汽車駕駛座椅的人機(jī)工程學(xué)要素

1、汽車駕駛座椅的人機(jī)工程學(xué)要素作者：許英 朱序璋 楊宏剛 摘要：本文以人因分析為手段，以設(shè)計(jì)出合理的駕駛座椅來(lái)滿足駕駛員人體安全、舒適為設(shè)計(jì)目標(biāo)，得到結(jié)論：駕駛座椅安全性設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮人（駕駛員）坐姿生理特性及人體對(duì)車內(nèi)振動(dòng)、微氣候的反應(yīng)等兩大方面。并從主動(dòng)安全性設(shè)計(jì)、被動(dòng)安全性設(shè)計(jì)兩個(gè)方面詳盡分析了駕駛座椅安全性設(shè)計(jì)的思路，以期達(dá)到對(duì)汽車駕駛座椅的安全性設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)作用。 車|技術(shù)|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa) l y( T% _- Q. j8 h9 r 作者：許英英 朱序序璋 楊楊宏剛摘要：本文文以人因因分析為為手

2、段，以以設(shè)計(jì)出出合理的的駕駛座座椅來(lái)滿滿足駕駛駛員人體體安全、舒舒適為設(shè)設(shè)計(jì)目標(biāo)標(biāo)，得到到結(jié)論：駕駛座座椅安全全性設(shè)計(jì)計(jì)應(yīng)著重重考慮人人（駕駛駛員）坐坐姿生理理特性及及人體對(duì)對(duì)車內(nèi)振振動(dòng)、微微氣候的的反應(yīng)等等兩大方方面。并并從主動(dòng)動(dòng)安全性性設(shè)計(jì)、被被動(dòng)安全全性設(shè)計(jì)計(jì)兩個(gè)方方面詳盡盡分析了了駕駛座座椅安全全性設(shè)計(jì)計(jì)的思路路，以期期達(dá)到對(duì)對(duì)汽車駕駕駛座椅椅的安全全性設(shè)計(jì)計(jì)提供一一定的指指導(dǎo)作用用。 引引言 汽汽車中的的座椅是是影響駕駕駛與乘乘坐舒適適程度的的重要設(shè)設(shè)施，而而駕駛員員的座椅椅就更為為重要。舒舒適而操操作方便便的駕駛駛座椅，可可以減少少駕駛員員疲勞程程度，降降低故障障的發(fā)生生率。汽汽車

3、駕駛駛員座椅椅設(shè)計(jì)優(yōu)優(yōu)劣與否否直接關(guān)關(guān)系到駕駕駛質(zhì)量量。 本本文以人人因分析析為手段段，以設(shè)設(shè)計(jì)出合合理的駕駕駛座椅椅來(lái)滿足足駕駛員員人體安安全、舒舒適為設(shè)設(shè)計(jì)目標(biāo)標(biāo)，得到到結(jié)論：駕駛座座椅安全全性設(shè)計(jì)計(jì)應(yīng)著重重考慮人人（駕駛駛員）坐坐姿生理理特性及及人體對(duì)對(duì)車內(nèi)振振動(dòng)、微微氣候的的反應(yīng)等等兩大方方面。并并從主動(dòng)動(dòng)安全性性設(shè)計(jì)、被被動(dòng)安全全性設(shè)計(jì)計(jì)兩個(gè)方方面詳盡盡分析了了駕駛座座椅安全全性設(shè)計(jì)計(jì)的思路路。 11. 人人座椅椅系統(tǒng)安安全性設(shè)設(shè)計(jì)中人人的因素素分析 任何何系統(tǒng)實(shí)實(shí)際上都都是人機(jī)機(jī)系統(tǒng)，人人機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)包括人人、機(jī)、環(huán)環(huán)境三個(gè)個(gè)方面。顯顯然駕駛駛員-座座椅也屬屬于人機(jī)機(jī)系統(tǒng)研研究的范范疇

4、。人人機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)的安全全模式多多以人的的行為為為主體，即即以人為為本。對(duì)對(duì)人機(jī)系系統(tǒng)的研研究始于于第二次次世界大大戰(zhàn)。在在設(shè)計(jì)和和使用高高度復(fù)雜雜的軍事事裝備中中，人們們逐步認(rèn)認(rèn)識(shí)到必必須把人人和機(jī)器器作為一一個(gè)整體體，在系系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)中必須須考慮人人的因素素。 11.1 人（駕駕駛員）坐坐姿生理理特性分分析 （11）坐姿姿時(shí)脊柱柱形態(tài) 人坐著著時(shí)，身身體主要要由脊柱柱、骨盆盆、腿和和腳支承承。脊柱柱位于人人體的背背部中央央，是構(gòu)構(gòu)成人體體的中軸軸。人處處于不同同的坐姿姿時(shí)，脊脊柱形態(tài)態(tài)不同，只只有座椅椅的結(jié)構(gòu)構(gòu)和尺寸寸設(shè)計(jì)使使駕駛員員的脊柱柱形態(tài)接接近于正正常自然然狀態(tài)，才才會(huì)減少少腰椎的的負(fù)荷

5、以以及腰背背部肌肉肉的負(fù)荷荷，防止止駕駛疲疲勞發(fā)生生。 （22）坐姿姿體壓分分布 當(dāng)當(dāng)座椅上上的人處處于坐姿姿狀態(tài)時(shí)時(shí)，人的的身體重重量作用用于座墊墊和靠背背上的壓壓力分布布稱作坐坐姿的體體壓分布布。可見(jiàn)見(jiàn)，坐姿姿體壓分分布包括括座墊上上的體壓壓分布和和靠背上上的體壓壓分布兩兩部分。 座座墊上的的體壓分分布 根根據(jù)人體體組織的的解剖學(xué)學(xué)特性可可知，坐坐骨結(jié)節(jié)節(jié)處是人人體最能能耐受壓壓力的部部位，適適合于承承重，而而大腿下下靠近表表面處因因有下肢肢主動(dòng)脈脈分布，故故不宜承承受重壓壓。據(jù)此此座墊上上的壓力力應(yīng)按照照臀部不不同部位位承受不不同壓力力的原則則來(lái)分布布，即在在坐骨處處壓力最最大，向向四周

6、逐逐漸減少少，自大大腿部位位時(shí)壓力力降至最最低值，這這是座墊墊設(shè)計(jì)的的壓力分分布不均均勻原則則。圖11為坐姿姿時(shí)座墊墊上的體體壓分布布。 圖1 座座墊上的的體壓分分布靠背上的體體壓分布布也以不不均勻分分布，壓壓力相對(duì)對(duì)集中在在肩胛骨骨和腰椎椎兩個(gè)部部位。從從這兩個(gè)個(gè)部位向向外，壓壓力應(yīng)逐逐步降低低。 （11）人體體對(duì)振動(dòng)動(dòng)的反應(yīng)應(yīng) 駕駛駛員坐在在行使中中的汽車車上所承承受的振振動(dòng)屬于于全身振振動(dòng)的范范疇。 有關(guān)研研究表明明，人體體最敏感感的頻率率范圍為為縱向振振動(dòng)48Hzz，橫向向振動(dòng)112HHz。當(dāng)當(dāng)外界振振動(dòng)接近近器官的的共振頻頻率時(shí)，即即產(chǎn)生共共振，振振幅迅速速增大，此此時(shí)引起起器官的的

7、生理反反應(yīng)最大大。外界界振動(dòng)傳傳入人體體時(shí)所引引起的增增大或減減弱效應(yīng)應(yīng)與身體體在振動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)中中的姿勢(shì)勢(shì)有關(guān)，一一般來(lái)說(shuō)說(shuō)，坐姿姿工作時(shí)時(shí)，由于于人腿的的減振作作用大大大降低，抗抗振性要要比站姿姿工作時(shí)時(shí)差，特特別是脊脊柱和胃胃部受到到振動(dòng)的的損害，因因此坐姿姿作業(yè)者者容易產(chǎn)產(chǎn)生脊柱柱損傷和和胃病這這兩種職職業(yè)病。 振動(dòng)對(duì)對(duì)駕駛員員操作的的影響主主要表現(xiàn)現(xiàn)為視覺(jué)覺(jué)作業(yè)效效率的下下降和操操作動(dòng)作作準(zhǔn)確性性變差。當(dāng)當(dāng)振動(dòng)頻頻率低于于2Hzz時(shí)，由由于眼肌肌的調(diào)節(jié)節(jié)補(bǔ)償作作用，使使視網(wǎng)膜膜上的映映像相對(duì)對(duì)穩(wěn)定，因因此對(duì)視視覺(jué)的干干擾作用用不大，但但當(dāng)振動(dòng)動(dòng)頻率大大于4HHz時(shí)，視視覺(jué)作業(yè)業(yè)效率將將受

8、到嚴(yán)嚴(yán)重的影影響，振振動(dòng)頻率率為100300Hz時(shí)時(shí)，對(duì)視視覺(jué)的干干擾最大大，振動(dòng)動(dòng)頻率為為50HHz、加加速度為為2m/ss2時(shí)，視視覺(jué)下降降約500%。振振動(dòng)對(duì)操操作動(dòng)作作準(zhǔn)確性性的影響響，主要要是由于于振動(dòng)降降低了手手（或腳腳）的穩(wěn)穩(wěn)定性，從從而使操操縱動(dòng)作作的準(zhǔn)確確性變差差，而且且振幅越越大，影影響越大大。另外外人體在在振動(dòng)環(huán)環(huán)境中會(huì)會(huì)加速疲疲勞過(guò)程程。當(dāng)振振動(dòng)環(huán)境境中的振振動(dòng)特性性處于人人體神經(jīng)經(jīng)系統(tǒng)的的敏感區(qū)區(qū)域時(shí)，這這種刺激激頻繁傳傳入大腦腦皮質(zhì)，引引起大腦腦皮質(zhì)細(xì)細(xì)胞興奮奮。當(dāng)達(dá)達(dá)到一定定限度時(shí)時(shí)，皮質(zhì)質(zhì)細(xì)胞的的工作強(qiáng)強(qiáng)度將減減弱，人人就會(huì)感感到疲勞勞，工作作效率明明顯下降降。

9、 （22）微氣氣候 研研究表明明,駕駛駛員在駕駕駛狀態(tài)態(tài)下的舒舒適溫度度為18823，舒適適濕度為為40%600%，代代謝量為為1.002.0meet。座座椅對(duì)人人體熱環(huán)環(huán)境的主主要影響響因素有有：座椅椅表面的的溫度和和濕度。座座椅表面面的溫濕濕度特性性將影響響人體背背部、臀臀部、下下體等部部位的散散熱性能能及皮膚膚的呼吸吸功能，當(dāng)當(dāng)其溫濕濕度特性性與人體體生理機(jī)機(jī)能不適適應(yīng)時(shí)將將引起人人體局部部不快感感，從而而加速人人體疲勞勞的形成成。 22. 駕駕駛座椅椅安全性性設(shè)計(jì) 基于以以上分析析，以人人體舒適適性、安安全性為為目標(biāo)進(jìn)進(jìn)行駕駛駛座椅安安全性設(shè)設(shè)計(jì)。 2.11 主動(dòng)動(dòng)安全性性 主動(dòng)動(dòng)安全

10、性性是指汽汽車駕駛駛座椅防防止事故故的能力力。汽車車駕駛座座椅的主主動(dòng)安全全性設(shè)計(jì)計(jì)主要從從減輕駕駕駛員的的疲勞入入手進(jìn)行行分析設(shè)設(shè)計(jì)，以以滿足主主動(dòng)安全全性要求求。如前前論述，主主動(dòng)安全全性主要要考慮合合理的座座椅尺寸寸設(shè)計(jì)、座座墊上合合理的體體壓分布布、靠背背上合理理的體壓壓分布等等為駕駛駛員提供供一個(gè)舒舒適的作作業(yè)環(huán)境境，減輕輕駕駛員員的疲勞勞，從而而保證駕駕駛座椅椅主動(dòng)安安全性的的設(shè)計(jì)要要求。 （1）座座椅尺寸寸設(shè)計(jì) 駕駛座座椅尺寸寸結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)的研研究把注注意力集集中在人人體生理理結(jié)構(gòu)特特點(diǎn)對(duì)駕駕駛舒適適程度的的影響上上，尋求求最佳的的座椅結(jié)結(jié)構(gòu)型式式、尺寸寸、輪廓廓形狀及及材料選選擇

11、。座椅尺尺寸設(shè)計(jì)計(jì)主要參參數(shù)包括括：椅面面高度、寬寬度、深深度、椅椅面傾角角；靠背背的高度度、寬度度和傾角角。座椅椅尺寸設(shè)設(shè)計(jì)涉及及主要參參數(shù)如圖圖2中所所示。A.持面面高度BB.持面面寬度CC.持面面深度 D.金金背高度度Q.余余背傾角角盡持面面傾角 圖 22 座椅椅尺寸設(shè)設(shè)計(jì)主要要參數(shù)椅面高度AA：椅面面高度定定義為椅椅面前緣緣至駕駛駛員踵點(diǎn)點(diǎn)的垂直直距離。在在設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)主要考考慮到兩兩點(diǎn)：椅椅面過(guò)高高會(huì)使大大腿肌肉肉受壓，椅椅面過(guò)低低就會(huì)增增加背部部肌肉負(fù)負(fù)荷。駕駕駛座椅椅的椅面面高度應(yīng)應(yīng)低些。 椅面寬寬度B：在空間間允許的的條件下下，以寬寬為好。但但對(duì)于汽汽車駕駛駛座椅來(lái)來(lái)講，駕駕駛員坐

12、坐姿單一一，不涉涉及變換換姿勢(shì)，通通常設(shè)計(jì)計(jì)應(yīng)以滿滿足最寬寬人體需需要為準(zhǔn)準(zhǔn)。 椅椅面深度度C：指指椅面前前緣至靠靠背前面面水平距距離。其其尺寸應(yīng)應(yīng)滿足：腰部得得到靠背背的支承承；椅面面前緣與與小腿之之間留有有適當(dāng)距距離，以以保證大大腿肌肉肉不受擠擠壓，腿腿彎部分分不受阻阻礙。 靠背高高度D及及寬度：靠背的的高度和和寬度與與坐姿肩肩高和肩肩寬有關(guān)關(guān)，對(duì)于于汽車駕駕駛座椅椅靠背的的高度應(yīng)應(yīng)采取高高靠背，最最好加靠靠枕。 靠背傾傾角：靠背傾傾角是指指靠背與與椅面水水平方向向的夾角角。 椅椅面傾角角：指指椅面與與水平之之間的夾夾角。主主要考慮慮到為了了防止人人體臀部部向前滑滑動(dòng)而是是椅面前前緣向后后

13、傾。此此角不易易過(guò)大，否否則會(huì)增增加大腿腿下平面面與座墊墊前緣的的壓力，從從而減少少雙腳著著地的負(fù)負(fù)荷，阻阻礙血液液循環(huán)，引引起身心心疲勞。 通過(guò)以以上座椅椅尺寸參參數(shù)的確確定，以以保證駕駕駛員人人體脊柱柱曲線更更接近于于正常生生理脊柱柱曲線。舒舒適坐姿姿的各關(guān)關(guān)節(jié)的角角度應(yīng)該該滿足圖圖3中所所示的要要求角度度。 圖3舒適適坐姿的的關(guān)節(jié)角角度（2）座椅椅結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì) 為為了保證證座墊上上合理的的體壓分分布，座座墊應(yīng)堅(jiān)堅(jiān)實(shí)平坦坦。太軟軟的椅子子容易令令使用者者曲起身身子，全全身肌肉肉和骨骼骼受力不不均，從從而導(dǎo)致致腰酸背背痛的現(xiàn)現(xiàn)象的產(chǎn)產(chǎn)生。研研究表明明4：過(guò)于于松軟的的椅面，使使臀部與與大腿的的

14、肌肉受受壓面積積增大，不不僅增加加了軀干干的不穩(wěn)穩(wěn)定性，而而且不易易改變坐坐姿，容容易差生生疲勞。 依據(jù)靠靠背上體體壓分布布不均勻勻原則，在在座椅靠靠背設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)應(yīng)保保證有靠靠背兩點(diǎn)點(diǎn)支承即即就是人人體背部部和腰部部的合理理支承。汽汽車座椅椅設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)應(yīng)提供供形狀和和位置適適宜的兩兩點(diǎn)支承承，第一一支承部部位位于于人體第第566胸椎之之間的高高度上，作作為肩靠靠；第二二支承設(shè)設(shè)置在腰腰曲部位位，作為為腰靠。肩肩靠能減減輕頸曲曲變形，腰腰靠能保保證乘坐坐姿勢(shì)下下的近似似于正常常的腰弧弧曲線。 （3）座座椅材料料選擇 座椅材材料的選選擇主要要考慮到到以下兩兩個(gè)方面面：振動(dòng)動(dòng)舒適性性以及座座椅對(duì)人人體熱

15、環(huán)環(huán)境的主主要影響響。 座座椅材料料是座椅椅的主要要減振元元件，要要想使座座椅獲得得較低的的振動(dòng)傳傳遞率，使使座椅有有較高的的振動(dòng)舒舒適性，必必須采用用合適的的座墊和和靠背減減振材料料。 根根據(jù)駕駛駛室的微微氣候環(huán)環(huán)境，調(diào)調(diào)整座椅椅表面的的溫濕度度特性，可可以適當(dāng)當(dāng)調(diào)節(jié)人人體代謝謝，達(dá)到到減輕疲疲勞的目目的。如如提高座座椅材料料的呼吸吸能力，增增加材料料的透氣氣性,在在不同的的季節(jié)條條件、溫溫濕環(huán)境境下使用用不同的的座椅面面料，以以及在中中高檔汽汽車中采采用主動(dòng)動(dòng)通風(fēng)式式座椅,消除駕駕駛員在在座墊表表面和背背部表面面所產(chǎn)生生的熱量量，使人人體與座座椅接觸觸區(qū)保持持適宜的的溫濕度度等措施施均能改

16、改善座椅椅表面的的溫濕度度特性，減減輕駕駛駛疲勞。 2.22座椅振振動(dòng)舒適適性設(shè)計(jì)計(jì) 座椅椅材料是是座椅的的主要減減振元件件，那么么在座椅椅振動(dòng)舒舒適性設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)首首先要考考慮的就就是從座座椅材料料的選擇擇上下功功夫來(lái)保保證座椅椅振動(dòng)舒舒適性。 座椅的的結(jié)構(gòu)形形狀也不不同程度度的影響響其振動(dòng)動(dòng)舒適性性。由于于椎間盤(pán)盤(pán)有較大大的壓縮縮潛力和和很好的的彈性，所所以脊柱柱具有忍忍受較強(qiáng)強(qiáng)的縱向向振動(dòng)的的能力。在在橫向上上，脊柱柱只有前前縱韌帶帶分別附附在腰間間盤(pán)的前前緣和后后緣并起起一定的的作用。因因此，人人體脊柱柱忍受橫橫向力的的能力很很低。在在設(shè)計(jì)座座椅時(shí)必必須使其其具有抵抵抗橫向向振動(dòng)的的能力。

17、座座椅靠背背后傾斜斜使腰部部背部得得到依靠靠，加之之靠背襯襯墊的適適度柔軟軟性，致致使摩擦擦力增大大，可緩緩沖橫向向振動(dòng)對(duì)對(duì)人體的的沖擊，同同時(shí)靠背背兩側(cè)稍稍隆起、椅椅面的形形狀(如如圖2)兩邊向向上隆起起，也能能減輕人人體的橫橫向移動(dòng)動(dòng)趨勢(shì)，使使人感覺(jué)覺(jué)乘坐舒舒適。 2.33 座椅椅空間位位置設(shè)計(jì)計(jì) 座椅椅空間位位置設(shè)計(jì)計(jì)就是為為了達(dá)到到操作舒舒適性的的目標(biāo)，而而進(jìn)行駕駕駛座椅椅空間位位置設(shè)計(jì)計(jì)以確保保駕駛員員有良好好的視野野，同時(shí)時(shí)對(duì)汽車車轉(zhuǎn)向盤(pán)盤(pán)、腳踏踏板等操操作部件件有恰當(dāng)當(dāng)?shù)牟僮髯饕缶嗑嚯x，以以達(dá)到操操作舒適適性的最最終目的的。圖44列出了了駕駛作作業(yè)空間間設(shè)計(jì)的的主要指指標(biāo)。 圖

18、4駕駛作作業(yè)空間間設(shè)計(jì)的的主要指指標(biāo)2.4 駕駕駛座椅椅被動(dòng)安安全性設(shè)設(shè)計(jì) 被被動(dòng)安全全性是指指事故發(fā)發(fā)生時(shí)，保保護(hù)乘員員的能力力。駕駛駛座椅作作為安全全部件，是是汽車被被動(dòng)安全全性設(shè)計(jì)計(jì)的主要要考慮部部件之一一。考慮慮提高駕駕駛員的的人身安安全性，汽汽車駕駛駛座椅被被動(dòng)安全全性設(shè)計(jì)計(jì)目標(biāo)為為： （11） 在在事故中中要保證證駕駛員員處在自自身的生生存空間間之內(nèi)，并并防止其其他車載載體進(jìn)入入到這個(gè)個(gè)空間； （22） 要要保持駕駕駛員在在事故發(fā)發(fā)生時(shí)，保保持一定定的姿態(tài)態(tài)，以使使其他的的約束系系統(tǒng)能充充分發(fā)揮揮其保護(hù)護(hù)效能； （33） 在在事故中中，使得得事故后后果對(duì)駕駕駛員的的傷害降降低到最最小限度度。 目目前采取取的主要要安全措措施：提提高座椅椅骨架強(qiáng)強(qiáng)度，達(dá)達(dá)到汽車車駕駛座座椅強(qiáng)度度的要求求