基于人機工程學的家用轎車駕駛員座椅設計

基于人機工程學的家用轎車駕駛員座椅設計,基于,人機,工程學,家用轎車,駕駛員座椅,設計 畢 業(yè) 設 計（論 文） 設計(論文)題目： 基于人機工程學的家用轎車 　　　　　　　　 駕駛員座椅設計 學生姓名： 二級學院： 班　　級： 提交日期： 目錄 目 錄 摘 要 III Abstract IV 第 1 章 緒論 1 1.1 研究背景及現(xiàn)狀 1 1.2 本文主要研究的內容 1 1.3 課題研究的意義 2 第 2 章 中國人體模型的分析 3 2.1 中國人體模型的數(shù)據(jù)分析 3 2.2 基于中國人人體模型的坐姿分析 3 第 3 章 汽車座椅的分析 6 3.1 汽車座椅的介紹 6 3.1.1 汽車座椅的國內外現(xiàn)狀 6 3.1.2 汽車座椅的性能、作用和設計要求 6 3.1.3 汽車座椅的種類及結構 7 3.2 汽車座椅的人機工程學理論 8 3.2.1 人機工程學的設計要求 8 3.2.2 人體生理形態(tài) 8 3.2.3 體壓分布 9 3.2.4 舒適性分析 11 3.2.5 環(huán)境分析 11 3.3 汽車座椅的設計要求 12 3.3.1 汽車座椅設計的原則 12 3.3.2 汽車座椅設計的結構參數(shù)的確定 12 第 4 章 基于人機工程學的家用轎車駕駛員座椅設計 13 4.1 家用轎車駕駛員座椅的性能需求 13 4.2 家用轎車駕駛人坐姿參數(shù)以及坐椅尺寸的確定 13 4.3 家用轎車駕駛人座椅的設計參數(shù) 15 4.3.1 家用轎車駕駛人座椅的設計基準參數(shù) 16 4.3.2 家用轎車駕駛人座椅的其他參數(shù) 16 4.4 家用轎車駕駛人座椅的結構設計 16 4.4.1家用轎車駕駛人座椅靠背的骨架設計 16 4.4.2 家用轎車駕駛員座椅坐墊的骨架設計 18 4.5 家用轎車駕駛人座椅的外形設計 20 4.6座椅連接調節(jié)裝置的設計 21 4.6.1座椅的水平前后調節(jié)裝置 21 4.6.2座椅靠背的角度調節(jié)裝置 21 4.6.3 座椅的高度調節(jié)裝置 22 4.7家用轎車駕駛人座椅的三維圖 22 第 5 章 家用轎車駕駛人座椅設計的分析 24 5.1 駕駛舒適性驗證 24 5.2 駕駛方便性驗證 24 第 6 章 全文總結 25 參考文獻 26 致謝 27 摘要 基于人機工程學的家用轎車駕駛員座椅設計 摘 要 本畢業(yè)設計從人機工程學的角度出發(fā)，研究了人與座椅的相互關系，分析了人的舒適坐姿的形態(tài)，得出最適合人體舒適駕駛的坐姿；以中國人體尺寸數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析總結中國人的人體尺寸的特征，并用于指導駕駛員座椅尺寸數(shù)據(jù)的設計；從座椅的廣泛適應性的角度出發(fā)，分析計算座椅的合適的座椅調節(jié)范圍。最后，對設計出來的座椅進行舒適性、可調節(jié)性、適應性等的分析，檢驗此次設計成果。 關鍵詞：人機工程學；人體模型；駕駛員座椅 IV Abstract Design of driver's seat for domestic passenger car based on Ergonomics Abstract This graduation design from the point of view of ergonomics of studies the relationship between people and the seats, to analyze the morphology of comfortable posture, draw the most suitable for human body and comfortable driving posture; human dimensions of Chinese data as the basis, analysis summary body sizes of Chinese syndrome, and used to guide the driver 's seat - dimensions data design; starting from the angle of the seat adaptable for a wide range of. Analysis calculation seat right seat adjustment range. Finally, to design out of seat comfort, regulatory, adaptability analysis of the test results of the design. Key words: ergonomics; human body model; driver's seat 第1章 緒論 第 1 章 緒論 1.1 研究背景及現(xiàn)狀 隨著我國十一五計劃的順利完成以及十二五規(guī)劃的有序進展，截止2015年6月底，我國汽車總保有量達到了1.63億輛，保有量成為了僅次于美國的，全球第二，截止到2015年年底，我國機動車保有量達到了2.79億，這個數(shù)據(jù)相當于每百戶中有31輛私家車，其中汽車保有量達到了1.72輛，機動車駕駛人3.27億，其中汽車駕駛人超過了2.8億。自從2010年，我國超越北美汽車市場，躍居世界第一汽車生產(chǎn)銷售大國。并伴隨著未來經(jīng)濟形勢總體偏好以及我國人居消費水平費提高，我國的汽車消費水平還將更上一個臺階；同時加上現(xiàn)代人對生活品質的追求，人們已經(jīng)不僅僅把汽車視作一個代步工具這么簡單，而是對汽車提出了各種各樣的使用上的要求，尤其是對駕駛或乘坐時產(chǎn)生最多接觸的座椅。因此生產(chǎn)廠商或設計者將現(xiàn)代科學的人機工程學加入到設計的理念中，使得設計出來的座椅更加符合現(xiàn)代人對生活品質的追求。 人機工程學是20世紀50時代出現(xiàn)并迅速發(fā)展的一門新興的逐漸成為主流的學科，它以人的特性和需求為第一出發(fā)點，結合產(chǎn)品使用環(huán)境等來指導產(chǎn)品的設計與優(yōu)化，旨在提高人在使用產(chǎn)品時的使用感，使人與產(chǎn)品能夠相互的關系的學科。在當今時代該學科的重要性已經(jīng)被廣泛的認識到并且各國、各行業(yè)都投入大量經(jīng)歷研究，學科的應用也在各行業(yè)取得了巨大的進步。我國的人機工程學由于各種原因現(xiàn)在正處于剛剛起步的發(fā)展階段。伴隨著國外的人機工程學的廣泛的應用，我國各行業(yè)對人機工程學應用的重視程度越來越深，有關高校和研究機構也在人機工程學上投入了大量的人力物力，各項人機工程學的技術的技術要求也在逐步制定和完善。 我國的現(xiàn)有的人體尺寸數(shù)據(jù)大部分都依據(jù)于GB-10000-88中提供的中國成年人人體尺寸，并根據(jù)每一次的數(shù)據(jù)抽樣調查進行修正與比較。但是由于數(shù)據(jù)的樣本太小加上中國人口的快速增長和身體形狀的變化，許多數(shù)據(jù)已經(jīng)與現(xiàn)在的情況不相符合，這嚴重制約了我國座椅設計的發(fā)展。2006年，我國開始了歷史上第二次人體尺寸大調查，測量的項目包括身高、體重、腰圍、臂長等170多項，該項調查完成后，中國人體尺寸數(shù)據(jù)庫將得到更新。屆時我國改革開放將近三十年以來我國人體尺寸的變化也將得到揭示。 1.2 本文主要研究的內容 本論文主要研究的對象是家用轎車駕駛員座椅，以人-座椅-環(huán)境為主要研究系統(tǒng)進行研究，以提高駕乘的舒適性、安全性、便捷性以及對中國駕駛員的廣泛適應性為研究方向，利用人機工程學的原理和中國人體模型為依據(jù)設計適用于中國人的家用轎車駕駛人乘坐的座椅，并達到安全、舒適、智能、便捷等一系列座椅所要求的條件，使家用轎車更加適合于中國人的駕駛與乘坐，并提高駕駛員乘坐的舒適性、安全性、操作的便捷性，延長駕駛時間，減輕疲勞的產(chǎn)生。 1.3 課題研究的意義 依據(jù)于科學的的人機工程學和中國人自己的人體尺寸模型設計出來的家用轎車駕駛員座椅將更加適合中國駕駛員的長時間乘坐與駕駛，使駕駛時的舒適性、安全性、便捷性得到很大的提高，也提高了國產(chǎn)轎車在市場與國外轎車的競爭能力，可謂一舉多得。此外，對中國人體尺寸模型的分析不僅對于家用轎車車駕駛員座椅設計提供了巨大的幫助，而且借助這項研究還將對汽車整體的布置設計起到不小的參考價值。 對中國人體模型尺寸和家用轎車駕駛員的坐姿的分析可以有效總結出駕駛員長時間駕駛出現(xiàn)疲勞的原因，并發(fā)現(xiàn)正確舒適的駕駛員坐姿。將以上發(fā)現(xiàn)融入到設計中，可以使得設計出來的座椅更加適合于長時間安全舒適的駕駛，減少疲勞的產(chǎn)生和延長駕駛員駕駛時間。 與此同時，將關于人體的尺寸模型、駕駛時的坐姿、疲勞原因、常見的駕駛習慣等等各種分析總結、整理、歸納加入到資料庫中，為以后的設計提供范本或者憑借這些數(shù)據(jù)建立仿真平臺。這樣可以大大的提速今后的全新的座椅設計，縮短設計周期與人力物力的投入，并及時發(fā)現(xiàn)解決設計中出現(xiàn)的各種情況，降低開發(fā)成本，形成自己的競爭力。 25 第2章 中國人體模型的分析 第 2 章 中國人體模型的分析 2.1 中國人體模型的數(shù)據(jù)分析 人的心理、生理以及能力，是人-機-環(huán)境整個系統(tǒng)優(yōu)化的依據(jù)。駕駛員座椅的設計要求與人的心理生理和能力都達到和諧的統(tǒng)一與適應，從而使駕駛員能夠在舒適自在、安全便捷的環(huán)境下操作汽車的行駛。但是因為個體的差異，我們幾乎不可能做到滿足所有人的需求，因此我們只能最大的努力去滿足最多的那一樣人群即樣本的大多數(shù)人。所以在人機工程學中我們通常使用的是人體測量百分數(shù)。國際通用的人體測量百分數(shù)是P、P、P這三個百分數(shù)，P表示的是較小的人群樣本，P表示的是中等的人群樣本，P表示的是較多的人群樣本。根據(jù)國標GB10000-88《中國成年人人體尺寸》中所提供的我國成年人人體尺寸的基本參數(shù)，我們來設計適合中國人使用的駕駛員座椅。數(shù)據(jù)包括身高、體重、腰圍、臂長、大腿長、小腿長等六項主要人體尺寸數(shù)據(jù)。如表1 表1 人體主要尺寸 測量項目 男（18-60歲） 女（18-55歲） P5 P50 P95 P5 P50 P95 身高/mm 1583 1678 1775 1484 1570 1659 體重/kg 48 59 75 42 52 66 上增長/mm 289 313 338 262 284 302 前臂長/mm 216 237 258 193 213 234 大腿長/mm 428 465 505 402 438 476 小腿長/mm 338 369 403 313 344 375 2.2 基于中國人人體模型的坐姿分析 國標GB10000-88《中國成年人人體尺寸》一共還提供了7大類47個小項的人體尺寸基礎數(shù)據(jù)，下表中列出了從事工作的的法定的中國成年人的人體尺寸（男18-60歲，女18-55歲），同時列表中將各種數(shù)據(jù)按男女按不同年齡分為三個階段：18-25歲（男、女）；26-35歲（男、女）；36-60（男）；36-55歲（女），如表2。 表2 人體坐姿尺寸 年齡分組 男（18-60歲） 女（18-55歲） 百分位/% 1 5 10 50 90 95 99 1 5 10 50 90 95 99 坐高/mm 836 858 870 908 947 958 979 789 809 819 855 891 901 920 坐姿頸椎點高/mm 599 615 624 657 691 701 719 563 579 587 617 648 657 675 坐姿眼高/mm 729 749 761 798 836 847 868 678 695 704 739 773 783 803 坐姿肩高/mm 539 557 566 598 631 641 659 504 518 526 556 585 594 609 坐姿肘高/mm 214 228 235 263 291 298 312 201 215 223 251 277 284 299 坐姿大腿厚/mm 103 112 116 130 146 151 160 107 113 117 130 146 151 160 坐姿膝高/mm 441 456 461 493 523 532 549 410 424 431 458 485 493 507 小腿加足高/mm 372 383 389 413 439 448 463 331 342 350 382 399 405 417 坐深/mm 407 421 429 457 486 494 510 388 401 408 433 461 469 485 臂膝距/mm 499 515 524 554 585 595 613 481 495 502 529 561 570 587 坐姿下肢長/mm 892 921 937 992 1046 1063 1096 826 851 865 912 960 975 1005 在駕駛員駕駛汽車時更多是采用坐姿進行操作，因此分析中國人體尺寸的同時還應該結合中國人體坐姿尺寸進行分析。根據(jù)大量研究調查發(fā)現(xiàn)，最舒適的坐姿應該是臀部與座椅的靠背稍有間隙，保持上體與大腿所成的夾角在95°～120°，與此同時小腿、大腿以及腳掌之間也要保持一定的角度關系，如圖2.1這樣才能使人體在駕駛時保持正常的腰背曲線，使人體感到舒適，減少疲勞的產(chǎn)生。因此座椅的設計中座椅形狀應該與之相貼合。 圖2.1 駕駛員身體關節(jié)舒適角 第3章 汽車座椅的分析 第 3 章 汽車座椅的分析 3.1 汽車座椅的介紹 3.1.1 汽車座椅的國內外現(xiàn)狀 我國的汽車產(chǎn)業(yè)相對于國外起步較晚，更多的還停留在參考國外的較先進成熟的技術來進行我國的汽車產(chǎn)品的設計與開發(fā)，尤其是家用轎車座椅的設計。國外對駕駛的安全性、舒適性的要求伴隨著汽車產(chǎn)業(yè)的誕生便已經(jīng)開始了，如何使駕駛人在駕駛汽車時更加便捷、舒適一直是國外研究的重點對象。國外的座椅設計的發(fā)展時間和汽車產(chǎn)業(yè)的幾乎一樣，都歷經(jīng)了一百多年的歷史，發(fā)展得已經(jīng)相當成熟了，相關的行業(yè)規(guī)定以及法律法規(guī)已經(jīng)基本完善。而國內汽車座椅產(chǎn)業(yè)由于起步較晚、重視程度不夠等等原因發(fā)展較為落后。現(xiàn)如今我國的座椅設計的理念和技術大部分來自于合資企業(yè)中與國外的技術分享或技術購買，也正因如此我國的座椅設計只是掌握了極少數(shù)不重要的生產(chǎn)資料，而更為核心的技術仍然掌握在國外的守中，因此落后的設計技術與觀念是制約我國座椅設計發(fā)展的決定性因素，目前國內的許多廠商依舊在使用落后的設計方法與生產(chǎn)方式，依據(jù)停留在一旦產(chǎn)品出現(xiàn)問題就一味的加粗、加厚等粗笨的方法來解決問題，致使生產(chǎn)出來的產(chǎn)品成本高、設計周期長，與國外的相關產(chǎn)品的競爭力低下，無法有效搶占市場。目前國內的座椅設計更多的是停留在基礎的設計，更為成熟的計算技術輔助設計與分析能力還剛剛起步，因此座椅設計的周期更長；此外國內的廠商的設計要求僅僅停留在只需達到國家現(xiàn)行相關法律法規(guī)的規(guī)定，這在一定程度上限制了自身的發(fā)展，我國的座椅設計的相關的法律法規(guī)都是參考的國外的進行制定的，并且為適應國內的發(fā)展現(xiàn)狀，還簡化了內容、降低了標準和要求。我國的座椅設計更多的是等待國外技術的成熟之后，我們才剛剛重視和起步。國外的座椅設計是在其花費了大量人力物力統(tǒng)計了自己國家的人體資料的前提下進行的有針對性的設計，因此設計更有針對性、廣泛適應性，可以滿足國。內的大部分人的使用要求，而我國座椅設計由于起步晚、重視程度不夠等原因，缺少了前期的資料的原始累積，設計的產(chǎn)品也缺乏廣泛適應性。因此要提高對座椅設計的重視，依據(jù)中國人的人體特性進行針對性的設計。 3.1.2 汽車座椅的性能、作用和設計要求 駕駛員座椅作為家用轎車上駕駛員駕駛時的依托是十分重要的存在，它的性能如何將直接決定了駕駛人在駕駛家用轎車時的表現(xiàn)的穩(wěn)定性和操作正確性，因此一個好的駕駛員座椅的性能尤其重要。駕駛員座椅的要求的性能包括（1）全獨立結構（2）過壓/欠壓保護（3）漏電安全保護（4）蓄電池低壓保護，此外除了這些基本的，某些高檔的座椅性能還包括了（1）座椅加熱（2）智能控溫（3）微動按摩（4）座椅位置記憶（5）低能耗技術等一系列使座椅更加舒適智能化的功能。 家用轎車駕駛員座椅的最基本的作用便是支撐起駕駛員的身體，同時保證駕駛員能夠以一種舒適、安全的坐姿來操作駕駛汽車完成駕駛過程中一系列的動作。同時，座椅還應該減緩來自車身或者從地面?zhèn)鲗淼恼饎优c顛簸，防止其影響駕駛員的正常的駕駛；在汽車減速、加速或者轉彎行駛時能夠保持駕駛員的姿勢，使其姿勢不發(fā)生過度的變化，影響正常操作，因此座椅的前部應該較后部高，同時座椅兩側應該設計一些突起，用來約束固定駕駛員，避免其在駕駛過程中出現(xiàn)身體左右晃動的情況。大量實驗證明：在不改變駕駛姿勢的長時間駕駛情況下，較硬的座椅面料比較軟的更讓人感覺舒適，能有效減緩疲勞的產(chǎn)生。如果設計不合理，不符合自己身形的座椅會壓迫身體的某些部分，使疲勞或者不適感增加，影響駕駛。 根據(jù)以上對駕駛員座椅性能與作用的分析，現(xiàn)提出對駕駛員座椅的設計要求： (1)座椅的形狀尺寸應該能夠引導駕駛員做出正確舒適的坐姿并符合國家的相關規(guī)定，并能夠在一定程度上調節(jié)座椅使其能夠滿足大部分駕駛員的需求； （2）座椅的舒適性應該是良好的，能夠消除或者減少來自車身或者底面?zhèn)鱽淼恼饎樱柜{駛員能夠在各種道路條件下舒適的駕駛，不感到不適與疲勞； （3）座椅應該具備足夠的強度與剛度，用來保護駕駛員免受或者減少來自事故帶來的突然沖擊以及后續(xù)傷害，保證安全性； （4）座椅的制造成本要低，工藝要盡量簡單，整體質量要?。? （5）座椅要求能夠使駕駛員具有良好的駕駛視野，操作時簡單便捷； （6）座椅調節(jié)要快捷方便； （7）座椅的外觀設計要大方美觀，能夠與汽車整體內飾相互映襯； （8）座椅的整體結構和布置要符合標準。 3.1.3 汽車座椅的種類及結構 座椅的分類有多種多樣，按照功能來分有：駕駛員座椅、乘客座椅、兒童安全座椅等；按照乘坐人數(shù)來分有：單人座椅、雙人座椅、多人座椅等；按照性能來分有：固定式、可拆式、調節(jié)式等；按照結構來分有：分離式、半分離式、長凳式等。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展以及人們對生活品質追求的提高，現(xiàn)在座椅的種類已經(jīng)越來越豐富，也開發(fā)出了很多滿足不同需求的特殊座椅，例如自動加熱座椅、按摩座椅等等，這不僅僅保障了座椅的安全性，也提高了座椅的乘坐舒適性與操作便捷性。 從汽車的誕生到發(fā)展到現(xiàn)在，雖然座椅的形狀、外觀、材質等都發(fā)生了巨大的變化，如今人們對座椅的要求已經(jīng)不僅僅滿足于乘坐，例如安全、舒適等要求也已經(jīng)是客戶的選擇標準了，而隨著科技的發(fā)展，人機工程學、機械振動、機械控制等等學科在座椅設計上的應用也越來越廣泛和成熟。但是無論座椅再怎么發(fā)展，座椅的結構依舊由頭枕、靠背、坐墊、調節(jié)裝置和座椅連接件等組成。汽車座椅的基本框架是用骨架組成的，分為座椅骨架和靠背骨架，骨架通常用鋼材軋制而成火油鋼板直接沖壓然后通過焊接制成，并通過座椅調節(jié)裝置連接到汽車上，其他的調節(jié)裝置則依據(jù)功能安裝在特定的位置，例如座椅行程調節(jié)裝置安裝在坐墊與汽車地板之間，用于調節(jié)座椅的前后與上下；靠背角度調節(jié)裝置則是安裝在靠墊與坐墊之間的連接固定裝置上，用于調節(jié)靠背的角度。 3.2 汽車座椅的人機工程學理論 3.2.1 人機工程學的設計要求 人機工程學在座椅上的運用是座椅設計的一大進步，人機工程學在座椅設計方面提出了以下幾點要求： （1） 各部貼合：要求座椅的各個部位能夠與其接觸的相應的人體部分能夠貼合，例如背部、臀部、大腿底部等。對駕駛員身體具有良好的貼合性的座椅能夠有效緩解疲勞。 （2） 橫向穩(wěn)定性：汽車在轉彎時，駕駛員會因為慣性的作用向一側傾斜，將座椅的兩側加高來有效緩解轉彎帶來的偏移的加速度，使駕駛員能夠始終保持最好的駕駛姿勢。 （3） 受力部分的合理支撐：駕駛員乘坐座椅時主要的受力部分是背部、腰部，要合理分配受力，使乘坐時的腰背曲線和正常的腰背曲線保持一致。 （4） 軟硬分布合理：座椅并不是休息用的，不能一味的柔軟，要稍硬一些，有助于提高駕駛員的注意力，也不易使人感到疲勞。 （5） 舒適：汽車在行駛過程中會不可避免產(chǎn)生震動，但是通過座椅應該使這種震動減輕到最小，防止其干擾到駕駛人或者使駕駛員感到不適甚至疲勞。 3.2.2 人體生理形態(tài) 根據(jù)人機工程學的原理，只有當駕駛員在駕駛汽車時脊柱的形狀呈現(xiàn)正常的腰背曲線，這樣的坐姿才是最舒適的坐姿，即人體在放松的狀態(tài)下直立時脊柱所呈現(xiàn)的曲線，如圖3.1。從圖3.1中我們看出要使脊柱保持其自然的曲線就必須要在靠背上設計貼合脊柱形狀的著力點，這樣才能使記住在坐姿的情況下一直保持最佳的曲線，即我們在人體5、6節(jié)胸椎處設置肩靠使胸椎保持前突，在2、3兩節(jié)腰椎的位置設置腰靠，用于保證正常的人體的腰曲形狀，支撐量15～25mm，這就是座椅設計舒適要點中的兩點支撐原則。 3.1 脊柱的形狀與組成 3.2.3 體壓分布 當人體處于舒適的靜態(tài)坐時，人體的質量作用于座椅上的壓力分布叫做坐姿的體壓分布。根據(jù)人機工程學的研究表明最舒適的坐姿應該有以下特征：人體的大部分壓力以一個較大的支撐面積，較小的單位面積壓力合理地分布在座椅上，并且壓力分布要均勻變化，避免急劇的變化。 圖3.2所示的就是人體在座椅上的最適宜的體壓分布。根據(jù)圖中可知，人體在座以上的體壓分布并非均勻，由上段分析可知合理的坐姿是肩部與臀部同時分擔身體的質量的，因此應該根據(jù)各部位產(chǎn)生不適前所能承受的最大的壓力的情況來進行合理的分布。座椅坐墊上的質量分布應該從坐骨部分向周圍擴散，經(jīng)過臀部外圍知道大腿與座椅相接觸的地方達到最小。座椅靠背上的質量分布則是在肩胛骨和腰椎骨兩個部位分擔的最高，即滿足設計中的兩點支承接。 圖3.2 座椅各部分的受力圖 確定駕駛員駕駛汽車時的坐姿時，人體肢體的活動范圍也是人機工程學在設計座椅時所需要考慮的一個重要因素。人的活動范圍主要受到谷歌與韌帶的限制，而身材、年齡、性別、行為習慣等的不同也將或多或少影響肢體的活動范圍。圖3.3是駕駛員坐姿最舒適的活動范圍。在這種情況下駕駛汽車，駕駛員的肌肉、韌帶都處于放松狀態(tài)，有助于其駕駛，減輕疲勞以及應對各種突發(fā)情況。 圖3.3 駕駛員舒適坐姿圖 3.2.4 舒適性分析 座椅設計的好壞將直接決定了駕駛員在乘坐時的狀態(tài)，好的座椅設計可以是駕駛員長時間保持最好的狀態(tài)駕駛汽車，相反，壞的設計澤會影響駕駛員的狀態(tài)使駕駛存在潛在的危險。座椅對舒適性的影響具體體現(xiàn)在以下幾個主要方面： （1）各部貼合 ：座椅作為駕駛員與汽車接觸面積最大的汽車部件，其表面是否與駕駛員的腰背、臀部、大腿等貼合將直接決定駕駛員的乘坐感，進而影響到駕駛狀態(tài)，因此設計時應該改進座椅與駕駛員的接觸面積，提高駕駛員的舒適感。 （2）橫向穩(wěn)定性：汽車在行駛過程中會不可避免的遇到轉彎的情況，而轉彎所帶來的橫向加速度會使駕駛員的身體出現(xiàn)偏移，這樣會對駕駛產(chǎn)生影響，更可能使得駕駛員不能及時應對突然出現(xiàn)的意外，使得駕駛出現(xiàn)危險。因此設計座椅時需要加高座椅的兩側，對駕駛員的身形起到固定作用，防止駕駛員身體出現(xiàn)偏移，提高駕駛員在汽車行駛過程中身體穩(wěn)定性。 （3）腰背支承度：駕駛員座椅需要能夠誘導駕駛員行程舒適坐姿的兩點支承，第一個支承在人體的第5～6節(jié)胸椎之間，作為減輕頸曲變形的肩靠；第二個支承位于腰曲部位，使得坐姿能夠一直保持正常的腰曲弧線，從而能保證駕駛員的舒適性。 （4）乘坐軟硬度：座椅作為駕駛員與汽車接觸最多的部件，其軟硬程度決定了駕駛員的感受，面料過硬的座椅雖然不會使人感到疲勞，但是與人體的貼合度較差，或使疲勞感加重，因此需要選用較硬的面料即可。 3.2.5 環(huán)境分析 （1）震動 汽車在路上面上行駛會不可避免的出現(xiàn)震動。但是震動會使駕駛員感到不適，因此座椅還應該具備消除或者減少震動，使震動的頻率處于人體的可接受范圍內。表3.1中列出了人體主要部分的共振頻率。 表3.1 人體各個主要部位的共振頻率 身體部分 全身 頭部 眼 胸部 肩部 手臂 脊柱 胃 共振頻率 5-6 20-30 20-25 4-6 2-6 10-20 3-5 4-5 座椅的減震效果差會直接影響駕駛員在駕駛過程中的狀態(tài)，當震動特性滿足某些要求會引起大腦的興奮，如果超過一定的限度則會引起駕駛人的疲勞，從而降低駕駛的安全性甚至會引發(fā)事故。 （2）溫度與濕度 依據(jù)研究表明，駕駛員在18～23℃的溫度、40%～60%濕度的環(huán)境下駕駛時是最好的狀態(tài)。座椅作為緊密的與駕駛人接觸的部件，應該具有良好的散熱功能，保持接觸部分能夠維持在適宜的溫度與濕度，避免引起駕駛員的不適，影響車輛的安全駕駛。 3.3 汽車座椅的設計要求 3.3.1 汽車座椅設計的原則 座椅的設計需要考慮兩個最主要的因素，分別是臀部到膝闊的長度以及膝闊到地面的高度，此外還要注意靠背對人體的支承是否合理。 座椅的設計總體上需要考慮人的生理心理兩大特性，雖然需要注意的因素還有很多，但是仍然可以歸納出以下幾點基本原則。 1、 座椅的尺寸必須參考人體尺寸模型來設計，與駕駛員的尺寸普遍適應； 2、 座椅的靠背需要提供足夠的支承給背部與腰部，是脊柱始終處于最佳的腰背曲線。 3、 座椅的坐墊需要適當?shù)挠捕纫约昂侠淼捏w壓分布設計，來保證駕駛員身體的質量全部且合理地分配到坐墊上，使駕駛員不會感到局部受到壓迫。 4、 座椅的前部需要較后部略高，防止駕駛員在制動時由于慣性向前移動，同時前部與大腿之間的壓力也應該能夠盡量減少。 5、 座椅可以讓駕駛員輕松便捷地改變坐姿，能夠自如的進行座椅以及體態(tài)的調節(jié)以來適應不同的駕駛員需求，但必須防止滑脫。 6、 座椅的尺寸和形狀要視具體的功能要求而定，避免死板。 3.3.2 汽車座椅設計的結構參數(shù)的確定 汽車駕駛員座椅的舒適性通常包括震動舒適性、坐姿舒適性和操作舒適性，震動舒適性不是僅僅靠座椅的尺寸、形狀的改變就能達到的；而在駕駛員座椅的坐姿舒適性金和操作舒適性的方面，我們可以通過調整座椅的結構、尺寸等來實現(xiàn)。座椅的結構與尺寸參數(shù)可以參考駕駛員在乘坐姿勢下的人體尺寸來分析確定。 第4章 基于人機工程學的家用轎車駕駛員座椅設計 第 4 章 基于人機工程學的家用轎車駕駛員座椅設計 4.1 家用轎車駕駛員座椅的性能需求 （1）良好的靜態(tài)特性：座椅形狀貼合人體正常情況下的腰背曲線，座椅的尺寸能夠適應不同駕駛員的身形，并且坐墊具有良好的體壓分布特性，接觸感覺舒適，能夠方便快捷調整座椅的角度與位置，達到乘坐舒適、安全、便捷的目的。 （2）良好的動態(tài)特性：能夠有效減少汽車在正常行駛時帶來的顛簸與震動，使駕駛員能夠在平穩(wěn)的環(huán)境下駕駛汽車，保證駕駛員長時間的舒適駕駛，不感到疲勞。 （3）座椅的外觀要大氣，和汽車整體內飾要相互映襯，盡可能的減輕座椅的質量，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，具有良好的結構工藝性。 4.2 家用轎車駕駛人坐姿參數(shù)以及坐椅尺寸的確定 按照人機工程學原理的分析，駕駛員座椅最先需要滿足的是駕駛員臀部就坐所需的尺寸，這樣才能夠確保駕駛員能夠隨心所欲的調整坐姿。如果座椅的寬度太小就會使得駕駛員乘坐起來感覺擁擠和壓迫，會影響駕駛員的舒適感；如果座椅太寬則會使得駕駛員的乘坐范圍太大，身體得不到有效的固定，在汽車行駛時會有安全隱患，同時也會影響到駕駛室里其它部件的布置與使用。因此，根據(jù)P女性坐姿時的正常的臀寬為382mm，加上穿衣所需的修正值13mm，所以將座椅的坐寬設定為395mm最為合適。 坐深是指坐墊的前后距離，正確的座椅設計應該使得駕駛員的整個臀部都能夠得到有效的支承，腰部得到靠背的支承，坐墊不影響大腿前部和小腿的正常靈活的活動。為適應大部分的人群，我們選用較小的百分位的數(shù)據(jù)來進行設計。這樣身材較小的駕駛員也能夠坐著舒適，身材高大的駕駛員的臀部也能夠得到有效的支承，不會引起大腿部分的壓迫從而引起疲勞。根據(jù)數(shù)據(jù)得知P的女性的坐深為401mm，再加上修正量，座椅的坐深則為415mm。 坐墊與水平面的夾角被稱為坐面傾角。坐面傾角有以下兩個作用：第一，由于重力作用，使得駕駛員身體自然的向后靠，使身體與靠背自然的貼合，從而使背部肌肉得到有效的放松；第二，防止駕駛員在慣性或顛簸的作用下滑出座椅，導致出現(xiàn)意外，這一點尤其重要。駕駛員座椅的座椅傾角一般為7°～12°。駕駛員座椅除了要考慮最基本的腰背曲線外，還應該考慮到駕駛員的安全。所以座椅的寬度要比一般的大，經(jīng)過研究調查發(fā)現(xiàn)，座椅的坐面傾角應該設定在15°最好。這樣既能夠保證良好的舒適度，又能夠兼顧座椅的安全性，避免駕駛員在駕駛途中因為顛簸而滑出座椅的情況出現(xiàn)。 座椅的高度應該使得駕駛員的大腿保持近似水平、小腿自然放松的擺放。這樣既能保證座椅高度太高使大腿受到壓迫，高度太低影響小腿的自由活動。我們選取女性P的坐高493mm，計算上小腿的前移和座椅本身的后傾，本次設計將座椅的坐高設定為300mm。 座椅靠背的形狀主要是與駕駛員的脊柱自然彎曲時的形狀相貼合，主要是通過兩點原則來設計腰椎和肩胛骨兩個支承點，特別是腰椎支承點，駕駛員最主要的疲勞形式與職業(yè)病就是腰肌勞損。為了保證腰椎更好的支承，在骶骨一帶應該留有一定的空隙，以便駕駛員在自行調整體位時，不會因為骶骨的原因使得腰部不能自然的彎曲，從而引起疲勞。分析人體正常的坐姿以得到最適合駕駛員座椅的坐墊與靠背的夾角，靠背的傾角范圍取為95°～120°，靠背的高度應該達到駕駛員的肩部最好，根據(jù)數(shù)據(jù)可以取為530～560mm，本次設計取為550mm,寬度為480mm。 座椅的調節(jié)量主要取決于座椅在駕駛室中的位置，位置的計算主要選用的是SAEJ1517（1）給出的計算方法，因為本次設計需要廣泛的適應性，因此我們選取第五百分位和第95百分位的座椅位置計算公式： 其中——第i百分位尺寸的駕駛員的H點位于足部拇指參考點之后的水平距離（mm）；Z——H點距離加速踏板踵點的高度（mm） 其中H點的計算如下：（為方便計算，以后腳跟支點為坐標原點建立坐標系。） 圖4.1 駕駛員腳步簡化結構圖 圖4.1中點A為腳踝，l為腳踝高度，為腳踝到后腳跟的水平距離，a為踏板傾角。根據(jù)公式： a=78.9-0.015z-0.0000173z 同時依據(jù)圖中的幾何關系獲得： a= 踵點到腳踝的距離為： 則踝關節(jié)的位置可以表示為： 綜合以上，結合幾何知識得出H點的坐標關系為： 根據(jù)中國人體尺寸的相關數(shù)據(jù)得出H點的高度范圍為320mm～400mm。得出H點的關系式得出H點參數(shù)，即踵點與H點的垂直距離320mm。 座椅水平調節(jié)的范圍由SAE提供的座椅位置經(jīng)驗公式計算得出，步驟如下： 1. 確定座椅的高度Z； 2. 確定百分位身材級別； 3. 依據(jù)公式計算座椅水平調節(jié)量。 例如：選取座椅高度為300mm，代入對應的百分位計算經(jīng)驗公式。 =629.6+0.981427z-0.00226230 =913.7+0.6723316z-0.00195530 △x=-=219mm 從人機工程學的角度來說：座椅的位置與尺寸直接決定了駕駛的性能表現(xiàn)和駕駛人的生理和心理的承受能力；從理論上講：針對一種特定的人體尺寸設計的座椅的高度存在一個適合的范圍，在這個范圍內所有的座椅尺寸都符合人機工程學的要求。因此要想滿足座椅高度的廣泛性要求，只需求出大尺寸百分位和小尺寸百分位的座椅高度的重疊范圍，這樣的一個范圍就是座椅高度調節(jié)的合適范圍。 運用公式分別求得大、小尺寸的座椅高度適合范圍： 小尺寸：第五百分位，座椅高度的取值范圍：200mm～400mm 大尺寸：第九十五百分位，座椅高度的取值范圍：320mm～480mm 則座椅高度的調節(jié)范圍為重疊范圍的320mm～400mm，范圍長度為80mm。 4.3 家用轎車駕駛人座椅的設計參數(shù) 4.3.1 家用轎車駕駛人座椅的設計基準參數(shù) 決定座椅參數(shù)的基準主要有三點，如下： 踏腳平面：無論是什么樣的座椅，踏腳平面是設計座椅的最基本的。座椅平面與踏腳平面之間的距離決定了駕駛員下肢的姿勢。但踏腳平面只能決定座椅部分參數(shù)，因此我們稱之為初始基準。 H點：又稱股骨大轉子，是股骨微弱鎖骨轉動的軸心（軀干與大腿的鉸接點）。具有足蹬式操作器的坐姿設計一般以H點座椅設計基準。 坐具參考點：又稱SRP點，是人體采取坐姿時，大腿下側與后背兩條包絡切線的交點 坐骨結節(jié)：一般坐具通常采用坐骨結節(jié)作為設計基準。 以上三個基準點可以通過一定的方式互相轉化。 4.3.2 家用轎車駕駛人座椅的其他參數(shù) 駕駛員座椅的主要設計參數(shù)還包括：坐墊深度、坐墊寬度、坐墊高度、坐墊后傾角、坐墊與靠背夾角、靠背高度等。 4.4 家用轎車駕駛人座椅的結構設計 座椅作為決定駕駛員駕駛時坐姿的最重要的汽車組成部件，對駕駛員的疲勞的消除或緩解具有重要的作用，好的座椅能夠使駕駛員感到舒適，有助于駕駛員的日常操作，而座椅骨架作為決定駕駛員座椅整體構架與外形的最重要的內在支承機構是十分重要的，好的座椅骨架能夠使座椅更好的支承駕駛員。 4.4.1家用轎車駕駛人座椅靠背的骨架設計 如前文中分析所得數(shù)據(jù)，座椅靠背的線條形狀應當貼合人體正常的腰背曲線，這樣才能使駕駛員在腰背完全放松的條件下無壓力和不適的操作汽車，并且使疲勞的產(chǎn)生的時間大大延長，優(yōu)化駕駛員的駕駛條件。同時座椅的靠背不僅僅要給腰背以支承和放松，對駕駛員的肩部也要有有效的支承，并且要求對駕駛員的身體位置有一定的限制效果，用來防止駕駛員位置或駕駛時姿勢的突然改變，從而影響駕駛安全，全面的保護駕駛員。因此座椅骨架的大致曲線應當和人體的放松時的腰背曲線貼合，像一個拉長的“S”。同時，骨架中用小鋼管用以連接和固定，第一保證座椅的強度與硬度，用以在發(fā)生碰撞的情況下保護駕駛員的安全和免受傷害；第二保證座椅的外形，加上軟墊和蒙皮后，保證駕駛員乘坐時座椅的形狀依舊保持正常的腰背形狀；第三可以減少材料的使用，降低生產(chǎn)成本；第四有效的增加座椅靠背的散熱面積，防止因為散熱不均而導致駕駛員的不適和引發(fā)疲勞。 1.畫出座椅靠背骨架的大體形狀，并用凸臺命令進行拉伸。 2.采用鏡像命令生成另一側的骨架外形，并且使用凸臺命令生成支承固定用的鋼管。 3. 使用凸臺命令生成連接坐墊與靠背的連接件，并生成頭陣骨架。 4.4.2 家用轎車駕駛員座椅坐墊的骨架設計 按照之前就駕駛員座椅的尺寸分析，我們取駕駛員坐墊的坐寬為395mm，坐墊深度基礎值為415mm，但由于座椅的設計必須滿足廣大駕駛員的大部分人的需求，因此座椅的坐深和坐寬需要適當加大,同時為了保證座椅坐墊能夠給予駕駛員一個向后靠的力，因此座椅傾角選擇范圍為2°～10°，加上要保證駕駛員足夠的乘坐與駕駛的舒適度，因此，本次設計座椅坐墊的坐深為420mm，座椅坐墊的傾角設計為5°。 1.凸臺命令生成座椅坐墊與汽車駕駛室地板的連接件和座椅四周骨架。 2.凸臺命令生成坐墊的受力部分。 3.使用命令切割出散熱用的小孔。 4.使用凸臺命令生成后傾的坐墊前部受理部分。 5.使用命令生成坐墊與靠背的連接部分和座椅前部下端的支撐部分。 4.5 家用轎車駕駛人座椅的外形設計 駕駛員座椅的外形需要大氣美觀，并且整體需要與汽車的內飾布局等等有效的結合，因此在此只是簡單提出幾點我的意見，并不做做具體的細節(jié)設計。座椅的外形最主要的便是貼合駕駛員的腰背曲線，這樣保證了駕駛員的乘坐舒適感，同時座椅的外觀采用曲線的設計不會給人帶來生硬的感覺；除此之外座椅的四周需要較中心較高，這樣可以有效的固定駕駛員的位置，起到輔助安全駕駛的作用。 頭枕作為保護駕駛員頭部的重要部件，頭枕的設計尤其重要，頭枕的主要尺寸如下： 表3 頭枕主要數(shù)據(jù) 項目 長 寬 高 連接梁半徑 厚度 尺寸/mm 200 80 120 50 20 4.6座椅連接調節(jié)裝置的設計 汽車作為一個大眾產(chǎn)品，其設計的座椅具有廣泛的適應性，但是也不能排除一些特殊情況的出現(xiàn)，因此設計調節(jié)裝置來調節(jié)座椅的一些基本參數(shù)就十分有必要，調節(jié)的內容包括座椅靠背的傾角、座椅的的前后、座椅的高低、座椅的溫度、座椅的濕度等等。此次設計主要針對最常見的座椅的前后與高度調節(jié)。 4.6.1座椅的水平前后調節(jié)裝置 座椅前后調節(jié)裝置選擇內外導軌式的結構。在裝置的兩側通過調節(jié)操作桿來連接與控制，并且裝置帶有鎖止機構，用以防止座椅的隨意調節(jié)。當座椅調節(jié)到滿意的時候，松開調節(jié)桿，調節(jié)桿會由于復位彈簧的作用自行鎖止，借此來達到調節(jié)座椅前后位置的目的。 在鎖止機構的外導軌上具有8mm等距的鎖止用的小孔，每次鎖止需要使用到3個7*7mm的小孔，一共17個，因此調節(jié)裝置的調節(jié)范圍為 （17-3）*（8+7）=210mm 因此調節(jié)裝置的調節(jié)范圍為±105mm。 4.6.2座椅靠背的角度調節(jié)裝置 該調節(jié)裝置主要是對座椅坐墊與靠背的夾角進行調解和鎖止，本次設計中我們采用最常見的棘輪棘爪的結構，如圖4.2。 裝置主要組成結構如下：外側上板、外側下板、內板、連接桿、板簧、鎖止機構、調節(jié)裝置等等。 工作原理為：當調節(jié)裝置在調節(jié)時，連接桿一起轉動，會帶動板簧使鎖止機構解除鎖止，這時在靠背上施加向后的力，就可以使座椅靠背向后，使靠背與坐墊的角度變大。當調節(jié)到合適的角度并松開調節(jié)裝置時，在板簧的作用下，調節(jié)裝置會恢復到最初的位置，方便下次的調節(jié)，并且進行鎖止。 靠背角度調節(jié)裝置主要是依據(jù)內板上的戶型開槽來決定的，本次設計的弧度為80°～180°。 圖4.2 調節(jié)器簡圖 4.6.3 座椅的高度調節(jié)裝置 該調節(jié)裝置主要是對座椅的水平高度進行調節(jié)，采用一套鉸接桿件和調整螺桿組成。調節(jié)機構上下兩端分別固定在底座側板和軌道上，這樣桿件和側板、軌道形成了穩(wěn)定的整體，防止變形。 調整時，高度調節(jié)機構主調整一側的豎直方向發(fā)生位移，通過兩側連接的桿件來傳導至另一側，帶動另一側也做出相應的豎直位移，從而達到座椅高度調節(jié)的目的。 4.7家用轎車駕駛人座椅的三維圖 第5章 家用轎車駕駛人座椅設計的分析 第 5 章 家用轎車駕駛人座椅設計的分析 5.1 駕駛舒適性驗證 此次座椅設計的對象是滿足大部分的中國駕駛員，因此選取第5百分位和第95百分位的人體模型進行駕駛舒適性的驗證。如果駕駛時人體各部位所成角度在舒適角度范圍內，則座椅的駕駛舒適性得到保障。 表5.1 人體關節(jié)角 舒適范圍（度） 第5百分位（度） 第95百分位（度） 腳面與小腿夾角 90～110 92 109 小腿與大腿夾角 95～135 125 133 大腿與軀干夾角 95～120 113 101 軀干與后臂夾角 10～45 15 28 后臂與前臂夾角 80～120 112 127 前臂與手掌夾角 170～190 179 180 靠背角 20～30 28 21 從表中檢測數(shù)據(jù)看出，各部位角度在許用范圍內，因此座椅的舒適性得到了基本的保障。 5.2 駕駛方便性驗證 由于本文的座椅位置計算選用的是SAE所提供的座椅位置經(jīng)驗公式，因此設計過程中也考慮到了駕駛員操作的便捷性，所以本文的座椅設計滿足操作便捷性的需求。 第6章 全文總結 第 6 章 全文總結 本文運用人機工程學的科學理論來指導中國家用轎車駕駛員座椅的設計，并且利用中國人體模型來分析得到中國人體尺寸數(shù)據(jù)來作為座椅設計的數(shù)據(jù)參考。并且對駕駛員的坐姿進行了簡單實用的探討，總結出適合駕駛員長期駕駛的舒適坐姿來指導駕駛員座椅的外形和骨架設計，還分析了國內外駕駛員座椅的發(fā)展歷程和現(xiàn)如今的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了本人的一些看法與見解。本次論文的具體研究情況和看法總結如下： （1） 運用人機工程學知道座椅設計，使得座椅的使用更加人性化，也更加方便便捷。通過此次對人機工程學的了解，我發(fā)現(xiàn)這是一門對有關人的科學研究都具有深刻意義的學科，運用人機工程學的理論對人們來說是一種全新的進步，人們在更加注重性能的同時也更加重視了自己的感受，這大大促進了科學的進步。也減少了機器對人的誤讀帶來的傷害。 （2） 通過研究中國人體模型，得出中國人體尺寸數(shù)據(jù)，用于指導座椅的設計，使得座椅更加適合廣大中國駕駛員的乘坐。同時也發(fā)現(xiàn)了中國人在過去的二十幾年的巨大變化。作為研究者或者生產(chǎn)者更應該實時地掌握這種變化，從而對自己的研究及時的作出調整。 參考文獻 參考文獻 [1] GB10000-88.中國成年人人體尺寸[S].中華人民共和國國家標準 [2] GB/T 15759-1995.人體模板設計和使用要求[S].中華人民共和國國家標準 [3] 李恭國.論人機工程學中人體模型的建立[D].福州：福州開發(fā)區(qū)職業(yè)中專學校，2009 [4] 毛恩榮,張紅.車輛人機工程學[M]. 北京：北京理工大學出版社，2007 [5] 張國華.對汽車座椅設計的探討[J]. 汽車技術,2000（6） [6] 谷正氣.轎車車身[M].人民交通出版社，2002 [7] 李莉.座位作業(yè)腰背痛生物力學分析機工效學評價[D].北京醫(yī)科大學，1993 [8] 汪加麗.座椅傾斜方向與角度對人體生理與心理反應的影響[D].國立成功大學，2003 [9] 周一鳴.車輛人機工程學[M].北京理工大學出版社，1999 [10] 王云祥，呂衡發(fā)，張書琴.人體解剖學[M].第6版.長春：吉林科學技術出版社，2001 [11] 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