基于安全人機(jī)工程學(xué)的汽車座椅系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1、目錄緒論1第一章 座椅系統(tǒng)的安全性功能分析3第二章 座椅設(shè)計(jì)與駕駛疲勞的關(guān)系分析42.1 人體坐姿生理特性分析42.2 人體坐姿的壓力分布52.3 人體對車內(nèi)振動(dòng)的反應(yīng)52.4 人體對微天氣的反應(yīng)6第三章 座椅的安全性設(shè)計(jì)73.1 靠背設(shè)計(jì)對安全性的影響73.1.1 靠背形狀73.1.2 靠背傾角73.1.3 靠背高度73.2 安全性對座墊的要求83.2.1 座墊高度83.2.2 座墊寬度83.2.1 座墊深度83.2.2 座墊傾角83.3 頭枕的安全性設(shè)計(jì)93.4 座椅總成強(qiáng)度設(shè)計(jì)9第四章 結(jié)論10參考文獻(xiàn)11緒論 隨著汽車日益普及以及購買者對汽車安全的意識(shí)的增強(qiáng)，國內(nèi)外汽車廠商也把汽車安全

2、性設(shè)計(jì)列入了重中之重。汽車整車的安全性的好壞不僅取決于汽車底盤和車身，內(nèi)部其他部件也起著主導(dǎo)作用。汽車座椅作為汽車部件之一不僅為乘員提供了舒適而且還在汽車受到意外碰撞過程中提供了安全保障?，F(xiàn)代汽車座椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由頭枕、靠背、座墊、滑道等總成組成如圖1所示。座椅的主要功能是支撐駕駛員及乘坐人員的身體，減緩路面不平傳給人體的沖擊并減 弱由此而引起的振動(dòng)。給駕乘提供舒適、安全的乘坐條件和便于駕駛操作的良好的工作條件 。人是人機(jī)系統(tǒng)中最重要、最活躍的環(huán)節(jié)，同時(shí)也是最難控制的環(huán)節(jié)。從人的方面入手設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)才能達(dá)到更加合理的效果，設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品才能有使用的價(jià)值。人類一天的姿勢主要有坐、躺、站三個(gè)動(dòng)作。

3、無論是居家、工作、交通還是休閑，坐著的時(shí)間占其中的相當(dāng)大的比率。在當(dāng)今社會(huì)中，汽車在人的生活中有著相當(dāng)大的作用，工作、休閑、外出都離不開乘坐或是駕駛汽車。隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，汽車價(jià)格相對于一般的家庭來說亦不是遙不可及。許多家庭都擁有私家車，這在大大方便了人們生活的同時(shí)，一些由于乘坐和駕駛的引發(fā)的健康問題也相繼出現(xiàn)。究其原因，汽車座椅難逃干系。作者通過查閱資料發(fā)現(xiàn)目前市場上的汽車座椅缺乏設(shè)計(jì)，有的是根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)值來進(jìn)行座椅的尺寸調(diào)整和實(shí)際進(jìn)行的反復(fù)的大量的“路試”最終得到一個(gè)比較合理的尺寸；有的是將國外引進(jìn)的汽車座椅的尺寸照搬進(jìn)行“仿制”設(shè)計(jì)。而實(shí)際中對于座椅設(shè)計(jì)的相關(guān)研究和設(shè)計(jì)方法沒有特別的

4、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。本研究從對座椅的使用者的調(diào)查以及親身進(jìn)行的市場調(diào)查得來的結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，得出設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在是“為人設(shè)計(jì)”，根據(jù)對用戶的分析得出設(shè)計(jì)目標(biāo)并進(jìn)行實(shí)際的設(shè)計(jì)工作。第一章 座椅系統(tǒng)的安全性功能分析 汽車座椅作為安全部件是在被動(dòng)保護(hù)中起決定性作用的組成部件。首先，在事故中它要保證乘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。其次，要使乘員在事故發(fā)生過程中保持一定的姿態(tài)，以使其他的約束系統(tǒng)能充分發(fā)揮其保護(hù)效能。除了防止事故發(fā)生的功能，座椅還應(yīng)具有在乘員與其發(fā)生碰撞時(shí)(在事故中乘員與車內(nèi)部發(fā)生的碰撞稱為 二次碰撞”)，使對乘員的傷害減輕到最低的性能，即能吸收乘員與之碰撞的能量。座

5、椅安全功能失效時(shí)可引起以下幾種形式的乘員傷害： a.在正面碰撞中，座椅與車身連接強(qiáng)度不夠，座椅脫離車體，使乘員逸出其生存空間。如果后排乘員未受約束，前排座椅靠背強(qiáng)度不足，后排乘員的慣性力擊潰前排座椅，使前排乘員受到傷害；前排座椅強(qiáng)度太高，又會(huì)對后排乘員在與之相撞時(shí)產(chǎn)生傷害；座椅的乘坐外廓設(shè)計(jì)不當(dāng)，在前方碰撞時(shí)會(huì)使乘員沿座椅下滑，使腰部安全帶移到浮肋以上(即所謂的 潛水”現(xiàn)象)，這是極為不利的約束姿態(tài)。 b.在后部碰撞中，如果頭枕設(shè)計(jì)過低或與靠背的相對位置設(shè)置不當(dāng)會(huì)引起胸部與頭部的加速度差，作用在頸部上的這個(gè)差值超過一定程度后會(huì)對乘員造成致命傷害。前排座椅靠背的強(qiáng)度不足，會(huì)在其本身質(zhì)量及乘員質(zhì)量

6、的慣性力作用下向后發(fā)生較大的彈性變形以至塑性變形，失去對乘員的支撐作用，使前排乘員射向后排座椅或后窗，并傷及后排乘員。汽車座椅的安全性設(shè)計(jì)目標(biāo)就是避免上述諸種不利情況的發(fā)生。第二章 座椅設(shè)計(jì)與駕駛疲勞的關(guān)系分析 交通事故統(tǒng)計(jì)分析表明，疲勞駕駛是造成交通事故的主要原因之一。駕駛座椅是影響駕駛與乘坐舒適程度的重要設(shè)施，對于減少駕駛員疲勞程度，降低事故發(fā)生率有重要作用，汽車駕駛員座椅設(shè)計(jì)優(yōu)劣與否直接關(guān)系到駕駛質(zhì)量與安全1。人機(jī)工程學(xué)是一門綜合性較強(qiáng)的新興交叉學(xué)科，它是從人的生理和心理特點(diǎn)出發(fā)，研究人、機(jī)、環(huán)境相互關(guān)系和相互作用的規(guī)律；其目的是讓人在使用機(jī)械的過程中，感到“安全、健康、舒適、高效”。汽

7、車設(shè)計(jì)是否符合人機(jī)工程要求，不僅關(guān)系到有效利用車內(nèi)空間及提高乘用舒適性，而且影響整車內(nèi)外造型和尺寸參數(shù)，進(jìn)而影響整車性能和市場競爭力。2.1 人體坐姿生理特性分析 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)荷及腰背部肌肉的負(fù)荷，防止駕駛疲勞發(fā)生。在坐姿狀態(tài)下，支持人體的主要結(jié)構(gòu)是脊柱、骨盆、腿和腳等。最舒適的坐姿是臀部稍離靠背向前移，使上體略向上后傾斜，保持上體與大腿間角在90°115°，同時(shí)，小腿向前伸, 大腿與小腿、小腿與腳掌之間也應(yīng)達(dá)到一定角度，如圖2所示，否則會(huì)造成腰部酸痛、疲勞等不舒適的感覺。此

8、時(shí)，腰椎、骶骨和椎間盤及軟組織承受坐姿時(shí)上身大部分負(fù)荷，還要實(shí)現(xiàn)彎腰扭轉(zhuǎn)等動(dòng)作( 圖3)，對設(shè)計(jì)而言，這兩部分最重要。 圖 2 舒適的坐姿關(guān)節(jié)角度 圖 3 脊柱的形狀及組成 2.2 人體坐姿的壓力分布 人體的質(zhì)量在靠背和坐墊上的壓力分布叫坐姿的體壓分布。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的研究，最舒適的坐姿分布應(yīng)保證：人體的大部分質(zhì)量應(yīng)以較大的支承面積、較小的單位壓力合理地分布到坐墊和靠背上；壓力分布應(yīng)從小到大平滑地過渡，避免突然變化。圖4所示為人體的靠背和坐墊上最適宜的體壓分布。由圖可見，人體質(zhì)量作用在座椅上的壓力并非均布，由前面分析可知，舒適的坐姿是肩部和臀部同時(shí)支撐身體質(zhì)量，因而應(yīng)根據(jù)各部位在產(chǎn)生不舒適感覺

9、之前所能承受壓力的大小予以合理的分布。坐墊上的體壓分布應(yīng)使坐骨部分承受的壓力最高，由坐骨周圍擴(kuò)展到臀部外圍，壓力逐漸降低，直到與坐墊前緣接觸的大腿下平面趨于最低值?？勘成系捏w壓分布則應(yīng)以肩胛骨和腰椎骨兩個(gè)部位的壓力最高。這就是靠背設(shè)計(jì)中所強(qiáng)調(diào)的“兩點(diǎn)支撐”。 圖 4 座椅各部位的受力圖2.3 人體對車內(nèi)振動(dòng)的反應(yīng) 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)傳進(jìn)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

10、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)者輕易產(chǎn)生脊柱損傷和胃病這兩種職業(yè)病。振動(dòng)對駕駛員操縱的影響主要表現(xiàn)為視覺作業(yè)效率的下降和操縱動(dòng)作正確性變差。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)膜上的映像相對穩(wěn)定，因此對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)，對視覺的干擾最大，振動(dòng)頻率為50Hz、加速度為2m/s2時(shí)，視覺下降約50%。振動(dòng)對操縱動(dòng)作正確性的影響，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)作的正確性變差，而且振幅越大，影響越大。另外人體在振動(dòng)環(huán)境中會(huì)加速疲憊過程。當(dāng)振動(dòng)環(huán)境中

11、的振動(dòng)特性處于人體神經(jīng)系統(tǒng)的敏感區(qū)域時(shí)，這種刺激頻繁傳進(jìn)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)感到疲憊，工作效率明顯下降。2.4 人體對微天氣的反應(yīng) 人置身于高濕度、高溫度的條件下，往往會(huì)感到渾身不適、四肢乏力，工作不能持久研究表明,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性能不適應(yīng)時(shí)將引起人體局部不快感，從而加速人體疲憊的形成。第三章 座椅

12、的安全性設(shè)計(jì) 汽車座椅設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是滿足安全性的要求,座椅安全性的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括:靠背、座墊、頭枕、座椅總成強(qiáng)度等設(shè)計(jì)參數(shù)。3.1 靠背設(shè)計(jì)對安全性的影響3.1.1 靠背形狀 據(jù)國外有關(guān)文獻(xiàn)介紹,在中低等速尾部撞車時(shí),不管靠背為何傾角,即使乘員沒有佩帶安全帶,桶式座椅均可有效地承載乘員,使其不致于拋出座椅,形成二次碰撞。采用桶式座椅可有效地抑止側(cè)面碰撞時(shí)人體的側(cè)向滑動(dòng),無論是直線行駛還是彎道行駛,駕駛員兩側(cè)均有穩(wěn)定的支撐,可以減輕駕駛?cè)藛T的壓力,更加集中精力操縱汽車。隨著車速的提高和安全性要求的嚴(yán)格,桶式座椅將廣泛地用于汽車座椅設(shè)計(jì)中。3.1.2 靠背傾角 汽車在發(fā)生嚴(yán)重的尾部撞車時(shí),會(huì)發(fā)生乘

13、員沿座椅靠背向上竄動(dòng)的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象有可能使乘員頭頸部與汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生二次碰撞。乘員向上竄動(dòng)的趨勢與靠背傾角、碰撞的嚴(yán)重程度、乘員的初始位置等因素有關(guān),靠背傾角越大,越容易發(fā)生上竄現(xiàn)象。試驗(yàn)表明佩帶安全帶后,可有效地抑止這種現(xiàn)象。從安全性考慮希望靠背的初始傾角取小些,駕駛員座椅靠背傾角約為95°105°,乘客座椅靠背傾角約為100°115°。3.1.3 靠背高度 靠背高度是指座墊上平面(空載時(shí))至靠背上端平行于靠背平面的尺寸,相關(guān)人體尺寸是座墊上平面至肩高尺寸(女子5百分位為518mm,男子50百分位為598mm,男子95百分位為641mm)?？勘掣叨?/p>

14、過低,乘員得不到可靠的肩靠,靠背高度過高,影響駕駛員的后方視野。對于不帶頭枕的座椅而言,靠背高度應(yīng)為620mm,對于有頭枕的座椅,頭枕的設(shè)計(jì)高度為780mm,并可以上、下調(diào)節(jié)高度,調(diào)節(jié)范圍為680830mm。 國外有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,尾部撞車事故占全部汽車事故的12.1%,而人員傷亡則占傷亡總數(shù)的23.3%。因此,在汽車速度日益提高的情況下,趨于一致的看法是在靠背上加頭枕,加上頭枕后,可以減少尾部撞車事故中10%20%的乘員頭頸傷害,其中整體式頭枕比可分離式頭枕作用更佳。3.2 安全性對座墊的要求3.2.1 座墊高度座面高度應(yīng)使駕駛員大腿接近水平、小腿自然放置，即保證不因椅面過高而使大腿肌肉受壓

15、，又保證不因椅面過低而增加背部肌肉負(fù)荷。3.2.2 座墊寬度 座寬必須能容納身材粗壯的人。參考尺寸為臀寬，以女性群體尺寸上限為設(shè)計(jì)依據(jù);為使駕駛員能調(diào)整坐姿，座寬取適當(dāng)大于臀寬。座寬亦不能太大，否則肘部必須向兩側(cè)伸展以尋取支承，這樣會(huì)引起肩部疲勞。另外座寬受車寬的限制。3.2.1 座墊深度 座墊深度設(shè)計(jì)的原則是在充分利用靠背的情況下,使臀部得到合理的支承。人體在坐姿狀態(tài)下的支撐機(jī)構(gòu)為:脊柱、骨盆、腿和腳,椎骨下為骨盆,骨盆由骶尾段與髖骨構(gòu)成,髖骨下部為坐骨。如果安全帶約束骨盆,則約束力通過骨盆傳至坐骨,這樣,骨盆下坐骨與小腿足部構(gòu)成了穩(wěn)定的人體支撐,因此,從舒適性和安全性考慮安全帶應(yīng)約束骨盆而

16、不應(yīng)約束腰椎。據(jù)上分析,座墊深度不應(yīng)該超過人的大腿長度。座墊深度過大時(shí),為使小腿著地,人體軀干不得不前移,結(jié)果腰部沒有得到支承,且被安全帶所束縛,易造成腰部疲勞;在發(fā)生撞車時(shí),安全帶在腰椎上作用一個(gè)很大的沖擊力,使乘員嚴(yán)重受傷。因此,從安全性方面考慮,為適于大多數(shù)人的需要,座墊深度應(yīng)按臀部至大腿表面全長3/4的尺寸來設(shè)計(jì)。對于座墊深度不可調(diào)座椅,座墊深度設(shè)計(jì)為430mm,對于座墊深度可調(diào)座椅,調(diào)節(jié)上限為470mm,調(diào)節(jié)下限為380mm。3.2.2 座墊傾角 駕駛員座椅一般采用三點(diǎn)式安全帶,在發(fā)生正面撞車時(shí),腰帶對駕駛員的約束加緊,可以較好地保護(hù)乘員。而發(fā)生后部撞車時(shí),情況則相反,此時(shí)腰帶有下滑

17、的趨勢。為遏制這種趨勢,駕駛員座椅座墊傾角向上,撞車時(shí),慣性力使大腿繞H點(diǎn)向上轉(zhuǎn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)阻止了腰帶的下滑,這樣,安全帶就可以更好地約束人體。所以,從安全性考慮,希望座墊傾角做大些,車速越高其駕駛員座椅座墊傾角也就越大。但座墊傾角過大,則操縱力將減小,且對乘坐舒適性也不利,因此,座墊傾角的選取應(yīng)兼顧安全性和舒適性,一般座墊傾角以選取4°8°為宜。3.3 頭枕的安全性設(shè)計(jì) 頭枕在汽車尾部撞車時(shí),能限制人的頭部向后運(yùn)動(dòng),避免脊髓受損導(dǎo)致截癱。當(dāng)發(fā)生尾部撞車時(shí),乘員頭部強(qiáng)烈撞擊頭枕,同時(shí)頭枕對人體頭部產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊力,為使頭枕很好地保護(hù)頭部,頭枕應(yīng)當(dāng)有一定彈性,能很好地吸收

18、能量,具備緩沖功能,減少頭部的減速度。對于頭枕高度,應(yīng)以50百分位作為設(shè)計(jì)高度,頭枕在靠背上角度最好可以調(diào)節(jié),以便使人的頭部與頭枕充分接觸。3.4 座椅總成強(qiáng)度設(shè)計(jì)汽車座椅作為聯(lián)系人車的一個(gè)重要部件,承受著復(fù)雜的載荷。一方面,汽車行駛在凹凸不平的路面上,產(chǎn)生車體的隨機(jī)振動(dòng),對汽車座椅產(chǎn)生隨機(jī)動(dòng)載荷,它是汽車座椅骨架疲勞破壞或其它破壞的主要原因;另一方面,汽車行駛的工況很復(fù)雜,如起步、加速、制動(dòng)、減速、撞車等,在這些情況下,汽車座椅承受著很大的沖擊載荷,尤其是撞車時(shí),作用于座椅上的沖擊力將非常大,很可能造成骨架斷裂,嚴(yán)重變形或使調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)失靈。因此,汽車座椅必須有足夠的強(qiáng)度,以確保:(1) 座椅上的人所受的傷害最??；(2) 座椅的壽命應(yīng)足夠長,不致過早變形或損壞；(3) 受沖擊載荷作用時(shí),座椅不應(yīng)發(fā)生斷裂、嚴(yán)重變形等損壞現(xiàn)象。 所以,設(shè)計(jì)座椅時(shí)必須對汽車座椅固定強(qiáng)度、安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,必須對靠背加載座椅強(qiáng)度、頭枕加載時(shí)的座椅強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn),盡量以最少的材料、最小的質(zhì)量滿足強(qiáng)度要求。第四章 結(jié)論汽車座椅設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是滿足安全性的要求,其次才是滿足高舒適性、低成本、質(zhì)量小及美觀等要求。人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用于汽車座椅設(shè)計(jì),能使座椅符合人體需求,從而保證乘坐和駕駛的舒適性和行車安全性。能提高人車接口的設(shè)計(jì)水平。隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)應(yīng)用的不斷深入