汽車駕駛座椅的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)

1、汽車駕駛座椅的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)作者：許英 朱序璋 楊宏剛    來源：汽車與安全摘要：本文以人因分析為手段，以設(shè)計(jì)出合理的駕駛座椅來滿足駕駛員人體安全、舒適為設(shè)計(jì)目標(biāo)，得到結(jié)論：駕駛座椅安全性設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮人（駕駛員）坐姿生理特性及人體對(duì)車內(nèi)振動(dòng)、微氣候的反應(yīng)等兩大方面。并從主動(dòng)安全性設(shè)計(jì)、被動(dòng)安全性設(shè)計(jì)兩個(gè)方面詳盡分析了駕駛座椅安全性設(shè)計(jì)的思路，以期達(dá)到對(duì)汽車駕駛座椅的安全性設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)作用。 引言 汽車中的座椅是影響駕駛與乘坐舒適程度的重要設(shè)施，而駕駛員的座椅就更為重要。舒適而操作方便的駕駛座椅，可以減少駕駛員疲勞程度，降低故障的發(fā)生率1。汽車駕

2、駛員座椅設(shè)計(jì)優(yōu)劣與否直接關(guān)系到駕駛質(zhì)量。 本文以人因分析為手段，以設(shè)計(jì)出合理的駕駛座椅來滿足駕駛員人體安全、舒適為設(shè)計(jì)目標(biāo)，得到結(jié)論：駕駛座椅安全性設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮人（駕駛員）坐姿生理特性及人體對(duì)車內(nèi)振動(dòng)、微氣候的反應(yīng)等兩大方面。并從主動(dòng)安全性設(shè)計(jì)、被動(dòng)安全性設(shè)計(jì)兩個(gè)方面詳盡分析了駕駛座椅安全性設(shè)計(jì)的思路。 1. 人座椅系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)中人的因素分析 任何系統(tǒng)實(shí)際上都是人機(jī)系統(tǒng)，人機(jī)系統(tǒng)包括人、機(jī)、環(huán)境三個(gè)方面2。顯然駕駛員-座椅也屬于人機(jī)系統(tǒng)研究的范疇。人機(jī)系統(tǒng)的安全模式多以人的行為為主體，即以人為本。對(duì)人機(jī)系統(tǒng)的研究始于第二次世界大戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)和使用高度復(fù)雜的軍事裝備中，人們逐步認(rèn)識(shí)到必須把人和

3、機(jī)器作為一個(gè)整體，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮人的因素。 1.1 人（駕駛員）坐姿生理特性分析 （1）坐姿時(shí)脊柱形態(tài) 人坐著時(shí)，身體主要由脊柱、骨盆、腿和腳支承。脊柱位于人體的背部中央，是構(gòu)成人體的中軸。人處于不同的坐姿時(shí)，脊柱形態(tài)不同，只有座椅的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)使駕駛員的脊柱形態(tài)接近于正常自然狀態(tài)，才會(huì)減少腰椎的負(fù)荷以及腰背部肌肉的負(fù)荷，防止駕駛疲勞發(fā)生。 （2）坐姿體壓分布 當(dāng)座椅上的人處于坐姿狀態(tài)時(shí)，人的身體重量作用于座墊和靠背上的壓力分布稱作坐姿的體壓分布3?？梢姡梭w壓分布包括座墊上的體壓分布和靠背上的體壓分布兩部分。 座墊上的體壓分布 根據(jù)人體組織的解剖學(xué)特性可知，坐骨結(jié)節(jié)處是人體最能耐受

4、壓力的部位，適合于承重，而大腿下靠近表面處因有下肢主動(dòng)脈分布，故不宜承受重壓。據(jù)此座墊上的壓力應(yīng)按照臀部不同部位承受不同壓力的原則來分布，即在坐骨處壓力最大，向四周逐漸減少，自大腿部位時(shí)壓力降至最低值，這是座墊設(shè)計(jì)的壓力分布不均勻原則。圖1為坐姿時(shí)座墊上的體壓分布4。 圖 1坐姿時(shí)座墊上的體壓分布 靠背上的體壓分布 靠背上的體壓分布也以不均勻分布，壓力相對(duì)集中在肩胛骨和腰椎兩個(gè)部位。從這兩個(gè)部位向外，壓力應(yīng)逐步降低。 1.2 人體對(duì)車內(nèi)振動(dòng)、微氣候的反應(yīng) （1）人體對(duì)振動(dòng)的反應(yīng) 駕駛員坐在行使中的汽車上所承受的振動(dòng)屬于全身振動(dòng)的范疇。 有關(guān)研究表明，人體最敏感的頻率范圍為縱向振動(dòng)48Hz，橫向

5、振動(dòng)12Hz。當(dāng)外界振動(dòng)接近器官的共振頻率時(shí)，即產(chǎn)生共振，振幅迅速增大，此時(shí)引起器官的生理反應(yīng)最大。外界振動(dòng)傳入人體時(shí)所引起的增大或減弱效應(yīng)與身體在振動(dòng)系統(tǒng)中的姿勢(shì)有關(guān)，一般來說，坐姿工作時(shí)，由于人腿的減振作用大大降低，抗振性要比站姿工作時(shí)差，特別是脊柱和胃部受到振動(dòng)的損害，因此坐姿作業(yè)者容易產(chǎn)生脊柱損傷和胃病這兩種職業(yè)病。 振動(dòng)對(duì)駕駛員操作的影響主要表現(xiàn)為視覺作業(yè)效率的下降和操作動(dòng)作準(zhǔn)確性變差。當(dāng)振動(dòng)頻率低于2Hz時(shí)，由于眼肌的調(diào)節(jié)補(bǔ)償作用，使視網(wǎng)膜上的映像相對(duì)穩(wěn)定，因此對(duì)視覺的干擾作用不大，但當(dāng)振動(dòng)頻率大于4Hz時(shí)，視覺作業(yè)效率將受到嚴(yán)重的影響，振動(dòng)頻率為1030Hz時(shí)，對(duì)視覺的干擾最大，

6、振動(dòng)頻率為50Hz、加速度為2m/s2時(shí)，視覺下降約50%。振動(dòng)對(duì)操作動(dòng)作準(zhǔn)確性的影響，主要是由于振動(dòng)降低了手（或腳）的穩(wěn)定性，從而使操縱動(dòng)作的準(zhǔn)確性變差，而且振幅越大，影響越大。另外人體在振動(dòng)環(huán)境中會(huì)加速疲勞過程。當(dāng)振動(dòng)環(huán)境中的振動(dòng)特性處于人體神經(jīng)系統(tǒng)的敏感區(qū)域時(shí)，這種刺激頻繁傳入大腦皮質(zhì)，引起大腦皮質(zhì)細(xì)胞興奮。當(dāng)達(dá)到一定限度時(shí)，皮質(zhì)細(xì)胞的工作強(qiáng)度將減弱，人就會(huì)感到疲勞，工作效率明顯下降。 （2）微氣候 研究表明5,駕駛員在駕駛狀態(tài)下的舒適溫度為1823，舒適濕度為40%60%，代謝量為1.02.0met。座椅對(duì)人體熱環(huán)境的主要影響因素有：座椅表面的溫度和濕度。座椅表面的溫濕度特性將影響人體

7、背部、臀部、下體等部位的散熱性能及皮膚的呼吸功能，當(dāng)其溫濕度特性與人體生理機(jī)能不適應(yīng)時(shí)將引起人體局部不快感，從而加速人體疲勞的形成。 2. 駕駛座椅安全性設(shè)計(jì) 基于以上分析，以人體舒適性、安全性為目標(biāo)進(jìn)行駕駛座椅安全性設(shè)計(jì)。 2.1 主動(dòng)安全性 主動(dòng)安全性是指汽車駕駛座椅防止事故的能力。汽車駕駛座椅的主動(dòng)安全性設(shè)計(jì)主要從減輕駕駛員的疲勞入手進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，以滿足主動(dòng)安全性要求。如前論述，主動(dòng)安全性主要考慮合理的座椅尺寸設(shè)計(jì)、座墊上合理的體壓分布、靠背上合理的體壓分布等為駕駛員提供一個(gè)舒適的作業(yè)環(huán)境，減輕駕駛員的疲勞，從而保證駕駛座椅主動(dòng)安全性的設(shè)計(jì)要求。 （1）座椅尺寸設(shè)計(jì) 駕駛座椅尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

8、的研究把注意力集中在人體生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)駕駛舒適程度的影響上，尋求最佳的座椅結(jié)構(gòu)型式、尺寸、輪廓形狀及材料選擇。 座椅尺寸設(shè)計(jì)46主要參數(shù)包括：椅面高度、寬度、深度、椅面傾角；靠背的高度、寬度和傾角。座椅尺寸設(shè)計(jì)涉及主要參數(shù)如圖2中所示。 A.持面高度B.持面寬度C.持面深度 D.金背高度Q.余背傾角盡持面傾角 圖 2 座椅尺寸設(shè)計(jì)主要參數(shù)椅面高度A：椅面高度定義為椅面前緣至駕駛員踵點(diǎn)的垂直距離。在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮到兩點(diǎn)：椅面過高會(huì)使大腿肌肉受壓，椅面過低就會(huì)增加背部肌肉負(fù)荷。駕駛座椅的椅面高度應(yīng)低些。 椅面寬度B：在空間允許的條件下，以寬為好。但對(duì)于汽車駕駛座椅來講，駕駛員坐姿單一，不涉及變換姿

9、勢(shì)，通常設(shè)計(jì)應(yīng)以滿足最寬人體需要為準(zhǔn)。 椅面深度C：指椅面前緣至靠背前面水平距離。其尺寸應(yīng)滿足：腰部得到靠背的支承；椅面前緣與小腿之間留有適當(dāng)距離，以保證大腿肌肉不受擠壓，腿彎部分不受阻礙。 靠背高度D及寬度：靠背的高度和寬度與坐姿肩高和肩寬有關(guān)，對(duì)于汽車駕駛座椅靠背的高度應(yīng)采取高靠背，最好加靠枕。 靠背傾角：靠背傾角是指靠背與椅面水平方向的夾角。 椅面傾角：指椅面與水平之間的夾角。主要考慮到為了防止人體臀部向前滑動(dòng)而是椅面前緣向后傾。此角不易過大，否則會(huì)增加大腿下平面與座墊前緣的壓力，從而減少雙腳著地的負(fù)荷，阻礙血液循環(huán)，引起身心疲勞。 通過以上座椅尺寸參數(shù)的確定，以保證駕駛員人體脊柱曲線更

10、接近于正常生理脊柱曲線。舒適坐姿的各關(guān)節(jié)的角度應(yīng)該滿足圖3中所示的要求角度7。 圖3舒適坐姿的關(guān)節(jié)角度（2）座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了保證座墊上合理的體壓分布，座墊應(yīng)堅(jiān)實(shí)平坦。太軟的椅子容易令使用者曲起身子，全身肌肉和骨骼受力不均，從而導(dǎo)致腰酸背痛的現(xiàn)象的產(chǎn)生。研究表明4：過于松軟的椅面，使臀部與大腿的肌肉受壓面積增大，不僅增加了軀干的不穩(wěn)定性，而且不易改變坐姿，容易差生疲勞。 依據(jù)靠背上體壓分布不均勻原則，在座椅靠背設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證有靠背兩點(diǎn)支承即就是人體背部和腰部的合理支承。汽車座椅設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)提供形狀和位置適宜的兩點(diǎn)支承，第一支承部位位于人體第56胸椎之間的高度上，作為肩靠；第二支承設(shè)置在腰曲部位，作為

11、腰靠。肩靠能減輕頸曲變形，腰靠能保證乘坐姿勢(shì)下的近似于正常的腰弧曲線。 （3）座椅材料選擇 座椅材料的選擇主要考慮到以下兩個(gè)方面：振動(dòng)舒適性以及座椅對(duì)人體熱環(huán)境的主要影響。 座椅材料是座椅的主要減振元件，要想使座椅獲得較低的振動(dòng)傳遞率，使座椅有較高的振動(dòng)舒適性，必須采用合適的座墊和靠背減振材料。 根據(jù)駕駛室的微氣候環(huán)境，調(diào)整座椅表面的溫濕度特性，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)人體代謝，達(dá)到減輕疲勞的目的。如提高座椅材料的呼吸能力，增加材料的透氣性,在不同的季節(jié)條件、溫濕環(huán)境下使用不同的座椅面料，以及在中高檔汽車中采用主動(dòng)通風(fēng)式座椅,消除駕駛員在座墊表面和背部表面所產(chǎn)生的熱量，使人體與座椅接觸區(qū)保持適宜的溫濕度等

12、措施均能改善座椅表面的溫濕度特性，減輕駕駛疲勞。 2.2座椅振動(dòng)舒適性設(shè)計(jì) 座椅材料是座椅的主要減振元件，那么在座椅振動(dòng)舒適性設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的就是從座椅材料的選擇上下功夫來保證座椅振動(dòng)舒適性。 座椅的結(jié)構(gòu)形狀也不同程度的影響其振動(dòng)舒適性。由于椎間盤有較大的壓縮潛力和很好的彈性，所以脊柱具有忍受較強(qiáng)的縱向振動(dòng)的能力。在橫向上，脊柱只有前縱韌帶分別附在腰間盤的前緣和后緣并起一定的作用。因此，人體脊柱忍受橫向力的能力很低。在設(shè)計(jì)座椅時(shí)必須使其具有抵抗橫向振動(dòng)的能力。座椅靠背后傾斜使腰部背部得到依靠，加之靠背襯墊的適度柔軟性，致使摩擦力增大，可緩沖橫向振動(dòng)對(duì)人體的沖擊，同時(shí)靠背兩側(cè)稍隆起、椅面的形狀

13、(如圖2)兩邊向上隆起，也能減輕人體的橫向移動(dòng)趨勢(shì)，使人感覺乘坐舒適。 2.3 座椅空間位置設(shè)計(jì) 座椅空間位置設(shè)計(jì)就是為了達(dá)到操作舒適性的目標(biāo)，而進(jìn)行駕駛座椅空間位置設(shè)計(jì)以確保駕駛員有良好的視野，同時(shí)對(duì)汽車轉(zhuǎn)向盤、腳踏板等操作部件有恰當(dāng)?shù)牟僮饕缶嚯x，以達(dá)到操作舒適性的最終目的。圖4列出了駕駛作業(yè)空間設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)。 圖4駕駛作業(yè)空間設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)2.4 駕駛座椅被動(dòng)安全性設(shè)計(jì) 被動(dòng)安全性是指事故發(fā)生時(shí)，保護(hù)乘員的能力。駕駛座椅作為安全部件，是汽車被動(dòng)安全性設(shè)計(jì)的主要考慮部件之一。考慮提高駕駛員的人身安全性，汽車駕駛座椅被動(dòng)安全性設(shè)計(jì)目標(biāo)為： （1） 在事故中要保證駕駛員處在自身的生存空間之內(nèi)，并防止其他車載體進(jìn)入到這個(gè)空間； （2） 要保持駕駛員在事故發(fā)生時(shí)，保持一定的姿態(tài)，以使其他的約束系統(tǒng)能充分發(fā)揮其保護(hù)效能； （3） 在事故中，使得事故后果對(duì)駕駛員的傷害降低到最小限度。 目前采取的主要安全措施：提高座椅骨架強(qiáng)度，達(dá)到汽車駕駛座椅強(qiáng)度的要求值；設(shè)置