基于人機(jī)工程學(xué)的汽車座椅設(shè)計(jì)研究

1、基于人機(jī)工程學(xué)的汽車座椅設(shè)計(jì)研究駕駛員坐姿舒適性仿真通?？梢粤炕癁轳{駛姿勢不舒適度模型。駕駛姿勢不 舒適度預(yù)測模型是根據(jù)駕駛姿勢的影響因素評價(jià)駕駛姿勢不舒適度的數(shù)學(xué)模 型。本文對巫型商用車坐姿舒適性仿真研究主要做了以下兒方面工作:首先，研究 了在汽車領(lǐng)域計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)丄程技術(shù)的發(fā)展背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對當(dāng)今 比較流行的舒適度建模方法進(jìn)行了深入的總結(jié)。針對這些方法的不足，提出了基 于關(guān)節(jié)載荷的駕駛姿勢不舒適度建模方法。其次進(jìn)行了適宜駕駛姿勢規(guī)律的實(shí) 驗(yàn)研究。通過設(shè)計(jì)下肢、軀干、上肢實(shí)驗(yàn)，獲取了建立姿勢不舒適度模型所需要 的關(guān)節(jié)載荷和關(guān)節(jié)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。最后建立了以維持身體姿勢的關(guān)節(jié)力及扭矩為U 標(biāo)

2、函數(shù)，以人體姿勢變量和汽車設(shè)計(jì)變量為預(yù)測因子的人體不舒適度預(yù)測模型，并 將模型應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)U的方案分析中。關(guān)鍵詞：駕駛員駕駛姿勢人機(jī)工程技術(shù)人體舒適度1引言隨著時(shí)代的發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)已山工業(yè)社會(huì)向信息社會(huì)即后工業(yè)社會(huì)過渡，人 類賴以生存的生活空間和生活方式，處處都是經(jīng)過設(shè)計(jì)并不斷完善的設(shè)計(jì)世界?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)，作為一種廣泛的文化活動(dòng)，已成為人們生活中的一部分。人們開始追 求高品質(zhì)的舒適生活，于是按照人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品也就越來越受到大眾的歡 迎。人體丄程學(xué)的產(chǎn)品也就成了現(xiàn)代社會(huì)人們追求的U標(biāo)。先以汽車座椅為例, 人體丄程學(xué)的家具并不是人們頭腦中所想象的僅有數(shù)據(jù)符合的座椅,它還包括除 了人體生理數(shù)據(jù)之外

3、的很多因素。它的設(shè)計(jì)原則除了常見的尺度設(shè)計(jì)原則人體 機(jī)能和環(huán)境設(shè)計(jì)原則;（建康設(shè)訃原則外還應(yīng)該講求黃金分割比的設(shè)計(jì)原則。并指 出在這些原則的指導(dǎo)下好的人體工程學(xué)座椅是功能與美學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)品,可以為 人帶來身心兩方面的享受。2舒適駕乘首要在于座椅設(shè)計(jì)通過對汽車座椅設(shè)訃中的人機(jī)因素分析，即尺度、形態(tài)、功能、色彩四方面 的具體分析尋求汽車座椅設(shè)計(jì)與人機(jī)工程學(xué)的關(guān)系，從而論證U前汽車座椅設(shè)計(jì) 中人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用的一些局限性,即學(xué)科內(nèi)涵與口標(biāo)的矛盾、共性原則與個(gè)性需 求的矛盾、統(tǒng)il與個(gè)案的矛盾以及合理與合情的矛盾，通過對這些應(yīng)用矛盾的透析，探求出汽車座椅設(shè)計(jì)中人 機(jī)工程學(xué)應(yīng)用的原則，從而最終為汽車座椅產(chǎn)

4、品設(shè)計(jì)中人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用探索出 一條道路。而人機(jī)工程學(xué)在汽車座椅設(shè)計(jì)中的作用主要體現(xiàn)在以下兒方面(1) 為確定汽車空間范W提供依據(jù)。(2) 為設(shè)計(jì)汽車座椅提供依據(jù)。(3) 為確定感覺器官的適應(yīng)能力提供依據(jù)。融人機(jī)工程學(xué)原理于汽車座椅設(shè)計(jì)已達(dá)到更大舒適度:2.1研究現(xiàn)狀及主要內(nèi)容現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，以及人們丄作和生活空間的不段變化，就要求汽 車座椅的生產(chǎn)企業(yè)在座椅的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)方式等方面進(jìn)行改革，同時(shí)也要考慮降低 成本，提高汽車座椅的經(jīng)濟(jì)性。因此市場不斷細(xì)分，多種不同類型和不同設(shè)計(jì)的 汽車座椅不斷進(jìn)入市場。人們對汽車座椅外觀樣式、材料品質(zhì)的追求，使汽車座椅的設(shè)計(jì)樣式豐S多 姿，各有特色。從而也

5、使汽車座椅在設(shè)訃上取得了矚tl的成績?？梢哉f汽車座椅 發(fā)生的巨大變化，是老口姓不斷變化的需求造成的。2.2研究方法按照人機(jī)工程學(xué)的原理，以社會(huì)大眾需求為宗R,重視人體舒適感相關(guān)的各種科學(xué)性問題，深入研究。例如，人在汽車上坐椅子坐久了會(huì)不會(huì)感到不舒服、 椅身的高度和椅腿的長度是否合適、椅腿是否完全著地、如果是帶扶手的椅子, 當(dāng)把胳側(cè)搭在扶手上時(shí)，肩部的位置感覺會(huì)如何等。這樣，座椅既具備了優(yōu)美典 雅的視覺感受，同時(shí)也擁有滿足人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ餍枰膶?shí)用功能。座椅是對人們活動(dòng)起輔助作用的工具首先必須能夠承受人們活動(dòng)帶來的 各種力量和沖擊。在設(shè)訃初期就應(yīng)該考慮到座椅對外部沖擊的承受力，否則就不 能充分

6、體現(xiàn)座椅的實(shí)用功能。因此應(yīng)在充分了解座椅構(gòu)造的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，以 達(dá)到既美觀乂實(shí)用的U的。2.3可行性分析關(guān)于人機(jī)工程學(xué)在家居設(shè)il中的應(yīng)用的提出，其可行性根本基于以下兒點(diǎn):231概念化階段概念化階段是整體設(shè)計(jì)的理念和宗檸，是保證今后具體設(shè)計(jì)得以順利進(jìn)行的 前提條件。對椅子設(shè)訃概念化進(jìn)行設(shè)定的過程，涉及椅子相關(guān)的功能性、構(gòu)造和 材料以及形狀等問題。232具體化階段具體化階段是按照在概念化階段設(shè)定的設(shè)計(jì)方案，解決座椅的構(gòu)造、功能和 美觀問題并創(chuàng)造出其基本形狀。在這個(gè)階段要畫很多草圖、圖樣，做出模型，還 要選擇材料，討論座椅的構(gòu)造以及其他一些細(xì)節(jié)問題等。座椅設(shè)計(jì)的具體化階段 就是創(chuàng)造出產(chǎn)品形狀的過

7、程簡單地講就是做出座椅造型的外觀圖樣，并對其進(jìn) 行論證。233周詳設(shè)計(jì)階段座椅設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是將重點(diǎn)放在符合整體的外觀和核心架構(gòu)的設(shè)計(jì)上。產(chǎn)品的 外觀、座椅的造型以及穩(wěn)定的構(gòu)造應(yīng)該既反映其精湛設(shè)計(jì)，乂能實(shí)現(xiàn)人們對舒適 的要求，這就是汽車座椅設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。234檢驗(yàn)校核階段通過以上各階段步驟完成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)可能并不是完美的。尤其是座椅與人體 結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，可以說人們對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性和適用性的評判是很重要 的。因此應(yīng)該對設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)和校核。對于座椅的設(shè)計(jì)來說椅子的底座部分能否穩(wěn)定地支撐人體體巫是很磴要的。當(dāng)然除此之外對支撐人體背部的椅背部分和 扶手部分的檢驗(yàn)也是很必要的。3汽車座椅舒適性及安全性設(shè)

8、計(jì)研究坐舒適度及安全性是評價(jià)汽車性能的主要指標(biāo)，而隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)及生活 水平的不斷改善和發(fā)展，人們對于座椅舒適要求也不斷提升。其中汽車座椅的舒 適度及安全性設(shè)汁已成為當(dāng)今汽車產(chǎn)商所關(guān)注的主要內(nèi)容。座椅的主要功能是支 撐駕駛員及乘坐人員的身體減緩路面不平傳給人體的沖擊并減弱由此而引起的 振動(dòng)。給駕乘提供舒適、安全的乘坐條件和便于駕駛操作的a好的工作條件。通過査閱相關(guān)資料并對當(dāng)前市民針對汽車座椅舒適性的市場調(diào)査考證，山生 物動(dòng)力學(xué)研究表明，長時(shí)間地承受高強(qiáng)度的全身振動(dòng)對于人體健康的損害是相當(dāng) 嚴(yán)巫的。主要是腰脊和相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)受到影響。新陳代謝以及源于機(jī)體內(nèi)部 的一些其他因素會(huì)惡化這個(gè)影響，通

9、常認(rèn)為環(huán)境因素如身體姿勢、低溫及氣流 會(huì)引起肌肉疼痛。通過取證分析可以得到以下結(jié)論(-)座椅舒適度研究(1) 座椅舒適度的指標(biāo)根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，為保證良好的舒適度，針對靜態(tài)舒適度，設(shè)訃中應(yīng)遵 循以下原則：座椅尺寸應(yīng)與人體測量尺寸相適宜：座椅應(yīng)可調(diào)節(jié)，能使乘 坐者變換姿勢，并最大范W滿足各類人體的乘坐要求：座椅應(yīng)能使乘坐者保 持舒適坐姿，鼎背結(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)。(2) 座椅舒適度的影響因素座椅的兒何尺寸是影響座椅舒適度的因素，但研究發(fā)現(xiàn)這并非唯一最主要的 影響因素。許多文獻(xiàn)都提及腰部支撐的重要作用。腰托的形狀和位置，對于是否 能使人保持ft好坐姿，減少人體疲

10、勞具有重要作用。從人機(jī)工程學(xué)的角度來講腰 部是體現(xiàn)座椅功能的關(guān)鍵部位。因此座椅的腰托是影響舒適性的關(guān)鍵因素。腰托的安裝位置在座椅鼎背結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中十分巫要。乘員正常入座時(shí)，人體身軀 與大腿的連接點(diǎn)一胯點(diǎn)(hip point)簡稱H點(diǎn) H點(diǎn)的位置是決定駕駛員操作方 便、乘坐舒適性相關(guān)的車內(nèi)尺寸的基準(zhǔn)。此外，座椅的調(diào)節(jié)特性對座椅的舒適度影響很大，已成為座椅舒適度設(shè)計(jì)中巫點(diǎn)考慮的因素。圧力分布是導(dǎo)致不舒適的最主要的生物力學(xué)因素，通過界面壓力對座椅舒適度 進(jìn)行評價(jià)是一種重要客觀、有效的方法。（3）座椅舒適度的研究方法從汽車座椅設(shè)計(jì)及改善的角度出發(fā)，消除座椅不舒適性最理想的方法是能建 立定量模型，預(yù)測座椅的

11、不舒適性。國內(nèi)外研究中，建立的模型主要有如下3種: 利用模糊理論建立的模型、線性模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。目前，國內(nèi)在座椅舒適度的研究上還存在一些缺陷：沒有針對中國人體 特征尺寸的座椅舒適性研究:對于座椅靜態(tài)舒適性評價(jià)還沒有形成一套客觀系 統(tǒng)的體系；在應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法評價(jià)舒適性中，對輸入量的界定還不夠 清晰明確有待進(jìn)一步研究。（二）座椅安全性設(shè)計(jì)座椅安全性設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括以下兒個(gè)方面:座椅強(qiáng)度的設(shè)計(jì)、座椅結(jié)構(gòu) 型式的設(shè)計(jì)、黑背的設(shè)計(jì)、坐墊的設(shè)計(jì)、頭枕的設(shè)計(jì)。（1）座椅強(qiáng)度的設(shè)計(jì)座椅強(qiáng)度的設(shè)il是安全性設(shè)計(jì)的首要內(nèi)容。汽車行駛中座椅要承受復(fù)雜的 載荷。汽車座椅必須有足夠的強(qiáng)度以確保座椅上的人，所

12、受的傷害最小，座椅的 壽命應(yīng)足夠長，不致過早變 形或損壞，受沖擊載荷作用時(shí)，座椅不應(yīng)發(fā)生斷裂、 嚴(yán)頃變形等損壞現(xiàn)象。所以設(shè)計(jì)座椅時(shí)，必須對汽車座椅的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算盡量 以最少的材料、最小的質(zhì)量滿足強(qiáng)度要求。（2）座椅結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)座椅整體結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的是其對其他約束系統(tǒng)效能的影響及與 其他約束系統(tǒng)之間的連接方式等。（3）黑背的設(shè)計(jì)黑背的安全性設(shè)計(jì)應(yīng)考慮黑背的強(qiáng)度、傾角.基本尺寸及其形狀?？勘车膹?qiáng) 度設(shè)計(jì)不但應(yīng)該在“追尾”等后部碰撞時(shí)給乘員提供良好的保護(hù)，而且也要考慮側(cè)碰時(shí)對乘員的保護(hù)。而鼎背傾角、基本尺寸及其形狀對尾部碰撞的嚴(yán)重程 度有很大影響。（4）坐墊的設(shè)計(jì)坐墊一般不會(huì)造成對乘員的

13、直接沖擊傷害，但坐墊的結(jié)構(gòu)可以影響到乘員運(yùn) 動(dòng)過程、約束力加到乘員身體上的方式及外部載荷（加速度、力等）的絕對值大 小。坐墊深度設(shè)訃的原則是在 充分利用鼎背的情況下，使臀部得到合理的支撐。坐墊深度不應(yīng)該超過人的大腿長度。（5）頭枕的設(shè)計(jì)頭枕是一種用以限制乘員頭部相對于軀干向后移位的彈性裝置其作用是在 發(fā)生碰撞時(shí)，減輕乘員頸椎可能受到的損傷。尤其是在汽車受到追尾碰撞時(shí)可抑 制乘員頭部后傾防止或減輕頸部損傷。現(xiàn)多采用模擬il算和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的研 究方法該方法巫復(fù)性好、存儲(chǔ)信息量大、開發(fā)周期短且開發(fā)費(fèi)用低。4基于汽車座椅舒適度設(shè)計(jì)中面臨的問題一般的座椅是山兒千個(gè)零件組裝而成，在建模前首先需要對座椅

14、的整體結(jié) 構(gòu)進(jìn)行分析，確定各個(gè)零件對強(qiáng)度特性的影響，根據(jù)影響程度的不同對零件進(jìn)行 篩選。對于座椅中主要的支撐性零部件，應(yīng)精確建模，以保證模型的正確性，對 靜強(qiáng)度特性影響不大的零件，只要抓住其主要的兒何形狀進(jìn)行建模即可，對于基 本沒影響的部件，可以簡單建模或不建模。汽車座椅骨架屬于空間桿系和空間板 系的組合結(jié)構(gòu)，山于各種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不完全對稱，同時(shí)，汽車在行 駛過程中座椅承受復(fù)雜的載荷 結(jié)構(gòu)中的各個(gè)桿件既受彎曲乂受扭轉(zhuǎn)。通過調(diào)査研究，我們還了解到，早期的汽車座椅骨架大都釆用簡單的鋼管結(jié) 構(gòu)，因此最早釆用空間梁單元進(jìn)行強(qiáng)度分析。受碾件設(shè)備與軟件水平的限制，當(dāng) 時(shí)的座椅有限元模型都比較簡單，單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)U較少。隨著座椅結(jié)構(gòu)形式的不斷變化，單純用梁單元已不足以精確地描述座椅骨架 的結(jié)構(gòu)于是越來越多地使用了其他的單元形式建模，如空間板殼單元、實(shí)體單元 等。在新的世紀(jì)里人們以新的方式來感知世界，人們越來越多的在追求一種新的 生存環(huán)境和生存空間，毫無疑義未來的人性化設(shè)計(jì)具有更加全面立體的內(nèi)涵，它將超越人們過去所局限的人與物的關(guān)系的認(rèn)識(shí)向時(shí)間、空間、生理感官和心理 方向發(fā)展，同時(shí)通過現(xiàn)代高科技技術(shù)如虛擬現(xiàn)實(shí)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等多種數(shù)字化的形式 而擴(kuò)延。國內(nèi)汽車座椅行業(yè)應(yīng)該致力于簡化座椅的設(shè)il開發(fā)過程，大幅度縮短開發(fā)周 期，減少開發(fā)費(fèi)用和成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能，獲得最優(yōu)化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品,