人机工程学在汽车座椅设计中的应用_座椅设计的人机工程学

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题目 人机工程学在汽车座椅设计中的应用

熊雯

湖北汽车工业学院 机械工程系,湖北 十堰,442002 摘要：驾驶员驾驶姿势直接影响着驾驶员的舒适和健康，关系着是否能够安全、高效准确地驾驶。同时它还决定着舒适程度，以及长期驾驶是否对驾驶员造成生理和心理上的有害的影响。本文结合人机工程学的知识，从人的心理，生理特点出发并结合汽车振动特性，视野范围以及空间分布来分析人与座椅的相互关系和相互作用，从而得出能符合人机工程学标准的，并将舒适性、安全性都考虑到位的汽车座椅的设计。关键词：人机工程学、座椅，舒适度、设计

Ergonomics application in automobile seat design

xiongwen hubei automotive industry institute department of Mechanical Engineering,Hubei shiyan,442002 Abstract: Driving position directly influences the driver's comfortable and healthy, relationship with whether can be safe, efficient accurately driving.At the same time it also determines the comfort levels, and long-term driving to drivers whether caused by physical and mental harmful effects.Combining with the ergonomics knowledge from man's psychology, physiology characteristics and combined with auto vibration characteristics, the vision scope and empty room distribution to analyze the relationship between man and seat and interaction, thus developed can accord with standard of ergonomics and will comfort, safety is considered the car seat in the Keywords: Ergonomics, seat, comfort, design

正文：

一个性能优良的汽车座椅主要取决于以下五个方面：①座椅与人体的人机界面能否为人提供舒适而稳定的坐姿。②驾驶员(或乘坐)——座椅——车辆系统能否有效的隔离或衰减来自路面不平度的激励而产生的震动以及驾驶员或乘坐员所承受的全身震动负荷低于规定限值。③驾驶员(或乘坐员)——座椅——驾驶室系统的几何位置

关系能否为驾驶员提供良好的视野。④能否为驾驶员提供一个相对于各种操纵机构的合适位置，使他能方便地进行操作。⑤能否提高驾驶员的人身安全性，当发生翻车或撞车事故时，将驾驶员约束在驾驶座椅上面，下面就从这四个方面来分析人机工程学在汽车座椅设计上的运用。

1.舒适坐姿的生理特征

坐姿是人体较自然的姿势，坐姿将以脚支撑全身的状况转变为以臀部支撑全身，有利于发挥脚的作用，特别是能够利用靠背来增大腿脚的蹬力这一特点，来控制操纵力较大的装置。但如果坐姿不正确，座椅设计不合理，也会给身体带来严重损害。1.1坐姿生理学 1.1.1脊柱结构

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块骶骨和4块尾骨连接组成，如图1-1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，胸椎与肋骨构成胸腔，腰椎、骶骨和椎间盘承担人体坐姿的主要负荷。

图1-1 脊柱的构造

从图中可以看出脊柱呈现颈、胸、腰、骶四个弯曲部位，其中颈曲和腰曲凸向前，胸曲和骶曲凸向后。1.1.2腰曲弧线

与坐姿舒适性直接相关的是腰曲。图1-2为各种不同姿势下所产生的腰曲弧线，人体正常腰曲弧线是松弛状态下侧卧的曲线，如图中曲线B所示；躯干挺直坐姿和前弯时的腰弧曲线会使腰椎严重变形，如图中曲线F和G所示；欲使坐姿能形成几乎正常的腰曲弧线，躯干与大腿之间必须有大于90度的角度，且在腰部有所支撑，如图中曲线C所示。可见保证腰弧曲线的正常形状是获得舒适性的关键。

图1-2 不同姿势下所产生的腰椎曲度

1.1.3腰椎后突和前突

正常的腰线曲线是微微前突。为使坐姿下的腰弧曲线变形最小，座椅应在腰椎部提

供所谓两点支撑。无腰靠或腰靠不明显将会使正常的腰椎成图1-3（a)中的后突形状。而腰靠过分凸出将会使腰椎呈图1-3（b）中的前突形状。腰椎后突和过分前突都是非正常状态，合理的腰靠应该是使腰弧曲线处于正常的生理曲线。

图1-3 腰椎后突和前突

1.2坐姿生物力学

1.2.1肌肉活动度

脊椎骨依靠其附近的肌肉和腱连接，椎骨的定位借助于肌腱的作用力。一旦脊椎偏离自然状态，肌腱组织就会受到相互压力(拉或压)的作用，使肌肉活动度（活动量）增加，招致疲劳酸痛。在挺直坐姿下，腰椎部位肌肉活动度高，因为腰椎前向拉直使肌肉组织紧张受力。提供靠背支承腰椎后，活动力则明显减小；当躯干前倾时，背上方和肩部肌肉活动度高。1.2.2体压分布

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，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。图1-4是较为理想的坐垫体压分布线。

图1-4 体压分布曲线

1.2.3骨盘受力分析

人体结构在骨盘下面有两块圆骨，称为坐骨结节。如图1-5所示。坐骨结节下面的底座呈近似水平时，可使两坐骨结节外侧的股骨处于正常的位置而不受过分的压迫，如1-5（a）。当坐面呈斗形时，会使股骨向上转动，这种状态会使肘部和肩部受力，从而引起不舒服。所以在座椅设计中，斗形坐面是应该避免的。

图1-5 座面对股骨的影响

1.2.4椎间盘受力分析 当坐姿腰弧曲线正常时，椎间盘上受的压力均匀而轻微，几乎无推力作用于韧带，韧带不拉伸，腰部无不舒适感，如图1-6（a）所示。但是，当人体处于前弯坐姿时，椎骨之间的间距发生改变，相邻两椎骨前端间隙缩小，后端间隙增大，如图1-6（b）。这会引起腰部的不舒适感，长期积累作用，可造成椎间盘病变。

图1-6 不同坐姿时椎间盘受力分析

1.3坐姿人体测量尺寸

坐姿人体测量尺寸是座椅静态尺寸设计的主要依据。与座椅设计相关的人体测量主要尺寸见图1-7，具体测量数值如表1-8所示。

图1-7 对座椅设计有用的人体尺寸

表1-8坐姿人体尺寸

综合来看，从坐姿生理学角度，应保证要弧线正常，腰背肌肉处于松弛状态，从上体通向大腿的血压不受压迫，保持血液正常循环。因此，最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移，使上体略微向后倾斜，保持腿夹角在90度到115度之间，小腿向前伸，大腿与小腿，小腿与脚面之间也有合适的夹角。如图1-9所示：

图1-9 大腿、小腿和脚面的夹角

2.人体对乘坐振动的反应

座椅及悬架等部件隔离、吸收、缓和、衰减行驶中所产生的各种冲击和振动激励如果超出了人体承受振动的舒适性界限，就会使人产生不舒服感。车辆驾驶员所受的机械震动分为全局振动和全身震动两大类。局部振动是指作用于人体特殊部位（如头部和四肢）的震动，一般不会给驾驶员造成损害，但是对操纵的精确度有影响。全身震动是指通过人体支撑表面作为整体传给人体的震动。车辆驾驶员承受的乘坐振动属于全身震动，是对驾驶员可能造成严重伤害的主要震动形式。人体承受全身震动将产生机械的、生理、病理的和心理的效应。2.1乘坐振动的机械效应

乘坐振动通过驾驶员的臀部、腰部传给驾驶员，激起人体的全身震动。当振动激励频率接近人体的主要器官的固有频率时，将引起相应器官的共振而产生相对位移，从而使人感到不舒适。

在正常重力情况下，人体对4～8Hz频率的震动的能量传递最大，其生理效应也最大，称为第一共振峰。10 12Hz的震动频率时出现第二共振峰，其生理效应仅次于第一共振峰。在20 25Hz时出现第三共振峰，其生理效应较第二共振峰稍低。以后随着频率的增高，震动在人体内的传递逐步衰减，其生理效应也相应减弱。如图2-1所示。

图2-1 坐姿时人体对垂直振动的传递率

坐在驾驶座上的驾驶员承受垂直振动时，人体各主要器官的固有频率如图2-2所示。

图2-2 人体器官的固有频率 将人置于震动台上进行各种典型工况下的激振试验，测得人体的坐姿震动特性如图2-

3、2-

4、2-5所示。图2-3 人体坐姿承受垂直振动的传递特性

图2-4 人体坐姿承受左、右水平振动的传递特性

图2-5 人体坐姿承受前、后水平振动的传递特性

2.2乘坐振动的生理效应

全身振动引起的主诉症状及生理反应与振动频率有关。低于10Hz的震动，主要引起胸脯部不适；高于10Hz的振动，引起头部症状的增强。全身振动英气的生理效应如图2-6所示：

图2-6 全身振动的生理效应

全身振动最明显的生理反应时人体姿势的变化，低频高强度的振动使人难以保持

稳定的姿态。

2.3全身振动的病理效应

研究表明，驾驶员常患的两种职业病：胃病和脊椎损伤。图2-7为拖拉机驾驶员的胃病患病率。主要原因是因为急剧的乘坐振动对胃的消化功能产生了有害影响。

图2-7 拖拉机驾驶员的胃病患病率

图2-8为拖拉机驾驶员为脊椎病与年龄的关系。由此可以看出，驾驶员的脊椎畸形的发病率都很高，主要原因是因为驾驶员承受剧烈的乘坐振动和不方便的乘坐姿势。

图2-8 拖拉机驾驶员脊椎患病率与年龄的关系

实线——男人；虚线——女人

2.4乘坐振动的心理效应

对车辆驾驶员来说，乘坐振动的心理效应主要表现为操作能力的变化。让人在座椅上用振动台进行各种典型情况下的激振试验，测得振动对人的操作能力的影响如图2-9至2-11所示。

图2-9 人体坐姿承受垂直振动时的实力降低情况

（a）加振中；（b）加振终了时

2-10 人体坐姿承受水平振动时脚踩加速踏板压

力保持不变的能力

左边—振动频率的影响；右边—振动加速度的影响图2-11 坐姿人体承受垂直振动时的平衡能力降

低情况（a）加振时；（b）加振终了时

图2-12 人体坐姿承受横向水平振动时跟踪误差

图2-13 人体坐姿承受横向水平振动选择时的反应时间

图2-14 人体坐姿承受垂直振动的手眼协调平均动作时间

根据受振者的感觉，《人体承受全身振动的评价指南》即ISO2631—1982把振动划分为三个不同的认为界限：

（1）保持舒适性界限：在此振动界限内，没有不舒服的感觉，受振者能顺利的完成读、写、吃等动作。

（2）保持工作效率界限：在此振动界限内，操作人员能在规定的时间保持正常的工作效率。超过此界限，则因疲劳而降低工作效率。

（3）保持健康与安全界限：它是身体所能承受振动的上限。超过此界限将使受振者的健康受到损害。

一般对于小轿车和旅游车，选取保持舒

适性界限作为评价振动舒适性的标准；对于拖拉机、工程机械和各种越野车辆，宜选择保持工作效率界限作为评价振动舒适性的标准。

3.座椅空间位置的设计

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。

好的驾驶设计必须要保证驾驶员在连续几个小时操作的情况下，身体能够得到很好的支持。并且座椅必须有额外的空间，允

许驾驶员坐在座椅上的任一边或改变在座椅上的角度，以便暂时使他的肌肉放松。

确定驾驶座椅在车辆上的安装位置之前，必须先确定坐着的驾驶员与座椅结构的相对位置。美国汽车工程师协会SAE已将车辆驾驶座椅设计的参考点标准化，这个参考点称为座椅标志点，即SIP，其位置如图3-1所示。图3-1 人体H点与座椅标志点之间的关系 图3-2为轿车驾驶座椅的作业空间布置和尺寸推荐数据。

图3-3为载货汽车的驾驶座椅的作业空间布置和尺寸推荐数据。

图3-2 轿车驾驶座椅的推荐设计

图3-3 载货汽车的驾驶座椅的操作位置尺寸

4.汽车座椅的尺寸结构设计

座椅尺寸设计的合适与否，直接影响到驾驶员能否有一个舒适而稳定的坐姿和合适的操纵位置。4.1汽车座椅的主要尺寸

座椅尺寸设计主要参数包

括:椅面高度、宽度、深度、椅面倾角;靠背的高度、宽度和倾角。如图4-1所示：

图4-1 座椅尺寸设计主要参数

椅面高度A：为椅面前缘至驾驶员踵点的垂直距离。在设计时主要考虑到两点:椅

面过高会使大腿肌肉受压，椅面过低就会增加背部肌肉负荷。驾驶座椅的椅面高度应低些。

椅面宽度B :在空间允许的条件下，以宽为好。但对于汽车驾驶座椅来讲，驾驶员坐姿单一，不涉及变换姿势，通常设计应以满足最宽人体需要为准。

椅面深度C :指椅面前缘至靠背前面水平距离。其尺寸应满足:腰部得到靠背的支承;椅面前缘与小腿之间留有适当距离，以

保证大腿肌肉不受挤压，腿弯部分不受阻碍。

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，对于汽车驾驶座椅靠背的高度应采取高靠背，最好加靠枕。

靠背倾角α:靠背倾角是指靠背与椅面水平方向的夹角。椅面倾角β :指椅面与水平之间的夹角。主要考虑到为了防止人体臀部向前滑动而是椅面前缘向后倾。此角不易过大，否则会增加大腿下平面与座垫前缘的压力，从而减少双脚着地的负荷，阻碍血液循环，引起身心疲劳。

通过以上座椅尺寸参数的确定，以保证驾驶员人体脊柱曲线更接近于正常生理脊柱曲线。舒适坐姿的各关节的角度应该满足图4-2中所示的要求角度。

图4-2 舒适坐姿的关节角度

4.2汽车座椅的结构设计

现代汽车座椅的机械结构主要由头枕、靠背、座垫、滑道等总成组成。4.2.1汽车座椅枕垫的设计 头枕是一种用以限制乘员头部相对于躯干向后移位的弹性装置，其作用是在发生碰撞时，减轻乘员颈椎可能受到的损伤。尤其是在汽车受到追尾碰撞时，可抑制乘员头部后倾，防止或减轻颈部损伤。如图4-3所示：

图4-3 汽车座椅的枕垫

4.2.2汽车座椅的靠背的设计

靠背的安全性设计应考虑靠背的强度、倾角、基本尺寸及其形状。靠背的强度设计不但应该在“追尾”等后部碰撞时给乘员提供良好的保护，而且也要考虑侧碰时对乘员的保护。而靠背倾角、基本尺寸及其形状对尾部碰撞的严重程度有很大影响。

依据靠背上体压分布不均匀原则，在座椅靠背设计时应保证有靠背两点支承即就

是人体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，第一支承部位位于人体第5 一 6胸椎之间的高度上，作为肩靠;第二支承设置在腰曲部位，作为腰靠。肩靠能减轻颈曲变形，腰靠能保证乘坐姿势下的近似于正常的腰弧曲线。如图4-4所示： 图4-4 汽车座椅的靠背 4.2.3汽车座椅座垫的设计 坐垫一般不会造成对乘员的直接冲击伤害，但坐垫的结构可以影响到乘员运动过程、约束力加到乘员身体上的方式及外部载荷(加速度、力等)的绝对值大小。坐垫深度设计的原则是在充分利用靠背的情况下，使臀部得到合理的支撑。坐垫深度不应该超过人的大腿长度。

为了保证座垫上合理的体压分布，座垫应坚实平坦。太软的椅子容易令使用者曲起身子，全身肌肉和骨骼受力不均，从而导致腰酸背痛的现象的产生。研究表明间：过于松软的椅面，使臀部与大腿的肌肉受压面积增大，不仅增加了躯干的不稳定性，而且不易改变坐姿，容易产生疲劳。如图4-5所示：

图4-5 汽车座椅的坐垫

5.驾驶座椅设计的安全性

座椅安全性设计的内容主要包括主动安全性和被动安全性。5.1坐椅主动安全性

主动安全性是指汽车驾驶座椅防止事故的能力。汽车驾驶座椅的主动安全性设计主要从减轻驾驶员的疲劳人手进行分析设

计，以满足主动安全性要求。主动安全性主要考虑合理的座椅尺寸设计、座垫上合理的体压分布、靠背上理的体压分布等为驾驶员提供一个舒适的作业环境，减轻驾驶员的疲劳，从而保证驾驶座椅主动安全性的设计要求。

5.2坐椅被动安全性

被动安全性是指事故发生时，保护乘员的能力。驾驶座椅作为安全部件，是汽车被动安全性设计的主要考虑部件之一。考虑提高驾驶员的人身安全性，汽车驾驶座椅被动安全性设计目 标为： ①在事故中要保证驾驶员处在自身的生存空间之内，并防止其他车载体进人到这个空间;②要保持驾驶员在事故发生时，保持一定的姿态，以使其他的约束系统能充分发挥其保护效能；③在事故中，使得事故后果对驾驶员的伤害降低到最小限度。5.3安全措施

目前采取的主要安全措施：提高座椅骨架强度，达到汽车驾驶座椅强度的要求值；

设置座椅安全带，使在紧急制动或正面撞车时不致将驾驶员碰伤；达到一定的阻燃要求，坐垫和靠背材料应达到汽车内饰材料燃烧特性技术要求的规定。

现在越来越多的汽车座椅都开始利用人机工程学的知识及其研究成果进行设计了。只有从人机工程学的角度出发，进行汽车驾驶座椅的设计，才能使驾驶座椅具有良好坐姿舒适性、振动舒适性、操作舒适性及安全性。

参考文献：

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