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重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 1 汽车座椅设计毕业论文汽车座椅设计毕业论文 目 录 摘 要 3 ABSTRACTABSTRACT 4 第 1 章 绪 论 5 第第 2 章章 汽车座椅的相关介绍汽车座椅的相关介绍 6 2 1 汽车座椅的作用 性能及设计要求 6 2 1 1 汽车座椅的作用 6 2 1 2 汽车座椅的性能 6 2 1 3 汽车座椅的设计要求 7 2 2 汽车座椅的结构和分类 8 2 2 1 汽车座椅的结构 8 2 2 2 汽车座椅的分类 9 2 3 汽车座椅的研究现状及发展趋势 9 第 3 章 汽车座椅的理论研究与设计 11 3 1 汽车座椅设计的基本原则及依据 11 3 1 1 汽车座椅设计的基本原则 11 3 1 2 汽车座椅设计的基本依据 11 3 2 汽车座椅与人体生理学和解剖学相关研究 14 3 2 1 坐姿与座椅 14 3 2 2 舒适坐姿的生理特征 15 3 2 3 体压分布与坐姿疲劳 16 3 3 汽车座椅系统强度特性研究 17 3 3 1 座椅的静强度 17 3 3 2 座椅的冲击强度 19 3 3 3 座椅的疲劳强度 20 第 4 章 CATIA 制图软件的介 绍 21 第 5 章 长安 CM9 中排座椅的实际设计 22 5 1 汽车座椅用户需求分析 22 5 2 用户人体尺寸研究 22 5 2 1 人体静态尺寸 22 5 2 2 人体测量尺寸 23 5 3 人体坐姿功能尺寸 25 5 4 中排座椅的设计参数 26 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 2 5 4 1 决定座椅参数的基准 26 5 4 2 中排座椅设计的主要参数 26 5 5 汽车座椅的结构设计 29 5 6 汽车座椅的造型设计 31 第 6 章 座椅总成相关试验 41 6 1 汽车座椅系统强度要求及试验方法 41 6 1 1 主题内容与适用范围 41 6 1 2 引用标准 41 6 1 3 相关术语 41 6 1 4 强度要求 42 6 1 5 试验方法 42 6 2 汽车座椅头枕性能要求和试验方法 43 6 2 1 主要内容与通用范围 43 6 2 2 引用标准 43 6 2 3 相关术语 43 6 2 4 性能要求 44 6 2 5 试验方法 44 第第 7 章章 主要结论和未来展望主要结论和未来展望 46 致 谢 47 参考文献 48 附录 49 附录 A 插图清单 49 附录 B 表格清单 50 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 3 第 1 章 绪论 汽车座椅属于汽车的基本装置 是汽车的重要安全部件 在汽车中它将人体和车 身联系在一起 直接关系到乘员的驾乘舒适性和安全性 1886 年德国人戴姆勒制成了 最早的汽车座椅 其座垫是以棉花等软填料作为芯子 靠背是用木板和木条围成 一 百多年来 随着汽车的发展和人们要求的不断提高 汽车座椅已不再是单纯满足乘坐 和美观需要的车身部件 而是关系到汽车的驾乘舒适性和安全性 集人机工程学 机 械振动 控制工程等为一体的系统工程产品 随着我国汽车工业的迅猛发展 人们对汽车的乘坐舒适性及安全性等方面的要求 越来越高 其中 作为影响汽车舒适性和安全性的重要内饰部件 汽车座椅的设计 研发 已越来越引起汽车业界的重视 我国汽车工业产业部已将汽车座椅列为四十种 优先发展的关键零部件之一 汽车座椅是用来支撑成员的质量 缓和和衰减由车身传 来的冲击和振动 从而为乘员提供良好的工作条件 并为乘员创造舒适和安全的乘坐 条件 因此 座椅设计的好坏 对汽车的平顺性 乘坐舒适性 安全性及操纵方便性 等有很大的影响 必需要全面综合的考虑 才能设计生产出满足各方面要求的产品 作为连接部件的汽车座椅 对其性能要求越来越高 设计与研究领域十分广阔 本课题的主要任务是根据乘员的安全性 舒适性与座椅的动静态特性分析 对长安一 款微车的中排座椅进行结构设计 运用绘图软件绘制出中排座椅的三维实体造型 通 过查阅相关资料 对汽车座椅相关知识有了较深入的理解 并掌握了汽车座椅的设计 思路 选取长安一款微车 确定以其中排座椅为设计对象 了解并掌握了中排座椅的 靠背骨架总成结构与坐垫骨架总成结构 根据人机工程学原理 结合乘员的安全性与 舒适性 确定了汽车座椅的结构尺寸 学习三维制图软件 并绘制所设计座椅的三维 实体造型 本课题的内容可以归纳为以下几个方面 第一 在阅读大量文献的基础上 要求对汽车座椅材料有全面的了解 第二 对座椅各方面的性能进行研究与分析 第三 参考我国对座椅系统强度的法规要求 对座椅骨架的静态强度进行分析 第四 对长安微车的座椅骨架总成进行设计 第五 绘制汽车座椅的三维实体模型 第六 相关总成试验 本课题研究的意义 从社会的角度 汽车走进千家万户 人们对汽车的情感也有所转变 从以前的遥远 到现在的拥有 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 往往首先接触到的就是它的座椅 从人的角度 现代人越来越多地会与汽车接触 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 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 4 从经济和技术的角度 汽车制造业正在迅速地向数字化设计 制造和测试这种新方 式转化 在汽车产品开发 CAC CAM CAE PDM 环境下 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 本文的研究设计工作对于提高汽车座椅的安全性和舒适性有重要的意义 第 2 章 汽车座椅的相关介绍 2 1 汽车座椅的作用 性能及设计要求 2 1 1 汽车座椅的作用 座椅是汽车中将乘员与车身联系在一起的重要部件 其主要的作用是 1 为人体提供良好的支撑 座椅通过对人体提供合理的体压分布 在重要的人体结 构点上支撑人体 可以有效的保证人体在车辆行驶过程中的平稳 2 为驾驶员提供良好的定位 通过座椅对驾驶员的定位 可以使驾驶员获得良好的 视野 并实现了驾驶员对汽车方便的操纵 3 为乘员提供舒适的驾乘环境 座椅中各种人性化的附属设备以及豪华配置 减少 了路面对乘员的影响 缓和和衰减由车身传来的冲击和振动 能为乘员提供优越的驾 乘环境 4 在汽车受到撞击时最大限度的保护乘员的安全 合理的配置头枕和靠背的软垫 能有效的防止乘员的头颈部在汽车发生碰撞时受到伤害 简而言之 汽车座椅的功能为 在规定的条件下 能够为乘员提供舒适的环境并 保证乘员的安全 可见 座椅的安全性及舒适性是其最重要的功能 也是汽车座椅在 设计 研发过程中必须着重解决的问题 2 1 2 汽车座椅的性能 1 汽车座椅的舒适性 汽车乘坐的舒适性是汽车研发的重要课题之一 座椅的舒适性是汽车乘坐舒适性 的重要组成部分 包括静态舒适性 动态舒适性以及操作舒适性三方面内容 座椅的静态舒适性是指座椅在静止状下提供给人体的舒适特性 主要与座椅尺寸 参数 表面质量 调节特性等关 动态舒适性是指汽车在运动状态下通过座椅骨架以 及软垫将振动传递给人体的舒适特性 操作舒适性是乘员在车内正常活动 如操纵向 盘 的舒适程度 主要与座椅和车内其他部件的布置有关 1 汽车座椅的静态舒适性 人机工程学是根据人体解剖学 生理学 心理学等特征 了解并掌握其活动能力 及其极限 使生产器具 生活用具 工作环境等和人体功能相适应的科学 座椅静态 舒适性是人机工程学在座椅设计中的具体应用 它通过人体舒适坐姿 合理的体压分 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 5 布 人体测量的基本数据和视觉美学等方面使设计的座椅满足人的生理和心理要求 为乘员提供舒适 安全的驾驶和乘车环境 2 汽车座椅的动态舒适性 一般认为 人体对振动的反应可分为两个过程 一个是振动传递到人后引起的人 体各部位的振动响应 另一个是由于人体的振动响应而引起的生理反应 汽车座椅的 动态舒适性与座椅以及人体的振动特性密切相关 3 汽车座椅的操作舒适性 从座椅的操作舒适性角度考虑 座椅设计应该更趋于人性化 尽量为驾驶员和乘员 在整个过程中提供最舒适的工作和乘坐环境 一方面 就座椅的各种调节装置而言 应该是使操作更容易实现 并且更容易达到 另一方面 在保证静态舒适性的前提下 为驾驶员提供更为广阔的操作空间也将成为座椅操作舒适性研究的主要方向 2 汽车座椅的安全性 汽车座椅的安全性是指座椅能有效的预防事故的发生 并在事故发生时有效的减 轻乘员所受伤害的能力 根据座椅在碰撞事故发生时和发生后对减轻乘员伤害程度的 不同作用 可以将座椅的安全性分为主动安全性和被动安全性两个方面 1 汽车座椅的主动安全性 座椅的主动安全性是指座椅能够有效地防止事故发生的能力 座椅系统的设计与 驾驶员视野 驾驶员定位以及其它汽车控制系统功能的发挥息息相关 这些系统之间 配合的好坏也不同程度的影响座椅的主动安全性 应当指出的是 座椅的舒适性与主 动安全性有关 舒适的座椅可以为驾驶员提供一个良好的工作环境 使其心情愉快 精力集中 从而有效地防交通事故的发生 提高汽车的主动安全性 2 汽车座椅的被动安全性 座椅的被动安全性是指汽车发生了不可避免的交通事故后 能够对车内员进行保 护 避免其发生伤害或使伤害降到至最低程度的性能 一个好的汽车座椅要能够减轻 驾驶员及乘员的疲劳来满足主动安全性要求 更要有足够高的结构强度和刚度 以便 与安全带和安全气囊一起对乘员定位的同时缓和碰撞的强度 使乘员的损伤达到最小 在加强座椅结构本身吸能性的同时 人们开始研究把安全气囊安装在座椅靠背侧面 如图 2 1 所示 为乘员提供安全保护 这种带有安全气囊的座椅已经开始应用在 各种高档轿车中 图 2 1 带侧碰气囊的座椅 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 6 2 1 3 汽车座椅的设计要求 根据汽车座椅的功用及性能 有如下的设计要求 1 座椅的尺寸和形状应使人体具有合适的坐姿并符合国家标准 并能调整其尺寸与 位置来保证驾乘的舒适性 2 座椅应有良好的动态舒适性 以缓和与衰减车身传给人体的冲击和振动 使驾驶 员在各种道路条件下长期工作不感到疲劳或减轻疲劳 使乘员在行驶中感到舒适 3 座椅应有足够的强度和刚度 寿命长 并能在发生事故时尽量减少乘员的受伤程 度 即具有足够的座椅安全性 4 制造工艺简单 质量小 成本低 5 能保证视野良好 驾驶员工作时操作方便 座椅调节轻便 6 外形及色彩美观大方 与车身内饰及整车外观协调 7 座椅布置及性能应符合车辆用途及总体设计要求 2 2 汽车座椅的结构和分类 2 2 1 汽车座椅的结构 汽车座椅伴随着汽车的诞生而出现 一百多年来 随着汽车的发展和人们要求的 不断提高 汽车座椅已不是单纯满足乘坐和美观需要的车身部件 而是关系到汽车的 乘坐舒适性和安全性 集人机工程学 机械振动 控制工程等为一体的系统工程产品 汽车座椅一般由头枕 靠背 调节装置 座垫和座椅连接件等组成 汽车座椅骨 架是汽车座椅的基础结构 可分为靠背骨架和座垫骨架两部分 如下图 2 2 所示 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 7 图 2 2 汽车座椅结构示意图 座椅骨架常用轧制型材 钢管 型钢 制成或用钢板冲压焊接而成 并用螺钉直 接固定或通过座椅调节机构固定在车身上 座椅行程调节装置 靠背角度调节装置 限位装置等是与座椅相关的一些机械装置 其中座椅行程调节装置是安装在座垫骨架 和地板之间 调节座椅与地板的前后和上下位置的机械装置 靠背角度调节装置安装 在座垫骨架和靠背骨架之间 是用来调节座椅靠背角度的机械装置 2 2 2 汽车座椅的分类 座椅的分类方法很多 按功用可分为 驾驶员座椅 乘员座椅 儿童安全座椅 按形状可分为 分离式 戽斗式 半分离式 长凳式 按性能可分为 固定式 可拆 式 调节式 按乘坐人数可分为 单人 双人 多人等 近年来 随着汽车工业的发 展 陆续开发出许多具有特殊功能的座椅 如冷热可调式座椅 防下滑式座椅 带按 摩功能的座椅 带电子记忆调节装置座椅 空气悬挂式座椅等 使乘坐的舒适性 安 全性及方便性得到了提高 2 3 汽车座椅的研究现状及发展趋势 国外的座椅研究是伴随着汽车的诞生而开始的 经历了百余年的历史 发展非常 成熟 与座椅相关的安全标准和法规已经十分完善 早在 20 世纪 60 年代 国外许多 国家就已经制定出国家或行业内关于保证汽车座椅安全性能的各种法规和标准 如美 国强制执行的联邦机动车安全法规 FMVSS 和工商设备制造协会 BIFMA 的非强 制性法规等 并且研制出多种专用试验设备 我国的座椅安全性法规标准就是参考国 外的法规制定而成的 比较国外汽车座椅的研究状况 由于我国的汽车工业起步较晚 座椅的设计研究也比较落后 从严格意义上讲 我国的座椅研究是从 20 世纪 80 年代 开始的 经历了 20 多年的发展 目前国内已经有了很多座椅生产厂家 借助合资的优 势 他们掌握了部分设计和生产技术 但核心技术还是只有国外少数几家生产商掌握 国内的自主设计和研发仍停留在起步阶段 落后的设计方法是阻碍我国座椅发展的重要因素 目前国内许多的座椅生产厂商 还在继续沿用传统的串连生产方式 致使设计成本高 开发周期长 而一旦出现产品 质量不合格的情况 往往采取盲目加大管径 壁厚或板厚的办法 这种做法虽然能使 座椅薄弱部分的性能有所改变 但会使座椅强度和刚度余量偏大 造成不必要的材料 浪费 无形中提高了产品的成本 设计方法的落后还体现在座椅设计的辅助研究手段 上 目前仍有很多座椅设计和生产厂家不具备高水准的计算机辅助设计和辅助分析能 力 只能沿用传统的设计方法和流程 而且对座椅安全性的认识还只是停留在国家法 规要求上 阻碍了座椅设计的发展 我国的座椅安全性标准虽然是参考国外座椅标准 制定的 但内容相对简单 要求也偏低 以座椅总成静强度为例 我国标准中要求座 椅总成能承受 20 倍总成重力的载荷 而德国的企业标准中有的则要求其能够承受 24 倍甚至更高的总成重力的载荷 针对承受冲击时的座椅安全性 国外已经开展了相关 的研究 而我国的一些企业由于对座椅研发重视不够 尚未开展专门的研究 这不仅 给座椅的安全带来隐患 而且制约了座椅的发展 随着现代汽车设计对安全 环保和 节能的要求 在保证汽车座椅安全性的基础上 国外座椅结构设计也开始向轻量化 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 8 低成本的方向发展 越来越多的新制造技术和轻质材料开始广泛的应用于现代汽车座 椅设计 因此 我国的座椅安全性研究急需大量技术和资金的投入 才能缩小与先进 水平的差距 开发出适合我国生产现状的安全 轻量 低成本的座椅 图 2 3 整体约束式汽车座椅 目前汽车座椅在国际上的发展趋势 1 电动座椅 电动座椅实际上是将座椅的各种调节机构由手动操纵改变为电动操纵的 座椅 电动座椅中布置有多台电机 电机带动传动机构 使座椅相应的部位产生位移 实现座椅位置的前后 上下 倾斜调整 电动座椅用按钮代替手柄 因而极大的提高 了轻便性和方便性 应用日益广泛 2 悬挂座椅 悬挂座椅是在座椅与地板之间增设一悬挂装置 悬挂装置用以缓解座椅 的振动 悬挂装置由缓冲元件 减振元件及定位元件组成 缓冲元件有钢板弹簧及螺 旋弹簧等 3 记忆座椅 电动座椅与微机相结合 实现了座椅的记忆功能 由微机实现对座椅的 控制反馈功能 当乘员乘坐时将调整好的座椅位置存储入微机 当再次乘坐时 可以 自动调节到所需要的状态而不必进行重新调整 4 轻量型座椅 轻量型座椅去除了座椅的一些传统零件 利用积压成型的铝件和高强 度的刚件保证了座椅的轻量化和结构的坚固性 座椅表面采用开式网状材料 替代了 传统的聚氨脂泡沫塑料 装饰物和悬架零件 轻量型座椅的重量可以控制在 10kg 以内 使用轻量型座椅 不但可以节省车内空间来安装其他功能件 而且其安全性也优于传 统座椅 并提高了汽车的燃油经济性 5 安全座椅 安全座椅可以称之为动态座椅 普通座椅一般只考虑了舒适性 对于撞 车时的动态状况不能做出任何反应 而安全座椅则可以在撞车时设法使乘员随座椅主 动运动 如瑞典沃尔沃公司研究开发的可以保护乘员头颈的座椅 汽车追尾时 该种 座椅靠背和靠枕向后平行运动 使乘员头部和上身处于平衡状态 并减少身体向后倾 斜出现的向前回弹 在整个过程中 座椅传递的力都相当柔和 随着汽车工业的高速发展 人们对汽车座椅的要求也会越来越高 为了进一步提 高座椅的舒适性及安全性 全球各大汽车公司以及汽车零部件商也在持续不断地加大 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 9 对座椅的研发力度 在座椅的新结构 新工艺 新材料的研发及应用上狠下工夫 研 制出了各类悬架座椅 电动座椅 电脑记忆座椅等新型座椅 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 第 3 章 汽车座椅的理论研究与设计 3 1 汽车座椅设计的基本原则及依据 汽车座椅设计是一项复杂的系统工程 它涉及机械 化工 纺织 喷涂 热处理 美学 力学 人机工程学等多门学科 设计时应依据人机工程学原理综合考虑座椅的 舒适性 减振性 安全性以及座椅的合理布置 此外 还要考虑人体生理特征及尺寸 进行量身定做 以提高座椅的乘坐舒适性 3 1 1 汽车座椅设计的基本原则 1 安全性 座椅设计时首先要绝对保证驾乘者的安全 这就要求座椅要有足够的强度 在发 生碰撞时 座椅就能够减轻事故对乘坐者造成的伤害 并能起到一定的保护作用 2 操纵方便 设计的座椅还需操纵方便 调整手柄和按钮的布置必须在驾乘者伸手能及的位置 并符合常人的习惯且操纵力量适中 3 乘坐舒适 设计的座椅必须能使乘客保持良好的坐姿 使其脊柱自然弯曲 保证合理的体压 分布并使其肌肉松弛 血液循环正常 并具有腰椎依托感 腰背部贴和感和侧向稳定 感 能有效隔离或衰减路面产生的振动 满足大多数驾乘者坐姿舒适性的要求 座椅的尺寸须参照人体测量学数据 与就座者的人体测量尺寸相适宜 座椅的靠 背结构和尺寸应给予腰部以充分的支撑 使脊柱接近于自然弯曲状态 椅面需有足够 的垫料和适当的硬度 保证身体的主要重量由臀部坐骨承担 并使其有助于体重压力 均匀地分布于坐骨附近区域 座椅前缘处 大腿与椅子之间压力应尽量减少 座椅应 能使就坐者方便地变换坐姿 灵活平稳地进行体态自动调节 但必须防止滑脱 座椅 的形状和尺度与其功用有关 汽车座椅部件主要包括座垫 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 座垫 靠背的造形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 通过对座椅靠背的 前后 上下倾斜角度 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 3 1 2 汽车座椅设计的基本依据 1 靠背 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 10 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 形状符合人体 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 使驾乘人员保 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 靠背的高度和宽度一般分别为 600 mm 和 480 mm 不同的靠背倾角会导致不同的椎间盘 压力及背部肌肉负荷 当靠背倾角超过 110 时 椎间盘压力显著减小 所以设计时应 考虑合理的靠背倾角 为了提高舒适性 满足驾乘人员在休息时的需求 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 100 115 大客车为 95 135 轿车为 80 170 此外 腰部支撑和扶手也可以减少椎间盘的压力 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 分布于座盆区域 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 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 4 0 8mm 厚 的聚氨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 目前已得到广泛推广 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 目前我国新开发出一种新型空气腰支撑装置 该装置可以按一 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 2 座垫 座垫设计主要是座垫深度和坐垫倾角的确定 座垫深度的设计原则是在充分利用 靠背的情况下 使臀部得到合理支撑 人体在坐姿状态下 坐骨与小腿足部构成稳定 的人体支撑 座垫深度过大时 造成人体躯干相对前移 腰部得不到良好的支撑 引 起疲劳 座垫深度过小时 会因大腿得不到良好的支撑而感到不舒适 因此 座垫的 深度应按臀部至大腿表面全长的 3 4 设计 一般取 400 480mm 座垫的倾角应兼顾安 全性和舒适性 一般为 2 10 3 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之 一 汽车前排座椅应装有头枕 头枕要起到保护颈椎的作用 正确的安装位置十分重 要 头枕应该安装在至少与耳朵上缘平齐的地方 后脑与头枕之间的距离最好不要超 过 10 cm 目前 VOLVO 公司首先在 S80 型车上推出了一种称为 WHIPS 颈椎保护系统 图 3 1 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 在稍微向后倾斜之前首先做 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 从而进一步减轻碰撞力对乘员背部的冲击 4 座椅蒙皮 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 11 座椅蒙皮是包裹在座椅总成表面的一层材料 它直接与乘员接触 一方面对座椅 泡沫有保护作用 同时又可直接体现设计者的设计意图 座椅蒙皮必须阻燃 其燃烧 特性必须符合 GB 8410 1994 汽车内饰材料的燃烧特性 要求 图 3 1 WHIPS 颈椎保护系统 5 泡沫软垫 目前座垫 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 需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 将座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 3 2 在浇注软垫时 在模具中相应部位放入高密度泡沫塑 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 3 2 嵌件法座垫横截面 6 座椅骨架 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一 应符合 GB15083 1994 汽车座椅系统强 度要求及实验方法 的规定 靠背及座垫骨架的形状 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 图 2 3 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合背部曲线的弧度 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 设计师把靠背设计成上 下 2 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 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 7 减振机构 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 12 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合理地搭配 工程师们一般 将座椅刚度和阻尼均设计为可调节式 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 格拉默公司生产的新型 Kingman 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 8 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 及座垫前倾角调整机构等 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 有机械调整机构 可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 0 100 mm 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 一般前后调整距离为 0 100 mm 调角器是对靠背 座垫夹角进行调整和锁止的机构 锁止强度必须能 满足 GB 15083 1994 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 180 范围有级调节及折叠 适用于各类汽车驾驶员座椅 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 电动调角器一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 座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 3 2 汽车座椅与人体生理学和解剖学相关研究 3 2 1 坐姿与座椅 坐姿是人体较自然的姿势 也是进行各种操作经常采用的姿势 座椅与人们的生 活息息相关 无论是工作 学习 出门旅行 在家休息都离不开座椅 人的坐姿是个 相当复杂的问题 虽然座椅伴随人类的生活己经有几千年的历史了 但是关于座椅的 设计问题至今仍然是值得研究的课题 在生物学中 当我们坐着时 人的身体由脊椎 胯骨 腿和脚支撑 主要用来支 撑人体重量的关节为胯骨和腰椎 腰椎的第三 第四腰椎为整个脊椎骨中受力最大的 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 13 部位 所以腰椎也就比上方的椎骨大而且硬得多 坐姿时 尾椎将受到压力而往前弯 有缓冲震荡的作用 坐骨构成了胯骨最下方的部位 其后下方的坐骨结节为 L 字母形 状 当我们坐着的时候 此处往下顶住来支撑身体的重量 长期的姿势不良 受伤或 者疾病 伤害就会发生在脊椎弯曲的地方 如胸弯过分弯曲就会造成圆肩或驼背 腰部 脊椎过分弯曲 会造成脊椎的侧弯或是脊椎的前凸症 后凸症 当我们坐在椅子上时 若坐姿不良 骨盆很容易下陷 仔细摸骨盆两侧 发现整 个骨盆往后倾 整个人会感到胸廓与腰杆交界处造成腰酸背疼 驼背 长期使用电脑 的上班族而言 坐姿不良通常是造成腰酸背疼得最主要的凶手 我们的脊椎在坐姿情 况下就像是一根杠杆 如果头部向前倾 为了支撑前倾的头部 骨头的韧带就会产生 一个拉力 当力量超过韧带所能负荷的范围 这个力量就会转移到背后的肌肉上 于 是肌肉便持续暴露在张力之下 久而久之 就会出现颈部 背部 腰部肌肉酸痛的症 状 3 2 2 舒适坐姿的生理特征 坐姿状态下 支撑身体的是脊柱 骨盆 腿和脚 脊柱是人体的主要支柱 由 24 节椎 骨以及 5 块骸骨和 4 块尾骨连结组成 如图 3 3 所示 其中椎骨自上而下又分为颈椎 共 7 节 胸椎 共 12 节 腰椎 共 5 节 三部分 每两节椎骨之间由软骨组织和韧带相 联系 使人体得以进行屈伸 侧曲和扭转动作等有限度的活动 颈椎支撑头部 肋椎 与肋骨构成胸腔 腰椎 骸骨和椎间盘承担人体坐姿的主要负荷 图 3 3 人体脊椎构造 图 3 4 人体在各种不同状态下腰椎弯曲形状 由于各节椎骨所承受的重量自上到下逐节增加 因而椎骨由上往下逐渐变粗变 大 腰椎部分承担体重最大 所以腰椎也最粗大 这就是脊柱的基本生理形态 由于 腰椎几乎承受着人的上体的全部重量 并且要实现弯腰 侧曲 扭转等人体运动 所 以最容易损伤或腰曲变形 从侧面观察脊柱 可看到脊柱呈现颈 胸 腰 骸四个弯曲部位 其中颈曲和腰 曲凸向前 胸曲和骸曲凸向后 成年人脊柱的自然弯曲弧形应如图 3 4 所示 在此情 况下 椎骨的支承表面相互位置正常 椎间盘没有错位的趋势 一旦人体改变这种自 然弯曲状态 就会引起惟间盘压力改变 致使腰部疼痛 图 3 2 所示为人体在各种不同姿势下的腰椎弯曲形状 曲线 B 表示人体松弛侧卧 时 脊柱呈自然弯曲状态 曲线 C 是最接近人体脊柱自然弯曲状态的坐姿 曲线万是当人 体的躯干与大腿的夹角呈 900 时情形 此时脊柱严重变形 椎间盘上的压力不能正常 分布 因此 欲使坐姿能形成接近正常的脊柱自然弯曲形态 躯干与大腿之间必须有 大约 135 的夹角 并且座椅的设计应使坐者的腰部有适当的支撑 以便腰曲弧形自然 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 14 弯曲 腰背肌肉处于放松状态 人坐着时 大腿和上身的重量必须由座椅来支承 人体结构在骨盆下面有两块圆 骨 称为坐骨结节 如图 2 5 所示 这两块小面积能够支持大部分上身的重量 覆盖 在它们外面的皮肤能获得丰富的动脉血液供应 就象脚底一样 而在臀部的边缘部分 血液循环则大不一样 在这部分静脉较多 包含较少的氧 当人坐着的时候 覆盖着坐 骨结节的皮肤能够更好地经受住持久的压力 因此 座面上的臀部压力分布是在坐骨 结节处最大 由此向外压力逐渐减小 直至与座而前缘接触的大腿下部 压力为最小 座垫的柔软程度要适当 坐骨部分的座垫应当是支承性的 它要承受加在座位上的大 约 60 的重量 而其余部分则应当比它更柔软些 以便能够把重量分布在更大约面积 上 座椅靠背上的压力分布 应当是肩脚骨和腰椎骨两个部位最高 此即靠背设计中 所谓的 两点支承 准则 靠背的两点支承中 上支承点为肩脚骨提供凭靠 称为肩 靠 其位置相当于第 5 6 节胸椎之间的高度 下支承点为腰曲部分提供凭靠 称为腰靠 其位置相当于第 4 5 节腰椎之间的高度 不同用途的座椅 两点支承的作用是不一样 的 休息用的座椅 体 腿夹角较大 舒适角度约为 115 度 坐着时身体向后倾斜 只 要肩部分支承稳靠 没有腰靠也能得到舒适的坐姿 因此是以肩靠起主要作用 而一般 操作用座椅 由于操作的要求 身体需要略向前倾 肩胖骨部分几乎接触不到靠背 因此只有腰靠起支撑作用 一般无需设置肩靠 腰靠支承是使背疼和疲劳减到最轻的 主要措施 否则 将只靠肌肉来维持腰曲弧形 势必引起腰部肌肉疲劳和损伤 考虑 到人的身材高矮不同 腰部的位置差别较大 对某些重要的操作座椅 应当具有能调 节腰靠位置的装置 有条件的话 最好还要有能调节腰靠凸起形状的装置 腿的主动脉紧靠着大腿下表面和膝盖的后面 在这个部位上 任何持续的压力都 会给人造成极端的不好适和肿胀感觉需要借助于适当减短座深 把座垫前缘修圆和采 用较软的泡沫塑料座垫等措施来防止发生这种情况 同时 还要使座面离地板的高度 足够低 以便使脚能踩着地板 让人的这个重要部位感觉不到有任何压力 坐骨下面 的座面应当近似是水平的 图 3 5 表示带有股骨的骨盆部位的前视图 股骨在股节中 从连接骨盆的球孔向外伸去 用平的座位 股骨的这一部分在坐骨平面之上 因此不 承受过分的压迫 但是 如果座面是斗形的 则弯曲的座面会使股骨趋于向上转动 箭 头所示 而受载 造成盟邦肌肉承受反常的压迫 从而引起不舒适感 故需注意避免采 用斗形座面 应当注意 斗形的座面不论从什么观点看 都是不适用的 因为它不能 适应人体大小的整个系列 它还把身体重量平均地分配在整个臀部 而不是让较多的 重量集中在坐骨下面 当人长时间坐在一个位置不动而出现肌肉紧张时 稍稍转换身 体位置可以促进生物电的活动 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 15 图 3 5 股骨正常位置 座椅的设计必须能让人经常地改变自己的姿势和位置 以便减轻压力和活动伸展 各部分肌肉 3 2 3 体压分布与坐姿疲劳 人在坐姿状态下 体重作用在座面和靠背上的压力分布称为坐态体压分布 它与 坐姿及座椅的结构密切相关 对于体压的研究是目前人们对座椅进行研究的主要方法 和参数 体压分布的测量一般采用等高线的形式反映压力分布状况 a 靠背 b 座垫 图 3 6 人体在靠背和座垫上最适宜的体压分布 就座者的骨盆可以比喻为倒立的锥体 与椅面接触的主要是臀部两块薄肌肉层下 的坐骨 人体大约 75 的重量需由骨盆下两块面积为 25cm2左右的坐骨支点 薄肌肉层 支承 承受 由坐骨向外 压力逐渐减少 为了减少臀部下部的压力 座面一般应设计 成软垫 其柔软程度以使坐骨出支承人体的 60 左右的重量为宜 采用软性坐垫 增 大臀部与座面的接触面积 就改善了这种压力集中的现象 使整个臀部均承担体重的 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 16 压力 减缓坐骨下支点处的疲劳 从而可以延长就座时间 但是 不论什么座面 保 持一种固定的坐姿时间过长 臀部细血管内参加循环的血液量就会减少 控制身体下 部生理机能的功能将会下降 这种持续的复合作用在肌肉上会引起挤压疲劳 只有不 断地活动身体才能使身体的各个部分延迟疲劳的到来 对于腰肌也是这样 尽管不同 的坐姿对腰椎弯曲形状的影响不同 有的小些有的大些 但是不论哪种姿势 长时间 采取一种坐姿总会产生静力疲劳 因此 任何一种座椅在设计时都应考虑变换坐姿的 可能性 人体与座椅之间的压力分布称为坐姿的体压分 布 坐姿的体压分布是影响乘坐舒适性的重要因素 人就坐时 身体重量的大部分 约 80 经过臀部 背部隆起部分及其附着的肌肉压在坐椅面上 图 3 7 为座椅各部位的受力分布 图 3 7 座椅各部位的受力分布 3 3 汽车座椅系统强度特性研究 汽车座椅的强度特性是影响座椅安全性的主要因素 汽车座椅强度直接关系到座 椅的安全性 是座椅安全性设计的首要内容 汽车行驶中 座椅要承受复杂的载荷 汽车座椅必须有足够的强度 以确保座椅上的人所受的伤害最小 座椅的寿命应该足够 长 不至于过早变形或损坏 受冲击载荷作用时 座椅不应发生断裂 严重变形等损坏 现象 从座椅所受载荷的形式上分 汽车座椅的强度可分为座椅的静强度 冲击强度 和疲劳强度 座椅静强度特性直接影响座椅的安全性和乘坐舒适性 是座椅设计中的 重要问题 在静态载荷作用下 座椅软垫对强度特性的影响很小 因此座椅的静强度 特性主要是针对座椅骨架而言的 3 3 1 座椅的静强度 汽车座椅承受的载荷在实际工况中非常复杂 很难在试验室中再现 于是人们以 静态加载的方式将各种工况折算为一种极限载荷来研究座椅的承载能力 各国的座椅 强度标准中都规定了座椅必须达到的静强度要求来作为衡量承载能力的统一标准 由 于在静态载荷作用下软垫的影响很小 所以座椅静强度问题的研究主要集中于座椅骨 架结构形式和材料两个方面 在传统的整体式座椅结构中 靠背骨架通过座垫骨架与 滑道相连接 当靠背承受载荷时 力的传递路径过于复杂 八十年代末期出现的分离式 座椅骨架结构将靠背骨架直接与滑道相连 不但可以简化载荷的传递路径 可以有效 地提高座椅静强度 尤其适合于整体约束式座椅的设计 根据座椅骨架结构的应力分 布情况 设计人员可以采用合理的截面形式 在保证强度的前提下降低座椅的重量 为了达到这一目的 现代汽车座椅中除了采用异型截面薄壁杆件外 越来越多的使用 了复合材料 例如用镁合金作为座椅骨架的主要材料 在满足强度要求的条件下 总 重量可以降低 40 约 5 5kg 1 座椅系统静强度法规 汽车座椅的静强度是指座椅承受静态载荷的能力 它是对座椅结构提出的基本强 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 17 度要求 作为联系人与车的一个重要部件 座椅承受着复杂的载荷 一方面 由于路 面的凸凹不平 汽车行驶时车体产生的随机振动对汽车座椅产生随机动载荷 另一方面 汽车行驶中要经历起步 加速 制动等复杂工况 汽车座椅因此承受着很大的冲击载 荷 由于在试验室中很难再现这些复杂工况 研究人员将各种工况的极限情况折算为 等效的静态载荷 作为评定座椅承载性能的标准 1 座椅总成静强度标准 欧洲从 20 世纪 60 年代后期开始制定被动安全性法规 ECE o ECE 法规是参照美 国法规并根据欧洲人自身的特点加以修正 也是目前世界上比较完善的被动安全法规 体系 在 ECE 法规中 除 ECER17 汽车座椅 头枕和固定装置规定 外 还有一些关 于客车座椅系统 ECER80 等与汽车座椅相关法规 美国是最早研究汽车被动安全性的国家 迄今为止 在联邦机动车安全法规 FMVSS 中 有关被动安全的法规有 26 项 其中与座椅相关的法规有两项 分别为 FMVSS207 座椅系统标准和 FMVSS202 头部约束标准 对于座椅总成静强度 FMVSS 207 中规定在座椅总成质心处水平向前 向后对其施加 20 倍座椅总质量的载荷时 座 椅应能承受以上载荷 对于座椅总成 GB15083 一 1994 中规定 通过座椅质心 如图 3 8 分别沿水平向前和向后各施加相当于座椅总成重量 20 倍的力 座椅总成与车身本体 不得分离 对于可调式座椅 调节装置在试验中能使座椅保持原调节位置 在试验后 允许失去调节能力 图 3 8 座椅总成静强度法规规定加载示意图 2 座椅靠背静强度标准 对于座椅靠背 在 FMVSS207 中规定 当对座椅靠背施加 372Nm 的载荷 座椅应 能承受以上载荷 ECER17 中规定 对座椅靠背施加 530Nm 的载荷 座椅应能承受以上 载荷 试验后及试验中 座椅骨架 座椅固定点及位移系统 调节系统或锁止系统不得 失效 在我国标准 GB15083 一 1994 中规定 当座椅总成承受一个相对于座椅 R 点为 373Nm 力矩的力时 如图 3 9 所示 座椅骨架不应损坏并座椅总成与车身本体不应分离 对于可调式座椅 调节装置在试验中应能保持原调节位置 在试验后允许失去调节能 力 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 18 图 3 9 座椅靠背静强度法规规定加载示意图 3 座椅头枕静强度标准 座椅头枕是汽车座椅重要的安全部件 因此各国对座椅总成强度制定相关法规的 同时 对座椅头枕的后移量和静强度做了单独详细的规定 对于座椅头枕后移量 FMVSS202 中规定 头枕在承受相对于座椅参考点 R 点 大小为 372N m 的力矩时 头 枕的最大后移量不应超过 102mm ECER25 中规定 对座椅头枕施加相对于座椅参考点 R 点 大小为 373N m 的力矩 的同时 座椅的靠背也应同时承受相对于座椅参考点 R 点 大小为 373N m 的力矩 此时座椅头枕的后移量不应超过 102 mm o 我国 GB 11550 1995 中规定 用假背对座椅 加载 使得绕 H 点的后翻力矩为 373N m 在此基础上 头枕在承受相对于座椅参考点 R 点 大小为 372N m 的力矩时 头枕的最大后移量不应超过 102mm 对头枕静强度 FMVS 5202 中规定 座椅头枕应能承受 890N 的载荷 允许座椅或 座椅靠背损坏 我国 GB 11550 1995 中规定 座椅头枕应能承受 890N 的载荷 允许座椅或座椅靠 背损坏 3 3 2 座椅的冲击强度 座椅的冲击强度是随着安全性研究的开展而逐渐受到人们重视的 它的主要内容 是通过实验和仿真分析相结合的方法 研究座椅在冲击载荷作用下的强度特性 使其 在碰撞事故中为乘员提供良好的保护作用 汽车座椅安全性研究始于上世纪五十年代 美国南加州大学最早使用志愿者进行了低速追尾碰撞试验 发现当时的低靠背座椅在 碰撞事故中不能提供良好的支持 容易导致乘员的颈部损伤 研究人员还发现 座椅 靠背向后的屈服变形有助于保持头 颈和躯干的对齐 可以降低乘员受伤害的程度 在 中等或者高强度的追尾碰撞事故中 柔性靠背不足以为乘员提供有效的保护 可能会 导致靠背破坏 驾驶员与后排乘客之间发生碰撞 因此需要提高座椅靠背的强度 在 过去的二十年里 汽车座椅的安全性研究主要集中在汽车尾部碰撞的乘员保护上 并 逐渐形成了座椅设计中的柔性设计和刚性设计两种概念 按照上述两种方法设训一的 各种座椅结构形式 在可控的试验条件下都得到了肯定性的结论 但是 这两种强度 设计概念是针对不同强度的碰撞条件形成的 如何做到各种在条件下保护作用都能够 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 19 兼顾仍然是座椅强度设计中的重要课题 3 3 3 座椅的疲劳强度 座椅的疲劳强度分为座垫的疲劳寿命和骨架的疲劳强度两个部分 对于软垫的疲 劳寿命问题 一般采用大变形 非线性有限元方法进行研究 PatrickGlance 于 1986 年 提出了座椅软垫的简化模型 把座垫分成许多个高度与座垫等厚的柱体单元 柱体在 承受压力是不产生横向变形 柱体之间靠剪应力相互作用 这个模型不但可以用于座 垫的强度分析 还可以应用于体压力分布计算 此外 在工程实践中 人们也尝试着 通过疲劳试验的方法研究座垫材料的性能 骨架的疲劳强度问题则涉及