座椅设计参数及其对舒适性的影响

第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响1986年Grieco提出了一个新概念“Postural fixity” [2],这是指驾驶员在较长的一段车辆行驶过程中，肢体很少移动。这种情况的确可以想象，在驾驶席开车的人仅仅需要脚踩一下踏板，把握一下方向盘，操纵一下档位而已。此时轿车座椅设计时需要更多考虑人体生理结构，避免使人体受到静态载荷，否则肌肉长期受载会对人体生理机能产生不良的影响。在受迫情况下血液循环将受影响从而涉及到正常新陈代谢过程中营养物质的交换，严重的更会形成硬化区域。为了防止这种现象的产生，一个设计合理的座椅系统首先应当考虑人体生理结构，其次需要考虑结合人体工程学原理，最后需要优化座椅本身的设计参数。

2.1人体生理结构与乘坐舒适性的关系

2.1.1舒适坐姿时人体的解剖学原理

人体直立时，脊柱呈S型，一般成年人的脊柱具有四个生理弯曲，即颈曲、腰曲、胸曲和骶尾曲，这称为脊柱的正常生理弯曲。就座时，身体的负担主要施加在躯干上。脊柱总长约70cm，有26块独立游离的骨块[3]，详细分布见图2-1。

研究资料表明，凡是符合人体生理要求的乘坐姿势，就是最舒适的乘坐姿势。从图2-1中分析在自然状态下脊柱呈现S型曲线，腰椎构成前弯，也就是向前突起的形状。当人体以正常姿势入座后，靠背腰椎部分承受的负荷最大，腰曲最易于变形，即腰曲部位向前倾。形成诸如猫背姿势，腰椎会变得笔直或向后弯的不自然状态，使人体感觉不舒适，脊柱处于非正常生理弯曲状态，使腰曲弧度减小，椎间盘的前缘受压、后缘受拉，从而导致韧带受压迫绷紧，容易引起腰酸等不适的感觉[4]。

6

7

1块尾骨 1块骶骨

5块腰骨 椎间盘 12块胸骨

7块颈骨

图2-1人体脊椎的基本组成

Fig.2-1 Humanbeing acantha’s configuration

因此，汽车乘员，尤其是驾驶员首先感到疲劳的部位就是腰部。

由此可见，最舒适的乘坐姿势要求[5]

：

(1).腰曲弧形应保持正常的生理弯曲而不受载变形，腰部的肌肉应处于松弛休息状态。

(2).腹部通向大腿的血管和神经不受压迫，保持血液循环畅通。 考虑到人体生理结构的影响，座椅设计应使乘员脊柱处于正常生理弯曲状态，各部分肌肉处于放松状态，身体屈伸部位的角度以及受压都要有利于人体保持正常的血液循环。由于下体的腰椎承重最大，弯曲度也最大。据医学统计，几乎95%的病变均发生于第4和第5腰椎的椎间盘，所以一般座椅设计需要在这个位置设置腰托装置，同时它还能够为胸曲部分的肩胛骨提供凭靠，减轻胸曲变形。当然身体某一部分受力也不能够过大，否则人体同样会产生不适感[6]

。 2.1.2座椅合理体压分布

所谓体压分布是指人坐在座椅上，人体与座椅之间的接触压力分布。

cervical

vertebra sternum centrum

waistbone sacrum coccyx pelvis

crura

breastbone pelvis

crura

座椅的体压分布分座垫压力分布与靠背压力分布，体压分布和乘坐姿势互相影响。显然，这里所讲的合理体压分布是指舒适乘坐姿势状态下的体压分布,合理的体压分布以保证全身肌肉放松及血液正常循环[7]。

为了使座椅具有合理的体压分布，应考虑采用下列座椅设计参数：

1.适当提高坐垫与水平方向的夹角，约5°～10°为宜

这样的话可以使压力集中于大腿后部的坐骨结节周围，同时还能够防止行车过程中乘客臀部向前滑动的趋势，避免造成生理和心理上的疲劳感。根据人体臀部的组织结构特点可以看出，臀部不同部位在产生不适感之前所承受的压力不同，构成骨盆的粗壮坐骨所承受的压力比周围大腿的肌肉承受的压力大，是人体重量的主要支承部位，另外，分布于大腿下面肌肉中的血管和神经极容易受压而使两腿发麻造成腿部疲劳。因此，合理的座椅体压分布并不是一种平均分配的分布，而是按照臀部的不同部位的在产生不适感之前所能承受的压力大小的合理分布，即从坐骨的最大压力部位逐渐向外扩展减弱，大腿下面的压力最小。但也要注意坐垫的后倾角不宜过大，否则容易增大大腿前缘的压力，并减少双脚着地的负荷，这样反而会防碍血液循环而引起的双腿发麻。

2. 体腿夹角，一般在105°～115°左右为舒适

躯干和大腿之间的角度称为体腿夹角。在体腿夹角为105°～115°左右时，能够保证人体腹部与大腿之间的血管不受压迫且血液通畅，这一生理需求同样要求座椅靠背稍微向后倾。靠背倾斜能使躯干的部分体压分布在座椅靠背上，可以对人体腰背部进行支撑，使得腰背部肌肉得以放松，减少肌肉做功，从而减缓疲劳的发生。但靠背角度不宜过大，否则会使乘员起坐不便，会造成人体颈部上抬有沉重的感觉，并产生颈部疲劳以及心理上的不适和疲劳感。同时坐垫不宜过高，应该比小腿长度短，这样使双腿能够踩到地面以支撑大腿的部分重量。

3.小腿与大腿之间达到105°～115°左右为舒适

这样的话，小腿可以向前伸，保持人体血液流畅。此外，坐位时大腿稍微倾斜并向后下、小腿稍微向前的位置也使得静脉血易于回流，可以减少疲劳的发生。

4.可考虑增加座椅前排扶手

有了扶手能够起到促进上肢静脉血回流及减轻疲劳的作用，但其高度要配合适当，应该不能使得人体的肌肉为凑合扶手高低而产生屈曲或伸张的感觉。

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5.可考虑增加靠背腰托装置

对于靠背，为保持人体脊柱的自然生理弯曲，乘坐时，人体靠背的主要受力点就是由肩胛骨提供凭靠的支承和腰曲部位的支承[8]。这就是我们通常所说的肩靠和腰垫的两点支撑。这两点是乘坐舒适的凭靠点，而且其承受的压力最大，并沿着两点向外逐渐减小。合理的体压分布，例如图2-2所示。增加靠背腰托装置后会明显增加对于人体腰部区域的支撑，避免腰部区域受载过大变形而造成人体疲劳。

体压分布的数据处理结果最终通过一系列量化的指标体现出来，他们应当分别从不同角度体现座椅的特性，尤其应体现那些与乘坐舒适性关系密切的几何物理参数的影响，如座垫形状、座垫的刚度以及刚度的分布等。

The lumbar region pressure

腰部区域压力值

图2-2典型靠背与座垫的体压分布图

Fig.2-2 Pressure support map of seating back and cushion 在已有的文献中，不同的研究者分别采用了一些指标来表征体压分布，即使是相同的指标，计算方法也有差异，以下8个具有较高价值、能够较好的体现前述原则的指标[9]。

●最大压力

●平均压力

●最大压力梯度

●平均压力梯度

●不对称系数

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