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轿车座椅设计,轿车,座椅,设计
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小车座椅设计摘 要：本文研究了人的坐姿生理和心理特性人与座椅的人机关系，结合我国对汽车座椅的设计和使用情况，分析了现有轿车驾驶座椅存在的问题，用户人体尺寸，坐姿相关的人体生理学、解剖学、统计学研究。从满足驾驶员的需求出发，确定驾驶座椅的各个参数并突出座椅尺寸设计与人体尺寸的相关性，真正达到一切人为设计导向的汽车座椅，重点设计了头枕、腰靠和座椅的舒适度这三个用户普遍反映的问题。关键词：人机工程学；汽车座椅；舒适度，汽车Design Of The Car SeatAuthor: LIU Xian-bing Tutor: Li Jun-zheng(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract:This thesis mainly discusses the physiological and psychological features of human beings sitting posture，and the relationship between human beings and car seats. Regarding domestic car seats design and use condition, it analyses the exiting problems in car seats currently, clients body dimension, and human physiology, anatomy, statistics corresponding with sitting posture. According to the drivers requirement, it ensures the specific parameters of each driving seat, and sticks out the relevance between seat size design and human body dimension. All this is to design human oriented car seats, which aims to increase the comfort level of headrest, backrest and seats which are the main three problems reflecting by customers.Key words : Ergonomics ;Car seat ;Comfortable degree ;Car1 前言1.1 研究背景随着时代的发展，人们开始追求高品质的舒适生活,于是按照人体工程学设计的产品也就越来越受到大众的欢迎。以汽车座椅为例,人体工程学的家具并不是人们头脑中所想象的仅有数据符合的座椅,它还包括除了人体生理数据之外的很多因素。它的设计原则除了常见的尺度设计原则,人体机能和环境设计原则,健康设计原则外还应该讲求黄金分割比的设计原则。并指出在这些原则的指导下好的人体工程学座椅是功能与美学相结合的产品,可以为人带来身心两方面的享受。我国是人口大国，物质方面的需求量要高于其他国家和地区。近几年来，我国经济发展迅速，汽车的消费逐渐成为带动国民生产总值的重要指标。中国加入WTO后，中国的汽车工业，特别是轿车工业面临着前所未有的机遇和挑战。科学技术的发展，促使了轿车车身设计技术的变革和进步特别是计算机技术的高速发展是计算机辅助设计和计算机辅助制造(CADCAM)技术在汽车领域得以广泛的应用，为现代汽车设计与制造提供了新的手段。而人机工程学的发展，使得汽车设计又进入了一个新的领域。1.2 研究内容汽车中的座椅是影响驾驶与乘坐舒适程度的重要设施，而驾驶员的座椅就更为重要。舒适而操作方便的驾驶座椅，可以减少驾驶员疲劳程度，降低故障的发生率。汽车驾驶员座椅设计优劣与否直接关系到驾驶质量。任何系统实际上都是人机系统，人机系统包括人、机、环境三个方面。显然驾驶员-座椅也属于人机系统研究的范畴。人机系统的安全模式多以人的行为为主体，即以人为本。对人机系统的研究始于第二次世界大战。在设计和使用高度复杂的军事装备中，人们逐步认识到必须把人和机器作为一个整体，在系统设计中必须考虑人的因素。 设计出的产品才能有使用的价值。以往的汽车设计中对人机工程学的应用主要集中在初期的驾驶室配置的布置上、汽车安全性能得检验中。1.3 研究的意义从人的安全、健康的角度：现代人越来越多地的时间在汽车中度过，座椅的安全与舒适直接影响到人们的健康与安全。尤其是对人们脊椎的伤害。从社会的角度：汽车走进干家万户，人们对汽车的情感也有所转变，从以前的遥远、到现在的占有，将来必将转变为挑剔。因此汽车的发展也要跟上时代的步伐。座椅是汽车与人接触的界面，人们在选择汽车时，往往首先接触到的是它的座椅。从经济和技术的角度：汽车制造业正在迅速地向全面数字化设计、制造和测试这种新方式转化。在汽车产品开发CACCAMCAEPDM环境下1，传统的实物模型被数字模型所取代。这使得汽车产品可以直接从设计阶段进入生产阶段。实现了汽车开发过程中多学科、多领域的集成化、并行化和协同化，缩短了产品设计开发周期，获得了更短的产品上市时间。从这个角度来看，我们在技术上能够也必然要脱离以前的那种反复的设计实验周期，使得汽车座椅的设计走向数字化和虚拟化的道路。1.4 设计的目的驾车人无论做短途还是长途旅行都要求座椅十分舒适；座椅的设计必须能适应各种身材和高度的男女驾车人；座椅的外观必须具有吸引力，令人赏心悦目。（1）有良好的静态特性，即：座椅的尺寸和形状应使人体具有合适的坐姿，良好的体压分布，触感良好，并能调整尺寸与位置，以保证乘坐稳定、舒适，操作方便。(2)有良好的动态特性，以缓和与衰减有车身传来的冲击和振动，保证驾驶员能较长时间工作而不感到疲劳。(3)构紧凑，外形与色彩应美观、大方，与车身内饰相协调，并尽可能减轻质量，降低成本，有良好的结构工艺性。1.5 设计的方法和程序设计程序是将设计需求透过系统化的方法转化而获得符合设计需求的设计特征。设计成学通常是设计师开发产品时所建立的一套发展模式2。而设计师的发展模式综合各种与产品有关的解决方法或观念不同的解决方法或观念，将会产生不同的产品特征。因此，许多研究仍在探讨如何运用有效的方法与途径与设计程序中，以确保设计的品质与效率”。设计过程中所运用的逻辑概念与程序，已有部分设计学者提出相关的论点，本研究列举二位国外学者所提出的逻辑概念与程序，其简介如下：(1)Andresen的设计程序(1980)Andresen所提出的设计程序主要分成四个阶段： (1)设计说明阶段；(2)构想设计阶段； (3)配置设计阶段； (4)细部设计阶段。该设计程序的进行由设计说明阶段开始，透过构想设计阶段的使用程序架构、功能架构与工具架构三种分析设计构成来完成设计。整个设计说明阶段从使用程序进行到设计个案所必须具有的功能架构，再从有了设计个案功能的分析结果转化到设计个案所具有的工具技能架构。设计说明阶段完成后，随之进行设计个案的行为一功能机能构想设计阶段的发展。程序架构一经完成上述阶段后，设计过程进入对于设计个案各部分零件配置的配置设计阶段。在此阶段中，设计师对设计个案中个零件的相关配置进行组装的工作。配置设计阶段之后，整个发展过程进入最后的细部设计阶段。在细部设计阶段里，设计师必须回馈到所有在设计说明阶段中，所有事先预定的事项，包括对产品的迸一步设计与对设计定义的再确认工作，已达成对设计个案的设计工作。Andresen设计程序的各个阶段流程，如图1所示。设计预解决的问题问题说明阶段 程序架构功能架构概念设计阶段 工具架构 单元结构设计 配置设计 整体设计完成细部设计阶段 图1 Andresen的设计程序(1980)Fig.1 Andresen design program (1980)(2)French的设计程序(1985)设计需求分析现有问题 描述问题概念性设计 选择方案方案具体化 生产计划，图纸与其他工作细部设计 图2 French的设计程序(1985)Fig.2 French design program (1980)在French的设计程序里，设计从需求出发，透过对现有问题的分析，并收集相关的设计知识，进行概念性的设计,程序的流程如图2所示。French认为在产生许多概念性的设计后，设计师可对这些概念性的设计作筛选，使选定的设计方案能逐步接近设计需求。一旦完成设计方案的细部设计工作之后，紧接着为连接设计与制造生产间的工作，此包括工程图和生产计划等，以利设计活动从构想转化到实际的制造过程4,其表示设计。本研究目的为设计符合人体的舒适性轿车驾驶座椅。在汽车的设计中人们往往考虑是汽车的动力性能、外观和内饰；人们在购买汽车是看重的多是汽车的价格、外观。从汽车的设计者和使用着这两个方面来说对于汽车的座椅的重视程度还很不够。实际中对于座椅设计的相关研究和设计方法没有特别的标准和规范。得出设计的关键所在是“为人设计”，根据对用户的分析得出设计目标并进行实际的设计工作本研究可分为两个阶段：第一阶段：理论研究阶段；第二阶段：座椅实际设计阶段。2 座椅设计的相关理论2.1 体压分布与坐姿疲劳(1)坐姿体压分布 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。可见，坐姿体压分布包括座垫上的体压分布和靠背上的体压分布两部分。 (2)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，自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12。图3为坐姿时座垫上的体压分布。 图3 坐姿时座垫上的体压分布Fig.3 When sitting a pad body pressure distribution 2.2 从汽车舒适性到座椅舒适性影响汽车舒适性的因素很多，分析人-机-环境系统，可以提出整车舒适性影响因素的框架图，如图4。图4 座椅整车舒适性的评价图Fig.4 Seat comfort of vehicle evaluation map图中“人”即指乘坐者，是最终对舒适性做出评价的主体，其生理因素以及心理因素都会影响对舒适性的评价;“机”指汽车的座椅、仪表盘、方向盘、变速杆等;“环境”主要指车内环境及路面状况等。机系统中的影响因素通过直接影响环境中的因素而影响人体的生理因素，最终影响人对舒适性的评价12。如由轮胎和悬架产生的噪声通过影响人的听觉而影响人对舒适性的评价。从图4可以看出，座椅在影响整车的舒适性中起了关键作用。2.3 设计座椅人体的舒适度概念化阶段是整体设计的理念和宗旨，是保证今后具体设计得以顺利进行的前提条件。对椅子设计概念化进行设定的过程，涉及椅子相关的功能性、构造和材料以及形状等问题；具体化阶段是按照在概念化阶段设定的设计方案，解决座椅的构造、功能和美观问题并创造出其基本形状；座椅周详设计的关键是将重点放在符合整体的外观和核心架构的设计上。产品的外观、座椅的造型以及稳定的构造应该既反映其精湛设计，又能实现人们对舒适的要求，这就是汽车座椅设计的重点。座椅设计、制造的好坏，对汽车驾驶人员和乘员的舒适性有很大的影响，座椅的尺寸应适合于人体的尺寸，要保证人体有良好的作业姿势和休息姿势。汽车座椅的舒适性归纳起来有三方面的内容:(1)振动的舒适性 对于汽车座椅振动舒适性来说，它主要是道路-轮胎、悬架、座椅-驾驶员三者之间的关系，在试验过程中，把它们看作是一个整体，属于动力学系统19。从而寻求在各种路面随机输人的作用下，使驾驶员和乘员对振动不易疲劳的性能，从中得出科学的结论，以便设计制造出最优结构的汽车座椅来。(2)驾驶员坐势的舒适性坐姿的舒适性的是把注意力集中在人体生理结构与座椅结构以及几何尺寸的关系上，使座椅的设计、制造兼有极好的、静态和动态的特性。座椅的高度应当使人的体压分布合理，如坐垫的前部不可与高或太硬，使人坐着时脚悬空应避免在大腿后部分布压力，以防该部对血液循环不畅而产生下肢和脚浮肿现象，人的背部与座椅的靠背整个接合面上，应在腰凹处压力最大，使躯干得到充分支持，背部不能弓形，又不妨碍手臂活动，因此，舒适的座椅应使坐垫在坐骨关节和靠背的第三腰椎骨附近受集中压力15。(3)体压分布对舒适性的影响图5 正确的坐势Fig.5 Right sit potential图6 不正确的坐势Fig.6 The incorrect sitting posture图6是不正确的坐势，腰弧线变形过大，椎间盘受力是不均匀的，使驾驶员容易产生疲劳，长期采用这种坐势，会使椎骨间距内外受拉受压，容易造成人体腰部变形。影响人们驾驶汽车舒适性的另一因素，就是人体的生理因素臀部的体压分布。人们的臀部在坐骨周围的肌肉可以承受较大的压力，而大腿下面的肌肉内部分布有较大的皿管和神经系统.因此不能承受压力，否则将影响神经传导20。如图7所示，可以看出，合理的人体压力分布不是平均分布的，而是从坐骨向周围逐渐平滑减小压力。因此人体的重量作用在坐垫上的压力应当随臂部不同部位6，呈不均匀的分布。图8中每条封闭的曲线，代表着一个等压线。每条等压线的数字是压力分布情况，压力的单位是kg/m2。图7 臀部的体压分布Fig.7 Hip body pressure distribution图8 理想的驾驶姿势Fig.8 The ideal driving posture由以上的图5、图6、图7的分析，可以得出图8的模型，这一较理想的、舒适的驾驶姿势。人体所处的角度是合理的。在这种姿势下驾驶汽车，腰曲弧线拉伸和受压最小，腰背肌肉几乎处在松弛状态，大腿血管和神经系统不容易受到压迫，颈曲变形很小，这是最合理的，最舒适的驾驶姿势。2.4 用户人体尺寸设计各种设备和工具等设计对象在适合于人的使用方面，首先涉及的问题是适合人的形态和功能范围的限度。例如，一切操纵设备都应设在人的肢体活动所能及的范围之内，其高低位置必须与人体相应部位的高低位置相适应，而且岂不知应尽可能设在人操作方面、反应最灵活的范围之内。所以研究人体尺寸模型用人体模型描述人体尺度是非常有必要的。人机工程学范围内的人体形态测量数据主要有两类，即人体构造尺寸和功能尺寸，也就是人体静态尺寸和人体动态尺寸。而针对于座椅设计的人体尺寸相关的主要有人体立姿尺寸和人体水平尺寸口。2.4.1 人体静态尺寸人体静态尺寸，着眼于人体天然结构，比如身高、体重、腿臂长度等，是建立人体尺寸模型的基础。国家标准GB 10000-88“中国成年人人体尺寸”按照人机工程学的要求提供了我国成年人人体尺寸的基础数据7。标准中共给出了7类47项人体尺寸基本数据。人体的主要尺寸包括身高，体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长等6项。根据有关统计数据，我国人体基本尺寸见表1。表1 我国人体基本尺寸 Fig1 Our basic human body size 单位：mm尺寸名称 尺寸数值 尺寸名称 尺寸数值 男 女 男 女续表1 尺寸名称 尺寸数值 尺寸名称 尺寸数值 男 女 男 女身长 1688 1586 肩窄宽 426 392眼高 1585 1480 臀宽 334 395肩高 1421 1320 下肢前伸长 1016 977坐姿身高 897 849 大腿长 422 409坐姿眼高 794 743 大腿长 401 369 肘到坐平距离 245 239 足高 71 66上肢前伸长 731 689 膝臀间距 551 525大臂长 269 261 大腿平长 433 432小臂长 247 226 膝上到足底距离 515 480手长 193 179 膝弯到足底距离 406 383前伸长 731 689注：一般人体尺寸都是在立正或正坐的姿势状态下测量的，因为在人体自然状态下测量很容易出现差别。在设计时，通常也要按立正或正坐时的人体尺寸来考虑。2.4.2 人体测量尺寸人体是一个复杂的生理体系，影响人体尺寸特征的因素很多，如国家、地区、民族、生活环境和风俗习惯等14。经多年研究，我国成年人人体尺寸的国家标准GB 10000-88已经于1987年7月开始实施，它为我国人机工程设计提供了基础数据。该标准提供了代表从事工业生产的法定中国成年人男子1866岁，女子1855岁的人体结构尺寸数据，共七个类别47项人体尺寸数据，包括人体主要尺寸、立姿人体尺寸、坐姿人体尺寸、人体水平尺寸、年龄段为数列表，其中主要人体结构尺寸寸如表2所示。表2 人体尺寸表Fig2 Human body dimensions table测量项目分类 主要测量项目人体主要尺寸 身高、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长、体重立姿人体尺寸 眼高、肩高、肘高、手功能高、会阴高、胫骨点高坐姿人体尺寸 坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢长人体水平尺寸 胸宽、胸厚、肩宽、最大肩宽、臀宽、胸围、腰围、臀围、系宽、坐姿臀宽、坐姿两肘间宽经过多人对于我国人体数据的统计分析表明，人体尺寸服从正态分布。其所列人体尺寸数据的年龄段划分跨度大，而且没有18岁以下未成年男女的人体统计结构尺寸。但是由于男女在成年人后人体的主要结构尺寸变化较少，且在工业产品的人机设计过程中，绝大部分情况下仅需要成年人的结构尺寸数据10。另外，我国不同地区人体尺寸有一定的差异，不同国家问人体尺寸的差异也颇为明显，可根据我国不同地区、我国与其它国家的人体结构尺寸的比例差异推算出来。国标GBl000088中所列出的数据是在被测者裸体或穿者尽量少的内衣时的测量数据。实际工作环境中对劳动者的着装有着严格的限制，不同的着装可以使测量数据发生较大的变化，所以选用人体尺寸数据时，要考虑劳动者的着装情况。表3给出了建议调整数据。表3 着装人体尺寸增大调整值 Fig3 Dress hunman size adjustment value 单位:cm人体尺寸 轻薄夏装 冬季外套 轻薄工作服，靴和盔 身高 25-40 25-40 70坐姿眼高 3 10 3大腿与台面距离 13 25 13足长 13-40 40 40足宽 13-40 13-25 25足跟高 25-40 25-40 35头最大长 100头最大宽 105最大肩宽 13 50-75 13 臀宽 13 50-75 13 (1)身高尺寸增大的调整值，前者为男性的皮鞋高，后者为女性皮鞋高。由于皮鞋高度增加，随之立姿眼高、肩高、肘高也等量增大2.4.3 人体尺寸数据统计规律根据前面GBl0000-88的人体结构尺寸数据表可知，身高数据是不连续的。例如：18-66岁的男子在百分数为99时身高为1814mm，在百分数为50时身高为1678mm。若想为身高1700mm的人进行产品设计时，就必须对大量身高为1700mm的被测量者身体各部分的尺寸进行测量统计平均。人体结构尺寸相当多，单独为某种身体尺寸的人进行产品设计显然是非常有限的。如果可以找到测量的人体尺寸的计算公式10，当输入身高时，就可以直接计算出所需的其它尺寸数值。统计资料表明：这种公式是存在的，也就是说人体测量尺寸尤其统计规律。这种规律就是：人体的结构测量数据与身高、体重存在一定的关系，这种关系可以用经验公式表达。表4列出了以身高为基本参数的主要的人体尺寸经验公式。表4 人体各部分和身高的比例(H指身高)Fig4 Parts of the body and the ratio of the height (H refers to the height)人体尺寸 男 女 亚洲人 欧美人 亚洲人 欧美人眼高 0.933H 0937H 0933H 0937H肩高 0.844H 0833H O844H 0833H肘高 0.600H 0625H O600H 0625H臀高 0.467H 0458H 0467H 0458H胫骨点高 0.267H 0313H 0267H O313H肩宽 0.222H 0250H O213H 0200H前臂长 0.267H 0250H 0267H 0250H手臂长 0.467H 0438H 0467H 0438H坐高 0.533H O53lH 0533H O53lH坐姿眼高 0.467H 0458H 0467H 0458H坐姿膝高 0.267H O292H 0267H 0292H坐姿肩高 0.334H 0333H 0334H 0333H坐姿肘高 0.123H O150H 0123H O150H坐深 0.267H 0275H 0267H 0275H小腿加足高 0.233H O250H 0233H 0250H坐姿大腿厚 0.080H 0086H 0080H 0086H臀膝距 0.320H 0342H 0320H 0342H人体活动空间尺寸(动态尺寸)是相对于人体静态尺寸而言的。人体静态尺寸，着眼于人体自然结构，而不考虑人的姿态与活动。人体活动空间尺寸，指人体肢体末端能够达到的三维空间范围，着眼于人的日常姿态与活动需要。人体静态尺寸参数虽然可以解决不少工业产品造型设计中有关人体尺寸的问题，但是人在操纵设备或从事某种作业时并不是静止不动的。因此，人们更关心的是以不同姿态工作时人体的手、脚能活动的范围。可及度是指在空间特定位置，通过改变手臂或腿部的方向及伸展长度，手或脚是否能够触及空间内某一物体的评价指标如图9。常用活动尺度表的绘制，是检验可及度的主要手段，是产品设计不可或缺的重要依据之一14。在日常生活和工作中，人的动作是十分丰富的，而且会由此产生许许多多活动空间尺度。比如，人的手臂可以上举、平举、侧平举、斜举，可以推、拉、伸、屈、拿、送，沿着不同的方向或角度转动：可以单臂动作、双臂动作、上臂动作、下臂动作、双臂同时动作、上下臂协调动作等等。人的手腕也可以有不少动作方向，人的手指则更为灵活。人的腿脚动作同样多不胜举。图9 三维H点测量装置Fig.9 Three-dimensional H measurement device2.4.4 人体动态尺寸人体活动空间尺寸(动态尺寸)是相对于人体静态尺寸而言的。人体静态尺寸，着眼于人体天然结构，而不考虑人的姿态与活动。人体静态尺寸参数虽然可以解决不少工业产品造型设计中有关人体尺寸的问题，但是人在操纵设备或从事某种作业时并不是静止不动的。因此，人们更关心的是以不同姿态工作时人体的手、脚能活动的范围(图10)。可及度是指在空间特定位置，通过改变手臂或腿部的方向及伸展长度，手或脚是否能够触及空间内某一物体的评价指标。常用活动尺度表的绘制，是检验可及度的主要手段，是产品设计不可或缺的重要依据之一。图10 肢体活动空间尺度Fig.10 Physical achivity scale在常生活和工作中，人的动作是十分丰富的，而且会由此产生许许多多活动空间尺度。比如，人的手臂可以上举、平举、侧平举、斜举，可以推、拉、伸、屈、拿、送，沿着不同的方向或角度转动：可以单臂动作、双臂动作、上臂动作、下臂动作、双臂同时动作、上下臂协调动作等等。人的手腕也可以有不少动作方向，人的手指则更为灵活。人的腿脚动作同样多不胜举如果把人的头部、躯干与四肢协调配合起来，同时动作，其动作方向、动作幅度、动作数量，几乎可以多到无法统计，故多关节的真实人体空间尺度难以描述。2.4.5 人体坐姿功能尺寸所谓产品功能尺寸是指以人体尺寸参量为基础，考虑该产品的某项功能相对人体尺寸参量做修改的产品尺寸。图11 舒适的坐姿关节角度Fig.11 Sitting comfortably in the joint angle国家标准规定了不同身高等级的成年人坐姿功能尺寸设计的基本条件、功能尺寸、关节功能活动角度、设计图和使用要求。主要用人体模版来设计和确定坐姿条件下的座椅、工作面，支撑面、调节配件配置是的功效学要求17。下表是人体的舒适性是进行座椅设计的主要考虑因素图表11的是人体各关节之间的关系。2.4.6 人体尺寸测量本课题针对的是私家轿车驾驶座椅进行研究，作者针对这一用户群进行了相关的尺寸测量。根据用户普遍反映的座椅腰靠和头枕部分的设计相关的尺寸确定的主要测量项目有：身高、肩峰坐骨结节、第一颈椎坐骨结节、第七颈椎坐骨结节、第五颈椎坐骨节结。(一)测量实验(1)实验场所：湖南农业大学校内医院。(2)实验设备：体重计、人体坐高测量仪、卷尺、体重计、人体坐高测量仪、卷尺。(3)实验人员：作者本人、数据记录员、20名被测者。(4)测量人员：25-35的健康成年人，男女各10人。(5)计测项目：身高、肩峰高、第一颈椎高、第七颈椎高、第五腰椎高。(二)实验数据表5 成年男子测量项目数据 Fig5 Adult males measure ptoject data 单位：cm性别 身高 肩峰高 第一颈椎高 第七颈椎高 第五腰椎高男 177 65.1 73.6 66.3 18.7男 175 66.3 77.2 69.9 19.6男 175 64.7 74.8 65.6 19.8男 179 61.1 75.5 66 21.3男 174 63.5 76.1 68.4 19.4男 175 62.5 71 64.2 19.4男 170 57.6 69.2 67.5 16.6男 167 60.1 71.4 63.7 19.5男 172.5 62.2 68.3 63.1 15.9男 175.5 61.5 72.3 66 16.5表6 成年男子测量项目数据 Fig6 Adult females measure ptoject data 单位：cm性别 身高 肩峰高 第一颈椎高 第七颈椎高 第五腰椎高女 164 60.1 72.6 62.3 19.7女 166 60 67.8 61.2 17.6女 165 61 69.4 61.5 19.2女 174 63.9 75.6 66 23女 164.6 55.4 67.4 58.7 20女 161 57.9 67.8 59.7 19女 166.5 60.2 70.2 63 18.6女 157 54 66 58 17女 165 63 73 65.2 22女 164 58 67.9 61.3 17(三)数据统计： 单位：cmAver Aver 174 6226 7264 6607 18.53Aver 16402 5901 6947 6143 19.13Aver 16901 60635 71055 6375 18.83性别 身高 肩峰高 第一颈椎高 第七颈椎高 第五腰椎高男 174 62.26 7264 6607 1853女 16402 5901 6947 6143 1913总 16901 60635 71055 6375 1883从量表可以看出人体各部分的尺寸变化是成一定比例地变化，与身高尺寸成正比例变化。我们在应用数据的时候可以根据统计学找出相关的尺寸系数，进行计算。(3)数据修正：根据表进行尺寸的修正，得到男性平均身高为1715cm，女性平均身高为16002cm，总测量群的平均身高为166.1cm。3 座椅设计要素3.1 座椅的设计参数H点的控制和舒适性控制(1)设计座椅的参数基准踏脚平面：无论是什么型式的座具，踏脚平面部是确定参数最基本的起点。座面与踏脚平面的尺寸关系，决定了腿的姿态。但踏脚平面只能决定座具的部分参数，因此我们把它当作初始基准。股骨大转子：又称H点，是股骨围绕锁骨转动的轴心(人体躯干和大腿的铰接点)。具有足蹬式操纵器的坐姿设计，如汽车驾驶姿态设计，一般以H点作为设计基准。坐骨结节：一般座具通常采用坐骨结节作为设计基准。座具参考点：又叫SRP点，是人取坐姿时大腿下侧和后背两条包络切线的交点。以上三个基准点，可以通过一定的尺寸相互换算。(2)驾驶座椅设计的主要参数驾驶座椅设计的主要参数有：座垫深度、座垫宽度、座垫高度、座垫角度、座垫与靠背的夹角、靠背宽度、靠背高度如图13。座椅尺寸设计主要参数包括：A椅面高度、B宽度、C深度、椅面倾角；D靠背的高度、宽度和倾角。座椅尺寸设计涉及主要参数如图13中所示。图13 座椅尺寸设计主要参数Fig.13 Seat size of main design parameters3.2 驶座椅静态参数的选取驾驶姿势下人体尺寸式座椅几何尺寸确定的基准，以下是基于人机工程学原理的座椅有关参数的选取方法：(l)椅面高度A：椅面高度应使驾驶员大腿接近水平、小腿自然放置，即保证不因椅面过高而使大腿肌肉受压，又保证不因椅面过低而增加背部肌肉负荷。(2)座宽B：座宽必须能容纳身材粗壮的人。参考尺寸为臀宽，以女性群体尺寸上限为设计依据：为使驾驶员能调整坐姿，座宽取适当大于臀宽座宽亦不能太大，否则肘部必须向两侧伸展以寻取支承，这样会引起肩部疲劳。另外座宽受车宽的限制。(3)座深C：坐垫前端至靠背表面之间的距离。该尺寸不能太大，正确的座深应使靠背方便地支持腰椎部位。如座深大于身材矮小者的大腿长(臀部至膝窝距)。座面前缘将压迫膝窝处压力敏感部位，这样若要得到靠背的支持，则必须改变腰部正常曲线；否则坐者必须向前缘处移动以避免压迫膝窝，却得不到靠背的支持，这两种坐姿都是不舒适的。为适应绝大多数驾驶员，座深应当按照较小百分位的群体设计，这样身材矮小者坐着舒适，身材高大的人只要小腿能得到稳定的支持，也不会在大腿部位引起压力疲劳。 (4) 靠背高度D及宽度：靠背的高度和宽度与坐姿肩高和肩宽有关，对于汽车驾驶，椅靠背的高度应采取高靠背，最好加靠枕。(5)座面倾角：指座面与水平面所夹角度。座面后倾的作用有两点：一是由于重力，驱赶后移，使背部抵靠靠背，获得支持，可以降低背肌静压：二是防止坐者从坐缘滑出座面，这对于经常处于震动颠簸环境中的驾驶员座椅非常重要。但是如果座面过分后倾，进行驾驶操作时，脊椎因身体前屈而会被拉直，破坏正常的腰椎曲线，形成一种费力的姿势，同时还会压迫腹部，长期驾驶会造成生理上的伤害。因此倾角不能太大，一般为50o15o。坐垫表面最好由于臀部形态相适应的曲面。(6)靠背倾角：靠背倾角是指靠背与椅面水平方向的夹角。(7)椅垫：坐姿状态下，与座面紧密接触的实际上只是臀部的两块坐骨结节，其上只有少量肌肉，人体重量的75左右由约25cm2的坐骨周围的部位来支承，这样久坐足以产生压力疲劳，导致臀部痛楚麻木感。若在座面上加上软硬适度的坐垫，则测试研究表明，坐于坐垫上的臀部压力大为降低，而接触支承面积也由900cm2增大到1050cm2，使压力分散。坐垫的另一优点是能使身体采取一种较稳定的姿势，让身体可以适度地陷入坐垫。过硬的坐垫不足以起到预想的作用：太软则使身体陷入其中，无法得到应有的支持，造成坐姿不稳，而身体为了维持一定的姿势，不得不使肌肉紧张，疲劳便很快产生。对汽车座椅的综合要求可归纳为：(l)贴合感：座椅靠背和考点的形状是否与人体背部、臀部、大腿底面的形状相贴合。接触面积和部位以及座椅的弹性迟滞损失特征与贴合感密切相关。(2)侧向稳定感：汽车转向行使时乘坐者能受到座椅左右的适当约束，避人体横向偏斜。侧向稳定感与座椅两侧形状、压力以及压力分布等因素有关系。适当选择侧向压力与总压力之比能改善侧向稳定感。(3)腰椎依托感：腰椎依托感良好的座椅，其乘坐者容易获得舒适姿势。第3至第5腰椎部的压力与靠背总压力比适当时，依托感有明显改善。(4)震动弹性感：与震动弹性感相联系的是座椅的静态刚度、共振频率及衰减特性。图14 驾驶作业空间设计的主要指标Fig.14 Driving operation in space design of the main index(5)坐垫与靠背的软硬感：可用392N佐夫和德静态变形特性来反映，不得有陷落的感觉。除上述要求外，汽车座椅不得有臀部滑落感、腹部压迫感、脊背部弓形感等。座椅空间位置设计 座椅空间位置设计就是为了达到操作舒适性的目标，而进行驾驶座椅空间位置设计以确保驾驶员有良好的视野，同时对汽车转向盘、脚踏板等操作部件有恰当的操作要求距离，以达到操作舒适性的最终目的7。图14列出了驾驶作业空间设计的主要指标。3.3 汽车座椅主要部件的设计座椅部件主要包括坐垫、靠背、头枕、骨架蒙皮、减振机构调整机构等，设计原则的依据是：座椅靠背的造型和曲线应与人体放松状态下的背部曲线和臀部曲线相吻合，能支撑到腰椎部位，不会因血液循环不良而引起肢体麻木，长时间乘坐不易感到疲劳；骨架及各机构应能满足强度(安全)要求和使用要求，通过对座椅的前后上下、靠背的倾斜角度、头枕前后上下等位置的有限调节，使大部分人处于舒适状态。(1)座椅靠背和加装的网袋图15 靠背和加装的网袋Fig15 The seatback and the installation of mesh bag靠背的设计主要指强度设计和造型设计，设计时应使靠背的高度、形状符台人体曲线，使背部肌肉处于放松状态，并能给背部肩部有效可靠的支撑，使驾驶员保持稳定的坐姿，还要有足够的侧背支撑，从而避免高速转弯时的横向滑动。设计时，如图15靠背的高度和宽度一般分别为630mm和480mm。不同的靠背倾角会导致不同的椎间盘内压力及背部肌肉负荷。当靠背倾角超过110o时椎间盘压力显著减小，所以设计时应考虑座椅的靠背倾角。为了提高舒适性满足司乘员在休息时的需求，靠背倾角应为可调式，并且调整范围尽可能大。一般载重汽车为100o115o。大客车为95o135o，轿车为80o170o。(2) 腰部支撑及计算过程设计时，腰部支撑要有一定的厚度硬度和透气性，确保乘坐人员的体重能够均匀地分布于坐骨结节区域。腰部支撑的位置应处于第3至第5腰椎部位，且支撑厚度以5 cm左右为宜。腰部支撑分机械支撑和空气支撑。机械支撑是通过机械装置支撑人体，支撑部位为刚性，舒适性差。图16 新型空气腰支撑装置Fig.16 The new air lumbar support device空气支撑是用空气气囊来支撑人体，通过气囊控制阀控制气囊的充放气，使腰部得到良好的保护和有效支撑。腰支撑气囊一般采用0.40.8mm厚的聚氯酯板经高频焊接而成，具有工艺简单、成本低、耐磨性好、耐老化使用寿命长等特点。目前已得到厂泛推广。腰支撑气囊控制阀除可以控制气囊的进排气外，还能起溢流保护的作用，即当气囊内压力超过气囊的额定压力时，气囊控制阀溢流卸压保证气囊的安全使用。目前的空气腰支撑装置图16该装置可以按定的顺序和频率有规律地对颈部、肩部、腰部等气囊进行充气、放气，利用气囊有规律的瘪或胀，实现对腰、肩，颈等部位的挤压，达到局部按摩的目的，大大提高了舒适性，同时通过齿轮和轴来控制。齿轮齿条的主要参数齿轮：Z1=20,m=2按b/d5=70/100=0.7，考虑齿轮悬臂布置，计算载荷系数 与相近，无须修正。所以齿轮齿条参数为：齿轮：轮毂直径d2=20mm，长度为20mm齿轮面宽为12mm。齿条：考虑到座椅的实际尺寸，其腰部支撑部位的靠背厚度不能超过120mm所以选齿条长度为100mm，其面宽度应和齿轮对应，也为12mm。 初定齿条齿距高度为20mm，嵌入模板里10mm周节数齿厚S=1.5708齿顶高h1=m=2齿根高齿工作高度齿全高座椅扶手的安装位置应符合人体坐姿时肘部的高度尺寸，一般安装在距座垫水平面高250 mm处。座椅扶手有固定式、角度可调式和可翻转式，可翻转式又有横向翻转式和纵向翻转式。(3)坐垫以及座椅的加热装置坐垫设计主要是坐垫和坐垫倾角的确定坐垫深度的设计是在充分利用靠背的情况下使臀部得到合理支撑。人体在合适的坐垫下，坐骨与小腿足部构成稳定的人体支撑。坐垫过大时，造成人体躯干相对前移，腰部得不到良好的支撑，引起疲劳；坐垫过小时，会因大腿得不到良好的支撑而感到不舒适：因此，坐垫度应按臀部至大腿表面全长的34设计图17，一般取400480mm。坐垫倾角应兼顾安全性和舒适性,一般为2o10o。图17 座椅加热装置Fig17 Seat heating device(4)头枕头枕是为提高汽车乘坐舒适性和安全性而设置的一种辅助装置。头枕的主要作用是保障安全，一旦汽车发生追尾碰撞，颈椎会承受到很大的加速度而容易伤害。有了头枕的承托，可以减少头部自由移动的空间，降低对颈椎的冲击力，起到避免或减轻乘员颈部受伤的作用。按照国家标准，汽车座椅头枕属汽车整车强制认证检测项目。车前排座椅应装有头枕。图18 WHIPS颈椎保护系统Fig18 WHIPS whiplash protection system头枕要起到保护颈椎的作用，正确的安装位置十分重要并加。头枕应该加安全带固定装置并在头枕中安装有空气弹簧如图20安装在至少与耳朵上缘平齐的地方，图19后脑与头枕之问的距离最好不要超过10cm。目前设计出一种为WHIPS颈椎保护系统(图18)，由一个安全头枕和一个设计合理可有效而均匀地承受乘员身体运动的椅背支撑结构，以及位于椅背和坐垫连接处的内置式能量吸收机构组成，具有均匀的支撑功能。一旦发生追尾撞车事故，椅背与乘员一起向后移动，在稍微向后倾斜前首先做平行运动。由于在椅背和坐垫之间的连接件上安装了可变形部件从头枕椅背到座垫连接成一体，给乘员的躯体有效支撑，从而进步减轻碰撞力对乘员背部的冲击。图19 座椅前部头枕Fig.19 Seat befoe the miniry of head restraints图20 安全带支架固定装置Fig.20 The seat belt bracket fixtures(5)座椅蒙皮图21 蒙皮加装 座椅前部Fig 21 Skin installation of the seat front of座椅蒙皮是包裹在座椅总成表面的层材料，它直接与乘员接触，一方面对座椅泡沫有保护作用。座椅蒙皮必须阻燃，其燃烧特性必须符台GB 8410199汽车内饰材料的燃烧特性要求如图21。(6)泡沫软垫目前坐垫、靠背缓冲用软垫基本上是由软质聚氨酯泡沫塑料发泡而成，在汽车上应用较多的是高回弹软质聚氨酯泡沫塑料。考虑到座椅的舒适性和人体坐姿时的体压分布，将泡沫软垫的密度设计为不同，即“软硬兼施。主要生产方法有2种，一是拼接法，将坐垫前端与大腿接触的部分用低硬度泡沫塑料，与坐骨处接触的部分用中硬度泡沫塑料，下部及两侧用高硬度泡沫塑料。这种方法工艺繁杂且效率低，一般极少采用。二是嵌件法图22，在浇注软垫时，在模具中相应部位放高密度泡沫塑料嵌件，然后在周围浇注低密度泡沫塑料。这种方法可以解决体压分布和横向支撑问题，并且工艺适合批量生产。图22 嵌件法坐垫横截面Fig.22 Insert seat cross section method(7)座椅骨架图23 座椅前部靠背骨架后面板Fig.23 Skeleton after the panel of the front of the backrest in the seat座椅骨架必须能够承受一定的载荷，通常所指的座椅强度其实就是座椅骨架的强度，它属于汽车整车强制认证检测项目之，应符合GB1 5083 1 994汽车座楠系统强度要求及实验方法的规定。靠背及坐垫骨架的形状，应以能满足人体生理特征、给驾驶人员提供安全和有效支撑为目的进行设计。例如：为了避免因靠背型芯偏软而造成的侧背支撑在急转弯时减小或失效在靠背骨架两侧加焊凸起的侧支撑板或支撑筋，将泡沫型芯加以支撑衬垫，保证支撑的有效性。为了保证驾驶员腰部、肩部有良好的支撑而在靠背骨架上设计出符台背部曲线的弧度。对于高靠背为使腰部、背部及肩部同时紧贴靠背，更好地起到支撑和安全保护作用，设计把靠背设计成上下两部分,并且角度可分别调整等。座椅骨架一般由钢质材料焊接而成图23，但在轻量化成为现代化汽车设计的新趋势下。汽车座椅薄型化显得非常重要，其中骨架是座椅薄型化的关键，骨架的材料也有所不同，热塑性塑料成型的座椅骨架和镁制座椅骨架正在推广应用。(8)电器驱动装置及选择大多数的调节器驱动是由连杆驱动的，它安装在座椅的前端坐垫下。一个手柄连接两个锁扣（每个滑道一个）进行驱动。这个手柄通常是一个横杆，只能进行两向调节。单边调节使用一个解锁手柄与一边的滑道连接，两个滑道通过一根钢丝或联动装置保持同步。单边调节用于两向滑道时解锁手柄的位置非常重要。坐在座椅上或者站在车门边都能方便地对座椅进行前后调节，在进出汽车时手柄阻碍腿脚，也不能兜挂裤脚、大衣等如图24。图24 电气驱动装置Fig.24 Electrical system and drive对于在和比较稳定，长期运转的机械，通常按照电机的额定动率进行选择，而不必校核电动机的发热和启动转矩，选择电动机容量时应保证电动机的额定功率Ped等于或稍大于工作机所需的电动机功率Pd，即：PedPd工作及所需电动机的功率为 Pd=Pw kw (4) 式中：Pw工作时的所需功率，指输入工作机轴的功率 由电动机至工作机的总效率工作机所需功率Pw，由工作机的工作阻力F和运动参数V 计算求得： (5)或 式中：F工作时的阻力N V工作机的线速度，如运输机输送带的线速度m/s T工作机的阻力矩Nm nw工作机的转速r/min在工作机实际需要的电动机输出功率PdPd=Pw=1.79020.246=7.28w (10)由于是双轴输出式直流电机所以总功率为Pw总=2Pd=14.56w，根据所计算出的功率和转速，所选电机如下：电机的型号：45sz21，电机的转速：600r/min，电机的功率：20w，电机的电压：12v(9)调节机构调节机构主要包括座椅高度调整机构前后位移调整机构(即座椅滑道)、靠背仰角调整机构(即调角器)及坐垫前倾角调整机构等。高度调整机构高度调整机构是调整座椅在车厢内垂直位置上下移动的机构，有机械调构控空气弹簧调整机构气动调整机构和电动调整机构等。高度调整的范围应根据人机工程学原理，以能满足大部分人群的使用要求为目标进行确定，一般调整范围为0100mm。滑道滑道是调整座椅在车厢纵向水平位置前后位移的机构，有单锁止滑道和双锁止滑道之分，滑道的选用一般根据锁止强度确定。例如：当安全带固定点不在座椅上时，一般选用单锁止滑道；当安全带固定点在座椅上时，选用双锁止滑道或加强双锁止滑道。滑道位移的尺寸即座椅前后调整的距离需根据相应人体尺寸和人机工程学原理确定， 般前后调整距离为0100 mm。调角器调角器是对靠背、坐垫夹角进行调整和锁止的机构。锁止强度必须能满足GB 1 5083 1 994汽车座椅系统强度要求及实验方法的规定。调角器分为机械调角器和电动调角器，机械调角器又包括机械板式调角器、机械杆式调角器、双联动调角器等。机械板式调角器一般是采用棘轮棘爪或齿条齿板工作原理及板簧式复位结构，最大能够实现范围有级调节及折叠，适用于各粪汽车驾驶员座椅。机械杆式调角器由可控气弹簧和连接件组成，适用于大客车乘客座椅。双联动调角器是指左右两套调整锁止机构在一套调整机构控制下同时动作，同时锁止具有锁止强度高等优点，适用于各类载重汽车驾驶员座椅。电动调角器般采用齿差行星齿轮传动原理或齿差双联摆线针轮行星齿轮传动原理，具有传动平稳、强度高、调解范围大等优点，适用于高档汽车驾驶员座椅。坐垫前倾角调整机构坐垫前倾角调整机构一般是机械调整机构，多采用安全可靠、结构简单的多杆机构。随着汽车工业的高速发展，人们对汽车座椅将提出越来越高的要求。为了进一步提高座椅的舒适性及安全性。全球各大汽车公司及汽车零部件公司也在持续不断地加大座椅的研发力度，在座椅的新结构、新工艺、新材料的研发及应用上下工夫，不断研制出各类悬架座椅、电动座椅、电脑记忆座椅等，按摩装置辅助冷热智能空调座椅等各类辅助装置也不断诞生。此外，采用环保织物作为座椅面料，也将成为一种新趋势。(10)减振机构座椅减振机构主要包括弹性元件和减振元件。弹性元件在机械悬架座椅中一般指弹簧，在空气悬架座椅中指空气气囊。它能产生使座椅恢复到初始位置的回复力。减振元件一般是指减振器，它设计有固有的阻尼值，阻尼值越大，阻尼力越大。对于座椅的振动来说，外力使座椅减振系统发生振动，弹性元件使座椅恢复到初始位置，阻尼力使振动衰减或消亡。在座椅设计时，必须对座椅的刚度、阻尼进行优化设计。在设计座椅刚度和阻尼时，要根据整车的振动特性充分考虑人体生理特点综合选择最佳值，使车身振动得到衰减。为了使设计的座椅阻尼和刚度能更台理地搭配，一般将座椅刚度和阻尼均设计为可调节式。图25 减振缓冲部件Fig.25 Damping buffer components例如：机械悬架座椅通过调整弹簧的预紧力来调整座椅的刚度，而空气悬架座椅则设计有高度控制阀，可以根据不同人的体重，自动调节空气气囊内的压力，达到调整座椅刚度的目的。设计一种空气悬架座椅除刚度可调外，阻尼也为无级可调，以适应不同的路况如图25。3.4 外观造型在进行外观造型设计时，主要针对座椅的尺寸，将人体的脊椎作为主要考虑对象。以设计能够减少人体颈椎、腰椎疲劳的座椅为标准，尽量使人在驾车途中保持脊椎的自然弯曲。座椅衬垫采用目前通常所采用的泡沫塑料。而座椅的表面曲线也用浇铸成型的泡沫塑料来实现。泡沫塑料的特点是：成型好、透气性好。座椅旆面采用棉织品。因为棉织品具有良好的弹性和伸缩性，而且耐磨，具有良好的透气性和透视性。这些特点较之皮革、人造革等材料都要好。另外有一点值得设计者注意的问题是，座椅需要有好的稳定性。皮革和人造革虽然比较美观，擦拭起来比较方便，但是皮革的防滑脱效果差，在车辆转弯或者紧急刹车的过程中给驾驶员带来不稳定的因素。所以综合考虑座椅饰面采用棉织品。外观造型从抽象到具体的思路展开。第一阶段：满足座椅的基本要求的座椅设计方案。第二阶段：满足人体外形尺寸的座椅设计方案。第三阶段：满足人体生理特性和生理曲线，满足不同人体的尺寸变化的可调。3.5 调节机构及金属件和机械机构主要调节机构为座椅靠背角度、座椅肩靠角度、头枕旋转可调、座椅腰靠气动可调。具体调节方式和范围如下图26和图27。(一）靠背与坐垫的夹角90o105o可调.(二)座椅肩靠角度可调，肩靠有150o的夹。(三)头枕旋转可调，动态可调，即可适应不同身高的驾驶者，也减轻了驾驶过程中由于座椅振动带来的疲劳。图26 座椅的完整模型Fig.26 The seat of the complete model3.6 外观尺寸表7 外观尺寸与设计依据Fig.7 Appearance size and design basis 单位：mm尺寸项目设计 设计依据靠背与座垫之间的夹角105o 驾驶室人体躯干与大腿夹角95o-120o座垫与水平面夹角 10度防止身体滑动的不稳定因素座垫深度450 人体坐姿座深(臀部至膝盖内侧)座垫高度385 人体坐姿小腿加足高，同时考虑膝关节舒适角度带来的尺寸变化(安装时考虑)靠背高度650 坐姿肩高，同时考虑坐姿眼高座垫宽度500 坐姿臀宽以及座垫侧面支撑不能压迫人体股骨靠背宽度480 与座垫宽度相同头枕高度680 人体坐姿颈椎高度腰靠高度260 人体坐姿腰椎高度图27 座椅与人体尺寸分析图Fig.27 Seat and body size analysid diagram4 主要结论和未来展望车身舒适性主要与座椅的设计有关，它比一般的工作座椅的设计要复杂的多通常包括静态舒适性、动态舒适性(又称为振动舒适性)、操作舒适性三个方面。在设计国内外座椅设计的基础上，对国内现有轿车进行了人机工程学的分析研究，发现了目前国内经济型轿车主要存在两方面的问题：(l)座椅尺寸靠国外引进，尺寸不合理；(2)座椅的调节机构大同小异，调节范围和功能不能满足人体舒适度的需要。针对这两个关键问题，并通过对于相关座椅的研究，作者从满足人体脊椎正常生理
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