汽車駕駛座椅的人機工程學設計

2014-07-08 02:15:28趙天鵬王淑芬胡文文

機械工程師 2014年9期

趙天鵬，王淑芬，胡文文

（大連大學機械工程學院，遼寧大連116622）

0 引言

在汽車的駕駛過程中汽車座椅的舒適性、安全性以及對汽車的操作便捷性十分重要［1］。因此現代汽車座椅的設計,應從人機工程學出發,尋求“人-機-環境”完美結合。在現代汽車設計中運用人機工程學理論，使駕駛員有一個安全舒適、操作方便的工作空間，可提高駕駛員的工作效率并降低事故發生率。

1 座椅的功能設計

1.1 座椅的功能設計

1）坐墊。坐墊的主要設計參數為坐墊傾角與坐墊深度。坐墊傾角應滿足安全性與舒適性，通常在2°～10°之間。坐墊深度首先應充分利用靠背，再使臀部得到適當支撐。坐墊深度過大會使身體前移而腰部不能得到充分支撐，引起疲勞；坐墊深度過小會造成腿部得不到相應的支撐引起疲勞，一般取400～480 mm。在此設計中，坐墊傾斜角度設定為5°，坐墊深度設定為450 mm。

2）座椅骨架。座椅強度指的是座椅骨架強度，其屬于汽車整車強制認證檢測項目之一，應符合GB15083-2006。根據成本、強度要求、技術要求等條件，本設計采用鋼質材料焊接而成。

3）頭枕。設計頭枕的目的是縮短在交通事故中駕駛員頭部的變化距離，從而保護頸椎，并減少駕駛員頸部在駕駛中的疲勞程度，保證駕駛員的舒適性。

4）靠背。靠背強度與造型為靠背設計主要考慮的技術參數。靠背造型主要是使人體背部肌肉得到放松與乘坐人員的休息使用，所以靠背造型應符合人體曲線，靠背傾角應為可調式。根據要求，此座椅靠背傾角能在100°~115°內調節。

1.2 人機工程學在本設計中的應用

1）人機工程學對汽車座椅的要求［2-3］。貼合感：座椅靠背、坐墊符合人體形狀，使其有較大的接觸面積，增加舒適度。橫向穩定性：座椅能夠承受一定的側向力，使人體受到側向力作用時有所支撐。背部和腰部的合理支承：汽車座椅應有合適的形狀與位置對脊柱有所支撐。各部合適的軟硬感：座椅的作用是對乘坐人員提供支撐，其表面硬度應適中。

2）座椅的結構參數。座椅的結構參數應滿足震動舒適性、操作舒適性和坐姿舒適性的條件。應該結合實驗數據確定，以保證結構參數的正確性。

圖1 座椅受力分布圖

3）座椅的空間位置布局。座椅空間的位置要保證駕駛員乘坐舒適性，同時還要滿足人體的布置要求。同時要考慮座椅所受壓力分布。坐姿體壓分布是影響座椅舒適性的主要因素。人乘坐座椅時，大概身體重量的80%通過背部及臀部作用在座椅表面上。座椅受力分布如圖1 所示。

4）座椅的設計要求。有良好的靜態特性，即座椅的形狀尺寸應與人體的舒適性坐姿能夠相吻合。座椅能夠調整尺寸大小與并改變位置，從而使駕駛員乘坐既舒適穩定又操作方便。同時還要保證座椅有良好的動態特性，來減弱車體因運動產生的沖擊和振動，能使駕駛員在長途駕車中不會有過度疲勞的感受。保證駕駛座椅靜態舒適性的主要因素為以下幾類：a.座椅的位置要與其駕駛空間相協調，便于人員作業；b.根據人體尺寸確定座椅尺寸；c.為適合各種坐姿，座椅應能適當調節；d.座椅表面所使用材料。由生物力學分析可知，最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達到一定角度。進行駕駛座椅設計，應充分考慮駕駛室特定的空間與環境。人體關節的舒適性是進行駕駛室設計的主要考慮因素，圖2 所示為駕駛室人體各關節之間的關系。

圖2 舒適性各關節角度

座椅的動態舒適性設計［4］：汽車行進過程中震動是影響汽車座椅舒適性的首要因素。其中座墊的阻尼系數和剛度對有懸架的汽車座椅舒適性影響最大；對于非懸架座椅，座椅剛架結構的動態性能、阻尼系數及剛度對汽車座椅的舒適性影響最大。質量與摩擦等其他因素對汽車座椅的動態舒適性影響不大，故本設計將其予以忽略。綜上所述可知，座椅剛度與阻尼系數對座椅的動態特性影響最為主要。地面的凹凸不平引起車輛隨機震動和車身固有的機械震動是產生駕駛疲勞的主要影響因素。因此，設計時盡量減少人體的振動。具體措施如下：降低對人體最有影響的高頻振動，駕駛座椅與汽車的共振，減弱震動的傳遞；降低乘員10 Hz附近的振動傳遞率。

基于上述汽車座椅舒適性評價指標，首先對大量人員做出實驗研究使用座椅時對座椅的壓力分布，圖3 所示為最終壓力分布結果。

2 實驗獲取數據

本文對坐墊進行了乘坐舒適性的主觀和客觀評價實驗。采用尺度法進行研究，將各種不同的實驗坐墊曲面在駕駛位試驗臺上進行實驗。本文選用以下五種坐墊曲面進行實驗：1）形面1坐墊。整體平滑，坐墊面略微翹起的常規汽車坐墊；2）形面2 坐墊。坐墊面四周凸起，中部凹陷；3）形面3 坐墊。坐墊面四周稍微凹陷而中部凸起；4）形面4 坐墊。即臀部凸起，四周凹陷，凸起程度與臀部壓力不同；5）形面5 坐墊。坐墊表面為平面。坐墊形面生成后，參試人員進行乘坐舒適性的主觀評分，主觀評價實驗流程見圖4。

選出年齡在18～55 歲、身體健康、身高體型不同的50 名實驗人員，其基本情況如表1 所示。將乘坐座椅整體的舒適度、腿部的舒適度以及臀部舒適度作為本次試驗的評價指標。評分尺度10分，分5 級，如圖5 所示［5］。

圖3 壓力分布圖

圖4 試驗流程

表1 參加實驗人員的基本情況統計

圖5 主觀評價實驗的評分尺度

實驗人員對5 種坐墊的主觀評價（“平均值±標準差”）如表2所示。

實驗結果表明，形面1 坐墊最為舒適，形面5 坐墊次之，形面3 坐墊舒適度最差。

3 運用Pro/E 建立座椅模型

首先應用Pro/E 軟件建立圖6 所示的座椅骨架模型，主要過程：草繪一個矩形500 mm×400 mm，運用拉伸命令設置拉伸深度為80 mm，再運用倒角命令對其四個高線進行倒角，設置倒角半徑為50 mm，至此得到座椅靠背的雛形。再對其內角進行相應的倒角，在座椅靠背的側面運用拉伸剪切材料打出4 個φ20 的孔，運用相同的原理可得坐墊部分的模型尺寸為400 mm×400 mm，在坐墊部分根據坐墊壓力分布相應地打出一些洞，用以在做一個部分強度滿足要求的情況下減輕汽車座椅的質量并節約材料，在坐墊上作出相應的傾角，隨后用螺栓等連接部件以及連接片最終將各個部分裝配。