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

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 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。

8

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

9

●纵向压力分布曲线

●纵向力矩分布曲线

●侧倾稳定性系数

2.2人体测量学与乘坐舒适性的关系

在座椅开发初期，座椅技术部门一般会从汽车主机厂得到整个车身的三维模型。因此在一开始便需要从人机工程角度来考虑问题，进而在车身环境中布置整个座椅系统，从而满足座椅舒适性的要求[10]。座椅系统设计时在CAD环境中布置SAE J826中规定的假人模型，该模型勾勒出了重要的H点、靠背角度以及脚跟点等等的信息。以此模型作为布置时的基准，从而保证乘坐者有足够的可视性、合理的驾驶操作性等等。除了SAE假人模型以外，SAE还负责管理另外一个项目简称为CAESAR [11]即Civilian American and European Surface Anthropometry Resource。该项目的目的是为了更新与补充现代人体测量学方面的数据，该数据库采样了将近２５００北美公民与２５００左右的欧洲公民（男性与女性）的尺寸，如图2-3，他们年龄跨度从１８到６５周岁，CAESAR代表了当今最完整的成年公民人体测量学方面的研究数据，这些数据来自于不同的国家与不同的行业，其中当然包含了汽车工业，CAESAR能够反映人类长期发展趋势之中目前的阶段性变化，从而为我们更好的设计汽车座椅系统提供数据。

10

图2-3 CAESAR采集人体测量学数据

Fig.2-3 Anthropometry data gathered by CAESAR

对于座椅系统而言,以下参数必须考虑到人体测量学。

?坐垫宽度

为了满足绝大部分人体尺寸的要求，坐垫宽度应该能够承载较宽臀部区域且保留足够的间隙以方便人体活动[12]。

?坐垫长度

为了满足绝大部分人体尺寸的要求，坐垫长度应该能够承载最小的乘坐者。坐垫的长度因人而异，高个的驾驶者一般喜欢坐垫的长度短一些，这样他们更能够踩上刹车板。而个子稍微小一点的驾驶者则喜欢稍微长一些的坐垫，这样才能便于他们踩到刹车板。

?座椅高度

为了满足绝大部分人体尺寸的要求，座椅高度应能够承载最小的乘坐者。同时为了满足不同尺寸人群的需要，座椅的高度应该能够调节。

?座椅靠背宽度

为了满足绝大部分人体尺寸的要求，靠背宽度应该能够承载最大人群的的肩部与腰部，同时为了避免人体手臂运动时与靠背区域干涉，靠背的肩部区域最好有足够的宽度。布置时，整个靠背的宽度还需要与轿车前排的中央控制盒以及外侧车门门板区域进行匹配，以防止干涉。

?座椅靠背高度

为了满足绝大部分人体尺寸的要求，靠背高度应该能够承载最小的乘坐者。座椅靠背需要足够高度来支持人体的上背部以及肩部区域，当然为了不影响了后排乘客的视线，靠背不能太高。

11

表2-1人体测量数据与座椅设计尺寸关系

Table 2-1The relationship between CAESAR and seating design parameters

2.3人体工程学与乘坐舒适性的关系

12

13

图2-4在车身里座椅的人机工程学尺寸 Fig.2-4 The Ergonomics in automobile enviroment

乘客在座椅里面的位置对于舒适及安全性相当重要。尤其是以下三点。 1.头，手部，腿部，以及膝部空间

如图2-4所示，头部空间不仅对于人体舒适性而且对于安全性也相当重要。足够的头部空间能够提供人们充足的视觉空间，防止头晕，同时避免车辆颠簸时造成头部受伤

[13]

。 足够的手部空间对于驾驶员而言是相当重要的，这样能够保证手臂操纵自如 [14]

。

同样道理，充足的腿部空间能够保证驾驶员踩上刹车。

膝部空间是指后排乘坐者的膝部与前排靠背后部之间的距离。足够的膝部空间，能够使得后排的乘坐者腿部伸展自由，没有压迫感。从而有效防止因为坐姿的一成不变引起腹部以及腰部区域受到压载而导致人体不适。

2.视觉空间

保证汽车安全运行需要驾驶员能够及时接受足够正确的信息。事实上80%以上的信息是驾驶员通过视觉获得的，汽车驾驶视野是汽车主动安全系统中的重要组成部分。汽车驾驶视野的宜人化程度直接决定车辆预防交通事故的性能。同时充足的视觉空间能够保证在车辆行驶过程中方向

Head space

Head space

Handle space

Leg space

Knee space

Front and rear space

盘、汽车顶板、保险带、柱子等对驾驶员视线影响最小，使驾驶员能够清晰的通过反光镜来控制驾驶[15]。

3.操作的控制性

对于座椅设计而言，乘员的可操作性是另外一个严格的因素，控制又可分为主要控制与次要控制。

主要控制是指对车辆的控制。在系着保险带后乘员仍能够灵活的控制车辆。包括对方向盘、排档、信号灯、点火开关等等的控制。

次要控制是针对舒适与便利而言，诸如对收音机按钮、点烟器、座椅调节按钮的控制等等，见图2-5。

操纵装置又称为控制装置或调节装置，是指能够将操作者的响应输出转换为机器设备的输入信息，进而控制机器设备运行状态的机构。在操纵装置的设计中，必须充分考虑人体的体形、尺度、生理特点、运动特征和心理特征，以及人的体力和能力限度，才能够使所设计的操纵装置具有较高的宜人性，为操作者安全、准确、舒适持续操纵提供物质保障。

14

图2-5操作的控制性

Fig.2-5 Handle control operation

上图便是座椅设计时，必须考虑到一定的手臂操作的空间，从而能够自如的控制座椅上的调节按钮。

Electrical Button

图2-6 通用凯越座椅电动按钮操作空间

Fig.2-6 SGM Buick Excelle power button operation distance

43

15

图2-7 通用景程座椅电动按钮操作空间

Fig.2-7 SGM EPICA power button operation distance

Button Fin

22

图2-8东风日产风神四号座椅电动按钮之间间隙值

Fig.2-8 The clearance between power button in Dongfeng Nissan Aeolus IV 产品设计中需要严格按照人机工程的原理进行设计，诸如在通用景诚中电动按钮手部操作值为43.2，通用凯越中电动按钮手部操作值为43，这样基本满足人手部操纵按钮所需要的距离。同样道理，不同电动按钮之间操作间隙值也有严格的规定，一般大于16毫米，在东风日产风

16

神四号产品开发中电动按钮之间操作间隙值大于22毫米，这样可以保证乘员自如操作电动按扭，不会引起不适感。

Knee Room

图2-9 后排乘员膝部空间

Fig.2-9 Knee room in rear seat

≥25mm

图2-10 通用景程膝部空间

Fig.2-10 Knee room in SGM EPICA

17

对于后排乘员而言，膝部空间也是影响舒适性的重要因素之一。局促的膝部空间会造成后排乘员舒适性的降低，而符合设计规范的膝部空间更能够提高后排乘员的舒适性。

2.4座椅设计参数影响

H Point

D Point

图2-11 SAE J1100中描述的座椅设计参数

Fig.2-11 Seating design parameters in SAE J1100

2.4.1座椅布置参数影响[16]

2.4.1.1座椅高度

即从H-点到脚跟点之间垂直高度,图上对应为H30,这个高度值需要满足5%最小女性的腿弯部高度尺寸，一般不能超过346mm。

2.4.1.2座椅前后位置

即从H-点到脚跟点之间水平距离，图上对应为L53.根据车型不同该值范围可进行调节。2.4.1.3躯干角（靠背角）（Torso angle）

躯干角（靠背角）是由2根直线的夹角组成，一根直线为垂直线，另一根直线为靠背线。靠背线在SAE J1100 3.6.1中定义为连接座椅H点与假人胸膛最顶端支点的连线。如上图中L40所示。一般靠背角度为20°～25°之间。

2.4.1.4脚跟点(AHP point)

18

从图2-11种能够看到人体脚部区域有一点定义为AHP点，即为脚跟点。

2.4.1.5座椅座垫角度(Cushion angle)

根据SAE座椅座垫角度定义为大腿线与水平线之间的夹角。而从座椅舒适性设计角度出发，坐垫角度应该是系统值，即SAE假人按照一定的H点坐标、躯干角以及脚跟点放置以后，假人大腿与座椅发泡相交以后形成的角度，显然两者之间有一定的区别。从舒适性角度出发，需要全面考虑整个座椅系统，不仅要考虑假人自然大腿角度，同时也要考虑此时发泡与人体大腿之间相交后Penetration值是否符合人体舒适性的要求。因此定义坐垫角度是由2根直线的夹角组成，一根直线为水平线，另外一根直线则通过座垫离去点与坐垫BITELINE离去点这2个点组成，见图

2-12。这个角度一般是在10°～15°左右。

Cushion Ex it Poi nt

Cushi on Biteli ne Ex it poi nt Cushi on Angle

图2-12 座椅座垫角度

Fig.2-12 Cushion Angle

2.4.1.6脚踝角(Ankle angle)

脚踝角可以是由2根直线的夹角组成，一根是小腿线，另外一根是人体脚跟线。如上图中L46所示，一般脚踝角大约是在87°～88°左右。

2.4.1.7体腿夹角(Hip angle)

体腿夹角如前所述，是躯干线与大腿线之间的夹角线，从人体生理角度分析，在体腿夹角为105°～115°左右时，人体最为舒适。

2.4.1.8大腿与小腿之间夹角(Knee angle)

大腿线与小腿线之间的夹角一般达到105°～115°左右为舒适。

在实际项目中，我们经常会使用LAYOUT 这种图纸形式来分析在整车中整个座椅基本参数。例如图2-13为通用景程项目所完成的PACKAGE LAYOUT。

19

20

图2-13通用景程部分座椅布置参数 Fig.2-13 Seating Layout parameters in SGM EPICA

2.4.2座椅外形轮廓参数及其影响

2.4.2.1 Meat to metal clearance (mm)

为了避免乘员坐上座椅坐垫以后，D 点区域与座椅系统上的坚硬物体相碰，所以规定了在座椅之中结构物体与假人之间的最小距离，坐垫为50mm 左右，见图2-14。

H-Point Dummy

Hip Angle

Knee Angle

Ankle Angle

Dummy

50mm Distance

21

图2-14 座垫Meat to metal clearance Fig.2-14 Seating Cushion Meat to Metal Clearance

靠背为35mm 左右，见图2-15。

图2-15靠背Meat to metal clearance Fig.2-15 Seating Back Meat to Metal Clearance

2.4.2.2座垫压陷深度（Cushion Penetration through H-点）

Dummy

35mm Distanc

Seating STO Line

Dummy

图2-16坐垫压陷深度

Fig.2-16 Seating Cushion Penetration

坐垫压陷深度是指一个压缩比，这个压缩比是通过截面得出的。通过H点且垂直于大腿线，切出一个截面，之后比较座椅A面压缩前后的压缩比，压缩比的公式：

坐垫压陷深度%=A÷B

A代表了假人轮廓线最低点到坐垫面套轮廓线最高点之间的距离。

B代表了未压缩前泡沫的厚度

2.4.2.3靠背压陷深度（在H-点中心截面以上100mm处）

同坐垫压陷深度类似，靠背压陷深度也是指一个压缩比，同样可以通过截面得出。通过H 点且垂直于躯干线，且向上100mm处切出一个截面，之后比较座椅A面压缩前后的压缩比，压缩比的公式：

靠背压陷深度%=A÷B

A代表了假人轮廓线最低点到靠背面套轮廓线最高点之间的距离。

B代表了未压缩前泡沫的厚度

22

Seating STO Line

B

A

Dummy

图2-17靠背压陷深度

Fig.2-17 Seating Back Penetration

2.4.2.4 D-点压陷深度

所谓D点是指假人轮廓线在座骨区域最低的一点，如下图所示，D点压陷深度，是指座垫发泡表面到人体D点之间的距离。通常乘用车的值为30mm-50mm。

Thigh with lower leg attached

H-Point(SgRP)

Front of Cushion

380mm max From

H-Point

图2-18 D-点压陷深度

Fig.2-18 D-Point Penetration

2.4.2.5大腿压陷深度（Thigh Penetration）

大腿压陷深度也是影响乘坐舒适性的指标之一。具体含义为：在D-点向前300mm处画一半径300mm圆弧与人体大腿轮廓下端交于第1点，从该点向上作一根垂线，与发泡交于第2点，这

23

24

两点之间的距离值便为大腿压陷深度，详见图2-19。通常乘用车的大腿压陷深度为23-42mm 。

图2-19 大腿压陷深度 Fig.2-19 Thigh Penetration

2.4.2.6座垫离去点（大腿离去点）位置

可以通过图2-12中看到座垫离去点的位置，该尺寸通过测量座垫离去点与H 点之间的距离得到，它描述了大腿对于人体支撑的量度。这个尺寸受限于5%女性臀部到腿部弯曲之间的尺寸。一般而言，大腿离去点不能超过305mm 左右。 2.4.2.7腰托支撑高度

H-point

D-point Penetration

D-point

Thigh Penetration

Front of Cushion 380mm max From H-Point

Occupant

Seat design contour

25

图2-20腰托设计参数

Fig.2-20 Seating Lumbar Design Parameters

对于腰托系统而言，正如前面在人体解剖学与舒适性关系中描述的那样，只有符合人体舒适姿势下的座椅结构才能够使人体感到舒适，为了满足人体自然状态下的脊椎S 型姿势，坐椅中增加了腰托装置。显而易见，腰托装置顶出的最高点到H 点之间的距离是我们相当关心的。高度范围一般为从H 点上去大约150mm 左右。 2.4.2.8腰托顶出距离

腰托装置顶出量同样是影响人体乘坐舒适性的重要因素。如图所示，这个尺寸是测量腰托顶出时腰托最凸出一点到躯干点之间的距离。一般这个值选择为90~110mm 之间。

2.4.3座椅几何轮廓参数及其影响

2.4.

3.1座垫宽度

满足95%女性的人体臀部尺寸，一般尺寸为500-525mm 。 2.4.3.2座垫INSERT 区域宽度

推荐的坐垫INSERT 区域宽度为中心对称280mm 左右。

图2-21座垫宽度与INSERT 区域宽度

Fig.2-21 Cushion Width and Cushion Insert Width

Lumbar support ’s vertical position of apex

Lumbar support in/out position

Cushion width Cushion Insert

Width