小型客车座椅结构设计

摘要

汽车座椅是汽车车身的重要部件，一般由座垫及其骨架、靠背及其骨架、头枕及其骨架，以及相应的导向、调节机构等基本部分组成。汽车座椅系统是用来在车内给驾乘者支撑，并在保证方便进出和驾驶操作的前提下提供驾乘者有效的约束。汽车座椅系统应该提供驾乘者预期的可调节性和长途驾驶的舒适感。在车门关闭状态、在座椅整个调节行程内，座椅系统的操作应该适于所有体形驾乘者进行直观的调控操作。同时汽车座椅也是保障车辆安全性能的一部分。汽车座椅设计的合理性及其质量直接影响到乘员的安全性和舒适性。

本设计主要结合人机工程学以及有关座椅的国家标准进行小型客车座椅的结构设计和分析。根据人机工程学确定各部分尺寸，完成调节机构的结构，依据国家相关标准进行合理分析设计，并进行了静力分析。

本设计中的调节机构主要包括前后调节机构、高度调节机构以及角度调节机构进行设计，设计了其结构及工作原理。

本设计为小型客车座椅生产与实验提供了参考，对实际生产有一定的指导意义。

关键词：座椅、人机工程学、结构、静力分析

Abstract

Car seat is an important auto body parts, generally by the seat and its skeleton, and skeleton back, head and skeleton, and the corresponding orientation, regulators and other basic parts. Car seat system is used to driving in the car who support and facilitate the access and drive to ensure the operation of driving under the premise of providing effective control.Car seat driving system should expect to provide adjustable and long-distance driving comfort. In the door closed, adjust the seat the entire trip, the seats should be suitable for operation of the system to carry out all the body driving control operation intuitive. At the same time protect the car seat is also part of vehicle safety performance. Car seat design and the quality of the reasonableness of a direct impact on passenger safety and comfort.

The combination of ergonomic design, as well as the main seat of the national standards for small passenger seat of the structural design and analysis. According to various parts of ergonomics to determine the size of the completion of the structure adjustment, according to relevant national standards for the design of rational analysis and a static analysis.

The design of the regulating agencies, including before and after adjusting the main body, a high degree of regulation of agencies and institutions regulating the design point of view, the design of its structure and working principle.

The seat is designed to mini-van production and provides a reference experiment, the actual production of a certain degree of guidance.

Keywords: chairs, ergonomics, structure, static analysis

目录

第1章绪论 (1)

1.1 小型客车座椅的功用及设计要求 (1)

1.1.1 小型客车座椅的功用 (1)

1.1.2小型客车座椅的设计要求 (1)

1.2 小型客车座椅结构 (2)

1.3 本毕业设计的研究内容和意义 (2)

1.3.1 研究内容 (2)

1.3.2 意义 (2)

1.4 CATIA软件 (3)

1.4.1 CATIA软件简介 (3)

1.4.2 CATIA在本设计当中的应用 (3)

第2章座椅的方案设计 (4)

2.1 座椅的功能设计和尺寸控制 (4)

2.1.1 座椅的功能设计 (4)

2.1.2 座椅的尺寸控制 (4)

第3章小型客车座椅的骨架结构设计 (10)

3.1 座椅的骨架设计 (10)

3.2 小型客车座椅的调节机构设计 (12)

3.2.1 前后调节机构的工作原理及相关计算 (12)

3.2.2 高度调节机构的工作原理及相关计算 (13)

3.2.3 角度调节机构的工作原理 (14)

3.3 小型客车驾驶员座椅骨架整体结构 (15)

第4章座椅骨架静强度分析 (16)

4.1 汽车座椅静强度法规 (16)

4.2 有限元算法在汽车座椅安全性研究中的应用 (18)

4.3 对座椅底座骨架进行静强度分析 (19)

4.3.1 建立底座骨架模型并指定材料 (19)

4.3.2 进入CATIA工程分析模块并划分网格 (20)

4.3.3 在靠背骨架上定义约束 (20)

4.3.4 在底座骨架上施加载荷 (20)

4.3.5 计算求解 (21)

4.3.6 结果分析 (22)

第5章工艺过程设计 (23)

5.1 导轨上板工艺过程设计 (23)

5.2 连接块工艺过程设计 (24)

5.3 导轨滑道工艺过程设计 (25)

第6章结论 (27)

参考文献 (28)

致谢 (30)

附录Ⅰ ................................................................................ 错误！未定义书签。1 附录Ⅱ ................................................................................ 错误！未定义书签。2

第1章绪论

1.1小型客车座椅的功用及设计要求

1.1.1小型客车座椅的功用

小型客车座椅是小型客车车身的重要部件，其主要功用是：

1)．用来在车内给驾乘者支撑，通过主要的支撑点支撑整个人体，使驾乘者在

车辆行驶过程中能够保证稳定性；

2)．在车辆发生碰撞时能够保证驾驶员的安全，汽车座椅的强度直接影响到驾

驶员的生命安全。汽车座椅强度符合国家标准可以有效的保护驾驶员的安全；

3)．给驾驶员提供舒适的驾驶环境，特别是在长途驾驶过程中，减少驾驶员的

疲劳感；

4)．通过调节座椅得到合适的座椅位置可以使驾驶员更方便的驾驶车辆，使视

野更加广阔。

1.1.2小型客车座椅的设计要求

小型客车座椅作为客车重要的部件之一，其设计要求主要应该满足以下几点：

1).安全

设计时首先要绝对保证驾乘者的安全，这就要求座椅要有足够的强度，在发生碰撞时，座椅不会或可以减轻对乘坐者造成伤害，并能起到一定的保护作用。

2).操纵方便

设计的座椅还需操纵方便，调整手柄和按钮的布置必须在驾乘者伸手可及的位置，并符合常人的习惯且操纵力量适中。

3).乘坐舒适

设计的座椅必须能使乘客保持良好的坐姿，使其脊柱自然弯曲，保证合理的体压分布并使其肌肉松弛，上体通向大腿的血管不受压迫，血液循环正常；并具有腰椎依托感、腰背部贴和感和侧向稳定感。能有效隔离或衰减路面不平产生的振动，满足大多数驾乘者坐姿舒适性的要求。

4).生产成本

设计的座椅必须在满足强度的要求前提下尽量选用经济型材料。

1.2小型客车座椅结构

小型客车座椅（如图1.1所示）一般由头枕、靠背、调节装置、座垫和座椅连接件等组成，汽车座椅骨架是汽车座椅的基础结构，可分为靠背骨架、座垫骨架和调节装置三个部分。

图 1.1 小型客车驾驶员座椅简图

1.3本毕业设计的研究内容和意义

1.3.1研究内容

汽车座椅作为汽车重要的组成部分之一，对其性能的要求越来越高，研究的领域也越来越广。本次毕业设计的主要任务是对小型客车的座椅进行结构设计，运用CATIA绘图软件进行三维实体造型设计。通过收集分析相关资料包括座椅的国家标准和试验方法，根据相关标准对座椅结构进行设计以及各个调节机构的设计。了解并掌握了驾驶员座椅的靠背骨架总成结构与坐垫骨架总成结构，根据人机工程学原理，结合驾驶员的操纵稳定性、安全性与舒适性，确定了汽车座椅的结构尺寸；学习三维制图软件，并绘制所设计座椅的三维实体造型。

1.3.2意义

现代人越来越多地的时间在汽车中度过，座椅的安全与舒适直接影响到人们的健康与安全。座椅是汽车与人接触的界面，人们在选择汽车时，往往首先接触到的是它的座椅。汽车制造业正在迅速地向全面数字化设计、制造和测试这种新方式转化。在汽车产品开发CAC/CAM/CAE/PDM 环境下，传统的实物模型被数字模

型所取代。这使得汽车产品可以直接从设计阶段进入生产阶段。实现了汽车开发过程中多学科、多领域的集成化、并行化和协同化，缩短了产品设计开发周期，获得了更短的产品上市时间。在汽车座椅零部件上应用新型材料，在保证强度要求的前提下，提高经济性能。本文的研究设计工作对于提高汽车座椅的安全性和舒适性有重要的意义。

1.4CATIA软件

1.4.1CATIA软件简介

CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。

CATIA系列产品已经在七大领域里成为首要的3D设计和模拟解决方案：汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造。

CATIA 提供了完备的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立；同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计，工程分析及仿真，数控加工和CATweb网络应用解决方案有机的结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境，特别是CATIA中的针对汽车、摩托车业的专用模块,使CATIA拥有了最宽广的专业覆盖面，从而帮助客户达到缩短设计生产周期、提高产品质量及降低费用的目的。

1.4.2CATIA在本设计当中的应用

基于上文中对CATIA软件的介绍，在本次毕业设计中该软件得到大量的应用。

其中，涉及到机械设计模块中的曲线及曲面设计、草图设计、零件设计、工程绘图和装配设计等内容，整体贯穿整个本次毕业设计。

第2章座椅的方案设计

2.1座椅的功能设计和尺寸控制

2.1.1座椅的功能设计

座椅的功能设计主要包括以下几个方面：

1). 靠背：靠背设计时应使靠背的高度、形状符合人体曲线，使背部肌肉处

于放松状态，并能给背部、肩部有效可靠的支撑，使驾驶员保持稳定的坐姿，还要有足够的侧背支撑，从而避免高速转弯时的横向滑动。不同的靠背倾角会导致不同的椎间盘内压力及背部肌负荷，所以设计时应考虑合理的靠背倾角。为了提高舒适性和适合不同的驾驶员，靠背倾角应为可调式。本设计靠背倾角调节范围为100°-115°。

2).座垫：座垫设计主要是座垫深度和座垫倾角的确定。座垫深度的设计原则

是在充分利用靠背的情况下，使臀部得到合理支撑。座垫深度过大时，造成人体躯干相对前移，腰部得不到良好的支撑，引起疲劳；座垫深度过小时，会因大腿得不到良好的支撑而感到不舒适。因此，座垫的深度应按臀部至大腿表面全长的3/4设计，一般取400～480mm。座垫的倾角应兼顾安全性和舒适性，一般为2°～10°。本设计座垫的深度取450mm，座垫的倾角取6°。

3).头枕：头枕是为提高汽车乘坐舒适性和安全性而设置的一种辅助装置，其

主要作用是保障安全，头枕的承托，可以减少头部自由移动的空间，降低对颈椎的冲击力，起到避免或减轻乘员颈部受伤的作用。按照国家标准GB11550-1995《汽车座椅头枕性能要求和试验方法》，汽车座椅头枕属汽车整车强制认证检测项目之一，汽车前排座椅应装有头枕。头枕有整体式和可调式，可调式头枕在结构上可分为二位可调和四位可调。头枕正确的安装位置十分重要，应安装在至少与耳朵上缘平齐的地方，后脑与头枕间的距离最好不要超过10cm。本设计采用二位可调式。

4).座椅骨架：座椅骨架是座椅系统的结构件，必须有足够的强度并通过各种

静态和动态的载荷试验，它属于汽车整车强制认证检测项目之一，应符合GB15083-1994《汽车座椅系统强度要求及实验方法》的规定。

2.1.2座椅的尺寸控制

根据人机工程学设计小型客车座椅的尺寸控制。

坐姿是人体较自然的姿势，有很多优点。随着自动化程度的提高，越来越多的作业采用坐姿完成。坐姿将是操作人员未来作业的主要工作姿态。坐姿比立姿更有利于血液循环。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。

坐姿也存在一些缺点，主要是限制了人体的活动范围，尤其是需要上肢出力的场合，往往需要站立作业，而频繁的起坐交替也会导致疲劳。

长期维持坐姿还会影响人的健康, 引起腹肌松弛,下肢肿胀，静脉压力增大，大腿局部受到压力，增加血液回流阻力, 脊柱非正常弯曲, 以及对某些内脏器官造成损害。理想的座椅应当使人坐着时, 体重合理分布, 大腿平放, 双足着地,上臂不负担身体的重量, 肌肉放松,血液循环通畅, 姿态舒适。

因此，欲使坐姿能形成接近正常的脊柱自然弯曲形态, 躯干与大腿之间必须有大约 135°的夹角, 并且座椅的设计应使坐者的腰部有适当的支撑, 以使腰曲弧形自然弯曲, 腰背肌肉处于放松状态。

人坐着时, 大腿和上身的重量必须由座椅来支承。人体结构在骨盆下面有两块圆骨，称为坐骨结节。这两块小面积能够支持大部分上身的重量。

覆盖在它们外面的皮肤能获得丰富的动脉血液供应，就象脚底一样；而在臀部的边缘部分，血液循环则大不一样，在这部分静脉较多(包含较少的氧)；当人坐着的时候，覆盖着坐骨结节的皮肤能够更好地经受住持久的压力。 (如图 2.1所示)

图2.1 使股骨处于正常位置的平坦座面

座面上的臀部压力分布应是：在坐骨结节处最大, 由此向外,压力逐渐减小,

直至与座面前缘接触的大腿下部,压力为最小。不同用途的座椅, 两点支承的作用不一样。休息用的座椅, 体、腿夹角较大 ( 舒适角度约为 115°), 坐着时身体向后倾斜, 只要肩胛部分支承稳靠, 没有腰靠也能得到舒适的坐姿, 因此是以肩靠起主要作用。人体与座椅之间的压力分布称为坐姿的体压分布，坐姿的体压分布是影响乘坐舒适性的重要因素。人就坐时，身体重量的大部分(约80% )经过臀部、背部隆起部分及其附着的肌肉压在坐椅面上。但是，不论什么座面，保持一种固定的坐姿时间过长，臀部细血管内参加循环的血液量就会减少，控制身体下部生理机能的功能将会下降，这种持续的复合作用在肌肉上会引起挤压疲劳。只有不断地活动身体才能使身体的各个部分延迟疲劳的到来，对于腰肌也是这样，尽管不同的坐姿对腰椎弯曲形状的影响不同，有的小些有的大些，但是不论哪种姿势，长时间采取一种坐姿总会产生静力疲劳。因此，任何一种座椅在设计时都应考虑变换坐姿的可能性。

一般操作用座椅, 由于操作的要求, 身体需要略向前倾,肩胛骨部分几乎接触不到靠背, 因此,只有腰靠起支承作用, 一般无需设置肩靠。腰靠支承是使背疼和疲劳减到最轻的主要措施。

腿的主动脉紧靠着大腿下表面和膝盖的后面, 在这个部位上，任何持续的压力都会给人造成极端的不舒适和肿胀感觉。借助于适当减短座深、把座垫前缘修圆和采用较软的泡沫塑料座垫等措施可防止发生这种情况。

正确的坐姿应当是支持脊柱使之逼近这一自然弯曲弧形。座椅的设计必须有可能让人经常地改变自己的姿势和位置，以便减轻压力和活动伸展各部分肌肉。

座垫表面的各个边缘应当稍稍向上倾斜，以便阻止臀部向边缘滑动而使操作者能够坐稳。

靠背与座垫之间的夹角应当为 95°左右，至少是90°，以避免因骨盆向前歪斜而弯腰，造成肌肉紧张和受束缚。

概括起来，舒适的坐态生理，应保证腰曲弧形处于正常自然状态，腰背肌肉处于松弛状态，从上体通向大腿的血管不受压迫，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，使上体略向后倾斜，保持体腿夹角在 90°～115°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2.2所示）