基于人机工程学的汽车座椅设计研究

第一篇：基于人机工程学的汽车座椅设计研究

基于人机工程学的汽车座椅设计研究

摘要:

驾驶员坐姿舒适性仿真通常可以量化为驾驶姿势不舒适度模型。驾驶姿势不舒适度预测模型是根据驾驶姿势的影响因素,评价驾驶姿势不舒适度的数学模型。本文对重型商用车坐姿舒适性仿真研究主要做了以下几方面工作:首先,研究了在汽车领域计算机辅助人机工程技术的发展背景及国内外研究现状,并对当今比较流行的舒适度建模方法进行了深入的总结。针对这些方法的不足,提出了基于关节载荷的驾驶姿势不舒适度建模方法。其次,进行了适宜驾驶姿势规律的实验研究。通过设计下肢、躯干、上肢实验,获取了建立姿势不舒适度模型所需要的关节载荷和关节坐标数据。最后,建立了以维持身体姿势的关节力及扭矩为目标函数,以人体姿势变量和汽车设计变量为预测因子的人体不舒适度预测模型,并将模型应用于实际项目的方案分析中。

关键词：驾驶员

驾驶姿势

人机工程技术

人体舒适度 引言

随着时代的发展，当今社会已由工业社会向信息社会即后工业社会过渡，人类赖以生存的生活空间和生活方式，处处都是经过设计并不断完善的设计世界。现代设计，作为一种广泛的文化活动，已成为人们生活中的一部分。人们开始追求高品质的舒适生活,于是按照人体工程学设计的产品也就越来越受到大众的欢迎。人体工程学的产品也就成了现代社会人们追求的目标。先以汽车座椅为例,人体工程学的家具并不是人们头脑中所想象的仅有数据符合的座椅,它还包括除了人体生理数据之外的很多因素。它的设计原则除了常见的尺度设计原则,人体机能和环境设计原则,健康设计原则外还应该讲求黄金分割比的设计原则。并指出在这些原则的指导下好的人体工程学座椅是功能与美学相结合的产品,可以为人带来身心两方面的享受。舒适驾乘首要在于座椅设计

通过对汽车座椅设计中的人机因素分析,即尺度、形态、功能、色彩四方面的具体分析寻求汽车座椅设计与人机工程学的关系,从而论证目前汽车座椅设计中人机工程学应用的一些局限性,即学科内涵与目标的矛盾、共性原则与个性需求的矛盾、统计与个案的矛盾以

及合理与合情的矛盾,通过对这些应用矛盾的透析,探求出汽车座椅设计中人机工程学应用的原则,从而最终为汽车座椅产品设计中人机工程学的应用探索出一条道路。

而人机工程学在汽车座椅设计中的作用主要体现在以下几方面（1）为确定汽车空间范围提供依据。（2）为设计汽车座椅提供依据。

（3）为确定感觉器官的适应能力提供依据。

融人机工程学原理于汽车座椅设计已达到更大舒适度：

2.1 研究现状及主要内容

现代科学技术的突飞猛进，以及人们工作和生活空间的不段变化，就要求汽车座椅的生产企业在座椅的设计、生产方式等方面进行改革，同时也要考虑降低成本，提高汽车座椅的经济性。因此市场不断细分，多种不同类型和不同设计的汽车座椅不断进入市场。

人们对汽车座椅外观样式、材料品质的追求，使汽车座椅的设计样式丰富多姿，各有特色。从而也使汽车座椅在设计上取得了瞩目的成绩。可以说汽车座椅发生的巨大变化，是老百姓不断变化的需求造成的。

2.2研究方法

按照人机工程学的原理，以社会大众需求为宗旨，重视人体舒适感相关的各种科学性问题，深入研究。例如，人在汽车上坐椅子坐久了会不会感到不舒服、椅身的高度和椅腿的长度是否合适、椅腿是否完全着地、如果是带扶手的椅子，当把胳膊搭在扶手上时，肩部的位置感觉会如何等。这样，座椅既具备了优美典雅的视觉感受，同时也拥有满足人们日常生活和工作需要的实用功能。

座椅是对人们活动起辅助作用的工具首先必须能够承受人们活动带来的各种力量和冲击。在设计初期就应该考虑到座椅对外部冲击的承受力，否则就不能充分体现座椅的实用功能。因此应在充分了解座椅构造的基础上进行设计，以达到既美观又实用的目的。

2.3可行性分析 关于人机工程学在家居设计中的应用的提出，其可行性根本基于以下几点： 2.3.1概念化阶段

概念化阶段是整体设计的理念和宗旨，是保证今后具体设计得以顺利进行的前提条件。对椅子设计概念化进行设定的过程，涉及椅子相关的功能性、构造和材料以及形状等问题。

2.3.2具体化阶段

具体化阶段是按照在概念化阶段设定的设计方案，解决座椅的构造、功能和美观问题并创造出其基本形状。在这个阶段要画很多草图、图样，做出模型，还要选择材料，讨论座椅的构造以及其他一些细节问题等。座椅设计的具体化阶段就是创造出产品形状的过程简单地讲就是做出座椅造型的外观图样，并对其进行论证。

2.3.3周详设计阶段

座椅设计的关键是将重点放在符合整体的外观和核心架构的设计上。产品的外观、座椅的造型以及稳定的构造应该既反映其精湛设计，又能实现人们对舒适的要求，这就是汽车座椅设计的重点。

2.3.4检验校核阶段

通过以上各阶段步骤完成的产品设计可能并不是完美的。尤其是座椅与人体结构有着密切的关系，可以说人们对产品设计的合理性和适用性的评判是很重要的。因此应该对设计进行检验和校核。对于座椅的设计来说椅子的底座部分能否稳定地支撑人体体重是很重要的。当然除此之外对支撑人体背部的椅背部分和扶手部分的检验也是很必要的。汽车座椅舒适性及安全性设计研究

坐舒适度及安全性是评价汽车性能的主要指标，而随着当今科学技术及生活水平的不断改善和发展，人们对于座椅舒适要求也不断提升。其中汽车座椅的舒适度及安全性设计已成为当今汽车产商所关注的主要内容。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。

通过查阅相关资料并对当前市民针对汽车座椅舒适性的市场调查考证，由生物动力学研究表明，长时间地承受高强度的全身振动对于人体健康的损害是相当严重的。主要是腰脊和相关的神经系统会受到影响。新陈代谢以及源于机体内部的一些其他因素会恶化这个影响，通常认为环境因素如身体姿势、低温及气流会引起肌肉疼痛。

通过取证分析可以得到以下结论

（一）座椅舒适度研究（1）座椅舒适度的指标

根据人机工程学原理,为保证良好的舒适度，针对静态舒适度，设计中应遵循以下原则：① 座椅尺寸应与人体测量尺寸相适宜；②座椅应可调节，能使乘坐者变换姿势，并最大范围 满足各类人体的乘坐要求；③座椅应能使乘坐者保持舒适坐姿，靠背结构和尺寸应给腰部充分的支撑,使脊柱接近于正常弯曲状态。

（2）座椅舒适度的影响因素

座椅的几何尺寸是影响座椅舒适度的因素，但研究发现这并非唯一最主要的影响因素。许多文献都提及腰部支撑的重要作用。腰托的形状和位置，对于是否能使人保持良好坐姿，减少人体疲劳具有重要作用。从人机工程学的角度来讲腰部是体现座椅功能的关键部位。因此 座椅的腰托是影响舒适性的关键因素。腰托的安装位置在座椅靠背结构设计中十分重要。乘员正常入座时，人体身躯与大腿的连接点—胯点(hip point)简称H点H点的位置是决定驾驶员操作方便、乘坐舒适性相关的车内尺寸的基准。此外，座椅的调节特

性对座椅的舒适 度影响很大，已成为座椅舒适度设计中重点考虑的因素。压力分布是导致不舒适的最主要的 生物力学因素，通过界面压力对座椅舒适度进行评价是一种重要客观、有效的方法。

（3）座椅舒适度的研究方法

从汽车座椅设计及改善的角度出发，消除座椅不舒适性最理想的方法是能建立定量模型，预测座椅的不舒适性。国内外研究中,建立的模型主要有如下3种：利用模糊理论建立的模型、线性模型和神经网络模型。

目前，国内在座椅舒适度的研究上还存在一些缺陷：①没有针对中国人体特征尺寸的座椅舒适性研究；②对于座椅静态舒适性评价还没有形成一套客观系统的体系；③在应用神经 网络建模方法评价舒适性中，对输入量的界定还不够清晰明确有待进一步研究。

（二）座椅安全性设计

座椅安全性设计的内容主要包括以下几个方面:座椅强度的设计、座椅结构型式的设计、靠背的设计、坐垫的设计、头枕的设计。（1）座椅强度的设计

座椅强度的设计是安全性设计的首要内容。汽车行驶中座椅要承受复杂的载荷。汽车座椅必须有足够的强度以确保座椅上的人，所受的伤害最小，座椅的寿命应足够长，不致过早变 形或损坏，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，必须对汽车座椅的强度进行计算尽量以最少的材料、最小的质量满足强度要求。

（2）座椅结构型式的设计

座椅整体结构的安全性设计应考虑的是其对其他约束系统效能的影响及与其他约束系统之间 的连接方式等。（3）靠背的设计

靠背的安全性设计应考虑靠背的强度、倾角、基本尺寸及其形状。靠背的强度设计不但应该 在“追尾”等后部碰撞时给乘员提供良好的保护，而且也要考虑侧碰时对乘员的保护。而靠 背倾角、基本尺寸及其形状对尾部碰撞的严重程度有很大影响。

（4）坐垫的设计

坐垫一般不会造成对乘员的直接冲击伤害，但坐垫的结构可以影响到乘员运动过程、约束力 加到乘员身体上的方式及外部载荷(加速度、力等)的绝对值大小。坐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撑。坐垫深度不应该超过人的大腿长度。（5）头枕的设计

头枕是一种用以限制乘员头部相对于躯干向后移位的弹性装置其作用是在发生碰撞时，减轻乘员颈椎可能受到的损伤。尤其是在汽车受到追尾碰撞时可抑制乘员头部后倾防止或减轻颈部损伤。现多采用模拟计算和试验验证相结合的研究方法该方法重复性好、存储信息量大、开发周期短且开发费用低。基于汽车座椅舒适度设计中面临的问题 一般的座椅是由几千个零件组装而成，在建模前首先需要对座椅的整体结构进行分析，确定各个零件对强度特性的影响，根据影响程度的不同对零件进行筛选。对于座椅中主要的支撑性零部件，应精确建模，以保证模型的正确性，对静强度特性影响不大的零件，只要抓住其主要的几何形状进行建模即可，对于基本没影响的部件，可以简单建模或不建模。汽车座椅骨架属于空间杆系和空间板系的组合结构，由于各种调节机构设计，导致结构不完全对称，同时，汽车在行驶过程中座椅承受复杂的载荷结构中的各个杆件既受弯曲又受扭转。

通过调查研究，我们还了解到，早期的汽车座椅骨架大都采用简单的钢管结构，因此最早采用空间梁单元进行强度分析。受硬件设备与软件水平的限制，当时的座椅有限元模型都比较简单，单元和节点数目较少。

随着座椅结构形式的不断变化，单纯用梁单元已不足以精确地描述座椅骨架的结构于是越来越多地使用了其他的单元形式建模，如空间板壳单元、实体单元等。在新的世纪里人们以新的方式来感知世界，人们越来越多的在追求一种新的生存环境和生存空间，毫无疑义未来的人性化设计具有更加全面立体的内涵，它将超越人们过去所局限的人与物的关系的认识向时间、空间、生理感官和心理方向发展，同时通过现代高科技技术如虚拟现实、互联网络等多种数字化的形式而扩延。

国内汽车座椅行业应该致力于简化座椅的设计开发过程，大幅度缩短开发周期，减少开发费用和成本，提高产品质量和性能，获得最优化的创新设计产品，这样才能更好地促进我国座椅行业的设计国际化、现代化。我们希望这种汽车座椅的设计可以更好地保护人们的腰部和颈部。同时要想设法使驾驶员驾车时有更舒适、更安全的驾驶环境，对于当前的汽车座椅设计，高度的运用人机工程学知识，更大的提高人体舒适度，是极为必要，也是势在必行。

参考文献

[1]王正华，喻凡，庄德军.汽车座椅舒适性的主观和客观评价研究 [2].汽车工程.2006(9):817.[3] 孟翔,王宏明.基于ADAMS的汽车座椅冲击强度研究[J].机械设计与制造2007(11):167.

第二篇：人机工程学汽车座椅设计研究

人机工程学的汽车座椅设计研究 【摘要】本文通过对重型商用车坐姿舒适性仿真的研究，并结合当今比较流行的舒适度建模方法，进行了适宜驾驶姿势规律的实验研究。得到以人体姿势变量和汽车设计变量为预测因子的人体不舒适度预测模型,并将模型应用于实际项目的方案分析中。【关键词】：驾驶员 驾驶姿势 人机工程技术 人体舒适度

【Abstract】 Based on the heavy commercial vehicle sitting comfort simulation studies, combined with the comfort of today's popular modeling method was suitable for Experimental study of the driving position.Get to the body posture variables and design variables as predictors of car's body is not comfortable forecasting model, and the model is applied to the analysis of the actual project proposal.【Key words】: driver driving posture ergonomic body comfort technology

一、引言

随着时代的发展，人们开始追求高品质的舒适生活,于

是按照人体工程学设计的产品也就越来越受到大众的欢迎。以汽车座椅为例,人体工程学的家具并不是人们头脑中所想象的仅有数据符合的座椅,它还包括除了人体生理数据之外的很多因素。它的设计原则除了常见的尺度设计原则,人体机能和环境设计原则,健康设计原则外还应该讲求黄金分割比的设计原则。并指出在这些原则的指导下好的人体工程学座椅是功能与美学相结合的产品,可以为人带来身心两方面的享受。

二、汽车座椅舒适性设计的重要性 现代科学技术的突飞猛进，以及人们工作和生活空间的不段变化，就要求汽车座椅的生产企业在座椅的设计、生产方式等方面进行改革，同时也要考虑降低成本，提高汽车座椅的经济性。因此市场不断细分，多种不同类型和不同设计的汽车座椅不断进入市场。然而目前，国内在座椅舒适度的研究上还存在一些缺陷：①没有针对中国人体特征尺寸的座椅舒 适性研究；②对于座椅静态舒适性评价还没有形成一套客观系统的体系；③在应用神经 网络建模方法评价舒适性中，对输入量的界定还不够清晰明确，有待进一步研究。关于人机工程学在家居设计中的应用的提出，其可行性可以分为概念化阶段、具体化阶段、周详设计阶段及检验校核阶段等多阶

段进行设计：1概念化阶段是整体设计的理念和宗旨，是保证今后具体设计得以顺利进行的前提条件。对椅子设计概念化进行设定的过程，涉及椅子相关的功能性、构造和材料以及形状等问题；2具体化阶段是按照在概念化阶段设定的设计方案，解决座椅的构造、功能和美观问题并创造出其基本形状；3座椅周详设计的关键是将重点放在符合整体的外观和核心架构的设计上。产品的外观、座椅的造型以及稳定的构造应该既反映其精湛设计，又能实现人 们对舒适的要求，这就是汽车座椅设计的重点。4通过以上各阶段步骤完成的产品设计可能并不是完美的。尤其是座椅与人体结构有着密切的关系，可以说人们对产品设计的合理性和适用性的评判是很重要的。因此应该对设计进行检验和校核。对于座椅的设计来说，椅子的底座部分能否稳定地支撑人体体重是很重要的。当然除此之外对支撑人体背部的椅背部分和扶手部分的检验也是很必要的。

三、基于汽车座椅的舒适性及安全性设计研究 随着当今科学技术及生活水平的不断改善和发展，人们对于座椅舒适要求也不断提升。其中汽车座椅的舒适度及安全性设计已成为当今汽车产商所关注的主要内容。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。由生物动力学研究表明，长时间地承受高强度的全身振动对于人体健康的损害是相当严重的。主要是腰脊和相关的神经系统会受到影响。新陈代谢以及源于机体内部的一些其他因素会恶化这个影响，通常认为环境因素，如身体姿势、低温及气流会引起肌肉疼痛。由本小组研究人员取证分析，得到以下结论：

（一）座椅舒适度研究

1、座椅舒适度的指标：① 座椅尺寸应与人体测量尺寸d相适宜（一般d取45—60公分）；②座椅应可调节，能使乘坐者变换姿势，并最大范围满足各类人体的乘坐要求,如沃尔沃公司的F7型汽车坐高可调65mm；倾斜度可调64度；纵向位置可调130mm等；③座椅应能使乘坐者保持舒适坐姿，靠背结构和尺寸应给腰部充分的支撑,使脊柱接近于正常弯曲状态。2、座椅舒适度的影响因素：座椅的几何尺寸是影响座椅舒适度的因素，但研究发现这并非唯一最主要的影响因素。从人机工程学的角度来讲，腰部是体现座椅功能的关键部位。因此，座椅的腰托是影响舒适性的关键因素。此外，座椅的调节特性对座椅的舒适度影响很大，已成为座椅舒适度设计中重点考虑的因素。

3、座椅舒适度的研究方法：从汽车座椅设计及改善的角度出发，消除座椅不舒适性最理想的方法是能建立定量模型，预测座椅的不舒适性。国内外研究中,建立的模型主要有如下3种：利用模糊理论建立的模型、线性模型和神经网络模型。

（二）座椅安全性设计1、座椅强度的设计：座椅强度的设计是安全性设计的首要内容。汽车行驶中，座椅要承受复杂的载荷。汽车座椅必须有足够的强度，以确保座椅上的人所受的伤害最小；座椅的寿命应足够长，不致过早变形或损坏；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。2、座椅结构型式的设计：座椅整体结构的安全性设计应考虑的是其对其他约束系统效能的影响及与其他约束系统之间的连接方式等。3、靠背的设计：靠背的安全性设计应考虑靠背的强度、倾角、基本尺寸及其形状。靠背的强度设计不但应该在“追尾”等后部碰撞时给乘员提供良好的保护，而且也要考虑侧碰时对乘员的保护。而靠背倾角、基本尺寸及其形状对尾部碰撞的严重程度有很大影响。、坐垫的设计：坐垫一般不会造成对乘员的直接冲击伤害，但坐垫的结构可以影响到乘员运动过程、约束力加到乘员身体上的方式及外部载荷(加速度、力等)的绝对值大小。坐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撑。坐垫深度不应该超过人的大腿长度。5、头枕的设计：头枕是一种用以限制乘员头部相对于躯干向后移位的弹性装置，其作用是在发生碰撞时，减轻乘员颈椎可能受到的损伤。尤其是在汽车受到追尾碰撞时，可抑制乘员头部后倾，防止或减轻颈部损伤。现多采用模拟计算和试验验证相结合的研究方法，该方法重复性好、存储信息量大、开发周期短且开发费用低，目前可用于座椅强度分析的有限元软件有MSC.NASTRAN、ABAQUAS、ANSYS、SAP、PAM-CRASH、DYNA-3D等。

四、基于汽车座椅舒适度设计中面临的问题 对于座椅中主要的支撑性零部件，应精确建模，以保证模型的正确性；对静强度特性影响不大的零件，只要抓住其主要的几何形状进行建模即可；对于基本没影响的部件，可以简单建模或不建模。随着座椅结构形式的不断变化，单纯用梁单元已不足以精确地描述座椅骨架的结构，于是越来越多地使用了其他的单元形式建模，如空间板壳单元、实体单元等。在新的世纪里，人们以新的方式来感知世界，人们越来越多的在追求一种新的生存环境和生存空间，毫无疑义，未来的人性化设计具有更加全面立体的内涵，它将超越人们过去所局限的人与物的关系的认识，向时间、空间、生理感官和心理方向发展，同时，通过现代高科技技术如虚拟现实、互联网络等多种数字化的形式而扩延。

五、总结国内汽车座椅行业应该致力于简化座椅的设计开发过程，大幅度缩短开发周期，减少开发费用和成本，提高产品质量和性能，获得最优化的创新设计产品，这样才能更好地促进我国座椅行业的设计国际化、现代化。我们希望这种汽车座椅的设计可以更好地保护人们的腰部和颈部。

结语：要想设法使驾驶员驾车时有更舒适、更安全的驾驶环境，对于当前的汽车座椅设计，高度的运用人机工程学知识，更大的提高人体舒适度，是极为必要，也是势在必行！［参考文献］ 【 1】王正华，喻凡，庄德军.汽车座椅舒适性的主观和客观评价研究［J］.汽车工程，2006 湖南大学学报

【2】 孟翔，王宏明.基于ADAMS的汽车座椅冲击强度研究［J］.机械设计与制造，2007辽宁省机械研究院

【】孙长富,崔光滨..汽车座椅头枕[S].1994，北京:中国标准出版社

第三篇：基于人机工程学的汽车座椅设计研究

基于人机工程学的汽车座椅设计研究 何钧1 陈亚文1 高秀峰1（1襄樊学院 441053）

【摘要】本文通过对重型商用车坐姿舒适性仿真的研究，并结合当今比较流行的舒适度建模方法，进行了适宜驾驶姿势规律的实验研究。得到以人体姿势变量和汽车设计变量为预测因子的人体不舒适度预测模型,并将模型应用于实际项目的方案分析中。关键词：驾驶员 驾驶姿势 人机工程技术 人体舒适度

Car seat based on ergonomics design of the report concluding paper Hejun1 Chenyawen1 Gaoxiufeng1(1XiangFang University 441053)【Abstract】 Based on the heavy commercial vehicle sitting comfort simulation studies, combined with the comfort of today's popular modeling method was suitable for Experimental study of the driving position.Get to the body posture variables and design variables as predictors of car's body is not comfortable forecasting model, and the model is applied to the analysis of the actual project proposal.Key words: driver driving posture ergonomic body comfort technology

一、引言

随着时代的发展，人们开始追求高品质的舒适生活,于是按照人体工程学设计的产品也就越来越受到大众的欢迎。以汽车座椅为例,人体工程学的家具并不是人们头脑中所想象的仅有数据符合的座椅,它还包括除了人体生理数据之外的很多因素。它的设计原则除了常见的尺度设计原则,人体机能和环境设计原则,健康设计原则外还应该讲求黄金分割比的设计原则。并指出在这些原则的指导下好的人体工程学座椅是功能与美学相结合的产品,可以为人带来身心两方面的享受。

二、汽车座椅舒适性设计的重要性

现代科学技术的突飞猛进，以及人们工作和生活空间的不段变化，就要求汽车座椅的生产企业在座椅的设计、生产方式等方面进行改革，同时也要考虑降低成本，提高汽车座椅的经济性。因此市场不断细分，多种不同类型和不同设计的汽车座椅不断进入市场。然而目前，国内在座椅舒适度的研究上还存在一些缺陷：①没有针对中国人体特征尺寸的座椅舒 适性研究；②对于座椅静态舒适性评价还没有形成一套客观系统的体系；③在应用神经 网络建模方法评价舒适性中，对输入量的界定还不够清晰明确，有待进一步研究。关于人机工程学在家居设计中的应用的提出，其可行性可以分为概念化阶段、具体化阶段、周详设计阶段及检验校核阶段等多阶段进行设计【1】。1概念化阶段是整体设计的理念和宗旨，是保证今后具体设计得以顺利进行的前提条件。对椅子设计概念化进行设定的过程，涉及椅子相关的功能性、构造和材料以及形状等问题；2具体化阶段是按照在概念化阶段设定的设计方案，解决座椅的构造、功能和美观问题并创造出其基本形状；3座椅周详设计的关键是将重点放在符合整体的外观和核心架构的设计上。产品的外观、座椅的造型以及稳定的构造应该既反映其精湛设计，又能实现人们对舒适的要求，这就是汽车座椅设计的重点。4通过以上各阶段步骤完成的产品设计可能并不是完美的。尤其是座椅与人体结构有着密切的关系，可以说人们对产品设计的合理性和适用性的评判是很重要的。因此应该对设计进行检验和校核。对于座椅的设计来说，椅子的底座部分能否稳定地支撑人体体重是很重要的。当然除此之外对支撑人体背部的椅背部分和扶手部分的检验也是很必要的。

三、基于汽车座椅的舒适性及安全性设计研究 随着当今科学技术及生活水平的不断改善和发展，人们对于座椅舒适要求也不断提升。其中汽车座椅的舒适度及安全性设计已成为当今汽车产商所关注的主要内容。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。由生物动力学研究表明，长时间地承受高强度的全身振动对于人体健康的损害是相当严重的。主要是腰脊和相关的神经系统会受到影响。新陈代谢以及源于机体内部的一些其他因素会恶化这个影响，通常认为环境因素，如身体姿势、低温及气流会引起肌肉疼痛。由本小组研究人员取证分析，得到以下结论：

（一）座椅舒适度研究

1、座椅舒适度的指标：① 座椅尺寸应与人体测量尺寸d相适宜（一般d取45—60公分）；②座椅应可调节，能使乘坐者变换姿势，并最大范围满足各类人体的乘坐要求,如沃尔沃公司的F7型汽车坐高可调65mm；倾斜度可调64度；纵向位置可调130mm等；③座椅应能使乘坐者保持舒适坐姿，靠背结构和尺寸应给腰部充分的支撑,使脊柱接近于正常弯曲状态。

2、座椅舒适度的影响因素：座椅的几何尺寸是影响座椅舒适度的因素，但研究发现这并非唯一最主要的影响因素。从人机工程学的角度来讲，腰部是体现座椅功能的关键部位。因此，座椅的腰托是影响舒适性的关键因素。此外，座椅的调节特性对座椅的舒适度影响很大，已成为座椅舒适度设计中重点考虑的因素。

3、座椅舒适度的研究方法：从汽车座椅设计及改善的角度出发，消除座椅不舒适性最理想的方法是能建立定量模型，预测座椅的不舒适性。国内外研究中,建立的模型主要有如下3种：利用模糊理论建立的模型、线性模型和神经网络模型。

（二）座椅安全性设计1、座椅强度的设计：座椅强度的设计是安全性设计的首要内容。汽车行驶中，座椅要承受复杂的载荷。汽车座椅必须有足够的强度，以确保座椅上的人所受的伤害最小；座椅的寿命应足够长，不致过早变形或损坏；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。2、座椅结构型式的设计：座椅整体结构的安全性设计应考虑的是其对其他约束系统效能的影响及与其他约束系统之间的连接方式等。3、靠背的设计：靠背的安全性设计应考虑靠背的强度、倾角、基本尺寸及其形状。靠背的强度设计不但应该在“追尾”等后部碰撞时给乘员提供良好的保护，而且也要考虑侧碰时对乘员的保护。而靠背倾角、基本尺寸及其形状对尾部碰撞的严重程度有很大影响。

4、坐垫的设计：坐垫一般不会造成对乘员的直接冲击伤害，但坐垫的结构可以影响到乘员运动过程、约束力加到乘员身体上的方式及外部载荷(加速度、力等)的绝对值大小。坐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撑。坐垫深度不应该超过人的大腿长度。5、头枕的设计：头枕是一种用以限制乘员头部相对于躯干向后移位的弹性装置，其作用是在发生碰撞时，减轻乘员颈椎可能受到的损伤。尤其是在汽车受到追尾碰撞时，可抑制乘员头部后倾，防止或减轻颈部损伤。现多采用模拟计算和试验验证相结合的研究方法，该方法重复性好、存储信息量大、开发周期短且开发费用低，目前可用于座椅强度分析的有限元软件有MSC.NASTRAN、ABAQUAS、ANSYS、SAP、PAM-CRASH、DYNA-3D等【2】。

四、基于汽车座椅舒适度设计中面临的问题

对于座椅中主要的支撑性零部件，应精确建模，以保证模型的正确性；对静强度特性影响不大的零件，只要抓住其主要的几何形状进行建模即可；对于基本没影响的部件，可以简单建模或不建模。随着座椅结构形式的不断变化，单纯用梁单元已不足以精确地描述座椅骨架的结构，于是越来越多地使用了其他的单元形式建模，如空间板壳单元、实体单元等。在新的世纪里，人们以新的方式来感知世界，人们越来越多的在追求一种新的生存环境和生存空间，毫无疑义，未来的人性化设计具有更加全面立体的内涵，它将超越人们过去所局限的人与物的关系的认识，向时间、空间、生理感官和心理方向发展，同时，通过现代高科技技术如虚拟现实、互联网络等多种数字化的形式而扩延。

五、总结国内汽车座椅行业应该致力于简化座椅的设计开发过程，大幅度缩短开发周期，减少开发费用和成本，提高产品质量和性能，获得最优化的创新设计产品，这样才能更好地促进我国座椅行业的设计国际化、现代化。我们希望这种汽车座椅的设计可以更好地保护人们的腰部和颈部。

同时，要想设法使驾驶员驾车时有更舒适、更安全的驾驶环境，对于当前的汽车座椅设计，高度的运用人机工程学知识，更大的提高人体舒适度，是极为必要，也是势在必行！

［参考文献］

【1】王正华，喻凡，庄德军.汽车座椅舒适性的主观和客观评价研究［J］.汽车工 程，2006（9）：817. 【2】 孟翔，王宏明.基于ADAMS的汽车座椅冲击强度研究［J］.机械设计与制造，2007（11）：167.项目指导老师： 李和

论文报告编辑者： 何钧 襄樊学院机械与汽车工程学院工业工程0811班 完成时间：2010年5月10日

第四篇：人机工程学在汽车座椅设计中的应用

人机工程学在汽车座椅设计中的应用

摘要：运用人机工程学原理，针对汽车驾驶座持，从驾驶员生理特性与作业环境两个方面分析了影响驾驶舒适性及安全性的原因，在此基础上从坐姿舒适性，振动舒适性，操作舒适性，安全性等四个方面论述了人机工程学在汽车座椅设计中的应用，完成了对汽车驾驶座椅从分析到设计的系列开发过程。

关键词：汽车驾驶座椅 人机工程学 设计

一、引言

随着时代的发展，当今社会已由工业社会向信息社会即后工业社会过渡，人类赖以生存的生活空间和生活方式，处处都是经过设计并不断完善的设计世界。现代设计，作为一种广泛的文化活动，已成为人们生活中的一部分。人们开始追求高品质的舒适生活,于是按照人体工程学设计的产品也就越来越受到大众的欢迎。人体工程学的产品也就成了现代社会人们追求的目标。先以汽车座椅为例,人体工程学的家具并不是人们头脑中所想象的仅有数据符合的座椅,它还包括除了人体生理数据之外的很多因素。它的设计原则除了常见的尺度设计原则,人体机能和环境设计原则,健康设计原则外还应该讲求黄金分割比的设计原则。并指出在这些原则的指导下好的人体工程学座椅是功能与美学相结合的产品,可以为人带来身心两方面的享受。

二、舒适驾乘首要在于座椅设计

通过对汽车座椅设计中的人机因素分析,即尺度、形态、功能、色彩四方面的具体分析,寻求汽车座椅设计与人机工程学的关系,从而论证目前汽车座椅设计中人机工程学应用的一些局限性,即学科内涵与目标的矛盾、共性原则与个性需求的矛盾、统计与个案的矛盾以及合理与合情的矛盾,通过对这些应用矛盾的透析,探求出汽车座椅设计中人机工程学应用的原则,从而最终为汽车座椅产品设计中人机工程学的应用探索出一条道路。

而人机工程学在汽车座椅设计中的作用主要体现在以下几方面：

1、为确定汽车空间范围提供依据。

2、为设计汽车座椅提供依据。

3、为确定感觉器官的适应能力提供依据。

三、汽车座椅人机工程学分析

1、人体坐姿生理特性分析（1）坐姿时脊柱的形态

人坐着时，身体主要由脊柱、盆骨、腿和脚支撑。脊柱位于人体的背部中央，是构成人体的中轴。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形态，才会减少腰椎的负荷以及腰背部肌肉的负荷，防止驾驶疲劳发生。

（2）坐姿体压分布

当座椅上的人处于坐姿状态时，人的身体重量作用于座垫和靠背上的压力分布称作坐姿的体压分布。可见，坐姿体压分布包括座垫上的体压分布和靠背上的体压分布两部分。

（3）座垫上的体压分布

根据人体组织的解剖学特性可知，坐骨结节处是人体最能耐受压力的部位，适合于承重，而大腿下靠近表面处因有下肢主动脉分布，故不宜承受重压。据此座垫上的压力应按照臀部不同部位承受不同压力的原则来分布，即在坐骨处压力最大，自大腿部位时压力降至最低，这是座垫设计的压力分布不均匀原则。图1为坐姿时座垫上的体压分布。

（4）靠背上的体压分布

靠背上的体压分布也以不均匀分布，压力相对集中在肩胛骨和腰椎两个部位。从这两个部位向外，压力应逐步降低。

2、环境分析

把驾驶员——座椅组成的系统看作一个典型人机系统，该系统所处的环境对系统中的驾驶员的影响主要体现在以下两个方面，具体分析如下：

（1）振动

驾驶员坐在行使中的汽车上所承受的振动属于全身振动的范畴。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。

振动对驾驶员操作的影响主要表现为视觉作业效率的下降和操作动作准确性变差。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%。振动对操作动作准确性的影响，主要是由于振动降低了手（或脚）的稳定性，从而使操纵动作的准确性变差，而且振幅越大，影响越大。

（2）温湿度

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机能不适应时将引起人体局部不快感，从而加速人体疲劳的形成。

四、汽车座椅的人机工程设计

汽车驾驶座椅的人机工程学分析，安全舒适的汽车驾驶座椅的设计必须满足以下要求：意识坐姿舒适性（静态舒适性）；二是振动舒适性（动态舒适性）；三是操作舒适性；四是安全性（包括主动安全性及被动安全性两个方面）。

上述要求具体到驾驶座椅的设计中满足驾驶员坐姿舒适性的座椅尺寸结构设计、满足驾驶员振动舒适性的座椅抗振减振设计、满足操作舒适性的座椅空间位置设计以及满足驾驶员的安全性的汽车驾驶座椅主动安全性及被动安全性的设计。

1、座椅尺寸结构设计

驾驶座椅尺寸结构设计的研究把注意力集中在人体生理结构特点对驾驶舒适程度的影响上，寻求最佳的座椅结构形式、尺寸、轮廓形状及材料选择。

（1）座椅尺寸设计

座椅尺寸设计主要参数包括：椅面高度、宽度、深度、椅面倾角；靠背的高度、宽度和倾角。座椅尺寸设计涉及主要参数如图2所示。

椅面高度A：椅面高度定义为椅面前缘至驾驶员踵点的垂直距离。在设计时主要考虑到两点：椅面过高会使大腿肌肉受压，椅面过低就会增加背部肌肉负荷，驾驶座椅的椅面高度应低些。

椅面宽度B：在空间允许的条件下，以宽为好。但对于汽车驾驶座椅来讲，驾驶员坐姿单一，不涉及变换姿势，通常设计应满足最宽人体需要为准。

椅面深度C：指椅面前缘至靠背前面水平距离。其尺寸应满足：腰部得到靠背的支撑；椅面前缘与小腿之间留有适当距离，以保证大腿肌肉不受挤压，腿弯部分不受阻碍。

靠背高度D及宽度：靠背的高度和宽度与坐姿肩高和肩宽有关，对于汽车驾驶座椅靠背的高度应采取高靠背，最好加靠枕。

靠背倾角α：靠背倾角是指靠背与椅面水平方向的夹角。

椅面倾角β：指椅面与水平之间的夹角。主要考虑到为了防止人体臀部向前滑动而是椅面前缘向后倾。此角不易过大，否则会增加大腿下平面与座垫前缘的压力，从而减少双脚着地的负荷，阻碍血液循环，引起身心疲劳。

通过以上座椅尺寸参数的确定，以保证驾驶员人体脊柱曲线更接近于正常生理脊柱曲线。舒适坐姿的各关节的角度应该满足图3中所示的要求角度。

（2）座椅结构设计

为了保证座垫上合理的体压分布，座垫应坚实平坦。太软的椅子容易令使用者曲起身子，全身肌肉和骨骼受力不均，从而导致腰酸背痛现象的产生。研究表明：过于松软的椅面，使臀部与大腿的肌肉受压面积增大，不仅增加了躯干的不稳定性，而且不易改变坐姿，容易产生疲劳。

依据靠背上体压分布不均匀原则，在座椅靠背设计时应保证有靠背两点支撑，即就是人体背部和腰部的合理支撑。汽车座椅设计时应提供形状和位置适宜的两点支撑，第一支撑不位位于人体第5—6胸椎之间的高度上，作为肩靠；第二支撑设置在腰曲部位，作为腰靠。肩靠能减轻颈曲变形，腰靠能保证坐姿下的近似于正常的腰弧曲线。

（3）座椅材料选择

座椅材料的选择主要考虑到以下两个方面：振动舒适性以及座椅对人体热环境的主要影响。座椅材料是座椅的主要减振元件，要想使座椅获得较低的振动传递率，使座椅有较高的振动舒适性，必须采用合适的座垫和靠背减振材料。根据驾驶室的微气候环境，调整座椅表面的湿温度特性，可以适当调节人体代谢，达到减轻疲劳的目的。

2、座椅舒适性设计 通过查阅相关资料并对当前市民针对汽车座椅舒适性的市场调查考证，由生物动力学研究表明，长时间地承受高强度的全身振动对于人体健康的损害是相当严重的。主要是腰脊和相关的神经系统会受到影响。新陈代谢以及源于机体内部的一些其他因素会恶 化这个影响，通常认为环境因素，如身体姿势、低温及气流会引起肌肉疼痛。由本小组研究人员取证分析，得到以下结论：

（1）、座椅舒适度的指标

根据人机工程学原理,为保证良好的舒适度，针对静态舒适度，设计中应遵循以下原则：① 座椅尺寸应与人体测量尺寸相适宜；②座椅应可调节，能使乘坐者变换姿势，并最大范围 满足各类人体的乘坐要求；③座椅应能使乘坐者保持舒适坐姿，靠背结构和尺寸应给腰部 充分的支撑,使脊柱接近于正常弯曲状态。

（2）、座椅舒适度的影响因素 座椅的几何尺寸是影响座椅舒适度的因素，但研究发现这并非唯一最主要的影响因素。许多 文献都提及腰部支撑的重要作用。腰托的形状和位置，对于是否能使人保持良好坐姿，减少 人体疲劳具有重要作用。从人机工程学的角度来讲，腰部是体现座椅功能的关键部位。因此，座椅的腰托是影响舒适性的关键因素。腰托的安装位置在座椅靠背结构设计中十分重要。

（3）、座椅舒适度的研究方法 从汽车座椅设计及改善的角度出发，消除座椅不舒适性最理想的方法是能建立定量模型，预测座椅的不舒适性。国内外研究中,建立的模型主要有如下3种：利用模糊理论建立的模型、线性模型和神经网络模型。

目前，国内在座椅舒适度的研究上还存在一些缺陷：①没有针对中国人体特征尺寸的座椅舒 适性研究；②对于座椅静态舒适性评价还没有形成一套客观系统的体系；③在应用神经 网络建模方法评价舒适性中，对输入量的界定还不够清晰明确，有待进一步研究。

3、座椅空间位置设计

座椅空间位置设计就是为了达到操作舒适性的目标，而进行驾驶室座椅空间位置设计以确保驾驶员有良好的视野，同时对汽车转向盘、脚踏板等操作部件有恰当的操作要求距离，以达到操作舒适性的最终目的。

图4列出了驾驶作业空间设计的主要指标。

4、座椅安全性设计

座椅安全性设计的内容主要包括以下几个方面:座椅强度的设计、座椅结构型式的设计、靠 背的设计、坐垫的设计、头枕的设计。

（1）座椅强度的设计

座椅强度的设计是安全性设计的首要内容。汽车行驶中，座椅要承受复杂的载荷。汽车座椅 必须有足够的强度，以确保座椅上的人所受的伤害最小；座椅的寿命应足够长，不致过早变 形或损坏；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 必须对汽车座椅的强度进行计算，尽量以最少的材料、最小的质量满足强度要求。

（2）座椅结构型式的设计

座椅整体结构的安全性设计应考虑的是其对其他约束系统效能的影响及与其他约束系统之间 的连接方式等。

（3）靠背的设计

靠背的安全性设计应考虑靠背的强度、倾角、基本尺寸及其形状。靠背的强度设计不但应该 在“追尾”等后部碰撞时给乘员提供良好的保护，而且也要考虑侧碰时对乘员的保护。而靠 背倾角、基本尺寸及其形状对尾部碰撞的严重程度有很大影响。

（4）坐垫的设计

坐垫一般不会造成对乘员的直接冲击伤害，但坐垫的结构可以影响到乘员运动过程、约束力 加到乘员身体上的方式及外部载荷(加速度、力等)的绝对值大小。坐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撑。坐垫深度不应该超过人的大腿长度。（5）头枕的设计

头枕是一种用以限制乘员头部相对于躯干向后移位的弹性装置，其作用是在发生碰撞时，减 轻乘员颈椎可能受到的损伤。尤其是在汽车受到追尾碰撞时，可抑制乘员头部后倾，防止或 减轻颈部损伤。现多采用模拟计算和试验验证相结合的研究方法，该方法重复性好、存储信 息量大、开发周期短且开发费用低。

五、汽车座椅人机工程学的应用

所谓人机工程学，亦即是应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围、活动范围、动作速度、动作频率、重心变化以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等。

人机工程学的显著特点是，在认真研究人、机、环境三个要素本身特性的基础上，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将使用“物”的人和所设计的“物”以及人与“物”所共处的环境作为一个系统来研究。在人机工程学中将这个系统称为“人——机——环境”系统。

六、结束语

从人机工程学的角度出发，进行汽车驾驶座椅的设计，是使驾驶座椅具有良好坐姿舒适性、振动舒适性、操作舒适性和安全性的必要手段。

目前，虽然已有企业在利用人机工程学的研究成果来设计驾驶员座椅了，但对设计出来的驾驶座椅还不够完善，因此建立一个从分析——设计的系列开发过程有着非常重要的意义。参考文献

[1]王惠军 《汽车造型设计》 国防工业出版社，2007年 [2]郭竹亭 《汽车车身设计》 吉林科学技术出版社，1992年 [3]黄天泽 《汽车车身结构与设计》 机械工业出版社，2003年

[4]李少波 《汽车车身计算机辅助设计与分析》[硕士论文] 贵州工业大学，1999年 [5]吴翔 《产品系统设计》 中国轻工业出版社，2000年

第五篇：人机工程学在汽车座椅设计中的应用

题目 人机工程学在汽车座椅设计中的应用

熊雯

湖北汽车工业学院 机械工程系,湖北 十堰,442002 摘要：驾驶员驾驶姿势直接影响着驾驶员的舒适和健康，关系着是否能够安全、高效准确地驾驶。同时它还决定着舒适程度，以及长期驾驶是否对驾驶员造成生理和心理上的有害的影响。本文结合人机工程学的知识，从人的心理，生理特点出发并结合汽车振动特性，视野范围以及空间分布来分析人与座椅的相互关系和相互作用，从而得出能符合人机工程学标准的，并将舒适性、安全性都考虑到位的汽车座椅的设计。关键词：人机工程学、座椅，舒适度、设计

Ergonomics application in automobile seat design

xiongwen hubei automotive industry institute department of Mechanical Engineering,Hubei shiyan,442002 Abstract: Driving position directly influences the driver's comfortable and healthy, relationship with whether can be safe, efficient accurately driving.At the same time it also determines the comfort levels, and long-term driving to drivers whether caused by physical and mental harmful effects.Combining with the ergonomics knowledge from man's psychology, physiology characteristics and combined with auto vibration characteristics, the vision scope and empty room distribution to analyze the relationship between man and seat and interaction, thus developed can accord with standard of ergonomics and will comfort, safety is considered the car seat in the Keywords: Ergonomics, seat, comfort, design

正文：

一个性能优良的汽车座椅主要取决于以下五个方面：①座椅与人体的人机界面能否为人提供舒适而稳定的坐姿。②驾驶员(或乘坐)——座椅——车辆系统能否有效的隔离或衰减来自路面不平度的激励而产生的震动以及驾驶员或乘坐员所承受的全身震动负荷低于规定限值。③驾驶员(或乘坐员)——座椅——驾驶室系统的几何位置

关系能否为驾驶员提供良好的视野。④能否为驾驶员提供一个相对于各种操纵机构的合适位置，使他能方便地进行操作。⑤能否提高驾驶员的人身安全性，当发生翻车或撞车事故时，将驾驶员约束在驾驶座椅上面，下面就从这四个方面来分析人机工程学在汽车座椅设计上的运用。

1.舒适坐姿的生理特征

坐姿是人体较自然的姿势，坐姿将以脚支撑全身的状况转变为以臀部支撑全身，有利于发挥脚的作用，特别是能够利用靠背来增大腿脚的蹬力这一特点，来控制操纵力较大的装置。但如果坐姿不正确，座椅设计不合理，也会给身体带来严重损害。1.1坐姿生理学 1.1.1脊柱结构

坐姿状态下，支撑身体的是脊柱、骨盆、腿和脚。脊柱是人体的主要支柱，由24节椎骨以及5块骶骨和4块尾骨连接组成，如图1-1所示，其中椎骨自上而下又分为颈椎（共7节）、胸椎（共12节）、腰椎（共5节）三部分，每两节椎骨之间由软骨组织和韧带相联系，使人体得以进行屈伸、侧曲和扭转动作等有限度的活动。颈椎支撑头部，胸椎与肋骨构成胸腔，腰椎、骶骨和椎间盘承担人体坐姿的主要负荷。

图1-1 脊柱的构造

从图中可以看出脊柱呈现颈、胸、腰、骶四个弯曲部位，其中颈曲和腰曲凸向前，胸曲和骶曲凸向后。1.1.2腰曲弧线

与坐姿舒适性直接相关的是腰曲。图1-2为各种不同姿势下所产生的腰曲弧线，人体正常腰曲弧线是松弛状态下侧卧的曲线，如图中曲线B所示；躯干挺直坐姿和前弯时的腰弧曲线会使腰椎严重变形，如图中曲线F和G所示；欲使坐姿能形成几乎正常的腰曲弧线，躯干与大腿之间必须有大于90度的角度，且在腰部有所支撑，如图中曲线C所示。可见保证腰弧曲线的正常形状是获得舒适性的关键。

图1-2 不同姿势下所产生的腰椎曲度

1.1.3腰椎后突和前突

正常的腰线曲线是微微前突。为使坐姿下的腰弧曲线变形最小，座椅应在腰椎部提

供所谓两点支撑。无腰靠或腰靠不明显将会使正常的腰椎成图1-3（a)中的后突形状。而腰靠过分凸出将会使腰椎呈图1-3（b）中的前突形状。腰椎后突和过分前突都是非正常状态，合理的腰靠应该是使腰弧曲线处于正常的生理曲线。

图1-3 腰椎后突和前突

1.2坐姿生物力学

1.2.1肌肉活动度

脊椎骨依靠其附近的肌肉和腱连接，椎骨的定位借助于肌腱的作用力。一旦脊椎偏离自然状态，肌腱组织就会受到相互压力(拉或压)的作用，使肌肉活动度（活动量）增加，招致疲劳酸痛。在挺直坐姿下，腰椎部位肌肉活动度高，因为腰椎前向拉直使肌肉组织紧张受力。提供靠背支承腰椎后，活动力则明显减小；当躯干前倾时，背上方和肩部肌肉活动度高。1.2.2体压分布

座垫上的体压分布。根据人体组织的解剖学特性可知，坐骨结节处是人体最能耐受压力的部位，合于承重，而大腿下靠近表面处因有下肢主动脉分布，故不宜承受重压。据此座垫上的压力应按照臀部不同部位承受不同压力的原则来分布，即在坐骨处压力最大，向四周逐渐减少，自大腿部位时压力 降至最低值，这是座垫设计的压力分布不均

匀原则。图1-4是较为理想的坐垫体压分布线。

图1-4 体压分布曲线

1.2.3骨盘受力分析

人体结构在骨盘下面有两块圆骨，称为坐骨结节。如图1-5所示。坐骨结节下面的底座呈近似水平时，可使两坐骨结节外侧的股骨处于正常的位置而不受过分的压迫，如1-5（a）。当坐面呈斗形时，会使股骨向上转动，这种状态会使肘部和肩部受力，从而引起不舒服。所以在座椅设计中，斗形坐面是应该避免的。

图1-5 座面对股骨的影响

1.2.4椎间盘受力分析 当坐姿腰弧曲线正常时，椎间盘上受的压力均匀而轻微，几乎无推力作用于韧带，韧带不拉伸，腰部无不舒适感，如图1-6（a）所示。但是，当人体处于前弯坐姿时，椎骨之间的间距发生改变，相邻两椎骨前端间隙缩小，后端间隙增大，如图1-6（b）。这会引起腰部的不舒适感，长期积累作用，可造成椎间盘病变。

图1-6 不同坐姿时椎间盘受力分析

1.3坐姿人体测量尺寸

坐姿人体测量尺寸是座椅静态尺寸设计的主要依据。与座椅设计相关的人体测量主要尺寸见图1-7，具体测量数值如表1-8所示。

图1-7 对座椅设计有用的人体尺寸

表1-8坐姿人体尺寸

综合来看，从坐姿生理学角度，应保证要弧线正常，腰背肌肉处于松弛状态，从上体通向大腿的血压不受压迫，保持血液正常循环。因此，最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移，使上体略微向后倾斜，保持腿夹角在90度到115度之间，小腿向前伸，大腿与小腿，小腿与脚面之间也有合适的夹角。如图1-9所示：

图1-9 大腿、小腿和脚面的夹角

2.人体对乘坐振动的反应

座椅及悬架等部件隔离、吸收、缓和、衰减行驶中所产生的各种冲击和振动激励如果超出了人体承受振动的舒适性界限，就会使人产生不舒服感。车辆驾驶员所受的机械震动分为全局振动和全身震动两大类。局部振动是指作用于人体特殊部位（如头部和四肢）的震动，一般不会给驾驶员造成损害，但是对操纵的精确度有影响。全身震动是指通过人体支撑表面作为整体传给人体的震动。车辆驾驶员承受的乘坐振动属于全身震动，是对驾驶员可能造成严重伤害的主要震动形式。人体承受全身震动将产生机械的、生理、病理的和心理的效应。2.1乘坐振动的机械效应

乘坐振动通过驾驶员的臀部、腰部传给驾驶员，激起人体的全身震动。当振动激励频率接近人体的主要器官的固有频率时，将引起相应器官的共振而产生相对位移，从而使人感到不舒适。

在正常重力情况下，人体对4～8Hz频率的震动的能量传递最大，其生理效应也最大，称为第一共振峰。10 12Hz的震动频率时出现第二共振峰，其生理效应仅次于第一共振峰。在20 25Hz时出现第三共振峰，其生理效应较第二共振峰稍低。以后随着频率的增高，震动在人体内的传递逐步衰减，其生理效应也相应减弱。如图2-1所示。

图2-1 坐姿时人体对垂直振动的传递率

坐在驾驶座上的驾驶员承受垂直振动时，人体各主要器官的固有频率如图2-2所示。

图2-2 人体器官的固有频率 将人置于震动台上进行各种典型工况下的激振试验，测得人体的坐姿震动特性如图2-

3、2-

4、2-5所示。图2-3 人体坐姿承受垂直振动的传递特性

图2-4 人体坐姿承受左、右水平振动的传递特性

图2-5 人体坐姿承受前、后水平振动的传递特性

2.2乘坐振动的生理效应

全身振动引起的主诉症状及生理反应与振动频率有关。低于10Hz的震动，主要引起胸脯部不适；高于10Hz的振动，引起头部症状的增强。全身振动英气的生理效应如图2-6所示：

图2-6 全身振动的生理效应

全身振动最明显的生理反应时人体姿势的变化，低频高强度的振动使人难以保持

稳定的姿态。

2.3全身振动的病理效应

研究表明，驾驶员常患的两种职业病：胃病和脊椎损伤。图2-7为拖拉机驾驶员的胃病患病率。主要原因是因为急剧的乘坐振动对胃的消化功能产生了有害影响。

图2-7 拖拉机驾驶员的胃病患病率

图2-8为拖拉机驾驶员为脊椎病与年龄的关系。由此可以看出，驾驶员的脊椎畸形的发病率都很高，主要原因是因为驾驶员承受剧烈的乘坐振动和不方便的乘坐姿势。

图2-8 拖拉机驾驶员脊椎患病率与年龄的关系

实线——男人；虚线——女人

2.4乘坐振动的心理效应

对车辆驾驶员来说，乘坐振动的心理效应主要表现为操作能力的变化。让人在座椅上用振动台进行各种典型情况下的激振试验，测得振动对人的操作能力的影响如图2-9至2-11所示。

图2-9 人体坐姿承受垂直振动时的实力降低情况

（a）加振中；（b）加振终了时

2-10 人体坐姿承受水平振动时脚踩加速踏板压

力保持不变的能力

左边—振动频率的影响；右边—振动加速度的影响图2-11 坐姿人体承受垂直振动时的平衡能力降

低情况（a）加振时；（b）加振终了时

图2-12 人体坐姿承受横向水平振动时跟踪误差

图2-13 人体坐姿承受横向水平振动选择时的反应时间

图2-14 人体坐姿承受垂直振动的手眼协调平均动作时间

根据受振者的感觉，《人体承受全身振动的评价指南》即ISO2631—1982把振动划分为三个不同的认为界限：

（1）保持舒适性界限：在此振动界限内，没有不舒服的感觉，受振者能顺利的完成读、写、吃等动作。

（2）保持工作效率界限：在此振动界限内，操作人员能在规定的时间保持正常的工作效率。超过此界限，则因疲劳而降低工作效率。

（3）保持健康与安全界限：它是身体所能承受振动的上限。超过此界限将使受振者的健康受到损害。

一般对于小轿车和旅游车，选取保持舒

适性界限作为评价振动舒适性的标准；对于拖拉机、工程机械和各种越野车辆，宜选择保持工作效率界限作为评价振动舒适性的标准。

3.座椅空间位置的设计

座椅空间位置设计就是为了达到操作

舒适性的目标，而进行驾驶座椅空间位置设计以确保驾驶员有良好的视野，同时对汽车转向盘、脚踏板等操作部件有恰当的操作要求距离，以达到操作舒适性的最终目的。

好的驾驶设计必须要保证驾驶员在连续几个小时操作的情况下，身体能够得到很好的支持。并且座椅必须有额外的空间，允

许驾驶员坐在座椅上的任一边或改变在座椅上的角度，以便暂时使他的肌肉放松。

确定驾驶座椅在车辆上的安装位置之前，必须先确定坐着的驾驶员与座椅结构的相对位置。美国汽车工程师协会SAE已将车辆驾驶座椅设计的参考点标准化，这个参考点称为座椅标志点，即SIP，其位置如图3-1所示。图3-1 人体H点与座椅标志点之间的关系 图3-2为轿车驾驶座椅的作业空间布置和尺寸推荐数据。

图3-3为载货汽车的驾驶座椅的作业空间布置和尺寸推荐数据。

图3-2 轿车驾驶座椅的推荐设计

图3-3 载货汽车的驾驶座椅的操作位置尺寸

4.汽车座椅的尺寸结构设计

座椅尺寸设计的合适与否，直接影响到驾驶员能否有一个舒适而稳定的坐姿和合适的操纵位置。4.1汽车座椅的主要尺寸

座椅尺寸设计主要参数包

括:椅面高度、宽度、深度、椅面倾角;靠背的高度、宽度和倾角。如图4-1所示：

图4-1 座椅尺寸设计主要参数

椅面高度A：为椅面前缘至驾驶员踵点的垂直距离。在设计时主要考虑到两点:椅

面过高会使大腿肌肉受压，椅面过低就会增加背部肌肉负荷。驾驶座椅的椅面高度应低些。

椅面宽度B :在空间允许的条件下，以宽为好。但对于汽车驾驶座椅来讲，驾驶员坐姿单一，不涉及变换姿势，通常设计应以满足最宽人体需要为准。

椅面深度C :指椅面前缘至靠背前面水平距离。其尺寸应满足:腰部得到靠背的支承;椅面前缘与小腿之间留有适当距离，以

保证大腿肌肉不受挤压，腿弯部分不受阻碍。

靠背高度D及宽度:靠背的高度和宽度与坐姿肩高和肩宽有关，对于汽车驾驶座椅靠背的高度应采取高靠背，最好加靠枕。

靠背倾角α:靠背倾角是指靠背与椅面水平方向的夹角。椅面倾角β :指椅面与水平之间的夹角。主要考虑到为了防止人体臀部向前滑动而是椅面前缘向后倾。此角不易过大，否则会增加大腿下平面与座垫前缘的压力，从而减少双脚着地的负荷，阻碍血液循环，引起身心疲劳。

通过以上座椅尺寸参数的确定，以保证驾驶员人体脊柱曲线更接近于正常生理脊柱曲线。舒适坐姿的各关节的角度应该满足图4-2中所示的要求角度。

图4-2 舒适坐姿的关节角度

4.2汽车座椅的结构设计

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。4.2.1汽车座椅枕垫的设计 头枕是一种用以限制乘员头部相对于躯干向后移位的弹性装置，其作用是在发生碰撞时，减轻乘员颈椎可能受到的损伤。尤其是在汽车受到追尾碰撞时，可抑制乘员头部后倾，防止或减轻颈部损伤。如图4-3所示：

图4-3 汽车座椅的枕垫

4.2.2汽车座椅的靠背的设计

靠背的安全性设计应考虑靠背的强度、倾角、基本尺寸及其形状。靠背的强度设计不但应该在“追尾”等后部碰撞时给乘员提供良好的保护，而且也要考虑侧碰时对乘员的保护。而靠背倾角、基本尺寸及其形状对尾部碰撞的严重程度有很大影响。

依据靠背上体压分布不均匀原则，在座椅靠背设计时应保证有靠背两点支承即就

是人体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，第一支承部位位于人体第5 一 6胸椎之间的高度上，作为肩靠;第二支承设置在腰曲部位，作为腰靠。肩靠能减轻颈曲变形，腰靠能保证乘坐姿势下的近似于正常的腰弧曲线。如图4-4所示： 图4-4 汽车座椅的靠背 4.2.3汽车座椅座垫的设计 坐垫一般不会造成对乘员的直接冲击伤害，但坐垫的结构可以影响到乘员运动过程、约束力加到乘员身体上的方式及外部载荷(加速度、力等)的绝对值大小。坐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撑。坐垫深度不应该超过人的大腿长度。

为了保证座垫上合理的体压分布，座垫应坚实平坦。太软的椅子容易令使用者曲起身子，全身肌肉和骨骼受力不均，从而导致腰酸背痛的现象的产生。研究表明间：过于松软的椅面，使臀部与大腿的肌肉受压面积增大，不仅增加了躯干的不稳定性，而且不易改变坐姿，容易产生疲劳。如图4-5所示：

图4-5 汽车座椅的坐垫

5.驾驶座椅设计的安全性

座椅安全性设计的内容主要包括主动安全性和被动安全性。5.1坐椅主动安全性

主动安全性是指汽车驾驶座椅防止事故的能力。汽车驾驶座椅的主动安全性设计主要从减轻驾驶员的疲劳人手进行分析设

计，以满足主动安全性要求。主动安全性主要考虑合理的座椅尺寸设计、座垫上合理的体压分布、靠背上理的体压分布等为驾驶员提供一个舒适的作业环境，减轻驾驶员的疲劳，从而保证驾驶座椅主动安全性的设计要求。

5.2坐椅被动安全性

被动安全性是指事故发生时，保护乘员的能力。驾驶座椅作为安全部件，是汽车被动安全性设计的主要考虑部件之一。考虑提高驾驶员的人身安全性，汽车驾驶座椅被动安全性设计目 标为： ①在事故中要保证驾驶员处在自身的生存空间之内，并防止其他车载体进人到这个空间;②要保持驾驶员在事故发生时，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；③在事故中，使得事故后果对驾驶员的伤害降低到最小限度。5.3安全措施

目前采取的主要安全措施：提高座椅骨架强度，达到汽车驾驶座椅强度的要求值；

设置座椅安全带，使在紧急制动或正面撞车时不致将驾驶员碰伤；达到一定的阻燃要求，坐垫和靠背材料应达到汽车内饰材料燃烧特性技术要求的规定。

现在越来越多的汽车座椅都开始利用人机工程学的知识及其研究成果进行设计了。只有从人机工程学的角度出发，进行汽车驾驶座椅的设计，才能使驾驶座椅具有良好坐姿舒适性、振动舒适性、操作舒适性及安全性。

参考文献：

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