汽車駕駛座椅的人機工程學設(shè)計

時間：2022-08-03作者：上海霖智自動化科技有限公司瀏覽：472

汽車在行駛中,駕駛員坐在座椅上對汽車進行操縱，汽車座椅的舒適性、安全性和在座椅上易于操縱方向盤,踏板和按鈕開關(guān)等就顯得十分重要.在現(xiàn)代汽車產(chǎn)品設(shè)計中,應(yīng)從人機工程學出發(fā),尋求一種“人 - 機 - 環(huán)境”和諧、統(tǒng)一和協(xié)調(diào)。如何運用人機工程學原理, 使現(xiàn)代汽車為駕駛員提供安全、舒適、高效而又方便的工作空間,進一步提高工作效率和降低事故發(fā)生率, 是目前汽車產(chǎn)品設(shè)計中值得深入探討的問題，同時人機工程學因素也是企業(yè)提高其競爭力的手法之一。




1 汽車人機工程設(shè)計的任務(wù)和要求




汽車的設(shè)計開發(fā)必須圍繞以人為中心的人性化前提展開。所以汽車人機工程設(shè)計的任務(wù)就是開發(fā)出使駕駛者感到操作方便、高效、不易疲勞、舒適、安全的汽車產(chǎn)品。由于駕駛者身材各異，而一種汽車的布置尺寸只有一種，要使一種操縱件的布置能較大限度地滿足不同身材駕駛者的手腳伸及性與姿勢舒適性的要求，必須對人機工程進行仔細研究。例如，同是操縱油門踏板，高個子駕駛者比矮個的座椅要靠后一些，但他們的手臂和腿的長度相差并不大，因此，高大的男人比嬌小的女人不易觸到儀表板（如圖 1）。對操作姿態(tài)來說，通過試驗研究，有座椅、踏板和方向盤的位置以及駕駛姿勢參數(shù)的變化得到了駕駛者的舒適特性(如圖 2)。




2 汽車座椅的人機工程設(shè)計




2.1 座椅的人機工程學綜合要求可歸納為：




2.1.1 貼合感：要求座椅靠背和座墊的形狀與人體背部、臀部及大腿底面的形狀貼合。貼合感強的座椅將有利于改進接觸面積和部位。




2.1.2 橫向穩(wěn)定性：汽車轉(zhuǎn)彎時，人體承受橫向加速度，為了提高乘員的身體保持性，要求座椅的側(cè)面稍加高，以便兩跨和大腿部能輕輕支承身體。




2.1.3 背部和腰部的合理支承：汽車座椅設(shè)計時應(yīng)提供形狀和位置適宜的兩點支承，**支承位于人體* 5- 6 胸椎之間的高度上，作為肩靠能減輕頸曲變形；*二支承設(shè)置在腰曲部位，作為腰靠，能保證乘坐姿勢下近似于正常的腰曲弧線。




2.1.4 各部合適的軟硬感：座椅較重要的作用是支撐乘員的身體，不能只是一把安樂椅，表面硬一些的座椅不易使人疲勞，但與身體不是特別貼合的硬座椅會壓迫身體的某一部分，使疲勞感倍增。




2.1.5 振動舒適性：與之相聯(lián)系的是座椅的靜態(tài)剛度、共振頻率及衰減特性。除上述要求外，汽車座椅不得有臀部滑落感、腹部壓迫感、脊背部弓形感等。




2.2 座椅的結(jié)構(gòu)參數(shù)




汽車座椅的舒適性通常包括振動舒適性、坐姿舒適性和操作舒適性。振動舒適性一般不能只靠尺寸參數(shù)來保證，而駕駛席的坐姿舒適性和操作舒適性以及乘員席的坐姿舒適性則應(yīng)通過座椅的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)得到相應(yīng)程度的保證。座椅的尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)可參考駕駛或乘坐姿勢下人體尺寸的測量值加以確定。




2.3 人體模模板在車輛座椅設(shè)計中的應(yīng)用




利用人體模版考察車輛室內(nèi)主要人機工程學設(shè)計參數(shù)，用以了解和評價汽車的人機工程設(shè)計。以人體參數(shù)為基礎(chǔ)建立的人體模型是描述人體形態(tài)特征和力學特性的有效工具，是對人機系統(tǒng)進行考察研究、分析評價、試驗設(shè)計不可缺少的重要輔助手段。目前 SEAJ826 人體模板是車身布置較常用的（如圖 3），這種人體模板是根據(jù)人體測量數(shù)據(jù)進行處理和選擇而得到的標準人體尺寸來制作的。將人體模版置于 1：1 模型或樣車的作業(yè)空間內(nèi)，或?qū)⒍S人體模型置于設(shè)計圖紙的相關(guān)位置，可用于校核設(shè)計的可行性和合理性。結(jié)合精確的人體模版中各種主要的人體參數(shù)，按照一定的經(jīng)驗理論，考察汽車室內(nèi)主要人機工程學設(shè)計參數(shù)。根據(jù)人體模板的標準參數(shù)，包括人體靜態(tài)尺寸（主要是坐寸）、功能尺寸（坐姿活動范圍尺寸）、作業(yè)尺寸（主要是手部、腳部的力學參數(shù)）等，確定相應(yīng)的汽車車廂空間、座椅位置、轉(zhuǎn)型盤、操控臺、扶手等設(shè)計參數(shù)。具體分類上主要是人體的舒適性設(shè)計參數(shù)（座椅、室內(nèi)空間等），操作性設(shè)計參數(shù)（方向盤、控制臺、扶手、腳踏板等）以及安全性設(shè)計參數(shù)等。




2.4 座椅布置




根據(jù)人體的舒適性坐姿和汽車設(shè)計對人體的布置要求對座椅進行布置并確定座椅與操縱裝置的相對位置；按舒適坐姿選擇座椅的座面高度、座寬、座深、座面傾角、靠背的高、靠背與座面夾角；按汽車中利用人體樣板進行人體布置的原則，來確定座椅與操縱裝置的相對位置，確定出座椅與方向盤和加速踏板的相對位置，同時確定座椅的水平調(diào)節(jié)量和垂直調(diào)節(jié)量。




2.5 人體壓力在座椅上的分布




人體與座椅之間的壓力分布稱為坐姿的體壓分布，坐姿的體壓分布是影響乘坐舒適性的重要因素。人就坐時，身體重量的大部分（約 80%）經(jīng)過臀部、背部隆起部分及其附著的肌肉壓在座椅面上。座椅各部位的受力分布如圖 4。




2.6 座椅的設(shè)計要求




2.6.1 有良好的靜態(tài)特性，即：座椅的尺寸和形狀應(yīng)使人體具有合適的坐姿，良好的體壓分布，觸感良好，并能調(diào)整尺寸與位置，以保證乘坐穩(wěn)定、舒適，操作方便。




2.6.2 有良好的動態(tài)特性，以緩和與衰減由車體傳來的沖擊和振動，保證駕駛員能較長時間工作而不感到疲勞。




2.6.3 結(jié)構(gòu)緊湊，外形與色彩應(yīng)美觀、大方，與車體內(nèi)飾相協(xié)調(diào)，盡可能減輕質(zhì)量，降低成本，有良好的結(jié)構(gòu)工藝性。




2.7 駕駛座椅的靜態(tài)舒適性設(shè)計


座椅的靜態(tài)舒適性設(shè)計須考慮的因素很多，可以概括為以下基本原則：a.座椅的形式和尺度與其功用有關(guān)；b.座椅的尺度必須參照人體測量學數(shù)據(jù)確定；c. 座椅可適當調(diào)節(jié)，以滿足坐姿變換；d.座椅所使用的材料應(yīng)適










應(yīng)人體的舒適性；e. 座椅的位置要與其作業(yè)空間相協(xié)調(diào)，便于人員作業(yè)。由坐姿生物力學分析，較舒適的坐姿是臀部稍離靠背向前移，使上體略向上后傾斜，保持上體與大腿間角在90°~105°。同時，小腿向前伸，大腿與小腿、小腿與腳掌之間也應(yīng)達到一定角度，進行駕駛座椅設(shè)計，不能不考慮駕駛室特定的范圍和環(huán)境。人體關(guān)節(jié)的舒適性是進行駕駛室設(shè)計的主要考慮因素，圖 5 表示的是駕駛室人體各關(guān)節(jié)之間的關(guān)系。另外，座椅飾面采用棉織品，因為棉織品具有良好的彈性和伸縮性，而且耐磨，具有良好的透氣性和透視性。這些特點較之皮革、人造革等材料都要好。另外為了駕駛員的安全，座椅需要有好的穩(wěn)定性。皮革和人造革雖然比較美觀，擦拭起來比較方便，但是皮革的防滑脫效果差，在車輛轉(zhuǎn)彎或者緊急剎車的過程中給駕駛員帶來不穩(wěn)定的因素。所以綜合考慮座椅飾面采用棉織品。由于汽車駕駛的特點，在駕駛座椅設(shè)計時還應(yīng)考慮座椅與空間的協(xié)調(diào)問題，駕駛空間以坐姿空間為依據(jù)。圖 6 列出了駕駛作業(yè)空間設(shè)計的主要指標。




2.8 駕駛座椅的動態(tài)舒適性設(shè)計




駕駛座椅動態(tài)舒適性主要與振動特性有關(guān)。對于有懸架的座椅系統(tǒng)，影響其動態(tài)特性的因素有:座墊的剛度和阻尼系數(shù)，懸掛系統(tǒng)連接件的摩擦；對于非懸架座椅系統(tǒng)主要考慮座墊的剛度、阻尼以及座椅剛架結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能。剛度決定座椅的共振頻率，而阻尼系數(shù)決定座椅的振動衰減特性。雖然座椅系統(tǒng)的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)連接件的摩擦會影響整個系統(tǒng)的動態(tài)性能，但由于質(zhì)量和摩擦受其他因素限制而不會變化太大，所以，剛度參數(shù)與阻尼系數(shù)就成為影響整個座椅系統(tǒng)動態(tài)性能的主要因素。影響駕駛疲勞的振動主要是行駛中因道路凸凹不平而引起車輛隨機振動和車輛本身的機械振動。駕駛員收到縱向、橫向及垂直方向的直線振動，以及繞這 3 個方向的角振動。其中垂直振動和繞縱、橫坐標軸的角振動對人體的影響較大。振動通過座椅傳遞到人體的臀部、后背部而引起全身性振動。因此，在設(shè)計汽車座椅時應(yīng)盡量隔離人體敏感的振動。在座椅設(shè)計中可采取如下措施：減小座椅共振頻率，減低對人體較有影響的高頻區(qū)；降低共振時的振動傳遞率；降低乘員 10Hz附近的振動傳遞率，以減輕彈簧以下的共振的影響和減少來自座椅靠背的高頻振動；把路面一輪胎、懸架、座椅一人三者看作一個整體大動力學系統(tǒng)，尋求在各種路面隨機輸入情況下使乘員不易疲勞的較優(yōu)結(jié)構(gòu)。另外，對于座椅的動態(tài)特性按照傳入人體的加速度均方根較小等目標進行優(yōu)化，與汽車的其他減振系統(tǒng)相匹配，使人體處于合適的振動環(huán)境，這些都是減輕駕駛疲勞的重要措施。










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