（光学工程专业论文）基于人机工程和虚拟样机的轿车舒适性研究.pdf

独创性声明 8 i i ii l1 1 1 l l l li i 1 1 1 iii 18 7 9 7 4 3 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 摘要 近几年，我国汽车产销量每年以前所未有的速度增长，并连续两年稳居全球 汽车产销量的第一位，我国汽车市场在全球汽车市场中的分量举足轻重。 伴随着汽车市场空前繁荣的同时，我国汽车产业也存在着一些令人担忧的现 象，如汽车产能过剩，汽车企业的盲目扩张，汽车工业发展很大程度上依赖国外 技术，本国的优势民族品牌发展遇到技术限制瓶颈。要提高我国汽车产业的绝对 竞争力，除了要在自主知识产权和技术创新上下功夫外，还要在满足人们的舒适 性要求方面努力，使设计生产出的汽车更能符合人们各方面要求和人机工程原 理。 本论文主要选取对轿车舒适性影响较大的一个因素座椅作为研究轿车 振动方面的舒适性和轿车内部布置合理性方面的舒适性的结合点，研究座椅对轿 车中乘员尤其是驾驶员舒适性影响以及轿车内部布置中包括座椅布置的合理性 对人体舒适性的影响，探讨评价轿车的舒适性，并运用基于层次分析的多级模糊 评价法探索初步的综合评价方法。 本文以福特某款轿车为研究平台，首先对影响轿车舒适性的座椅进行了各方 面的研究，包括对座椅静态舒适性和动态舒适性的研究，并在这些研究的基础上 提出了满足人体乘坐舒适性的座椅人机工程设计方法，保证座椅的设计在人机工 程学的方面满足乘坐舒适性。在座椅人机工程设计满足乘坐舒适性从而保证轿车 在这方面舒适性的基础上，进一步将轿车模型简化为五自由度振动模型，保持轮 胎的刚度和阻尼、悬架系统的刚度和阻尼、悬挂质量和非悬挂质量比等不变，将 对轿车舒适性的研究集中到座椅参数对舒适性的影响上，只考虑座椅悬架阻尼和 刚度参数的变化对轿车舒适性的影响，通过在m a t l a b s i m u l i n k 中建立高斯 白噪声路面激励、除“人体座椅”外的其他轿车振动模型，并建立模糊控制 器对人体承受的振动加速度进行模糊控制，同时在a d a m s 软件中建立“人体一 一座椅”模型，通过两个软件的接1 3 设置将二者联合起来进行仿真，综合运用 m a t l a b s i m u l i n k 建模和仿真参数精确快速性、控制系统的精确灵活性和 a d a m s 建模参数设置简便性和仿真直观性的优点，对几组座椅参数进行了仿真分 析，从而得出影响轿车舒适性的座椅参数变化情况。然后本文从轿车内布置的方 面对轿车乘坐舒适性进行了研究，通过人机工程软件r a m s i s 分别布置了各种 踏板、方向盘、座椅等主要的影响人体乘坐和姿势角度舒适性的驾驶室部件，进 行一系列人机约束，进行了不舒适度计算，得出评价布置方面轿车舒适性的参数 表。最后本文从振动和人机工程两方面对轿车进行了基于层次分析法的舒适性模 糊联合评价，得出轿车舒适性的模糊评价结果。 关键词：轿车座椅虚拟样机人机工程联合评价 a b s tr a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ea u t o m o b i l ep r o d u c t i o ng r o w t hi no u r c o u n t r yw i t h u n p r e c e d e n t e ds p e e d ，t h ep r o d u c t i o na n ds a l e sv o l u m er a n k sf i r s tf o rt w oy e a r s ，t h e a u t o m o b i l em a r k e to fc h i n a o c c u p yad e c i s i v ep o s i t i o ni nt h eg l o b a la u t o m o b i l e m a r k e t w i t ht h ea u t o m o b i l em a r k e tw h i c hw a sn e v e rp r o s p e r i t yl i k et h i sb e f o r e ，c h i n a s a u t o m o t i v ei n d u s t r ya l s oe x i s t ss o m ea l a r m i n gp h e n o m e n o na tt h es a m et i m e ，s u c ha s c a re x c e s sc a p a c i t y , s o m ea u t oe n t e r p r i s e sb l i n de x p a n s i o n ，t h ed e v e l o p i n go f a u t o m o b i l ei n d u s t r yh a sa l a r g ee x t e n td e p e n do nf o r e i g nt e c h n o l o g y , o u rn a t i o n a l b r a n dw i t ha d v a n t a g et e c h n i c a lm e e tb o t t l e n e c kl i m i t a t i o n s t oi m p r o v et h e c o m p e t i t i v e n e s so fc h i n a sa u t o m o b i l ei n d u s t r y , w es h o u l dn o to n l ya b s o l u t e l ym a k e h a r dt od e v e l o po u ro w n i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t ya n dt e c h n o l o g yi n n o v a t i o n t e c h n o l o g y , b u ta l s ot od e v e l o p t h ec o m f o r tc a rt om e e tt h er e q u i r e m e n t si ns a t i s f y p e o p l e t h i st h e s i sm a i n l ys e l e c tt h ef a c t o rw h i c hh a sag r e a ti n f l u e n c eo nc a rc o m f o r t ， t h e nt h ec a rs e a t si ss e l e c t e da st h e j o i n to fc a rv i b r a t i o nc o m f o r ta n dc a ri n t e r i o r l a y o u tt or e s e a r c hi t si n f l u e n c eo fc o m f o r t o nt h ep e o p l ei nc a re s p e c i a l l yt h ed r i v e r a n dt h ec a ri n t e r i o rl a y o u tw h i c hi n c l u d et h er e a s o n a b l es e a tl a y o u t ，d i s c u s s e sa n d e v a l u a t et h ec o m f o r t ，t h e ne v a l u a t i o nt h ec a l c o m f o r tb a s e do nh i e r a r c h i c a la n a l y s i s m u l t i g r a d ef u z z ye v a l u a t i o nm e t h o dt oe x p l o r et h ep r e l i m i n a r yc o m p r e h e n s i v e m e t h o d t h i sp a p e rt a k e saf o r dc a rf o rs t u d yp l a t f o r m a tf i r s t ，i tr e s e a r c h e st h ei n f l u e n c e o ft h ec a rs e a t so nc a rc o m f o r t ，i n c l u d i n gv a r i o u sa s p e c t sl i k es e a ts t a t i cc o m f o r ta n d d y n a m i cc o m f o r t ，t h e ni tp u tf o r w a r do nt h es t u d i e sw h i c hs a t i s f i e sr i d ec o m f o r to f p e o p l ea st h eh u m a n s o l u t i o nd e s i g nm e t h o ds e a t s b a s e do nt h ee r g o n o m i c sd e s i g no f s e a t st og u a r a n t e e dc o m f o r t a b l e n e s sm e e t i n gs e a te r g o n o m i cc o m f o r t a b l e n e s st o e n s u r et h ec a r sm e e tt h ec o m f o r to f p e o p l e ，t h ec a r w a s s i m p l i f i e dt oaf i v ed o f v i b r a t i o nm o d e l ，k e e p i n gc h a n g e l e s so ft h et i r e sr i g i d i t ya n dd a m p i n g ，s u s p e n s i o n s y s t e mr i g i d i t ya n dd a m p i n g ，h a n g i n gq u a l i t ya n dt h eq u a l i t y , m a k i n gt h er e s e a r c ho f t h ec a rc o m f o r tf o c u so nt h ee f f e c to fs e a t sp a r a m e t e r s ，i to n l yc h a n g e s s u s p e n s i o n d a m p e ra n dr i g i d i t yo f t h es e a tw h i c hw i l li n f l u e n c eo fc a rc o m f o r t w ee s t a b l i s hw h i t e g a u s s i a nn o i s ep a v e m e n ta n dt h eo t h e rv i b r a t i o nm o d e l e x c e p t ”b o d y c a rs e a t ”p a r t i nm a t l a b s i m u l i n k , a n dc r e a t et h ef u z z yc o n t r o l l e rt om a k e f u z z yc o n t r o lo ft h e v i b r a t i o na c c e l e r a t i o no fh u m a n b o d y ，a n de s t a b l i s ht h e ”h u m a n s e a t ”m o d e lw i t h i l a d a m ss o f t w a r e ，t h et w os o f t w a r ew i l lb eu n i t et os i m u l a t et h r o u g hi n t e r f a c es e t t i n g s ， w e p r e f e rt h ea c c u r a t es i m u l a t i o np a r a m e t e r sp o w e ra n d c o n t r o ls y s t e ma c c u r a t e l y f l e x i b i l i t yo fm a t l a b s i m u l i n k , a n d t h e a d a m s s e t t i n gm o d e l i n gp a r a m e t e r s s i m p l i c i t ya d v a n t a g e s w em a k et h es i m u l a t i o na n a l y s i so f a g r o u po fs e a tp a r a m e t e r s ， t h u sc o n c l u d i n gt h ei n f l u e n c eo ft h ec h a n g i n gs e a t sp a r a m e t e ro nc a rc o m f o r t t h e n t h i sp a p e rr e s e a r c ht h er i d ec o m f o r tf r o mt h ea s p e c t so fc a r sl a y o u tt h es t e e r i n gw h e e l ， t h ev a r i o u sp e d a la n dt h es e a t sw i t hr a m s i sh u m a ns o l u t i o ns o f t w a r e a n dm a k ea s e r i e so fm a n - m a c h i n ec o n s t r a i n t ，t h e nc a l c u l a t et h en o tc o m f o r t ，a n dd e c o r a t et h e a s p e c t so fc a rc o m f o r te v a l u a t i o np a r a m e t e rt a b l e f i n a l l y , t h ep a p e r v i b r a t i o nm a k e sa j o i n te v a l u a t i o nw i t hm a n m a c h i n ep r o j e c to n t h et w oa s p e c t so fc a r sb a s e do nt h e a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) k e y w o r d s ：c a rs e a t v i r t u a lp r o t o t y p ee r g o n o m i cj o i n te v a l u a t i o n i l l 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 汽车行驶平顺性概念及研究对象1 1 2 人机工程学的概念及研究对象2 1 3 人机工程学与汽车舒适性结合研究及意义2 1 4 汽车座椅舒适性与人机工程学关系的研究3 1 4 1 汽车座椅舒适性的概念3 1 4 2 汽车座椅舒适性的国内外研究现状4 1 4 3 座椅舒适性与人机工程学的关系5 1 5 研究内容小结5 第2 章轿车座椅的舒适性研究6 2 1座椅的组成结构及分类6 2 2汽车座椅的功能及设计要求7 2 3轿车座椅结构对乘坐舒适性的影响7 2 4汽车座椅的人机工程设计8 2 4 1座椅的静态舒适性研究8 2 4 2座椅的动态特性研究。1 0 2 4 3人体座椅系统的参数选择1 2 2 4 4最终驾驶姿势1 2 第3 章基于a d a m s s i m u l i n k 的五自由度“人一车一座椅”联合建 模及模糊控制仿真1 4 3 ia d a m s 软件理论及其应用介绍1 4 3 1 1a d a m s 软件的特点1 4 3 1 2多刚体动力学方程的求解。1 5 3 2 - 分之一五自由度汽车振动系统建模1 8 3 2 1五自由度系统轿车模型1 8 3 2 2模型动力学方程的建立。1 9 3 3路面不平度激励的生成和表示方法2 2 3 3 1路面不平度序列的生成方法2 2 3 3 2路面不平度的表示方法2 2 3 4a d a m s s i m u l i k 联合建模及模糊控制2 4 3 5a d a m s 中的“人体一座椅”模型的建立2 5 3 6 轿车舒适性联合仿真分析。2 7 3 7 人体舒适性的评价3 6 第4 章轿车人机工程学研究4 0 4 1人机工程学的概念及发展历史4 0 i v 4 1 1 人机工程学的学科命名4 0 4 1 2 人机工程学的发展历史4 0 4 2人机工程程学的研究方法4 2 4 3 汽车人机工程研究辅助工具4 3 4 3 1人体模型数据和模板4 3 4 3 2汽车人机工程中的重要硬点和位置线4 5 4 3 3 驾驶员手伸及界面一4 7 4 4人机工程软件r a m s i s 简介4 7 4 5对某轿车的内布置及人机工程仿真4 8 4 5 1轿车内布置的一般步骤。4 8 4 6 轿车人机工程仿真5 2 4 6 1定义约束任务。5 2 4 6 2 进行约束仿真。5 3 第5 章基于层次分析法的多级模糊评价和常规数值型的驾驶员舒 适性联合评价5 5 5 1 模糊综合评价法概述5 5 5 1 1 建立权重集5 6 5 1 2 建立评价集5 6 5 2一级模糊综合评价5 6 5 3二级模糊综合评价5 7 5 4评价指标的处理方法。5 7 5 5轿车舒适性的多级模糊评价方法5 8 5 5 1建立汽车驾驶舒适性的多级模糊综合评价体系5 8 5 5 2影响舒适性的因素集的确定5 9 5 5 3建立评价集。6 l 5 6轿车驾驶舒适性的综合性评价一6 2 5 6 1多级模糊联合评价分析6 2 5 6 2常规数值型的联合评价分析6 3 第6 章总结与展望6 5 6 1全文总结6 5 6 2工作展望6 5 参考文献6 7 j l 筻谢7 ( ) v 武汉理t 大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 汽车行驶平顺性概念及研究对象 汽车行驶平顺性是指汽车在不平路面上行驶时，汽车会产生振动，保证汽车 在行驶过程中产生的振动对乘员舒适性的影响保持在一定限度之内的能力。对于 载货汽车还包括保持货车上货物完好的性能。汽车的平顺性主要由车上乘员的主 观感觉来评价，而人对振动的主观感觉是建立在对振动的不同频率、振动强度、 作用方向以及振动所持续时间的反应上的【1 1 。振动影响乘员的舒适性、工作效率 和身体健康，特别是对驾驶员的影响更为明显，因为驾驶员在复杂的操纵状态和 振动环境中保持良好的心理状态、敏感的反应能力和清晰的判断能力，对行驶的 安全是最为重要的。所以行驶平顺性以及乘员尤其是驾驶员的舒适性是现代汽车 行业发展追求的重要性能，也是汽车行驶安全性的重要保证1 2 j 。因此减小汽车行 驶过程中产生的振动对人体的影响，是汽车设计过程中一项极为重要的指标。汽 车行驶平顺性可由图1 - 1 所示的振动系统传递特性图来表示： 振动系统输出评价指标 输入弹性元件车身传至人体的加权加速度均 路面不平度阻尼元件加速度方根值 行驶速度质量系统构 悬架弹簧动挠度撞击悬架限位 成 车身与路面间动 窒 载行驶安全性 图1 - 1 振动系统传递特性图 汽车以一定车速通过不平的路面，从而产生输入，输入经过由具有刚度和阻 尼的轮胎、悬架系统、座椅系统等构成的振动系统一定程度的减振后，将振动加 速度传递到人体，人体通过主观感觉来评价汽车乘坐舒适性的好坏。汽车振动系 统的输出还要考虑到车身与地面间的动载荷，它影响车轮和地面间的接触程度， 从而影响操纵稳定性与行驶安全性。 研究汽车行驶平顺性的主要目的就是要减少由地面通过汽车的振动系统传 递到人体的振动加速度，从而减少人体的不舒适感觉，使这种不舒适感觉保持在 一定限度内。轮胎、悬架系统、座椅系统、簧载和非簧载质量的阻尼系数、刚度 系数及其物理结构参数的选取都对减振起着重要作用1 3 j 。 武汉理- i = 人学硕士学位论文 1 2 人机工程学的概念及研究对象 国际人机工程学会( i n t e r n a t i o n a le r g o n o m i c sa s s o c i a t i o n ，简称i e a ) 这么定 义人机工程学：“人机工程学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心 理学等方面的各种因素；研究人和机器及环境的相互作用；以及在工作中、家庭 生活中和休假时怎样统一考虑工作效率，人的健康、安全和舒适等问题的学科【4 1 。” 人机工程系统相互关系以及人机工程学科的构成如下图1 2 和图1 3 所示： 4 饧， 妒“ki k 。 视 图1 2 人机工程系统相互关系图1 3 人机工程学科的构成 人机工程学的研究对象是“人机环境 系统，简称人机系统。人机工程学 既要研究“人机环境 系统的各个组成部分的属性，更要着重研究“人机环 境 系统的总体属性，以及人、机、环境之间的相互关系的规律1 5 j 。对于轿车所 需要研究的人机工程学，则主要是指研究汽车内部布置如方向盘、操纵杆、油门 踏板、离合器踏板、制动器踏板、座椅等的布置位置需要满足驾驶员操作和乘坐 舒适性、方便性的需要，车内仪表板、各种旋钮、按钮、后视镜等的布置满足人 体视野条件的需要，车内部各种颜色和信号灯的设置要符合人体心理学、生理学 的习惯等。 1 3 人机工程学与汽车舒适性结合研究及意义 汽车悬架、车轮、座椅的阻尼、刚度、结构参数、汽车簧载质量和非簧载质 量比的合理选取是保证汽车行驶平顺性和人体乘坐舒适性的基于汽车自身结构 参数上的保证【6 】。而轿车内部布置的合理性对人体舒适性的影响也是很大的，所 以人体心理的、生理的舒适性是汽车内部布置合理性的保证，二者相结合，以汽 车座椅为结合点所得到的舒适性综合评价指标能够进步保证乘员特别是驾驶 员乘坐舒适性。 这样，综合轿车人机工程内布置、人体对座椅施加的力和驾驶员座椅系统的 质量分布、座面角度、坐挚选取、阻尼和刚度优化选取，可以从人机工程学及多 刚体动力学两方面保证轿车驾驶员乘坐和操纵的舒适性方便性，改变了以往只考 2 武汉理工人学硕士学位论文 虑其中一种或者无法将二者结合起来的状况，这样可以从人机工程和动力学两方 面同时改善驾驶员的乘坐舒适性和操作方便性，在汽车概念设计阶段即能保证很 好的舒适性，减少汽车研发周期，节省研发资金。 一般的轿车内布置和人体舒适性评价可以单独用人机工程原理在r a m s i s 软 件中进行的，轿车的振动分析和平顺性评价可以单独在a d a m s 软件中得出并优 化的，但是把这二者结合起来对人体舒适性和轿车平顺性做一个综合的相互的分 析，从人、机两方面同时保证轿车乘坐舒适性的研究至今还很少做过，本文章希 望做这方面的工作，将人、机的研究结合起来，使轿车的舒适性不仅满足平顺性 要求，而且同时满足人体舒适的要求。 1 4 汽车座椅舒适性与人机工程学关系的研究 1 4 1 汽车座椅舒适性的概念 交通事故统计资料分析表明，疲劳驾驶和醉酒驾驶是导致交通事故的两个重 要原因，轿车驾驶员座椅是影响驾驶与乘坐舒适程度的重要设施，轿车内布置的 合理性也是驾驶员舒适驾驶的重要保证，它对于减驾少驾驶员疲劳程度、降低交 通事故发生率起着重要作用。汽车驾驶员座椅设计优劣与否直接关系到驾驶舒适 性与安全性，而且由于座椅的舒适性和布置合理性直接影响到驾驶员的操纵状态 和身体疲劳程度，因此许多国家投入了巨大的人力物力在汽车座椅上，进行座椅 舒适性和安全性的研列7 】。所谓汽车座椅舒适性，实际上包括三方面的内容，即 操作舒适性、静态舒适性和动态舒适性，其中动态舒适性也称为振动舒适性【8 j 。 座椅的操作舒适性是驾驶员和乘员在车内正常活动( 如操纵方向盘) 的舒适 程度，主要与座椅和车内其它部件的布置有关。 座椅的静态舒适性是指座椅在静止状态下提供给人体的舒适特性，它通过设 计座椅使人体保持静态下的舒适坐姿、座椅靠背和坐垫上的体压分布合理、符合 人体基础数据和视觉美学等使座椅的设计满足人的生理和心理要求，为乘员提供 舒适、安全的驾驶和乘车条件，座椅静态舒适性特征如图1 4 所示。 3 武汉理：r 大学硕十学位论文 晦樯转惨 海i f l l 簪；掌 火捷 技f 限啊。 豹l 涮强牲t ：i 瀚瑗“ 舒：区搏轲囊f 豫甜乘船瓷铸 嚣瀚体j k 分勘 襁9 f l 韬祀r 潞澎 苷髋 外趱特r l ： 静 宓 射 绣 性 图1 4 座椅静态舒适性特征 动态舒适性是汽车在运动状态下通过座椅骨架及软垫将振动传递到人体的 舒适特性。汽车座椅的动态舒适性与座椅及人体的振动特性密切相关。来自路面 的振动或激励通过轮胎、汽车悬架及座椅三级减振环节传递到人体，每一部分的 传递特性都影响到乘员的舒适程度1 9 1 。 1 4 2 汽车座椅舒适性的国内外研究现状 西方发达国家投入巨大的人力、物力广泛开展与座椅适度相关的研究工作， 例如m e h t ac r 和t e w a r i 提出了一种建立在生物力学基础上进行舒适座椅设计 的基本模式【加1 ，如图1 5 所示。 图1 5 生物力学基础上的座椅设计的模式 美国r o h o 集团已经开发出一种车用充气坐垫，该坐垫长度和宽度各4 8 c m ， 质量为1 千克，坐垫中充气时最大高度为5 c m ；为了防止乘员完全陷入坐垫中， 当乘员的质量完全加载在坐垫上时，坐垫将通过某种原理使乘员和座椅之间保持 l c m 的距离，该坐垫所用材料为氯丁橡胶1 1 1 1 。 德国的座椅研究已经将座椅的安全性和舒适性进行完美结合，德国一家座椅 制造公司正尝试在座椅上安装安全带和安全气囊，而不是现代轿车普遍的在车门 或者车身上安装侧向的安全期让安全带，他们在座椅的底部增加了气囊式悬架结 构，保证在乘员在乘坐过程中的舒适性；将安全带安装在座椅上，能够引导乘员 在行程过程中系好安全带，而且所设计的安全带结构及其安装形式都有利于增加 乘坐舒适性。 在国内，关于人机工程的研究工作开展的比较晚。目前，我国在汽车座椅人 4 武汉理t ：火学硕士学位论文 机工程舒适性方面的研究虽然也很多，但是由于人机工程的研究起步比较晚，很 多比较有影响的数据和标准都是通过参考美国或者其他西方国家而得来的，比如 参考s a e 标准【1 2 】。近些年来，我国在这方面做出了很大的努力，进行了本国的 人体尺寸测量，而且将要进行第二次人体尺寸测量和统计，这将对我国人机工程 研究的发展、座椅的人机工程设计乃至整车的人机工程设计都产生极大地促进作 用【1 3 l 。 现代轿车的设计理念越来越转向满足乘员的安全性和舒适性，作为轿车与人 的直接结合点，座椅的舒适性和安全性已经成为高级轿车座椅的主要发展方向， 轿车座椅的轻量化和结构刚度、使用寿命的设计要求都成为轿车安全性的研究重 点，将人机工程学设计方法引入轿车座椅设计已经成为各国的轿车座椅重要设计 方法，在人机工程论研究和人体测量和姿势角度舒适性方面深入研究都成为轿车 舒适性改善的理论和方法准备。 1 4 3 座椅舒适性与人机工程学的关系 影响汽车座椅舒适性的因素很多，根据人机工程学原理从“人机环 系统 的思想出发，对影响驾驶座椅舒适性的因素进行系统分析。 人就是指驾驶员，是驾驶座椅的最终作用主体，也是对座椅舒适性作出评价 的主体，其生理因素以及心理因素都会影响对轿车舒适性的评价；机是指汽车的 座椅，是系统评价的客体，直接决定了座椅的舒适性；环境主要指车内环境对驾 驶舒适性的影响如振动、温湿度等。 汽车驾驶座椅的人机工程学设计目的就是使设计出来的座椅能够满足人机 工程学标准。因此汽车驾驶座椅人机工程学设计也可看作是针对驾驶员舒适性的设计。 1 5 研究内容小结 本论文的研究内容包括对汽车的座椅舒适性进行静态的、动态的、操纵性方 面的探讨，并得出符合人机工程的座椅的设计方法；对车身总布置方法和流程的 探讨，通过查阅相关资料以及通过所做项目罗列总布置的路径和一般注意事项； 由车身布置的由内向外方法先确定轿跑车中人体模型导入后的踵点，再确定人体 的h 点，得到人体在车中的最舒适角度，确定座椅的r 点；对人体进行左右手 脚的约束，并确定安全带的位置，以便研究确定车身内部的基本布置和人体的基 本坐姿；将人体舒适性评价和a d a m s 中对轿跑车座椅振动分析及平顺性评价结 合起来，优化座椅的刚度和阻尼参数，从而得到舒适性较高的轿跑车系列参数， 为轿跑车开发做出初步的方法创新。 5 武汉理： 人学硕士学位论文 第2 章轿车座椅的舒适性研究 轿车座椅的舒适性研究是一个系统的工程，一般的对轿车舒适性研究都集中 到对轮胎、悬架系统的刚度和阻尼的参数选择上，通过参数选择，讨论轿车在一 定路面上以某车速稳定行驶时，路面激励通过轮胎和悬架等系统的阻尼减振后传 至人体的加速度，但是通过讨论程座椅的人机工学设计和动态舒适性来改善轿车 舒适性的不是很多，第一章提出了从人机工程学方面着手设计座椅，后面将具体 的从座椅的结构、静态舒适性和动态舒适性等方面对座椅进行设计，已达到改善 轿车舒适性的目的。 2 1 座椅的组成结构及分类 汽车座椅作为驾驶室内的附件，是人和汽车接触的最多的部件，它主要用于 支撑乘员的质量，缓和、衰减有由车身传来的冲击和振动，给驾驶员提供良好的 工作条件，为乘客提供舒适和安全的乘坐条件【1 4 1 。座椅设计的好坏将对乘坐舒 适性、安全性和操纵方便性等产生很大的影响。本章从人机工程学角度来阐述相 关的设计内容和要求。 汽车座椅一般由头枕、骨架、底板、弹簧、衬垫、泡沫芯、蒙皮以及各种调 整机构组成。具体结构如下图2 1 所示： 鬃统 图2 - 1 汽车椅组成结构 近年来，随着汽车工业的发展，各国已经开发出各种具有特殊功能的座椅， 防下滑式座椅、如冷热可调式座椅、带电子记忆调节装置的座椅、空气悬挂座椅、 带按摩功能的座椅等，使轿车的乘坐舒适性、安全性及方便性得到了极大提高 【1 5 l 0 6 武汉理，1 ：人学硕士学位论文 2 2 汽车座椅的功能及设计要求 轿车座椅是轿车中连接汽车车身、乘员及驾驶员的重要部件，是轿车内部布 置舒适性和振动舒适性的重要结合点，汽车中座椅的主要作用是【1 6 】： ( 1 ) 通过座椅的水平和垂直调节在驾驶员的视野性方面提供良好的定位， 使驾驶员能够对车辆进行很好的控制； ( 2 ) 在人体的腰部和头部等重要或者易受伤害的部位提供适当的支撑使人 体保持一定的驾驶和乘坐舒适姿势，保证乘员在汽车行驶中的平稳性； ( 3 ) 为乘员提供安全舒适的车内环境，使驾驶员集中精力的进行操作，减 少和避免事故的发生，同时减少和衰减路面不平度传递到乘员的振动与冲击； ( 4 ) 汽车受到撞击时保护乘员免受或少受冲击，提高行车安全性。 根据座椅的功用及工作特点，对轿车座椅的设计有如下要求【r 飞 ( 1 ) 所设计的轿车座椅中满足静态舒适性。人体坐在座椅上时，具有合适 的坐姿。 ( 2 ) 设计的座椅需要有较好的动态舒适性，座椅悬架系统需要有合适的刚 度和阻尼系数，能够减少和衰减由车身传过来的激励。 ( 3 ) 座椅的要满足设计结构强度，在发生交通事故时，能尽量减少和避免 乘员的受伤，同时座椅还需要具有足够的使用寿命。 ( 4 ) 能保证驾驶员的视野性良好，车内操作的方便。 ( 5 ) 座椅外形及色彩美观大方，与车身内饰及整车外观相协调。 ( 6 ) 座椅制造工艺简单，质量小，成本低。 ( 7 ) 驾驶室内部布置时，座椅的布置及各应符合汽车的类型和功用及设计 的要求。 ( 8 ) 对于驾驶员座椅还需要能够进行适当的垂直方向和水平方向的调节。 2 3 轿车座椅结构对乘坐舒适性的影响 轿车座椅设计的优劣对驾驶员的乘坐舒适性会产生很大的影响，可以从如下 几个方面改善座椅的舒适性影响【培l ： ( 1 ) 椅面和靠背贴合度 汽车座椅的靠背形状应当与人体的背部形状相似，保证背部的良好贴合；座 椅的坐挚应当与人体臀部、大腿底面相贴合，从而使人体和座椅具有较好的人机 工程设计标准，提高汽车乘坐舒适性。 ( 2 ) 横向稳定性 汽车转弯时，和汽车车身一样，驾驶员也承受一定的横向加速度，为保持驾 7 武汉理：i = 人学硕十学位论文 驶员身体不至于偏离而影响操作，需要加宽加高座椅的两侧，提供侧向支撑。 ( 3 ) 腰背支承度 汽车座椅应能够提供形状和位置适宜的两点支承，在人体的第一和第二根胸 椎之间的高度上需要提供支承，这个支承就是肩靠，它能够减少人体颈部的变形； 在人体的腰部需要设置第二个支撑，即腰靠，它能保证驾驶员在乘坐姿势下保持 正常的腰曲弧线，从而提高驾驶员的乘坐舒适性。 2 4 汽车座椅的人机工程设计 2 4 1 座椅的静态舒适性研究 设计抗疲劳的符合人机工程原理等的汽车座椅，需要在座椅面高度、座椅面 深度、座椅面倾角等几个方面做好设计工作。 如图2 2 所示为汽车座椅各个设计物理参数的示意图： 图2 2 汽车座椅设计物理参数 a 椅面高度；b 椅面宽度；c 椅面深度； d 靠背高度；口靠背倾角；p 椅面倾角 ( 1 ) 椅面高度a 椅面高度应当满足当汽车驾驶员以舒适的坐姿坐在驾驶座椅上进行操作时， 能够保证方便操作方向盘，双脚可以平放在地板面上，大腿水平，且驾驶员站立 时座椅高度不超过其膝盖高度，大概低5 l o m m 。座椅的椅面高度一般选 3 5 0 4 5 0 m m ，最低不低于3 0 0 m m ，最高不得高于4 5 0 m m 。 现在座椅一般设计成了高度可调节的，以适应不同类型的坐姿需求。如下表 2 - 1 所示为轿车的座椅水平调节行程和垂直调节行程。 8 武汉理j r 大学硕士学位论文 表2 - 1 座椅水平调节和垂直调节行程 硬点名称a 型b 型 t h l 7 ( m m )0 旷一5 00 t l 2 3 ( m m ) = 1 0 0 = 1 0 0 a 4 0 l ( d e g r e e s ) 1 5 4 01 1 1 8 其中t h l 7 表示水平调节行程，t l 2 3 表示垂直调节行程。 ( 2 ) 座椅面宽度b 座椅坐面宽度的设定是依照人体的臀部宽度来设计的，在设计过程中，由于 个体的性别、体型的差异比较大，导致座椅宽度的统一设定并不容易，宽度可以 调节的座椅不仅设计困难，而且增加成本，因此一般座椅宽度只需将驾驶员的两 个小臂在垂直方向的投影长度包括在内，也可以稍宽些，便于驾驶员调整坐姿， 但不能过宽，否则会影响驾驶员的操纵方便性，座面宽度一般在4 5 0 m m - 5 0 0 m m 之间。 ( 3 ) 座椅深度c 座椅的深度不应超过驾驶员大腿的长度，否则无法充分利用靠背的支撑作 用，导致驾驶员的腰部和臀部得不到合理的支撑，而且座椅的前缘将可能压迫到 膝盖，膝盖的压力敏感部位会产生疼痛，降低了座椅的乘坐舒适性和稳定性。 ( 4 ) 座椅座面的倾角口 座椅座面的倾角是指座椅坐垫表面和水平面之间的夹角。如果增加座椅座面 倾角，人体臀部直接作用于坐垫的正向压力将会减小，而切向压力将会增加，所 以从人机工程学角度设计座椅时，轿车座椅椅面应该是前高后低的，这样就会保 证驾驶员坐在上面时，躯干稍向后倾，当驾驶员长时间坐在座椅上时，臀部不会 向前滑移，并能够方便地将背部靠向靠背，增加乘坐舒适性。轿车的椅面倾角用 a 4 0 表示，单位为度，一般来说，a 型车的椅面倾角为1 5 。4 0 。之间，b 型车 在1 1 。1 8 。之间，这样可以保证驾驶员既不会因刹车制动时过度前倾或者滑出 椅面，也可以保证加速或起动时不会过度后仰而影响操作安全【1 9 j 。 ( 5 ) 靠背的高度d 和宽度 座椅靠背的高、宽是和人体脊椎和身宽相关的物理参数，它由各种百分位的 驾驶员在各种驾驶姿势下的肩高和肩宽来决定，所以这个参数需要根据座椅的用 途确定，一般来说，座椅靠背的高宽不能对驾驶员的操作产生妨碍。 ( 6 ) 靠背倾角卢 靠背倾角是轿车座椅人机工程学设计过程中的一个很重要的参数，它是指座 椅靠背直线与座椅椅面平面之间的夹角，为保证乘坐姿势状态下脊椎的舒适形态 以及座椅本身的舒适性，座椅靠背倾角以1 1 7 。为宜i 删。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 座椅的动态特性研究 汽车的乘坐舒适性是汽车设计和开发中的重要问题，在某种程度上，汽车乘 坐舒适性的好坏是汽车设计成败的重要标志。汽车在行驶过程中，路面的不平度 激励会通过轮胎和悬架传到车身，进而通过车身传递给座椅，又通过座椅传递到 人体，这样人体产生的振动会引起乘坐舒适性的降低甚至恶化，所以汽车驾驶员 座椅除了需要考虑静态舒适特性以外，还需要考虑其动态舒适特性，使人体在振 动的环境中，通过座椅能减小振动，使座椅共振频率不在激振频率范围之内。 汽车的振动系统主要由车轮、悬架系统、座椅等弹性阻尼元件组成，为了降 低传到人体的振动，汽车设计人员一般会在选择轮胎的等效垂直刚度、悬架的刚 度和阻尼、座椅的悬架系统的刚度和阻尼、簧载质量和非簧载质量比等方面花很 大的功夫【2 1 1 。研究表明，减小轮胎的气压可以降低轮胎的垂直刚度，使用子午 线轮胎、减少悬架系统的垂直刚度、增加悬架阻尼也能够提高汽车的行驶平顺性， 但是另一方面，当悬架系统的垂直刚度减小后，汽车的动挠度增加，会增加撞击 限位块的频率，使得汽车的操纵稳定性降低，并产生制动时转向，因此这些性能 参数的改变对悬架的要求是矛盾的。相比之下，只有座椅的悬架系统刚度和阻尼 参数的改变对汽车的其他使用性能没有太大的影响，而且汽车座椅制造方便、周 期短、见效快，因此研究和改善汽车座椅的舒适特性对提高汽车的乘坐舒适性有 着十分重要的作用和意义【2 2 。 当把人体简化为一个质量为m ，的刚性体时，它就与座椅系统的弹性阻尼元 件组成一个单自由度子系统，而如果将其附加在“车轮一车身”系统双质量系统 上面，就构成了如图2 3 所示的振动系统。 c j z z j n j q 图2 3 三自由度振动系统 当人体质量m 。比车身质量m ：小得多时，可以忽略人体质量所产生的惯性力 m ，p 对车身质量m ：的影响，车身质量的垂直振动位移z ：就是人体座椅系统 的垂