基于人机工程的汽车驾驶座椅研究的文献综述

基于人机工程的汽车驾驶座椅研究的文献综述摘要：汽车驾驶座椅设计中人机工程至关重要，而相关的研究论文不在少数。本文对关于人机工程汽车驾驶座椅研究的论文进行汇总分析和对比，探索汽车驾驶座椅设计中考量人机因素的普遍状况，得出汽车驾驶座椅设计的最普遍的设计规范，以及其中的规律和方法。并提出作者对于汽车驾驶座椅人机工程方面未来发展的可能性展望。关键词：汽车驾驶座椅；人机工程；设计规范；文献综述；1.引言汽车已经深入人们生活，成为人们日常出行的必备工具之一。汽车在带给人们方便的同时，交通事故却频繁发生。专家预估我国到 2020 年汽车保有量将达到 2.5 亿辆。而我国交通事故已成为危害人类健康和社会发展的重大问题，也是我国人群伤害死亡的第一原因。其中影响驾驶员安全驾车的重要因素就是汽车驾驶座椅。在这样的背景下，本文从人机工程角度对汽车座椅设计相关的论文进行分析和对比，以期得出汽车驾驶座椅设计的最普遍的设计规范，以及其中的规律和方法。人机工程学是一门新兴的边缘科学，又是一门多学科的交叉学科。它致力于探究“人、机、环境系统”之间的相互作用和关系。研究的目的则是通过各学科知识的应用，来指导工作器具、工作方式和工作环境的设计和改造，使得作业在效率、安全、健康、舒适等几个方面的特性得以提高。善于利用人机工程的手段来指导汽车驾驶座椅设计，将极大提高驾驶员的操控效率和安全系数。2. 驾驶座椅人机因素对于驾驶安全的影响汽车驾驶员在长时间驾驶后（持续约 4 个小时后） ，身体生理和心理方面的机能将下降，同时驾驶员的大脑也会反应迟钝，这将直接影响到驾驶操作。这些症状的出现是在驾驶者无意识的情况下出现的，往往驾驶员自身并不能及时意识到。驾驶座椅作为驾驶员直接的载体，对驾驶体验关系颇为紧密。2.1 驾驶座椅人机因素对于驾驶员疲劳度的影响“驾驶疲劳”是交通安全隐患最大的因素，交通事故中超过一半的事故都是因此而引起的。其影响因素主要因为驾驶员的坐姿、驾驶座椅的震动、温度、湿度等。驾驶员的坐姿是由“驾驶员自己的主动坐姿”和“驾驶座椅的形态而导致的被动坐姿”这两个方面决定的。驾驶员可以主动调整自己的坐姿来达成特定的操作目的等，但是主动坐姿是费力的，需要驾驶员刻意去完成。汽车驾驶过程中更多的姿态是由驾驶座椅的形状决定的，驾驶员的身体会被动去适应座椅的姿态，达到最省力舒适的坐姿。这是驾驶座椅的人机因素对于驾驶过程的重要影响。不合乎人机关系的驾驶座椅将增加驾驶员的身体负担，更容易导致驾驶疲劳，增加事故发生率。并且不贴合身体的座椅长时间使用将使驾驶员患上身体疾病。而驾驶座椅对于跑运输的大货车驾驶员不但承担驾驶辅助的功能，在夜间休息的时候又充当休息睡觉临时的床，驾驶座椅的舒适度和可调节性就更加重要。2.2 驾驶座椅人机因素对于汽车操控的影响汽车座椅一方面要贴合驾驶员的臀部和背部，另一方面也要给考虑到驾驶操作的便利性。驾驶座椅为了达到操纵方便性和舒适性的要求，必须对座椅空间位置进行设计。 “让驾驶员有开阔的视野范围，对方向盘、离合踏板、制动踏板等操作部件有合适的距离，以便驾驶员能够方便舒适地操作” 。 【2】 在进行驾驶座椅设计的时候，座椅的高、宽、倾斜度、座深，靠背的高度、与座面的夹角等按照舒适坐姿选择。同时也要预留座椅在水平方向和垂直方向的调节量。对于大货车，需要考虑到驾驶员在车上睡觉的情况，座椅的可变形性十分重要，可以充当临时的床，给予驾驶员最舒适的驾车体验。3. 汽车驾驶座椅的人机工程学分析3.1 人机关系定性分析要提高驾驶座椅的舒适度和安全性，是需要多方面的考量的。归根究底，汽车的驾驶者是人，汽车座椅的设计和制造也是为了更好地方便人而展开的，因此， “人性化”是进行汽车座椅设计的最重要的前提条件 5。从人出发来思考驾驶座椅的设计，是基本的出发点。因此该设计就不仅需要对人机尺寸方面的数据进行研究，也需要对整个驾驶体验过程中，座椅带来的所有触点进行分析。3.1.1 身体贴合度和压力分布分析首先驾驶座椅也是座椅的一种，其关于座椅舒适性的规范与普通做一是一致的。关于一般座椅人机研究的论文指出：“良好坐姿的必要条件是将最适当的压力分布于背脊椎骨之间的椎间盘上，并将最适当、最均匀的静负荷量分布于所附着的肌肉组织上” 9。必须对人体的坐姿生理特性进行分析研究：坐姿时的脊柱形态；坐姿的体压分布；座垫上的体压分布；靠背上的体压分布。 1（1）坐姿时的脊柱形态。人处于不同的坐姿时，脊柱形态不同；只有座椅的结构和尺寸设计使驾驶员的脊柱形态接近于正常自然状态，才会减少腰椎的负荷及腰背部肌肉的负荷，防止驾驶疲劳发生。（2）坐姿的体压分布。当座椅上的人处于坐姿状态时，人的身体重量作用于座垫和靠背上的压力分布，称作坐姿的体压分布；它包括座垫上的和靠背上的两种体压分布。（3）座垫上的体压分布。根据人体组织的解剖学特性可知，坐骨结节处是人体最能耐受压力的部位，适合于承重，而大腿下靠近表面处因有下肢主动脉分布，故不宜承受重压。据此，座垫上的压力应按照臀部不同部位承受不同压力的原则来分布，即在坐骨处压力最大，向四周逐渐减少，至大腿部位时压力降至最低值，这是座垫设计的压力分布不均匀原则。（4）较好的背部和腰部的合理支承:汽车座椅设计时应提供形状和位置适宜的两点支承，第一支承位于人体第 5 6 胸椎之间的高度上，作为肩靠能减轻颈曲变形;第二支承设置在腰曲部位，作为腰靠，能保证乘坐姿势下近似于正常的腰曲弧线。 23.1.2 驾驶座椅的稳定性驾驶座椅的稳定性包括 “整体稳定性”和“横向稳定性” 2。整体稳定性是指驾驶座椅尽可能贴合驾驶者，对驾驶员的身体进行包裹，从而保证在汽车驾驶过程中座椅作为一个最稳固的支点。驾驶过程中驾驶员随时都要面对复杂的路况和突发情况，驾驶员对于座椅力的作用是多角度的。这就必须引出第二个概念：横向稳定性。它主要指的是在进行驾驶的过程中，驾驶员一定避免不了遇见转弯的路段，而汽车进行转弯的时候，人体承受的横向加速度会让驾驶员的身体出现摆动的现象。为了让驾驶员的身体更加端正，在转弯的时候也尽可能地保证身体的稳定性，就要在座椅的两边进行加高，这样尽管驾驶员承受着横向加速度，两跨和大腿也可以将身体支撑住，保持驾驶的稳定。 53.1.3 驾驶座椅的材质支撑乘员的身体是座椅的基本作用，它不只是一把安乐椅，将座椅表面设计坚硬一些可以防止疲劳，但硬度过高则会与身体贴合感差，反而会压迫身体的某一部分，使人过快地感到疲劳。支撑驾驶员的身体是驾驶座椅基本的功用，虽然人机工程的目标之一是追求驾驶的舒适性，但是对于驾驶汽车来说安全才是第一位的。如果驾驶座椅的材质过于柔软，则容易导致安逸疲劳。而硬一些的座椅相比较于软一些的座椅能够更大程度地减轻驾驶员的疲劳感。应当综合考虑汽车座椅与驾驶者的贴合度，合理地控制座椅设计的软硬，在保证驾驶者不易疲劳的前提下，避免座椅与驾驶者不贴合的情况发生，设计出缓解疲劳的硬座椅。 5。此外，合适的材质选择将有良好的透气性，对于长时间将身体贴于座椅上的驾驶员来说，这是提升舒适度的必要考量。3.1.4 驾驶座椅的振动和温度驾驶员与驾驶座椅并不是完全独立的两个物体，而是一个典型的人机系统。振动和温湿度对于整个系统的影响也十分重要，这是外部环境对于这个人机系统的影响。（1）汽车驾驶座椅的设计不同于普通座椅设计，因为汽车在驾驶中不可避免要产生振动，而这个振动对于驾驶员的影响也是很重要的一方面。驾驶员承受的振动属于全身振动的范畴。有关研究表明，人体最敏感的频率范围为纵向振动 48 Hz，横向振动 12 Hz。当外界振动接近器官的共振频率时，振幅迅速增大，此时引起器官的生理反应最大。振动对驾驶员操作的影响主要表现为视觉作业效率的下降和操作动作准确性变差。当达到一定限度时，皮质细胞的工作强度将减弱，人就会感到疲劳，工作效率明显下降。 1 因此要求驾驶座椅的设计有良好的共振频率、静态刚度和衰减特性。（2）温湿度。人体处于高湿度和高温度的情况下，往往会感到身体不适，同时也将影响驾驶的持久度。研究表明 1，驾驶员在驾驶状态下的舒适温度为 1823，舒适湿度为 40%60 %，代谢量为 1.02.0 met，高于或低于这个范围都会增加驾驶员的疲劳程度。驾驶座椅对驾驶员人体热环境的影响主要来源于座椅外表面的温度和湿度。座椅的外表面直接与人体接触，接触到人的背部、臀部和腿部等。这将直接影响到人体的散热性能和皮肤的呼吸功能。如果温湿度不适宜，将加速人体疲劳感的形成。3.2 人机关系定量研究3.2.1 驾驶座椅的压力测试和接触面积研究基于压力分布实验的汽车座椅人机形态研究 3的论文中指出：压力分布实验是目前国内外研究汽车座椅舒适性的主要方法之一，通过压力分布实验，可以得到接触面积、最大压强、平均压强和不对称系数等 8 个压力分布指标，其中，接触面积、峰值压强和平均压强最能直观地反应乘坐的舒适度。并且文章中用三款座椅进行压力测试，如图 1 所示。图 1 三款座椅照片座椅靠背纵切面曲线及坐垫中心纵冠面曲线，形态如图 2 所示，其中 B 座椅的人及形态最为明显，A 座椅次之，C 座椅再次之。图 2 三款座椅的人机曲线三款座椅的基本尺寸如表 1 所示：表 1 三款座椅的尺寸该实验对 6 个人（4 男 2 女）进行实验，得出的接触面积对比图如图 3 所示：图 3 接触面积对比图平均压强对比如图 4 所示：图 4 平均压强数据对比该实验最终对三款椅子的舒适度总评成绩为 A 座椅 6.07435，B 座椅 6.71245，C座椅 5.640275。实验结论为：A 款座椅的在人机形态方面只注重了坐垫的设计，而靠背的设计缺有欠缺，尤其是 A 款座椅的腰部支撑，下腰部骶骨处位置空缺，因此造成了靠背接触面积与坐垫的关系成正比变化。B 座椅在人机形态方面，其靠背的高度有所增加，因此背部的接触面积与人体能较好的贴合，并且随着身高的改变而增大背部的人机接触面，因此可知，靠背尺寸高一些、人机形态更贴合的座椅拥有更高的舒适性。C 款座椅的这种特殊性还需要进一步分析原因。但是，缺少人机形态的造型，使人机接触面通过人体压力自然形成的情况会降低舒适感。 3这个实验中舒适度主要与接触面积相关，接触面积越大，平均压强将减小。对于特定的驾驶者来说，单位面积所受到的压强也将减小。而合理的驾驶座椅设计不仅要考虑审美上的愉悦，而是需要经过人机工程实验的反复检测才能确定最理想的形态。从而缓解驾驶员的疲劳程度，获得更好的驾驶体验。而从汽车座椅静态舒适度研究 6 中可以得知人体在坐垫上最适宜的体压分布图，如图 5 所示。图 5 人体在坐垫上最适宜的体压分布图从图中可以明显的看到人的臀部收到的压力最为集中，通过座椅形态的设计来分解臀部压力集中部位的压力是至关重要的。3.2.2 驾驶座椅的人机尺寸研究驾驶员的最佳坐姿是臀部离开座椅的靠背并轻微前移，论文汽车驾驶座椅人机工程设计 3中对于人机尺寸进行了客观测量，并依照国标进行修正。舒适驾驶坐姿的人体生理角度值如图 6 所示：图 6 舒适驾驶坐姿的人体生理角度示意图舒适驾驶坐姿的人体生理角度值如表 2 所示：表 2 舒适驾驶坐姿的人体生理角度值并进一步经过研究实验得出汽车座椅外观尺寸与设计依据，如表 3 所示。表 3 汽车座椅外观尺寸与设计依据4. 讨论和展望4.1 驾驶座椅人机尺寸的意义和进一步研究的方向通过对这些文献的研读和分析，进一步认识到汽车驾驶座椅设计的难度和重要性。座椅的人机考量从静态尺寸的研究中发现舒适度与座椅形态设计之间的紧密关联，未来对于驾驶座椅的设计不但要从外观方面出发，更要参照国家标准和现有文献进行人机方面的修正。座椅设计模型样品也要进一步进行对比实验研究，通过压力分布和平均压强的测量，并进一步优化座椅造型，如此反复进行，直到达到较为均匀的压力分布。从而帮助驾驶员减轻身体负担，给予更舒适的支撑和保护。但是进一步展望未来驾驶座椅研究，会发现目前的研究基本都是基于静态的人机尺寸研究，虽然有关于动态的人机尺寸研究的描述，但是研究内容并不深入。而驾驶员在驾车的过程中，往往会有除了主任务“驾驶”之外的副任务，比如看手机、看地图、听音乐等等。这些行为的作用范围是否在驾驶员的合理人机范围之内，是否会对驾驶员的驾驶产生负面影响而导致事故，这些都还有待研究验证。另外，路况和身边人、物品对于驾驶员的的影响和干扰都是不可忽视的影响因素。4.2 驾驶座椅可变形性分析和展望驾驶座椅人机研究还有待深入考虑可变性带来的一系列变化和影响