基于人机工程学的汽车座椅设计分析

基于人机工程学的汽车座椅
摘要：目的研究汽车座椅和人体生理特性，让乘客在乘坐过程中减少疲劳，提高舒适度和安全性.方法通过对人体生理特性、汽车座椅的基本尺寸、安全和舒适相关特性的对比分析和研究，得出汽车座椅设计的参考性理论.结果得到了汽车座椅设计在尺寸设计、舒适度和安全性方面的基本理论.结论汽车座椅的尺寸符合人体自然生理状态时，越不容易产生疲劳，舒适度随之提高；反之，疲劳容易产生，舒适性以及安全性随之降低。

关键词:汽车座椅；人机工程学；舒适度；安全性
Study on the car seats based on Ergonom ics Abstract:this paper studies the characteristics of the Car seat and Human Physiology ,Let he passengers reduce fatigue, improve the comfort and safety when sitting.We can draw a conclusion of the car eat design based on comparative analysis and research on human physiological characteristics, car seat basic size, safety and comfort. Finally,we get the basic theory of the car seat design in size design, comfort and safety aspects .In a word,when the size of the car seat match the body's natural physiological condition, the fatigue is less easy to produce, at the same time,the comfort will be improved, conversely, fatigue is easy to produce,and comfort and safety decreases.
Key words：car seat；Ergonomics；Comfort ；security
随着时代的发展，人们生活方式逐渐发生改变。

汽车作为现代生活必备的工具之一，也在发生这飞速的变化。

人们在追求汽车方便，快捷的同时，汽车的舒适性，安全性也被人们所追求。

座椅作为连接人与汽车的桥梁，也起着至关重要的作用。

1 人体坐姿生理特性分析
1.1 坐姿时脊柱的形态
人处在坐姿状态时，身体主要是靠脊柱、盆骨、腿和脚支撑。

脊柱位于人体的背部中央，是人体的主要支撑。

人处于不同的坐姿，脊柱的形态也会不同，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时，才会减少腰椎以及腰背部肌肉的负荷，防止驾驶疲劳的发生。

1.2 坐姿体压分布
当人在座椅上处于坐姿状态时，靠坐垫和靠背来维持身体的平衡，人的身体重量作用在座垫和靠背上的压力分布称作坐姿的体压分布。

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。

1.3 座垫上的体压分布
根据人体组织的解剖学特性，坐骨结节处是人体最耐受压力的部位，适合承重，而大腿下靠近表面处因有下肢主动脉分布，承担过量压力会影响血液循环，故不宜承受重压。

因此，座垫上的压力分布，应根据臀部不同部位承受不同压力的原则来分配，即在坐骨处承受压力最大，自大腿部位时承受压力降至最低，这就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。

1.4 靠背上的体压分布
靠背上的体压分布也根据人的腰背部承受压力的不同呈现不均匀分布，压力相对集中在肩胛骨和腰椎两个部位。

从这两个部位，压力向外应逐步降低。

α
图1坐姿时座垫上的体压分布图2座椅尺寸设计主要参数
Fig.1The b ody pressure distribution on seat Fig.2The main parameters of seat size cushion when sitting
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中所示。

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过分受压，椅面过低会增加背部肌肉负荷。

椅面宽度B：在汽车内部空间允许的条件下，以宽为好，以满足不同的乘坐人群。

椅面深度C：指椅面前缘至靠背前面的水平距离。

其尺寸应满足：腰部可以得到靠背的支承；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的肩高和肩宽有关，对于汽车驾驶座椅靠背的高度应采取高靠背，最好加靠枕，以减缓颈椎的疲劳。

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，可以保证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
图3 坐姿的各关节的角度
Fig.3The Angle of each joint when sitting
3人体对车内振动、微气候的反应
3.1 人体对振动的反应
研究表明，人体最敏感的频率范围，纵向振动为4~8Hz，横向振动为1~2Hz。

外界振动频率接近人体器官的振动频率时，会产生共振，振幅迅速增大，此时会引起器官剧烈的生理反应。

外界振动传入人体的“效率”与身体在外界系统中的姿势有关，一般来说，坐姿工作时，由于人腿的减振作用被降低，抵抗振动的能力要比站姿工作时差，此时脊柱和胃部会受到振动的损伤。

因为的振动的影响，驾驶员视觉作业的效率和操作动作的准确性会下降。

当振动频率低于2Hz时，视网膜上的映像会因为眼肌的调节补偿作用，呈现相对稳定，当振动频率大于4Hz时，视觉稳定性将受到严重的影响，当振动频率上升为为10~30Hz时，会与人的眼内器官产生共振，对视觉的干扰达到最大。

振动会降低人手（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。

另外人体在振动环境中会加速疲劳的产生。

而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，这种刺激会传入大脑皮质，引起大脑皮质细胞的持续兴奋。

当刺激达到一定限度时，皮质细胞的工作强度将会减弱，疲劳会加速产生，工作效率明显下降。

3.2 微气候
座椅材质和结构会对人体所处的微环境产生影响。

这些因素包括：座椅表面的温度和湿度。

它将影响人体背部、臀部、下体等部位的散热和皮肤的呼吸功能，当其温湿度特性不适宜时，将引起人体局部的不快感，从而加速人体疲劳的产生。

4座椅舒适性
4.1 静态舒适性
座椅的静态舒适性设计须考虑的因素很多，可以概括为以下基本原则：座椅的形式和尺度与其功用有关；座椅的尺度必须根据人体测量学的数据确定；座椅可适当调节，以满足坐姿的变换；座椅所使用的材料应满足人体的舒适性；座椅的位置要与其作业空间相协调，便于人员作业。

4.2 动态舒适性
座椅的动态舒适性主要与其振动特性有关。

行驶中车辆的随机振动和车辆本身的机械振动是引起驾驶疲劳的主要原因。

汽车行驶过程中，人员会受到纵向，横向及垂直三个方向上的线振动以及角振动，其中，以垂直振动和绕纵，横纵标轴的角振动的影响较大。

振动通过座椅传递到人体的臀部，后背部，从而引起全身性振动。

因此，在设计汽车座椅时应尽量避免人体敏感区的振动。

在座椅设计可采取的措施为：减小座椅共振频率，降低对人体最有影响的高频区；降低共振时的振动传递效率；降低座椅10Hz附近的振动传递率，以减轻弹簧以下的共振影响和减少来自座椅靠背的高频振动；把路面—轮胎、减震悬挂、座椅—人三者看作一个整体大动力学系统，寻求在各种路面下，乘员不易疲劳的最优结构。

此外，对于座椅的动态特性可依照传入人体的能量最小，使人体在敏感频率区域动态响应最小等目标进行优化；与汽车的减振系统相匹配，是人员处于更适宜的振动环境，这些都是减轻驾驶疲劳的重要措施。

5 汽车座椅的安全性
汽车座椅的安全性，是指座椅有效预防事故的发生，并在事故发生时有效减轻乘员所受伤害的能力。

根据座椅在碰撞事故发生时和发生后对减轻乘员伤害程度的不同作用，可以将座椅的安全性分为主动安全性和被动安全性两个方面。

5.1 汽车座椅的主动安全性
座椅的主动安全性是指座椅能够有效地防止事故发生的能力。

驾驶员视野、驾驶员定位以及其它汽车控制系统功能的发挥，以及这些系统之间的配合也会不同程度的影响到座椅的主动安全性。

与此同时，座椅的舒适性和主动安全性有关，舒适的座椅可以为驾驶员提供一个良好的工作环境，使其心情愉快、精力集中，从而有效地预防交通事故的发生，提高汽车的主动安全性。

5.2 汽车座椅的被动安全性
座椅的被动安全性是指汽车发生了交通事故后，能够对车内人员进行保护，避免其发生伤害或使伤害降到至最低程度的性能。

一个好的汽车座椅要能够减轻驾驶员及乘员的疲劳来满足主动安全性要求，更要有足够高的结构强度和刚度，以便与安全带和安全气囊一起对乘员定位的同时缓和碰撞的强度，使乘员的损伤达到最小。

在加强座椅结构本身吸能性的同时，人们开始研究把安全气囊安装在座椅靠背侧面，为乘员提供安全保护。

这种带有安全气囊的座椅已经开始应用在各种高档轿车中。

6结束语
从人机工程学的角度出发，对汽车座椅的基本尺寸，结构，以及其他特性进行优化的设计，使驾驶座椅具有良好舒适性和安全性。

参考文献
【1】汽车人机工程学/杜子学主编。

—北京：机械工业出版社，2011.2
【2】汽车工程概论/肖生发主编。

—2版。

—北京：北京理工大学出版社，2010.1 【3】人机工程学/朱序璋主编。

—西安：西安电子科技大学出版社，1999.11。