汽车电动座椅的设计与优化

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图 2 坐椅各部位的受力分布图 2.2 振动 振动对驾驶员的直接影响涉及躯干和身体局部的生物动态反应行 为、生理反应、性能减退和敏感度障碍。实验表明，人体对振动最敏 感的频率范围为 4 ～ 8Hz，当外界振动与人体器官产生共振时，其对生 理影响最大，易使驾驶员头晕、恶心、视觉下降、腹痛，进而引起疲 劳，工作效率明显下降。 2.3 环境 汽车座椅表面的温度和湿度是影响人体热环境的两个主要因素。 驾驶员若处于高温度、高湿度的环境中，因其温湿度特性与人体正常 的生理机能不相适应，而引起驾驶员背部、臀部等局部的不适感。此 外，驾驶员疲劳感也会加剧，工作不能持久。 三、人机工程学在本设计中的应用 1、人机工程学对汽车座椅的要求 贴合感：座椅靠背、坐垫符合人体形状，使其有较大的接触面积， 增加舒适度。横向稳定性：座椅能够承受一定的侧向力，使人体受到 侧向力作用时有所支撑。背部和腰部的合理支承：汽车座椅应有合适 的形状与位置对脊柱有所支撑。各部合适的软硬感：座椅的作用是对 乘坐人员提供支撑，其表面硬度应适中。 2、座椅的结构参数 座椅的结构参数应满足震动舒适性、操作舒适性和坐姿舒适性的
少腰椎的负荷以及腰背部肌肉的酸痛及疲劳。
图 1 舒适坐姿的人体关节角度 2.1.2 坐姿体压分布 驾驶员与座椅之间接触区域的压力变化称为坐姿的体压分布，它分 为座垫和靠背的压力分布。它是影响坐姿疲劳与舒适性的重要因素。图 2 所示为座椅各部位的体压分布。由图可知，体压在座椅上的分布是根 据臀部不同部位承受不同压力的原则分布的，且呈非均匀分布。坐骨处 压力最大，沿坐骨向四周逐渐减小，直到大腿部位压力趋于最低值。
技术探讨
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第 5 卷 第9 期 2015 年 3 月
汽车电动座椅的设计与优化
卢金新 王 涛 长城汽车股份有限公司 河北省保定市 071000
摘 要：我们国家的经济在不断的发展，人们的生活质量也在不断的提高，对汽车舒适性的要求也在逐渐的变高。本文Fra Baidu bibliotek据汽车座椅舒适性
的影响因素分析，结合并运用人机工程学对汽车座椅进行轻量化的改进，并按照国家法规进行汽车座椅的静强度分析。
5、汽车驾驶座椅结构设计 依据体压分布不均匀原则，为保证驾驶员乘坐时的舒适性和安全 性，通常在腰椎和肩胛骨处提供两个支撑，特别是腰部的支撑，要使 驾驶员获得腰椎依托感，减轻其腰肌疲劳。此外，为了防止驾驶时硬 物挤压人体，需要保证驾驶员与靠背骨架的最小距离不小于 35mm，与 坐垫骨架的最小距离不小于 40mm。 6、汽车驾驶座椅空间位置设计 汽车驾驶座椅空间位置设计的目标就是为了达到操作的方便性、 安全性，以及驾驶员的视觉、心里感觉和功能性感觉的舒适性。 7、汽车驾驶座椅材料选择 汽车驾驶座椅材料的选择要考虑振动舒适性和座椅对人体热环境 两个方面。座椅材料是座椅的主要减振元件，合适的座椅和靠背减振 材料，能使座椅的振动传递率较低，振动舒适性较高。改变座椅表面 的温湿度特性，也就是提高座椅材料的呼吸能力，增加材料的透气性， 调节人体代谢，减轻驾驶员的疲劳。 8、汽车驾驶座椅安全性和舒适性的改善及与评价 为了进一步提高驾驶员乘坐的舒适性和安全性，可以在汽车驾驶 座椅上使用充气坐垫。这种充气坐垫的单元之间允许空气流动，且内 部相互连通。坐垫的外形会随着驾驶员在坐垫上的移动而改变，每个 充气单元相当于减震器。充气坐垫可以加速驾驶员的血液循环，降低 由于长时间驾驶引起的背部疼痛和疲劳感。通常，汽车驾驶座椅的安 全性和舒适性通过人主观的定性来评价，压力改变率均方根（Pcrms） 可以对其进行定量评价。压力改变率均方根较小，则乘坐安全性和舒 适性较好，其计算公式如下：
关键词：汽车；电动座椅；设计；优化；人机工程
中图分类号：S611
文献标识码：A
前言： 随着社会的不断发展和技术的进步，汽车作为一种流动的风景，已 进入越来越多的普通家庭。据调查显示，影响人们选购汽车的两个主要 因素是汽车外形和座椅的设计。汽车座椅不仅是汽车内饰部件重要的组 成部分，也是与驾驶员接触最密切的部件，它能直接影响驾驶员对汽车 性能的感受。所以乘坐舒适性及安全性是评价汽车性能的主要指标，其 中汽车座椅的舒适性及安全性设计已被越来越多的人们所重视。 一、汽车驾驶座椅的人机工程学设计目的与要求 人机工程是一门综合性较强的新兴边缘学科，它是把人作为系统 的一部分来研究，从而使研究的核心问题变为人－机－环境三者之间 的相互作用、相互依存。汽车座椅人机工程学设计的目的，就是使设 计出来的座椅能满足人机工程学标准，即驾驶员是人机工程学研究的 核心对象，让驾驶员感到舒适、安全、操作轻便、不易疲劳。从人机 工程学的理论出发，性能较好的汽车座椅必须为驾驶员提供一个舒适 的坐姿，安全的保护，良好的视野，轻便的操控。 二、电动座椅的功能设计 1、电动座椅的功能设计 1.1 坐垫 坐垫的主要设计参数为坐垫倾角与坐垫深度。坐垫倾角应满足安 全性与舒适性，通常在 2°～ 10°之间。坐垫深度首先应充分利用靠 背，再使臀部得到适当支撑。坐垫深度过大会使身体前移而腰部不能 得到充分支撑，引起疲劳；坐垫深度过小会造成腿部得不到相应的支 撑引起疲劳，一般取 400 ～ 480mm。在此设计中，坐垫倾斜角度设定 为 5°，坐垫深度设定为 450mm。 1.2 座椅骨架 座椅强度指的是座椅骨架强度，其属汽车整车强制认证检测项目 之一，应符合 GB15083-2006。根据成本、强度要求、技术要求等条 件，本设计采用钢质材料焊接而成。 1.3 头枕 设计头枕的目的是缩短在交通事故中驾驶员头部的变化距离，从 而保护颈椎，并减少驾驶员颈部在驾驶中的疲劳程度，保证驾驶员的 舒适性。 1.4 靠背 靠背强度与造型为靠背设计主要考虑的技术参数。靠背造型主要 是使人体背部肌肉得到放松与乘坐人员的休息使用，所以靠背造型应 符合人体曲线，靠背倾角应为可调式。根据要求，此座椅靠背倾角能 在 100° ~115°内调节。 2、影响汽车驾驶座椅的主要因素分析 2.1 人体坐姿 2.1.1 坐姿的生理形态 坐姿是一种人体的自然姿势，支持人体的主要结构是脊柱、骨盆、 腿和脚等。通常人们最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移，使上体略 向上后倾斜，保持上体与大腿间角度为 95°～ 120°，同时小腿向前 伸，大腿与小腿、小腿与脚掌之间也应达到一定角度，如图 1 所示。所 以座椅设计的结构和尺寸能使驾驶员坐姿处于最舒适的状态，就会减
表 2 工作座椅主要参数
传递；降低乘员 10Hz 附近的振动传递率。 基于上述汽车座椅舒适性评价指标，首先对大量人员做出实验研
究使用座椅时对座椅的压力分布，图 3 所示为最终压力分布结果。
3、座椅的空间位置布局 座椅空间的位置要保证驾驶员乘坐舒适性，同时还要满足人体的 布置要求。同时要考虑座椅所受压力分布。坐姿体压分布是影响座椅 舒适性的主要因素。人乘坐座椅时，大概身体重量的 80% 通过背部及 臀部作用在座椅表面上。座椅受力分布如图 1 所示。
4、座椅的设计要求 有良好的静态特性，即座椅的形状尺寸应与人体的舒适性坐姿能 够相吻合。座椅能够调整尺寸大小与并改变位置，从而使驾驶员乘坐 既舒适稳定又操作方便。同时还要保证座椅有良好的动态特性，来减 弱车体因运动产生的冲击和振动，能使驾驶员在长途驾车中不会有过 度疲劳的感受。保证驾驶座椅静态舒适性的主要因素为以下几类：a. 座 椅的位置要与其驾驶空间相协调，便于人员作业；b. 根据人体尺寸确 定座椅尺寸；c. 为适合各种坐姿，座椅应能适当调节；d. 座椅表面所使 用材料。由生物力学分析可知，最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移， 使上体略向上后倾斜，保持上体与大腿间角在 90°— 105°。同时，小 腿向前伸，大腿与小腿、小腿与脚掌之间也应达到一定角度。进行驾 驶座椅设计，应充分考虑驾驶室特定的空间与环境。人体关节的舒适 性是进行驾驶室设计的主要考虑因素，图 2 所示为驾驶室人体各关节之 间的关系。
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条件。应该结合实验数据确定，以保证结构参数的正确性。汽车驾驶 座椅尺寸参数包括椅面设计和靠背设计，其相应尺寸的设计依据是我 国国家标准的人体基本尺寸测量数据和 GB14774 － 1993《工作座椅一 般人类工效学要求》给出的工作座椅主要参数值。根据有关统计数据， 结合本设计的需要，表 1 为我国人体基本尺寸男（18 ～ 60 岁）第 95 百 分位数值和女（18 ～ 55 岁）第 5 百分位数值；表 1 为工作座椅主要参 数的取值范围。
座椅的动态舒适性设计：汽车行进过程中震动是影响汽车座椅舒 适性的首要因素。其中座垫的阻尼系数和刚度对有悬架的汽车座椅舒 适性影响最大；对于非悬架座椅，座椅刚架结构的动态性能、阻尼系 数及刚度对汽车座椅的舒适性影响最大。质量与摩擦等其他因素对汽 车座椅的动态舒适性影响不大，故本设计将其予以忽略。综上所述可 知，座椅刚度与阻尼系数对座椅的动态特性影响最为主要。地面的凹 凸不平引起车辆随机震动和车身固有的机械震动是产生驾驶疲劳的主 要影响因素。因此，设计时尽量减少人体的振动。具体措施如下：降 低对人体最有影响的高频振动，驾驶座椅与汽车的共振，减弱震动的
式中：Pcrms 为压力改变率均方根值；T 为总时间；P（t）为动态 压力。
四、结束语 综上所述，汽车座椅的人机工程学运用至关重要，人机工程学设 计能够使座椅舒适性、安全性得到提高并让汽车座椅更加符合人体特 征，人机工程学在汽车座椅设计中的应用是人与座椅的完美统一，真 正体现出人机工程学在汽车座椅设计中的重要性。 参考文献： [1] 于芳，于芬 . 关于汽车电动座椅的设计构思 [J]. 机电产品开发与 创新，2006，02. [2] 曲静 . 对汽车电动座椅的设计构想 [J]. 科技风，2009，11. [3] 曹鹏 . 面向市场的汽车座椅设计趋势分析 [J]. 黑龙江科技信息， 2014，03. [4] 宁丹 . 汽车电动座椅的设计与优化 [J]. 电子世界，2014，04. [5] 符大兴 . 对汽车座椅设计的探讨 [J]. 企业科技与发展，2011，12. [6] 龙圣杰，胡虹 . 汽车座椅造型设计分析 [J]. 包装工程，2013，08. [7] 向金权 . 汽车电动助力转向系统电机匹配技术浅析 [J]. 汽车零部 件，2013，02.