人机工程学在自行车设计中的应用（模版）

第一篇：人机工程学在自行车设计中的应用（模版）

人机工程学在自行车设计中的应用

摘要：

人机工程学是人体科学、工程技术、环境科学、安全科学和社会科学交叉形成的一门重要学科。它以人的生理、心理特征为依据,以提高人的工作、生活质量为目的,运用系统工程、信息理论和工程技术的观点和方法,研究人与机器,人与环境和机器与环境之间的相互关系,把人的因素作为系统设计的重要条件和原则,为机器设计成操作简便、省力、安全。本文注重在人机工程的基础上研究自行车的构造，分析自行车的结构，选择最适合人骑行的自行车构造体体系。

关键字：人机工程学 自行车系统设计 人的因素 人体工程学 心理特征 骑行姿势 人—机—环境系统 正文：

人机工程学作为一门新兴的学科，在认真研究人，机，环境三要素自身特性的基础上，科学地利用三要素之间的相互作用，相互依存的有机联系来寻求系统的优化。

最重要的关键在于车体尺寸的大小，能否有效均匀地分散骑乘者的重量，同时又可保持良好的平衡。座垫要调整到正确的高度，曲柄要与地面平行，如此膝盖下方突出的骨块就会直接位于脚踏轴心的上方。背部应该向前倾斜到至少45角，背部臀部及下背部强壮的臀肌才能在踩踏时有效施力。这种姿势会使身体重量移至双臂，此时手肘微微弯曲，手腕要打直，才能减缓行车时的震动。

在自行车的设计过程中，也或多或少产生了一些不符合人机工程学的问题，比如有一种比赛用的山地自行车没有装刹车，结果在某场比赛中发生碰撞，导致多人受伤；还有一些自行车设计得人车骑行设计不佳，造型结构不够美观，出现诸多问题。因此我们有必要对自行车的具体结构和人车系统进行全面的分析，从而使自行车的设计更人性化，合理化，也更加美观，符合人的理想人车环境。

一、人一自行车系统。组成自行车的功能是供人骑行，就发挥自行车的功能作用而言，把人看作自行车的组成部分是完全合理的。因此，人在骑车时组成了人一车系统，该人一车系统中的人一车界面关系可由下图来进行分析。1.人与支撑部件关系

支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等，是自行车的构架。支撑部分将其他零部件固定在相互间正确的位置上，保证自行车的整体性，实现自行车的功能。从人机关系来看，鞍座、车把和车架等的位置和大小，以及它们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着性的设计参数。

2.人与动力接受部件关系

动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力是靠骑车人的双脚踩在脚蹬上，下肢运动的力使曲柄转动而产生的。为了使人省力和有舒适感，必须在骑自行车人的体格和体力与自行车元件的尺寸关系上下功夫，即研究人体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换问题。3.人与传动部件关系

传动部件主要是滚珠、链条和链轮。人的作用力是通过链条和链轮传动而带动后轮转动，从而使自行车前移。传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性，且有易操纵的变速机构。保证较高的传动效率，才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率。4.人与工作部件关系

工作部件就是车轮，即车圈、轮胎等。绝大部分轮胎是充气的，少数是实心的。车轮一方面把骑车人的肌肉力量，有效地转换为同地面接触而向前运动的力；另一方面将骑车人的握力转换为与接地部分所产生的刹车阻力。在设计自行车的各部分尺寸、车闸及变速器等时，应该着眼于骑车人一动力一传动一工作的连贯性，才可能设计出同骑车人手的大小或握力相适应的闸把、刹车力适当的车闸，才不会发生刹车阻力不够而造成失误现象。

二、影响自行车性能的人体因素

影响自行车性能的人体因素很多，如图所示。现主要分析下述几点：

1.人的体格因素

以身高 H 为基本因素，其他身体的能力与 H 成比例，并有与H2、H3成比例的特性。如手

臂、腿、气管等的长度与身高成比例，从而以骨关节为中心所产生的力矩、步幅等，都取决于H的大小。肌肉、大动脉、骨骼的截面积以及肺泡的表面积等都可看成与 H2成比例。肺活量、血液量、心脏容量等都可看成与 H3成比例。体格对出力性能的影响，从理论上讲，弹跳能力与H成比例，速度能力与 H2成比例，作功能力和 H3成比例。但实际上因每个人身体素质不同，常有20％以上的偏差。2.人的下肢肌力

自行车骑行的原动力，主要是骑车人的下肢肌力。人骑车时，骨骼肌肉内部的化学能转换为肌肉收缩的机械能。自行车脚蹬的转动就是通过腿肌收缩出力而完成的，一般说腿肌长的人比腿肌短的人有利。肌肉收缩时产生的力，一般与肌肉的截面积成比例，约为每平方厘米40--50N，通过一定训练的人可提高到65N。3.人的输出功率

人输出的功率随着骑车人的体格、体力、骑车姿势、持续时间和速比等的变化而变化。一般成年男人的最大输出功率约为 0.7 马力（0.51 kw)，能持续 10s左右。如果持续时间长，其值要小得多，持续 lh，大约只有 1.0-0.7马力（0.07-0.15kw）。4.人的脚踏速度

自行车运动是很有节奏的，其节奏常常与人的心脏节律保持一定关系。健康人的心脏跳动为70 次／min，一般脚踏以 60r/min 节奏转动较为合适。设计时以这一常用速度来确定相关设计参数。5.人的平衡机能

骑车人本身的平衡机能是影响自行车性能的重要因素，如果缺少平衡机能，哪怕是运动性能很好的自行车也不能平稳行驶；若人有很好的平衡机能，却可掩盖自行车设计上的某些缺陷6.人的手和握力

影响刹车性能的人的因素主要是人的手和握力，男性和女性，成年人和儿童，手的大小和握力都不相同。据试验，为了长时间施闸而不致使手有疼痛的感觉，希望只用最大握力的10％左右便能得到必要的减速度。7.人的疲劳

人体疲劳和疼痛是对骑车出力性能的不利因素，其产生原因有人体因素，也有自行车结构因素。疲劳和疼痛一般是由于部分肌肉负担过大，骑车姿势不合适，以及体重对鞍座的体压分体不合适等引起的。此外，影响出力因素还有人的最大摄氧量。

8.人的视觉

人在垂直平面内的最大视区为标准线以上50º和标谁视线以下70º。在一般状态下，站立时自然视线低于标准视线10º;坐着时，低于标准视线15º，在松驰状态下, 站着和坐着的自然视线偏离标准视线分别为30º 和38º，观看展示物最佳视区在低于标准视线30 区域内。

三、自行车设计结构要素分析

影响自行车性能的因素除了上述人的因素外，还有许多机械因素。为了获得自行 车较佳的性能，必须把人的因素与机械因素有机地结合起来，以使人一车协调。为此，着重分析与人体相关的结构要素。1.速比

大小链轮的齿数比，与链轮直径比相一致，一般控制在2.3-4.0的范围内。利用速比关系可取得骑行时所必要的功率和必要的速度。速比要合适，如果太小，无论人的肌力有多大，由于不能充分提高转速，所以就得不到大的输出功率。也由于速比小，在限定的曲柄转速下，得不到必要的骑行速度（后轮转速）。速比过大时，要求的踏力也大，容易使人疲劳。2.曲柄长度

传统的自行车设计，一般从杠杆原理考虑比较多，对人研究少，认为曲柄越长越有力。曲柄过长后，为了不使脚蹬碰到前泥板，不得不加大中轴至前轴的距离（前心距）。这样势必加长车架，影响了正确的坐车姿势，使人感到臀部痛。若能按人的身长或下肢长来考虑曲柄长度，则可使人省力和舒适。通常曲柄长度的基准，取人体身长的 1／10，也相当于大腿骨长的 1／2。3.三接点位置

正确的骑车姿势，是由骑车人和自行车三个接点位置决定的。4.鞍座位置

鞍座装得过低，骑行时双脚始终呈弯曲状态，腿部肌肉得不到放松，时间长了就会感到疲软无力；鞍座装得过高，骑行时腿部的肌肉拉得过紧，脚趾部分用力过多，双脚也容易疲劳。骑车时适当的用力部位是脚掌。设计或校正鞍座位置高低最常用的方法，是使手臂的腋窝部位中心紧靠鞍座中部，使手的中指能触到装配链轮的中轴心为宜。人体各部尺寸都有一定的联系，只要腋窝中心至中指的长度确定下来，鞍座高度便可大致确定。行驶较快的车，鞍座位置要向前移动，行驶较慢的车，鞍座位置要向后移动，否则都不利于骑行。5.车闸

设计时，闸把开挡、力率和闸把力要与人手的大小和握力相适应。灵敏度高的车闸，随着闸把上力的增大，刹车力也按比例地增加。如果闸把力到达某一程度不发生刹车作用，继而又骤然生效，说明这种车闸设计不良。

四、人一车动态特性分析 1.动态稳定性

自行车的稳定是行驶过程中的稳定，是一种动态平衡的稳定性。动态稳定性影响到自行车骑行中的动作，包括直进稳定性和前后左右方向的稳定性，见图 1-5(a）。显然，稳定性对安全行驶是必不可少的特性。

2.力学特性

自行车行驶在平地上转弯的条件是侧向力（与离心力平衡）与自行车总重量（人和车的重量）的合力作用线要通过轮胎与地面的接触点。这当然与骑车人有关，但更重要的是自行车的造型要有适合这种力学特征的结构形式。

3.转向特性

自行车转弯时可能有三种情况：

人-车系统动态特性

人体和车身向内倾的角度相等。即骑车人身体的中心线和车子的中心线一致时，自行车就可以转弯，即所谓中倾旋转，见图(b)；骑车人的倾斜角比车子的倾斜角大时，此时的转弯即所谓内倾旋转，见图（c）；骑车人的倾斜角比车子的倾斜角小时，此时的转弯即所谓外倾旋转，见图(d))。

结论：在自行车的设计过程中，作为一个优秀的自行车设计者，在工作中应该不断揭示人—自行车—环境三要素之间的相互关系的规律，使他们更合理地协调，以创造出更适合于各类骑行者，各类路况的自行车，从而获得这一系统的最高效能，让自行车更加符合人们的骑行理念。

第二篇：人机工程学在整体厨房设计中的应用

人机工程学在整体厨房设计中的应用

摘要

追求安全、健康、舒适和美观是整体厨房设计的目的。本文通过设计调交 ,建立了整体厨房用户模型 ,通过人机工 程学中舒适人体尺寸的运用,研究了厨房空间的合理的平面布局方式、整体厨房的平面剖面尺度以及合理的储藏空间等使用户大大提高工作效率和操作的舒适度。

关键词 : 整体厨房 ； 厨房 ； 橱柜 ；人机工程学

abstract The pursuit of safety, health, comfort and beauty is the overall kitchen design.Through the design, the establishment of the overall kitchen user model, through the use of ergonomics in the comfort of human body size, the space of the kitchen.Reasonable.} plane arrangement, plane and the section sizes of the whole kitchen and reasonable storage space.The user can greatly improve the work efficiency and operating comfort.Key words: integral kitchen;kitchen;cabinet;Ergonomics

一、前言

整体厨房是将橱柜、抽油烟机、燃气灶具、消毒柜、洗碗机冰箱、微波炉、电烤箱、各式挂件、水盆、各式抽屉拉篮、垃圾粉碎器等厨房用具和厨房电器进行系统搭配而成的一种新型厨房形式。具有储存、清洗、加工、配俊、烹调、备俊、交流功能。进入21世纪,国民生活水平得到普遍提高,现代住宅设计已把设计重 点和 施 工精度放在起居室、洗手间和厨房上来了。消费者的生活行为发生大的改变 ,厨房的功能不再是过去单一的满足烹调行为要求 ,已发展为集仓储、加工、清洗、烹饪和配蟹等多功能为一体的综合服务空间。人机工程学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的因素;研究人和机器及环境的相互作用;研究在工作中 家庭生活中与闲暇时怎样考虑人的健康、安全、舒适和工作效率的学科。在整体厨房“人一机一环境” 的特定系统中,“ 人” 即操作者,是主要因素;橱柜、设备及器具等是“机”，厨房的室内空间尺度、形状、色彩及声、光、热 空气条件是“环境”,更设计出使操作者使用最好适的“环境”和最省力的“ 机”,则首先要分析、了解“人”。

二、设计调查

厨房的空间规划需兼具实用、美观、安全、易清理及省时省力。因此,空间的妥善规划极为重要,这就必须进行设计调查,了解用户与整体厨房产品有关的生活方式、行为方式、各种使用环境和情景、用户的想象、用户的期待等t31。同时了解用户在厨房中进行操作的过程和思维过程,从而发现用户需要,获取这些信息后,建立厨房内的用户模型。

2.1用户模型

厨房用户的作业流程一般是:外购、储存一摘拣—洗涤一调理一烹饪一配餐一上桌一洗刷的顺序进行。如图1为厨房中的操作内容及操作路线。按照用户的一般操作流程 , 将厨房空间分为四大区,即储藏区、洗涤区、操作区、烹饪区、(进餐区)。如表2一1所示。依据流程分区,整体厨房的平面布置顺序依次应是储藏区、洗涤区、调理区、烹饪区。洗涤、调理均为湿作业场所,将后二个区域尽里安排在同一台面上〔5〕,这样操作更方便。2.2思维模型

经过调查分析,用户对整体厨房产品的期待包括以下几点 : 1.橱柜的尺寸应根据人体尺寸,达到使用方便、省力、舒适、降低劳动强度、提高工作效率的目的;2.设备的安排要尽l 缩短人 在厨房操作时的行走路线;3.水池附近应有储藏区 , 刀、叉、碗等俊具洗好可安放其中;4.尽量缩短厨房与俊桌之间的距离;5.给电器留一定的储藏及操作空间。

三、整体厨房的平面和剖面尺度设计

整体厨房典型设备、橱柜的平面、剖面尺度的确定,是依据人机工程学中人的操作机能来确定的,其目的在于要让人使用的“ 机具”满足人的各种使用要求,以达到使用方便、省力、舒适、降 低劳动强度、提高工作效率、合符科学的目的。整体厨房典型设备、组成有厨房操作台 洗涤池、冰箱、炉灶及吊柜等,在设计时应考虑其平面、剖面的尺度关系。3.1整体厨房的平面布局

在整体厨房的功能区域中,储藏区以冰箱为中心,洗涤区和操作区以水盆为中心 烹饪区以炉灶为中心。在20世纪五十年代进行的人体工程学研究(基于20世纪二十年代为提高工作效率所做的研究)中,提出一个“工作三角”的重要原则t6] 调整冰箱、水盆和炉灶这三个工作点的相对位工,达到使用方便 减轻炊事劳动量，提高工作效率的目的,是整体厨房平面布,的基础,三者之间的连线围成一个“工作三角”,人在这三个点之间走动自然形成一个三角形连线。

这项研究确立了这三个主要厨房活动区域之间的距离,经过l，这个三角形三条边长之和宜在3.6m ~ 6.6 m之间:小于3.6m，则贮藏和工作面很狭窄;大于6.6m,则由于往返距离加大使人疲劳,厨房操作效率降低。总长在4.5m ~ 6.Om 之间的效率最高,称为“省时省力三 角形”[ 7],其中洗涤池与炉灶之间的联系最为频繁,专家建议宜将它们之间的距离缩到最短,但距离最少为9OOmm。冰箱和水池间的距离 a 在1.2m ~2.lm较好,水池和炉灶间距离b在1.2 m ~ 1.8 m 较为合理,而冰箱和炉灶间距离c在1.2 m ~ 2.7 m 较为恰当,如图2同时厨房交通还须避开工作三角形,使作业光线不致受到千扰。3.2操作台设计 1.操作台高度

目前操作台的高度多数为860mm,二事实上人在切菜时上臂和小臂应呈一定夹角,这样可以最大程度地调动身体力量,双手也可相互配合地工作[8 ]。在抽样调查中,让一组不同身高的人去体验切菜台的高度 ,得出数据,见表2 通过数据分析发现,如果身高相差1cm的话,最舒适切菜台高度一般相差0.5c m左右。根据人体尺度的国家标准 可知,成年女子身高的10百分位数为150.3cm,90百分位数为164cm ,因此相对应的操作台 高度应在79 cm ~ 86 cm 之间具体的高度根据主妇的高度来调节,原则即为身高每增加1cm,操作台的高度增加 0.5cm,一般将操作台高度定为800m m ~ 850mm能适合于大多数人。如果厨房空间足够的大,可补充增设其他所希望高度的操作台,以满足不同功能的需要。

2.操作台宽度

人在站立操作时所占的宽度女为66cm,男为70cm ,但从人的心理需要来说，必须将其增大一定的尺寸。根据手臂与身体左右夹角15度时工作较轻松的原则,操作台面宽度应以760mm为宜[ 8](见图3),因此一般来说,在条件允许的情况下 , 操作台的宽度应>=760mm。3.操作台深度

如图3,人使用操作台的主要操作区的深度为45Omm ,而人略探身可触及的操作案台深度为600mm,因此从这方面看操作台的深度不宜小于450mm,也不宜大于600mm。

4.操作台下柜体的深度

相对应的台面下的柜体一般要比台面本身要浅5Om m,当台 面为5 Omm时,柜体的深度为5OOmm的标准柜体深度;而当台面的深度为 600mm时,柜体的深度选择55Omm的标准柜体深度。5.操作台下柜脚的容脚深度 为了使人身体能靠着案台的边缘、且能垂直站立操作,案台的柜脚就需容脚深度，约1OOmm。这样处理，可以提高案台站立操作的舒适性,大大减轻操作者的腰部疲劳。

3.3灶台设计

一般来说,灶台是和操作台的高度是在同一高度上的。但由于女性平均使用炉台的时间较长,因此为避免烹饪时胳膊架得很高,造成颈肩酸痛,灶台的高度应比操作台的高度下降约1Ocm ,视线得以轻松俯视煮食,手肘在炒菜时也可以轻松悬放,不会长时间处于紧绷状态。因 此,放置灶具的台面应扣除锅和灶具的高度,对于台式炉灶需要在普通操作台的基础上减去炉灶和锅的高度20Omm,即灶台柜在600mm一65Omm 之间;而对于嵌吞式炉灶则需要在普通操作台高度的基础上 减去锅的高度1OOmm ,即灶台在700mm ~ 750mm之间。但这种灶台和操作台不在一个平面的情况下需要保证：灶台一侧至少有23Omm的操作空间,而另一侧操作空间应达到38Omm。3.4 洗涤池设计

1.洗涤池高度

一般来说,洗涤池的高度偏低,长期使用会使用户产生腰部劳损,这就需要加高洗涤池的高度,使用户在正常站立的情况下就可轻松洗涤。根据人机工程学原理,女子50百分位数的“ 立姿肘高” 为960mm,加穿鞋修正,2Omm ,得980mm;由于立姿下在略低于肘高的位皿操作最适宜,所以取洗涤池的高度为 “立姿肘高”减去180mm ~ 13Om m ,即洗涤池的高度在800mm ~ 85Omm 之间,与操作台的高度一致,两者可用一 个高度满足洗涤和切菜的瓣要。2.洗涤池平面尺度

厨房洗涤池不应太靠近转角布工,否则没有足够的空间会影响人的操作,而且也不便于物的放置。一般在厨房洗涤池的一侧保留最小的操作台空间为46Omm ,而另一侧保留最小的操作台空间为 610mm [“9]。3.吊柜设计

在吊柜的设计上要考虑吊柜的深度和安装的高低,以避免碰头。以人为基准,人向上伸直手臂,指梢高度成年女性五十百分位数约为18OOmm ,这决定了吊柜最高的搁板不得超过1800mm ,1800 以上的空间无法站在地面上取物。因此,吊柜上沿高度应220cm。

四、整体厨房的储藏设计

厨房使用方便与否,与储藏空间的充实与否密切相关,零碎东西多的厨房必要的东西能够顺利地拿进、拿出是关键,根据所拥有的锅以及蟹具l的需要,确保足够的储藏空间,此外,有固赵姓酬蛛驴、电饭锅的场所也是十分必要的。频繁使用的东西应收藏在站着就可以够得到的范围内,其中经 常使用的调味品、工具等应收藏在与视觉高度接近的位置,作业效率会提高。操作台下面(里面)的收藏,使用不浪费进深空间的、带滑轮的柜橱比较方便。抽屉式的柜橱由于比较深,有些东西会被埋没其中,为便于使用应对所有储藏物品进行分类存放 [10]。考虑到厨房的东西还会有增加的可能,储藏的空间也应留有余地。

五、结束语

本文就主要通过了解人在厨房中的操作过程以及人体尺寸,将整体厨房进行人性化设计,设备的安排要以尽量缩短人在厨房操作时的行走路线为目的;而且还要根据人体的高度进行橱柜的尺寸设计;除此之外还要合理有效地利用空间,安排必要的贮物空间。

参考文献：

[1]陈波.实用人机工程学.中国水利水电出版社[M].2013.3.[2]李东岂.人际工程学厨房应用[M].2007.3.[3]段晓丹.厨房卫生间设计布置及装修技[M].成都: 四月l科学技术出版社,2003.3.[4]刘爽.厨房人机工程社[J].艺术探索,2002.3

考查课（论文）

题 目名称 人机工程学在整体厨房设计中的应用

课 程 名 称

人机工程学 学生姓名文龙

学号

1341101138 系、专

业机械与能源工程系机电一体化 指导教师

邓维克

2016年11月03日

第三篇：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

第四篇：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：

【1】周一鸣，毛恩荣.《车辆人机工程学》，北京理工大学出版社，1999.【2】丁玉兰.《人机工程学》，北京理工大学出版社，2004.【3】许 英，杨宏刚.汽车驾驶座椅的人机工程学设计，机电产品开发与创新，第21卷第1期.【4】朕 勋.汽车座椅的舒适性评价，汽车科技1995（6）.【5】安田滋.车辆用座椅舒适度评价，国外铁道车辆，1995年第一期.【6】穆春虹，孔姗姗.车辆驾驶座椅的人机工程学设计，科技论坛，第15卷第2期.【7】冯飞燕，侯俊杰.基于人机工程学的抗疲劳汽车座椅设计，机械管理开发，第25卷第3期，2010（6）.

第五篇：人机工程学在汽车设计中应用

题目:

人机工程学在汽车设计中的应用

学 生 姓 名：

学 生 学 号： 专 业 名 称： 机械工程

所 属 学 院： 机械工程

2015年6月

人机工程课程论文

人机工程学在汽车设计中的应用

摘要：随着科学技术的发展，人机工程学理论在产品设计中占有越来越高的地位。而作为与人类生活息息相关的汽车，人机工程学在汽车设计之中的应用显得尤为重要。无论是以驾驶员为中心还是以乘坐人员为中心，都应最大限度地满足人们的需求。并且各种主、被动保护措施也使人们在突发危险时，能最大限度地减小伤害，确保人的安全。总之，汽车设计中的各种设计都应该将人的因素考虑其中，确保了以人为主的设计原则，使汽车更完美地服务于人们。本文主要阐述了人机工程学概念以及人机工程理论在汽车车身设计、汽车座椅设计、安全方面的设计中的应用。

关键字：人机工程学；汽车车身设计；汽车座椅设计；安全性设计

Abstract：With the development of science and technology, ergonomics theory occupies more and more high status in the product design.As a car is closely related to human life, the application of ergonomics in automobile design is particularly important.Both for the center with the driver to take people as the center, should be maximally satisfy people’s needs.And all sorts of main and passive measures also make people safety and minimize harm in immediate danger, Anyhow, all sorts of design should consider including the human factor, to ensure that the design principle is given priority to people and make the car perfectly serve the people.This article mainly expounds the concept and the theory of ergonomics in the automobile body design, automotive seat design, the application of the safety aspects of the design.Key word：ergonomics;automobile body design;automotive seat design;security design

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0.绪论

人机工程学是工业工程研究的众多重要学科领域之一。所谓的人机工程学，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以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、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。在汽车设计中的人机工程学称为车辆人机工程学，它是以改善驾驶员的劳动条件和车内人员的舒适性为核心，以人的安全、健康、舒适为目标，力求使整个系统总体性能达到最优[1]。

1.人机工程学在车身设计中的应用

主动安全性是指汽车防止事故的能力。车身的主动安全性能包括：照明灯、信号灯的性能，汽车的前，后视野性能，实现操纵稳定性及制动性等。

1.1照明灯

前照灯的灯光强弱，照射距离及防炫目装置就是根据人眼的生理特点和人机工程学原理设计而成。为了满足不同驾驶环境(雨，雾和雪等)，路面状况，交通密集以及驾驶条件（高速，转弯等）下自动控制前照灯的光束模式，日KOITO公司研究的智能灯光系统，欧洲研究的先进前照灯系统，本田等公司的可动式前照灯系统、博世公司的光线叠加自适性前照灯系统以及VALEO公司的灯光系统等都能根据不同的外界条件自动控制前照灯所发出的光束形状，强度和发光方向[2]。此外，雾灯，示宽灯，倒车灯，牌照灯，踏步灯，检修用灯以及转弯指示灯等也都是根据驾驶员的不同需要而设计的。

1.2汽车的前、后视野

为保证驾驶人员有尽可能宽广的视野，前支柱（A柱）中央支柱（B柱）和后支柱（C柱）的粗细及位置很重要。设计上，必须根据驾驶员的眼椭圆范围确定风窗玻璃挂扫面积和部位，并在满足翻车安全保障和前窗振动抑制要求的前提下，以最细的支柱来减小视野死角。提供后视野的后视镜也要保证驾驶员有足够的后视范围。FIAT公司的MULTIPLA采用的双片可调式小圆镜后视镜不仅可以使驾驶员看到车后其它车辆的行驶

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状况，而且也可观察后车胎与路面的接触情况。

图1 普通后视镜与采用双片可调式小圆镜后视镜

1.3操作的稳性定与制动性

制动踏板和手柄的行程和位置，必须满足一般身材人体的需要，踏板力，手柄等也应适应一般人群，因为这些都对制动性能影响较大，据报道，美国有5%的女性司机由于身材矮小为踩上脚踏板而使身体与方向盘的距离小于2cm，当气囊膨胀时脖子常受到伤害。此外，车身总质量大小及轴荷分配，整体转动惯量，车身空气动力学特性，车身重心高度和相关部件刚度等也都对操作稳定性有一定影响。

2.人机工程学在座椅设计中的应用

汽车的座椅是汽车内部很重要的组成部分，汽车座椅设计主要包括座椅造型设计、结构设计、颜色设计等。在人体接触车辆之前，首先给人的是视觉感官冲击，好的座椅设计能在第一时间获得人们的认同，因此，一个好的座椅设计能够给使用者带来良好的驾驶环境，营造舒适、安全的驾乘环境，有效的降低交通事故的发生。能够很好的引起消费者的关注。

2.1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

人机工程课程论文 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，第一支撑点位于人体第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。

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。

图2.1 汽车座椅的结构

2.2座椅舒适性设计

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，并能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[3]。

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

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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。

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[4]。

2.3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2列出了驾驶作业空间设计的主要指标。

图2.2 驾驶作业空间设计的主要指标

3.人机工程学在安全设计中的应用

随着生活水平的提高，人们对所乘坐汽车的安全性也提出了更高的要求。而ABS（刹车防抱死系统），ESP（电子稳定系统），以及EBD（电子助力转向）等的发明标志着车辆的安全性能得到提高，并且在人机工程学方面也起到了一定的作用[5]。预紧式安全带确保了车辆在发生交通事故时使人们的身体一直与座椅保持接触状态，防止了因身体的过度前倾而使身体受伤害，因为在大部分的事故中，因人的身体过分前倾而造成的伤害太多了。我们都知道在战斗机中，飞行员头盔前面的玻璃既起到保护作用，也同时起到

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了显示屏的作用。宝马公司发明的抬头显示系统便和这个大同小异。通过投影技术将相关信息显示在风挡玻璃上，在保证不影响驾驶员视野的同时提供了丰富的信息，使驾驶员不用低头，只需变化一下焦点就能做到“一切尽收眼底”，从而避免了注意力的分散，驾驶安全性得到了保证，同时也确保了人机信息的快速交换，相应的操作效率也得到大幅度的提升。在光线进入人眼的管线瞬间出现变化时，人眼会出现瞬间无法看清面前的物体，往往需要一段时间才能看清物体，这被称为适应。在夜间驾车的过程中，当两车相对行驶的过程中，由于双方的车灯亮度不同，较亮的一方的车灯就会使对方瞬间失明，甚至出现严重事故。现在人们开始对车灯进行了改良，采用了冷光车灯，并且加入了转向随动系统，当车辆转弯时，灯光的照射方向也随之发生改变，这种设计使夜间行车变得安全，危险系数也变低了[8]。虽然在夜间有了车灯，但人眼的视觉范围是有限的，距离较远是仍无法看清远处的物体。而车载夜视系统的出现无疑解决了这一问题，这样，即使是在大雾天气下也能看清周围一切，而这也同样保障了人身安全，确保了在不良视野下的安全驾驶。在未来的汽车安全方面的设计中，智能安全气囊，倒车影像，ESC电子稳定控制，胎压低压报警和侧气帘会渐渐成为主流配置。此外，车内紧急呼叫、智能巡航等也会被采用，利用雷达和传感器在保证车距的同时预测危险并在驾驶员做出反应之前刹车，避免事故发生[10]。

4.结论

随着汽车在日常生活中的广泛应用，人机工程学设计就显得更加重要，而在今后的汽车设计中，越来越多的人机工程学设计将被采纳。体现了更多的人性化的设计元素。舒适、安全正被更多的人所重视，符合安全人机工程学的产品必然会获得成功。而那些符合人机工程学的设计产品，能给人们创造一种舒适的环境，让人们的驾驶过程变得更加愉快，将会成为未来发展趋势。

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参考文献

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[6] 王宣，李宏光等.现代汽车安全［M］.北京：人民交通出版社，1998 [7] 王惠军.汽车造型设计.国防工业出版社,2007年 [8] 刘维信．汽车设计[M]．北京：清华大学出版社，2001 [9] 周一鸣，毛愚荣．车辆人机工程学[M]．北京：北京理工大学出版社．1999 [10] 用芙玉．工业设计应用人类工程学[M]．北京：中国轻工业出版社，200l [11] 袁修干．庄选民．人机工程[M]．北京：北京航空航天大学出版社.2002 [12] 黄斌，蒋祖华。严隽琪．汽车座椅系统动态舒适性的研究综述[J]．汽车科技，2001，10(6)：13216 [13] 郭伏，杨学涵．人因工程学[M]．沈阳：东北大学出版社.2001 [14] Tilly AR，朱涛译．人体工程学图解——设计中的人体因素[M]．北京：中国建筑工业出版社，1998 [15] 刘峰.人体工程学[M].沈阳.辽宁美术出版社，2008 7