第一篇：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标准和规范。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 4
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。
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
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.
第四篇：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
第五篇：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
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