汽車駕駛用座椅的抗疲勞人機工程設計

張更

摘要：運用人機工程學原理，針對汽車駕駛座椅，從人體測量、生物力學、心理學、機械振動、作業空間等角度分析了駕駛疲勞的成因，并從座椅的靜態特性和動態特性兩方面論述了汽車駕駛用座椅的人機工程設計以及今后的發展方向。

關鍵詞：駕駛座椅；駕駛疲勞；人機工程

1 駕駛疲勞成因

駕駛工作是一項腦力與體力并重的勞動，具有耗時長、能量消耗不大的特點。對于駕駛員來說，疲勞是以神經系統相當緊張的勞動而引起的復合性疲勞為主，主要表象為全身乏力。當疲勞達到一定程度以后，駕駛員的意志減弱，注意力分散，反應遲鈍，對信息輸入方向性的選擇能力降低，信息處理緩慢，信息輸出形式混亂，動作缺乏準確性，甚至出現失誤，難以確保交通安全。

2 駕駛座椅對疲勞的影響分析

駕駛座椅對人體的刺激主要是膚覺刺激，駕駛員只是被動接收和反應，不需要進行處理。其對駕駛疲勞的影響分析如下：

2.1 坐姿

2.1.1 對脊椎及肌肉活動的影響

對坐姿的分析主要是腰柱椎間盤的受力情況及豎直肌的肌腱活動。由于椎骨的定位是借助于肌腱的作用，一旦脊椎偏離自然狀態，肌腱組織就會受到相互壓力（拉或壓）的作用，使肌肉活動度增加，招致疲勞酸痛。

2.1.2 體壓分布

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%）經過臀部、背部隆起部分及其附著的肌肉壓在坐椅面上。圖1為座椅各部位的受力分布。

2.2 振動

振動對駕駛員的直接影響涉及軀干和身體局部的生物動態反應行為、生理反應、性能減退和敏感度障礙。表1列出了人體各個主要部位的共振頻率[2，3]

人體在振動環境中會加速疲勞過程。當振動環境中的振動特性處于人體神經系統的敏感區域時，這種刺激頻繁傳入大腦皮質，引起大腦皮質細胞興奮。當達到一定限度時，皮質細胞的工作強度將減弱，人就會感到疲勞，工作效率明顯下降。

3.3 溫濕度

研究表明，駕駛員在駕駛狀態下的舒適溫度為18℃～23℃，舒適濕度為40%～60%，代謝量為1.0～2.0met。座椅對人體熱環境的主要影響因素有：座椅表面的溫度和濕度。座椅表面的溫濕度特性將影響人體背部、臀部、下體等部位的散熱性能及皮膚的呼吸功能，當其溫濕度特性與人體生理機能不適應時將引起人體局部不快感，從而加速人體疲勞的形成。

4 座椅的人機工程設計

根據以上分析，駕駛員長期保持坐姿工作，疲勞很大程度上受座椅影響，乘坐舒適性是汽車座椅系統設計開發中的重要問題。乘坐舒適性包括靜態舒適性和動態舒適性，前者主要與尺寸參數、表面質量、調節特性等有關，后者則主要與振動特性有關。

4.1 座椅的靜態舒適性設計

座椅的靜態舒適性設計須考慮的因素很多，可以概括為以下基本原則：

（1）座椅的形式和尺度與其功用有關；

（2）座椅的尺度必須參照人體測量學數據確定；

（3）座椅可適當調節，以滿足坐姿變換；

（4）座椅所使用的材料應適應人體的舒適性；

由坐姿生物力學分析，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°～115°。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，如

由于汽車駕駛的特點，在駕駛座椅設計時還應考慮座椅與空間的協調問題，駕駛空間以坐姿活動空間為依據。圖6列出了駕駛作業空間設計的主要指標[6]。

4.2 座椅的動態舒適性設計

駕駛用座椅動態舒適性主要與振動特性有關。影響駕駛疲勞的振動主要是行駛中因道路凹凸不平而引起車輛隨機振動和車輛本身的機械振動。駕駛員受到縱向、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。在設計汽車座椅時應盡量隔離人體敏感的振動。

在座椅設計中可采取如下措施[7]：減小座椅共振頻率，降低對人體最有影響的高頻區；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—輪胎、懸架、座椅—人三者看作一個整體大動力學系統，尋求在各種路面隨機輸入情況下使乘員不易疲勞的最優結構。另外，對于座椅的動態特性按照傳入人體的能量最小、使人體在敏感頻率區域動態響應最小、傳給人體的加速度均方根值最小等目標進行優化[3]，與汽車的其他減振系統相匹配，使人體處于更合適的振動環境，這些都是減輕駕駛疲勞的重要措施。

5 結束語

汽車駕駛座椅的舒適性研究，是目前汽車產品人機工程設計中值得深入探討的問題，在今后的研究中，應對以下幾方面加以重視：

（1）中國人的體群反映特性研究。目前，我國的評價標準是建立在國際標準的基礎上的。由于人群存在著差異，建立中國人的人體模型，尤其是動態模型，研究人體承受多方向振動情況下的反映及評價方法是十分迫切的。

（2）采用系統的設計思想和研究方法。一般研究方法只是把汽車地板以上的座椅系統作為研究對象，并未考慮到人體的動態性能，建立的座椅模型較為簡單，不能準確地反映實際。因此建立一個詳盡的、操作性強的分析方法有著非常重要的現實意義。

參考文獻：

[1]周美玉.工業設計應用人類工程學[M].北京：中國輕工業出版社，2001.

[2]袁修干，莊達民.人機工程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[3]黃斌，蔣祖華，嚴雋琪.汽車座椅系統動態舒適性的研究綜述[J].汽車科技，2001，10（6）：13-16.

[4]郭伏，楊學涵.人因工程學[M].沈陽：東北大學出版社，2001.

[5]Gault T.Case study：Mercedes-bezs-class[J].Automotive.Engineer，1999，24（1）：46-57.

[6]Tilly AR.人體工程學圖解———設計中的人體因素[M].朱濤譯.北京：中國建筑工業出版社，1998.

[7]李增勇，王成燾.駕駛疲勞與汽車人機工程學初探[J].機械設計與制造工程，2001，30（5）：12-14.