节量和垂直调节量。

2.5 人体压力在座椅上的分布

人体与座椅之间的压力分布称为坐姿的体压分布，坐姿的体压分布是影响乘坐舒适性的重要因素。人就坐时，身体重量的大部分（约 80%）经过臀部、背部隆起部分及其附着的肌肉压在座椅面上。座椅各部位的受力分布如图 4。

2.6 座椅的设计要求

2.6.1 有良好的静态特性，即：座椅的尺寸和形状应使人体具有合适的坐姿，良好的体压分布，触感良好，并能调整尺寸与位置，以保证乘坐稳定、舒适，操作方便。

2.6.2 有良好的动态特性，以缓和与衰减由车体传来的冲击和振动，保证驾驶员能较长时间工作而不感到疲劳。

2.6.3 结构紧凑，外形与色彩应美观、大方，与车体内饰相协调，尽可能减轻质量，降低成本，有良好的结构工艺性。

2.7 驾驶座椅的静态舒适性设计

座椅的静态舒适性设计须考虑的因素很多，可以概括为以下基本原则：a.座椅的形式和尺度与其功用有关；b.座椅的尺度必须参照人体测量学数据确定；c. 座椅可适当调节，以满足坐姿变换；d.座椅所使用的材料应适

应人体的舒适性；e. 座椅的位置要与其作业空间相协调，便于人员作业。由坐姿生物力学分析，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°~105°。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，进行驾驶座椅设计，不能不考虑驾驶室特定的范围和环境。人体关节的舒适性是进行驾驶室设计的主要考虑因素，图 5 表示的是驾驶室人体各关节之间的关系。另外，座椅饰面采用棉织品，因为棉织品具有良好的弹性和伸缩性，而且耐磨，具有良好的透气性和透视性。这些特点较之皮革、人造革等材料都要好。另外为了驾驶员的安全，座椅需要有好的稳定性。皮革和人造革虽然比较美观，擦拭起来比较方便，但是皮革的防滑脱效果差，在车辆转弯或者紧急刹车的过程中给驾驶员带来不稳定的因素。所以综合考虑座椅饰面采用棉织品。由于汽车驾驶的特点，在驾驶座椅设计时还应考虑座椅与空间的协调问题，驾驶空间以坐姿空间为依据。图 6 列出了驾驶作业空间设计的主要指标。

2.8 驾驶座椅的动态舒适性设计

驾驶座椅动态舒适性主要与振动特性有关。对于有悬架的座椅系统，影响其动态特性的因素有:座垫的刚度和阻尼系数，悬挂系统连接件的摩擦；对于非悬架座椅系统主要考虑座垫的刚度、阻尼以及座椅刚架结构的动态性能。刚度决定座椅的共振频率，而阻尼系数决定座椅的振动衰减特性。虽然座椅系统的质量和结构连接件的摩擦会影响整个系统的动态性能，但由于质量和摩擦受其他因素限制而不会变化太大，所以，刚度参数与阻尼系数就成为影响整个座椅系统动态性能的主要因素。影响驾驶疲劳的振动主要是行驶中因道路凸凹不平而引起车辆随机振动和车辆本身的机械振动。驾驶员收到纵向、横向及垂直方向的直线振动，以及绕这 3 个方向的角振动。其中垂直振动和绕纵、横坐标轴的角振动对人体的影响较大。振动通过座椅传递到人体的臀部、后背部而引起全身性振动。因此，在设计汽车座椅时应尽量隔离人体敏感的振动。在座椅设计中可采取如下措施：减小座椅共振频率，减低对人体最有影响的高频区；降低共振时的振动传递率；降低乘员 10Hz附近的振动传递率，以减轻弹簧以下的共振的影响和减少来自座椅靠背的高频振动；把路面一轮胎、悬架、座椅一人三者看作一个整体大动力学系统，寻求在各种路面随机输入情况下使乘员不易疲劳的结构。另外，对于座椅的动态特性按照传入人体的加速度均方根最小等目标进行优化，与汽车的其他减振系统相匹配，使人体处于更合适的振动环境，这些都是减轻驾驶疲劳的重要措施。

3 结论

综上所述，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，以创造出更适合人类使用的汽车。未来的汽车必将走进每个家庭，而符合人机工程、人性化的设计是最实在，同时也是前沿的潮流与趋势，是一种人文精神的体现，是人与产品和谐的结合，使人性化的设计真正体现出对人的尊重和关心。