基于人机工程学的汽车座椅设计研究

基于人机工程学的汽车座椅设计研究

史雄杰,刘玉亮

长城汽车股份有限公司 河北省保定市 071000

摘要：时至今日，国内从基于人机工程学角度考虑的汽车座椅舒适性设计研究仍存在一定问题，国内汽车生产商在设计汽车座椅时并未根据不同人体特征而设计出不同尺寸的舒适性座椅，即在可调节功能上尚需要突破;同时还没有形成对座椅静态舒适性评价的一套客观系统的体系，应用神经网络建模方法评价舒适性中输入量的界定还不够清晰明确，这些尚存在的不足需要汽车生产商和研究者们进一步研究和改善，以创造出人们梦寐以求的集完美舒适性和安全性于一体的汽车座椅。

关键词：汽车座椅；人机工程学；舒适度；安全性

1、人机工程学下对汽车座椅的分析

汽车座椅和人共同组成一个研究整体，下面分两个方向（人体坐姿特征分析和环境分析）分析人机工程学下的汽车座椅。

    1.1人体坐姿分析

人体坐姿压力分布分析分为人坐下时的脊椎形态分析和压力分布分析。我们都知道，不同的坐姿下人的脊椎呈现出不同的形态。而只有在脊椎形态最接近于自然状态时，人体才是最放松和最舒适的状态，也只有在这种状态下，才会减少脊椎的负荷量，降低人体产生疲劳感的可能性，才能够有效的防治疲劳驾驶的发生。因此，通过人机工程学设计座椅靠背的适当倾斜角度，对保持人体坐下时脊椎呈现自然状态具有重要的意义。 坐垫上的体压分布主要集中于人体坐骨，并以坐骨为中心向四周不断减小，直至到达大腿部位时降至最低，这样分布坐垫体压的主要原因是人体骨骼是最能够承受压力的部位，而驾驶汽车时，大腿以下的部位主要用于操控汽车速度和停开车，要具有一定的灵活性，不适合承受压力，同时大腿处有下肢主动脉分布不适合承受荷载。靠椅上的体压分布是不均匀的，符合坐垫设计的压力不均匀性原则，靠背的受力部位主要为腰椎和肩胛骨并以这两个部位为中心向外扩张，压力不断减小。

    1.2空间环境分析

人体和汽车空间作为一个研究整体，对驾驶员舒适性影响较大的环境因素包括汽车内的温湿度和振动幅度。研究表明，人体最敏感的频率范围为纵向振动4～8HZ，横向振动1～2HZ。当汽车内的振动频率解决人体能够感知的振动频率时，人体和汽车会形成共振现象，导致整体的震动幅度增大，从而引起人体的感官的错误判断。振动主要影响人体的视觉和动手操作效率，两者的关系具体表现为：汽车内的振动频率接近人体器官可感知的振动频率时皮质细胞（质膜内面的一层细胞质）的工作效率会降低，人体会产生疲劳，工作效率和行为反应能力降低，增加了疲劳驾驶的可能性。汽车内温湿度对驾驶员的影响主要表现在：汽车内温度越高，驾驶员往往会觉得昏昏欲睡，四肢无力，导致工作不能持久，不能够专心开车;温湿度越低，驾驶员往往需要分泌更多的肾上腺素保持自身体温，能量消耗过多不利于驾驶员安全开始。因此，汽车内的温湿度应该保持在一个合适的水平。研究表明，当汽车内的温度保持在18～23度，适度保持在40%～55～时，驾驶员新陈代谢量可以达到1～2met，这个代谢量最有利于驾驶员保持头脑的清醒，任何高于或者低于这个温湿度都会在一定程度上造成驾驶员疲劳感的产生。因此，采取有效的设计使座椅表面和空间内的温湿度保持在一定水品对降低安全事故具有重要的作用。

2、基于汽车座椅的舒适性及安全性设计研究汽车

根据生物动力学研究结果表明，人体若长时间的承受高强度高负荷的全身震动，那么对其的健康损害也是极其严重的，这主要表现在腰脊和相关的神经系统会因此受到影响。而源于人体内部的新陈代谢、血液循环以及其他方面因素会恶化这个影响，同时如身体姿势、低温和气流等等一些环境因素也会引起肌肉疼痛给驾乘带来不适。由本小组研究人员取证分析，得到以下结论。

    2.1 座椅舒适度研究

3.1.1 座椅舒适度的指标

①座椅尺寸应与人体测量尺寸d相适宜（一般d取45～60cm）;②汽车内部座椅应按人体坐高坐姿不同而合理设计成可自由调节，以便不同驾乘人员根据自己的客观条件和需求来达到满足自身坐姿要求的舒适度，如沃尔沃公司的F7型汽车坐高可调65mm;倾斜度可调64°;纵向位置可调130mm等;③同时汽车座椅应有使驾乘人员随时保持舒适坐姿的能力，座椅靠背设计应根据需求设计合理结构和尺寸以给腰部充分的支撑，达到使人乘坐时其腰脊能成正常弯曲状态。同时，座椅安装位置的尺寸也很重要，它直接影响到使用者的便利性和舒适性，座椅布置需符合人体工程学的要求。驾驶座椅也是最关键的座椅，它需布置合理，操纵方便，即乘坐时驾驶者对方向盘、操纵杆和踏板具有良好可及性。对于同一地区的人群，也有男女性的差异，高矮差异，驾驶座椅必须要有调节机构，以适应绝大部分人的身材。

    2.1.2 影响座椅舒适度的因素

座椅自身的尺寸设计、人体坐姿的舒适性需求度、座椅的可调节特性都是影响座椅舒适度的主要因素。基于人机工程学的研究，腰部是体现座椅功能的关键部位，因此座椅的腰托便成了影響舒适性设计的决定因素。而随着现代技术的快速发展，轿车的座椅也装配有气动装置，由发动机舱的气泵提供气压，而靠背内分别有4个气压腔，实现对腰椎部的保护。靠背分成上下两部分，角度可以分别调整以使腰部和肩部同时紧贴靠背，起到安全保护作用，若在靠背内装一个由电脑控制的电子振荡器，不仅舒适腰椎，还有按摩保健作用。所以，合理设计座椅腰托，并根据不同驾乘人员的腰部不同弯曲程度设计成可自动压缩挤压并有按摩功效的座椅腰托便是广大驾乘人员一致称好的。

    2.2座椅安全性研究

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。

    2.2.1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。

    2.2.2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。

结语：在汽车座椅设计中应用人机工程学，才能使其达到身体的各项生理和心理要求，以此确保驾乘人员的舒适性和行车安全性。随着数字化设计应用的不断深入，人机工程应用在汽车设计中的方法也更加精确，人机工程学将更注重人的信息处理能力，更注重人-机-环境的完整研究，并运用系统论、信息论等新兴科学来研究这个新的系统，以创造出更适合于人类使用的汽车，使人机系统的综合效能达到最佳水平。

参考文献：

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[2]杜徐徐.基于人机工程学的新能源汽车座椅设计研究[D].长春工业大学,2020.

[3]刘喆,张中建.基于人机工程学的汽车座椅设计研究[J].赢未来,2017(24):1.

[4]马暄程,陈思印.基于人机工程学的汽车座椅优化设计分析[J].科学与信息化,2019(27):2.