第一篇：人機工程學汽車座椅設計研究

人機工程學的汽車座椅設計研究 【摘要】本文通過對重型商用車坐姿舒適性仿真的研究，并結合當今比較流行的舒適度建模方法，進行了適宜駕駛姿勢規律的實驗研究。得到以人體姿勢變量和汽車設計變量為預測因子的人體不舒適度預測模型,并將模型應用于實際項目的方案分析中。【關鍵詞】：駕駛員 駕駛姿勢 人機工程技術 人體舒適度

【Abstract】 Based on the heavy commercial vehicle sitting comfort simulation studies, combined with the comfort of today's popular modeling method was suitable for Experimental study of the driving position.Get to the body posture variables and design variables as predictors of car's body is not comfortable forecasting model, and the model is applied to the analysis of the actual project proposal.【Key words】: driver driving posture ergonomic body comfort technology

一、引言

隨著時代的發展，人們開始追求高品質的舒適生活,于

是按照人體工程學設計的產品也就越來越受到大眾的歡迎。以汽車座椅為例,人體工程學的家具并不是人們頭腦中所想象的僅有數據符合的座椅,它還包括除了人體生理數據之外的很多因素。它的設計原則除了常見的尺度設計原則,人體機能和環境設計原則,健康設計原則外還應該講求黃金分割比的設計原則。并指出在這些原則的指導下好的人體工程學座椅是功能與美學相結合的產品,可以為人帶來身心兩方面的享受。

二、汽車座椅舒適性設計的重要性 現代科學技術的突飛猛進，以及人們工作和生活空間的不段變化，就要求汽車座椅的生產企業在座椅的設計、生產方式等方面進行改革，同時也要考慮降低成本，提高汽車座椅的經濟性。因此市場不斷細分，多種不同類型和不同設計的汽車座椅不斷進入市場。然而目前，國內在座椅舒適度的研究上還存在一些缺陷：①沒有針對中國人體特征尺寸的座椅舒 適性研究；②對于座椅靜態舒適性評價還沒有形成一套客觀系統的體系；③在應用神經 網絡建模方法評價舒適性中，對輸入量的界定還不夠清晰明確，有待進一步研究。關于人機工程學在家居設計中的應用的提出，其可行性可以分為概念化階段、具體化階段、周詳設計階段及檢驗校核階段等多階

段進行設計：1概念化階段是整體設計的理念和宗旨，是保證今后具體設計得以順利進行的前提條件。對椅子設計概念化進行設定的過程，涉及椅子相關的功能性、構造和材料以及形狀等問題；2具體化階段是按照在概念化階段設定的設計方案，解決座椅的構造、功能和美觀問題并創造出其基本形狀；3座椅周詳設計的關鍵是將重點放在符合整體的外觀和核心架構的設計上。產品的外觀、座椅的造型以及穩定的構造應該既反映其精湛設計，又能實現人 們對舒適的要求，這就是汽車座椅設計的重點。4通過以上各階段步驟完成的產品設計可能并不是完美的。尤其是座椅與人體結構有著密切的關系，可以說人們對產品設計的合理性和適用性的評判是很重要的。因此應該對設計進行檢驗和校核。對于座椅的設計來說，椅子的底座部分能否穩定地支撐人體體重是很重要的。當然除此之外對支撐人體背部的椅背部分和扶手部分的檢驗也是很必要的。

三、基于汽車座椅的舒適性及安全性設計研究 隨著當今科學技術及生活水平的不斷改善和發展，人們對于座椅舒適要求也不斷提升。其中汽車座椅的舒適度及安全性設計已成為當今汽車產商所關注的主要內容。座椅的主要功能是支撐駕駛員及乘坐人員的身體，減緩路面不平傳給人體的沖擊并減弱由此而引起的振動。給駕乘提供舒適、安全的乘坐條件和便于駕駛操作的良好的工作條件。由生物動力學研究表明，長時間地承受高強度的全身振動對于人體健康的損害是相當嚴重的。主要是腰脊和相關的神經系統會受到影響。新陳代謝以及源于機體內部的一些其他因素會惡化這個影響，通常認為環境因素，如身體姿勢、低溫及氣流會引起肌肉疼痛。由本小組研究人員取證分析，得到以下結論：

（一）座椅舒適度研究

1、座椅舒適度的指標：① 座椅尺寸應與人體測量尺寸d相適宜（一般d取45—60公分）；②座椅應可調節，能使乘坐者變換姿勢，并最大范圍滿足各類人體的乘坐要求,如沃爾沃公司的F7型汽車坐高可調65mm；傾斜度可調64度；縱向位置可調130mm等；③座椅應能使乘坐者保持舒適坐姿，靠背結構和尺寸應給腰部充分的支撐,使脊柱接近于正常彎曲狀態。2、座椅舒適度的影響因素：座椅的幾何尺寸是影響座椅舒適度的因素，但研究發現這并非唯一最主要的影響因素。從人機工程學的角度來講，腰部是體現座椅功能的關鍵部位。因此，座椅的腰托是影響舒適性的關鍵因素。此外，座椅的調節特性對座椅的舒適度影響很大，已成為座椅舒適度設計中重點考慮的因素。

3、座椅舒適度的研究方法：從汽車座椅設計及改善的角度出發，消除座椅不舒適性最理想的方法是能建立定量模型，預測座椅的不舒適性。國內外研究中,建立的模型主要有如下3種：利用模糊理論建立的模型、線性模型和神經網絡模型。

（二）座椅安全性設計1、座椅強度的設計：座椅強度的設計是安全性設計的首要內容。汽車行駛中，座椅要承受復雜的載荷。汽車座椅必須有足夠的強度，以確保座椅上的人所受的傷害最小；座椅的壽命應足夠長，不致過早變形或損壞；受沖擊載荷作用時，座椅不應發生斷裂、嚴重變形等損壞現象。2、座椅結構型式的設計：座椅整體結構的安全性設計應考慮的是其對其他約束系統效能的影響及與其他約束系統之間的連接方式等。3、靠背的設計：靠背的安全性設計應考慮靠背的強度、傾角、基本尺寸及其形狀。靠背的強度設計不但應該在“追尾”等后部碰撞時給乘員提供良好的保護，而且也要考慮側碰時對乘員的保護。而靠背傾角、基本尺寸及其形狀對尾部碰撞的嚴重程度有很大影響。、坐墊的設計：坐墊一般不會造成對乘員的直接沖擊傷害，但坐墊的結構可以影響到乘員運動過程、約束力加到乘員身體上的方式及外部載荷(加速度、力等)的絕對值大小。坐墊深度設計的原則是在充分利用靠背的情況下，使臀部得到合理的支撐。坐墊深度不應該超過人的大腿長度。5、頭枕的設計：頭枕是一種用以限制乘員頭部相對于軀干向后移位的彈性裝置，其作用是在發生碰撞時，減輕乘員頸椎可能受到的損傷。尤其是在汽車受到追尾碰撞時，可抑制乘員頭部后傾，防止或減輕頸部損傷。現多采用模擬計算和試驗驗證相結合的研究方法，該方法重復性好、存儲信息量大、開發周期短且開發費用低，目前可用于座椅強度分析的有限元軟件有MSC.NASTRAN、ABAQUAS、ANSYS、SAP、PAM-CRASH、DYNA-3D等。

四、基于汽車座椅舒適度設計中面臨的問題 對于座椅中主要的支撐性零部件，應精確建模，以保證模型的正確性；對靜強度特性影響不大的零件，只要抓住其主要的幾何形狀進行建模即可；對于基本沒影響的部件，可以簡單建模或不建模。隨著座椅結構形式的不斷變化，單純用梁單元已不足以精確地描述座椅骨架的結構，于是越來越多地使用了其他的單元形式建模，如空間板殼單元、實體單元等。在新的世紀里，人們以新的方式來感知世界，人們越來越多的在追求一種新的生存環境和生存空間，毫無疑義，未來的人性化設計具有更加全面立體的內涵，它將超越人們過去所局限的人與物的關系的認識，向時間、空間、生理感官和心理方向發展，同時，通過現代高科技技術如虛擬現實、互聯網絡等多種數字化的形式而擴延。

五、總結國內汽車座椅行業應該致力于簡化座椅的設計開發過程，大幅度縮短開發周期，減少開發費用和成本，提高產品質量和性能，獲得最優化的創新設計產品，這樣才能更好地促進我國座椅行業的設計國際化、現代化。我們希望這種汽車座椅的設計可以更好地保護人們的腰部和頸部。

結語：要想設法使駕駛員駕車時有更舒適、更安全的駕駛環境，對于當前的汽車座椅設計，高度的運用人機工程學知識，更大的提高人體舒適度，是極為必要，也是勢在必行！［參考文獻］ 【 1】王正華，喻凡，莊德軍.汽車座椅舒適性的主觀和客觀評價研究［J］.汽車工程，2006 湖南大學學報

【2】 孟翔，王宏明.基于ADAMS的汽車座椅沖擊強度研究［J］.機械設計與制造，2007遼寧省機械研究院

【】孫長富,崔光濱..汽車座椅頭枕[S].1994，北京:中國標準出版社

第二篇：基于人機工程學的汽車座椅設計研究

基于人機工程學的汽車座椅設計研究

摘要:

駕駛員坐姿舒適性仿真通常可以量化為駕駛姿勢不舒適度模型。駕駛姿勢不舒適度預測模型是根據駕駛姿勢的影響因素,評價駕駛姿勢不舒適度的數學模型。本文對重型商用車坐姿舒適性仿真研究主要做了以下幾方面工作:首先,研究了在汽車領域計算機輔助人機工程技術的發展背景及國內外研究現狀,并對當今比較流行的舒適度建模方法進行了深入的總結。針對這些方法的不足,提出了基于關節載荷的駕駛姿勢不舒適度建模方法。其次,進行了適宜駕駛姿勢規律的實驗研究。通過設計下肢、軀干、上肢實驗,獲取了建立姿勢不舒適度模型所需要的關節載荷和關節坐標數據。最后,建立了以維持身體姿勢的關節力及扭矩為目標函數,以人體姿勢變量和汽車設計變量為預測因子的人體不舒適度預測模型,并將模型應用于實際項目的方案分析中。

關鍵詞：駕駛員

駕駛姿勢

人機工程技術

人體舒適度 引言

隨著時代的發展，當今社會已由工業社會向信息社會即后工業社會過渡，人類賴以生存的生活空間和生活方式，處處都是經過設計并不斷完善的設計世界。現代設計，作為一種廣泛的文化活動，已成為人們生活中的一部分。人們開始追求高品質的舒適生活,于是按照人體工程學設計的產品也就越來越受到大眾的歡迎。人體工程學的產品也就成了現代社會人們追求的目標。先以汽車座椅為例,人體工程學的家具并不是人們頭腦中所想象的僅有數據符合的座椅,它還包括除了人體生理數據之外的很多因素。它的設計原則除了常見的尺度設計原則,人體機能和環境設計原則,健康設計原則外還應該講求黃金分割比的設計原則。并指出在這些原則的指導下好的人體工程學座椅是功能與美學相結合的產品,可以為人帶來身心兩方面的享受。舒適駕乘首要在于座椅設計

通過對汽車座椅設計中的人機因素分析,即尺度、形態、功能、色彩四方面的具體分析尋求汽車座椅設計與人機工程學的關系,從而論證目前汽車座椅設計中人機工程學應用的一些局限性,即學科內涵與目標的矛盾、共性原則與個性需求的矛盾、統計與個案的矛盾以

及合理與合情的矛盾,通過對這些應用矛盾的透析,探求出汽車座椅設計中人機工程學應用的原則,從而最終為汽車座椅產品設計中人機工程學的應用探索出一條道路。

而人機工程學在汽車座椅設計中的作用主要體現在以下幾方面（1）為確定汽車空間范圍提供依據。（2）為設計汽車座椅提供依據。

（3）為確定感覺器官的適應能力提供依據。

融人機工程學原理于汽車座椅設計已達到更大舒適度：

2.1 研究現狀及主要內容

現代科學技術的突飛猛進，以及人們工作和生活空間的不段變化，就要求汽車座椅的生產企業在座椅的設計、生產方式等方面進行改革，同時也要考慮降低成本，提高汽車座椅的經濟性。因此市場不斷細分，多種不同類型和不同設計的汽車座椅不斷進入市場。

人們對汽車座椅外觀樣式、材料品質的追求，使汽車座椅的設計樣式豐富多姿，各有特色。從而也使汽車座椅在設計上取得了矚目的成績。可以說汽車座椅發生的巨大變化，是老百姓不斷變化的需求造成的。

2.2研究方法

按照人機工程學的原理，以社會大眾需求為宗旨，重視人體舒適感相關的各種科學性問題，深入研究。例如，人在汽車上坐椅子坐久了會不會感到不舒服、椅身的高度和椅腿的長度是否合適、椅腿是否完全著地、如果是帶扶手的椅子，當把胳膊搭在扶手上時，肩部的位置感覺會如何等。這樣，座椅既具備了優美典雅的視覺感受，同時也擁有滿足人們日常生活和工作需要的實用功能。

座椅是對人們活動起輔助作用的工具首先必須能夠承受人們活動帶來的各種力量和沖擊。在設計初期就應該考慮到座椅對外部沖擊的承受力，否則就不能充分體現座椅的實用功能。因此應在充分了解座椅構造的基礎上進行設計，以達到既美觀又實用的目的。

2.3可行性分析 關于人機工程學在家居設計中的應用的提出，其可行性根本基于以下幾點： 2.3.1概念化階段

概念化階段是整體設計的理念和宗旨，是保證今后具體設計得以順利進行的前提條件。對椅子設計概念化進行設定的過程，涉及椅子相關的功能性、構造和材料以及形狀等問題。

2.3.2具體化階段

具體化階段是按照在概念化階段設定的設計方案，解決座椅的構造、功能和美觀問題并創造出其基本形狀。在這個階段要畫很多草圖、圖樣，做出模型，還要選擇材料，討論座椅的構造以及其他一些細節問題等。座椅設計的具體化階段就是創造出產品形狀的過程簡單地講就是做出座椅造型的外觀圖樣，并對其進行論證。

2.3.3周詳設計階段

座椅設計的關鍵是將重點放在符合整體的外觀和核心架構的設計上。產品的外觀、座椅的造型以及穩定的構造應該既反映其精湛設計，又能實現人們對舒適的要求，這就是汽車座椅設計的重點。

2.3.4檢驗校核階段

通過以上各階段步驟完成的產品設計可能并不是完美的。尤其是座椅與人體結構有著密切的關系，可以說人們對產品設計的合理性和適用性的評判是很重要的。因此應該對設計進行檢驗和校核。對于座椅的設計來說椅子的底座部分能否穩定地支撐人體體重是很重要的。當然除此之外對支撐人體背部的椅背部分和扶手部分的檢驗也是很必要的。汽車座椅舒適性及安全性設計研究

坐舒適度及安全性是評價汽車性能的主要指標，而隨著當今科學技術及生活水平的不斷改善和發展，人們對于座椅舒適要求也不斷提升。其中汽車座椅的舒適度及安全性設計已成為當今汽車產商所關注的主要內容。座椅的主要功能是支撐駕駛員及乘坐人員的身體減緩路面不平傳給人體的沖擊并減 弱由此而引起的振動。給駕乘提供舒適、安全的乘坐條件和便于駕駛操作的良好的工作條件。

通過查閱相關資料并對當前市民針對汽車座椅舒適性的市場調查考證，由生物動力學研究表明，長時間地承受高強度的全身振動對于人體健康的損害是相當嚴重的。主要是腰脊和相關的神經系統會受到影響。新陳代謝以及源于機體內部的一些其他因素會惡化這個影響，通常認為環境因素如身體姿勢、低溫及氣流會引起肌肉疼痛。

通過取證分析可以得到以下結論

（一）座椅舒適度研究（1）座椅舒適度的指標

根據人機工程學原理,為保證良好的舒適度，針對靜態舒適度，設計中應遵循以下原則：① 座椅尺寸應與人體測量尺寸相適宜；②座椅應可調節，能使乘坐者變換姿勢，并最大范圍 滿足各類人體的乘坐要求；③座椅應能使乘坐者保持舒適坐姿，靠背結構和尺寸應給腰部充分的支撐,使脊柱接近于正常彎曲狀態。

（2）座椅舒適度的影響因素

座椅的幾何尺寸是影響座椅舒適度的因素，但研究發現這并非唯一最主要的影響因素。許多文獻都提及腰部支撐的重要作用。腰托的形狀和位置，對于是否能使人保持良好坐姿，減少人體疲勞具有重要作用。從人機工程學的角度來講腰部是體現座椅功能的關鍵部位。因此 座椅的腰托是影響舒適性的關鍵因素。腰托的安裝位置在座椅靠背結構設計中十分重要。乘員正常入座時，人體身軀與大腿的連接點—胯點(hip point)簡稱H點H點的位置是決定駕駛員操作方便、乘坐舒適性相關的車內尺寸的基準。此外，座椅的調節特

性對座椅的舒適 度影響很大，已成為座椅舒適度設計中重點考慮的因素。壓力分布是導致不舒適的最主要的 生物力學因素，通過界面壓力對座椅舒適度進行評價是一種重要客觀、有效的方法。

（3）座椅舒適度的研究方法

從汽車座椅設計及改善的角度出發，消除座椅不舒適性最理想的方法是能建立定量模型，預測座椅的不舒適性。國內外研究中,建立的模型主要有如下3種：利用模糊理論建立的模型、線性模型和神經網絡模型。

目前，國內在座椅舒適度的研究上還存在一些缺陷：①沒有針對中國人體特征尺寸的座椅舒適性研究；②對于座椅靜態舒適性評價還沒有形成一套客觀系統的體系；③在應用神經 網絡建模方法評價舒適性中，對輸入量的界定還不夠清晰明確有待進一步研究。

（二）座椅安全性設計

座椅安全性設計的內容主要包括以下幾個方面:座椅強度的設計、座椅結構型式的設計、靠背的設計、坐墊的設計、頭枕的設計。（1）座椅強度的設計

座椅強度的設計是安全性設計的首要內容。汽車行駛中座椅要承受復雜的載荷。汽車座椅必須有足夠的強度以確保座椅上的人，所受的傷害最小，座椅的壽命應足夠長，不致過早變 形或損壞，受沖擊載荷作用時，座椅不應發生斷裂、嚴重變形等損壞現象。所以設計座椅時，必須對汽車座椅的強度進行計算盡量以最少的材料、最小的質量滿足強度要求。

（2）座椅結構型式的設計

座椅整體結構的安全性設計應考慮的是其對其他約束系統效能的影響及與其他約束系統之間 的連接方式等。（3）靠背的設計

靠背的安全性設計應考慮靠背的強度、傾角、基本尺寸及其形狀。靠背的強度設計不但應該 在“追尾”等后部碰撞時給乘員提供良好的保護，而且也要考慮側碰時對乘員的保護。而靠 背傾角、基本尺寸及其形狀對尾部碰撞的嚴重程度有很大影響。

（4）坐墊的設計

坐墊一般不會造成對乘員的直接沖擊傷害，但坐墊的結構可以影響到乘員運動過程、約束力 加到乘員身體上的方式及外部載荷(加速度、力等)的絕對值大小。坐墊深度設計的原則是在 充分利用靠背的情況下，使臀部得到合理的支撐。坐墊深度不應該超過人的大腿長度。（5）頭枕的設計

頭枕是一種用以限制乘員頭部相對于軀干向后移位的彈性裝置其作用是在發生碰撞時，減輕乘員頸椎可能受到的損傷。尤其是在汽車受到追尾碰撞時可抑制乘員頭部后傾防止或減輕頸部損傷。現多采用模擬計算和試驗驗證相結合的研究方法該方法重復性好、存儲信息量大、開發周期短且開發費用低。基于汽車座椅舒適度設計中面臨的問題 一般的座椅是由幾千個零件組裝而成，在建模前首先需要對座椅的整體結構進行分析，確定各個零件對強度特性的影響，根據影響程度的不同對零件進行篩選。對于座椅中主要的支撐性零部件，應精確建模，以保證模型的正確性，對靜強度特性影響不大的零件，只要抓住其主要的幾何形狀進行建模即可，對于基本沒影響的部件，可以簡單建模或不建模。汽車座椅骨架屬于空間桿系和空間板系的組合結構，由于各種調節機構設計，導致結構不完全對稱，同時，汽車在行駛過程中座椅承受復雜的載荷結構中的各個桿件既受彎曲又受扭轉。

通過調查研究，我們還了解到，早期的汽車座椅骨架大都采用簡單的鋼管結構，因此最早采用空間梁單元進行強度分析。受硬件設備與軟件水平的限制，當時的座椅有限元模型都比較簡單，單元和節點數目較少。

隨著座椅結構形式的不斷變化，單純用梁單元已不足以精確地描述座椅骨架的結構于是越來越多地使用了其他的單元形式建模，如空間板殼單元、實體單元等。在新的世紀里人們以新的方式來感知世界，人們越來越多的在追求一種新的生存環境和生存空間，毫無疑義未來的人性化設計具有更加全面立體的內涵，它將超越人們過去所局限的人與物的關系的認識向時間、空間、生理感官和心理方向發展，同時通過現代高科技技術如虛擬現實、互聯網絡等多種數字化的形式而擴延。

國內汽車座椅行業應該致力于簡化座椅的設計開發過程，大幅度縮短開發周期，減少開發費用和成本，提高產品質量和性能，獲得最優化的創新設計產品，這樣才能更好地促進我國座椅行業的設計國際化、現代化。我們希望這種汽車座椅的設計可以更好地保護人們的腰部和頸部。同時要想設法使駕駛員駕車時有更舒適、更安全的駕駛環境，對于當前的汽車座椅設計，高度的運用人機工程學知識，更大的提高人體舒適度，是極為必要，也是勢在必行。

參考文獻

[1]王正華，喻凡，莊德軍.汽車座椅舒適性的主觀和客觀評價研究 [2].汽車工程.2006(9):817.[3] 孟翔,王宏明.基于ADAMS的汽車座椅沖擊強度研究[J].機械設計與制造2007(11):167.

第三篇：基于人機工程學的汽車座椅設計研究

基于人機工程學的汽車座椅設計研究 何鈞1 陳亞文1 高秀峰1（1襄樊學院 441053）

【摘要】本文通過對重型商用車坐姿舒適性仿真的研究，并結合當今比較流行的舒適度建模方法，進行了適宜駕駛姿勢規律的實驗研究。得到以人體姿勢變量和汽車設計變量為預測因子的人體不舒適度預測模型,并將模型應用于實際項目的方案分析中。關鍵詞：駕駛員 駕駛姿勢 人機工程技術 人體舒適度

Car seat based on ergonomics design of the report concluding paper Hejun1 Chenyawen1 Gaoxiufeng1(1XiangFang University 441053)【Abstract】 Based on the heavy commercial vehicle sitting comfort simulation studies, combined with the comfort of today's popular modeling method was suitable for Experimental study of the driving position.Get to the body posture variables and design variables as predictors of car's body is not comfortable forecasting model, and the model is applied to the analysis of the actual project proposal.Key words: driver driving posture ergonomic body comfort technology

一、引言

隨著時代的發展，人們開始追求高品質的舒適生活,于是按照人體工程學設計的產品也就越來越受到大眾的歡迎。以汽車座椅為例,人體工程學的家具并不是人們頭腦中所想象的僅有數據符合的座椅,它還包括除了人體生理數據之外的很多因素。它的設計原則除了常見的尺度設計原則,人體機能和環境設計原則,健康設計原則外還應該講求黃金分割比的設計原則。并指出在這些原則的指導下好的人體工程學座椅是功能與美學相結合的產品,可以為人帶來身心兩方面的享受。

二、汽車座椅舒適性設計的重要性

現代科學技術的突飛猛進，以及人們工作和生活空間的不段變化，就要求汽車座椅的生產企業在座椅的設計、生產方式等方面進行改革，同時也要考慮降低成本，提高汽車座椅的經濟性。因此市場不斷細分，多種不同類型和不同設計的汽車座椅不斷進入市場。然而目前，國內在座椅舒適度的研究上還存在一些缺陷：①沒有針對中國人體特征尺寸的座椅舒 適性研究；②對于座椅靜態舒適性評價還沒有形成一套客觀系統的體系；③在應用神經 網絡建模方法評價舒適性中，對輸入量的界定還不夠清晰明確，有待進一步研究。關于人機工程學在家居設計中的應用的提出，其可行性可以分為概念化階段、具體化階段、周詳設計階段及檢驗校核階段等多階段進行設計【1】。1概念化階段是整體設計的理念和宗旨，是保證今后具體設計得以順利進行的前提條件。對椅子設計概念化進行設定的過程，涉及椅子相關的功能性、構造和材料以及形狀等問題；2具體化階段是按照在概念化階段設定的設計方案，解決座椅的構造、功能和美觀問題并創造出其基本形狀；3座椅周詳設計的關鍵是將重點放在符合整體的外觀和核心架構的設計上。產品的外觀、座椅的造型以及穩定的構造應該既反映其精湛設計，又能實現人們對舒適的要求，這就是汽車座椅設計的重點。4通過以上各階段步驟完成的產品設計可能并不是完美的。尤其是座椅與人體結構有著密切的關系，可以說人們對產品設計的合理性和適用性的評判是很重要的。因此應該對設計進行檢驗和校核。對于座椅的設計來說，椅子的底座部分能否穩定地支撐人體體重是很重要的。當然除此之外對支撐人體背部的椅背部分和扶手部分的檢驗也是很必要的。

三、基于汽車座椅的舒適性及安全性設計研究 隨著當今科學技術及生活水平的不斷改善和發展，人們對于座椅舒適要求也不斷提升。其中汽車座椅的舒適度及安全性設計已成為當今汽車產商所關注的主要內容。座椅的主要功能是支撐駕駛員及乘坐人員的身體，減緩路面不平傳給人體的沖擊并減弱由此而引起的振動。給駕乘提供舒適、安全的乘坐條件和便于駕駛操作的良好的工作條件。由生物動力學研究表明，長時間地承受高強度的全身振動對于人體健康的損害是相當嚴重的。主要是腰脊和相關的神經系統會受到影響。新陳代謝以及源于機體內部的一些其他因素會惡化這個影響，通常認為環境因素，如身體姿勢、低溫及氣流會引起肌肉疼痛。由本小組研究人員取證分析，得到以下結論：

（一）座椅舒適度研究

1、座椅舒適度的指標：① 座椅尺寸應與人體測量尺寸d相適宜（一般d取45—60公分）；②座椅應可調節，能使乘坐者變換姿勢，并最大范圍滿足各類人體的乘坐要求,如沃爾沃公司的F7型汽車坐高可調65mm；傾斜度可調64度；縱向位置可調130mm等；③座椅應能使乘坐者保持舒適坐姿，靠背結構和尺寸應給腰部充分的支撐,使脊柱接近于正常彎曲狀態。

2、座椅舒適度的影響因素：座椅的幾何尺寸是影響座椅舒適度的因素，但研究發現這并非唯一最主要的影響因素。從人機工程學的角度來講，腰部是體現座椅功能的關鍵部位。因此，座椅的腰托是影響舒適性的關鍵因素。此外，座椅的調節特性對座椅的舒適度影響很大，已成為座椅舒適度設計中重點考慮的因素。

3、座椅舒適度的研究方法：從汽車座椅設計及改善的角度出發，消除座椅不舒適性最理想的方法是能建立定量模型，預測座椅的不舒適性。國內外研究中,建立的模型主要有如下3種：利用模糊理論建立的模型、線性模型和神經網絡模型。

（二）座椅安全性設計1、座椅強度的設計：座椅強度的設計是安全性設計的首要內容。汽車行駛中，座椅要承受復雜的載荷。汽車座椅必須有足夠的強度，以確保座椅上的人所受的傷害最小；座椅的壽命應足夠長，不致過早變形或損壞；受沖擊載荷作用時，座椅不應發生斷裂、嚴重變形等損壞現象。2、座椅結構型式的設計：座椅整體結構的安全性設計應考慮的是其對其他約束系統效能的影響及與其他約束系統之間的連接方式等。3、靠背的設計：靠背的安全性設計應考慮靠背的強度、傾角、基本尺寸及其形狀。靠背的強度設計不但應該在“追尾”等后部碰撞時給乘員提供良好的保護，而且也要考慮側碰時對乘員的保護。而靠背傾角、基本尺寸及其形狀對尾部碰撞的嚴重程度有很大影響。

4、坐墊的設計：坐墊一般不會造成對乘員的直接沖擊傷害，但坐墊的結構可以影響到乘員運動過程、約束力加到乘員身體上的方式及外部載荷(加速度、力等)的絕對值大小。坐墊深度設計的原則是在充分利用靠背的情況下，使臀部得到合理的支撐。坐墊深度不應該超過人的大腿長度。5、頭枕的設計：頭枕是一種用以限制乘員頭部相對于軀干向后移位的彈性裝置，其作用是在發生碰撞時，減輕乘員頸椎可能受到的損傷。尤其是在汽車受到追尾碰撞時，可抑制乘員頭部后傾，防止或減輕頸部損傷。現多采用模擬計算和試驗驗證相結合的研究方法，該方法重復性好、存儲信息量大、開發周期短且開發費用低，目前可用于座椅強度分析的有限元軟件有MSC.NASTRAN、ABAQUAS、ANSYS、SAP、PAM-CRASH、DYNA-3D等【2】。

四、基于汽車座椅舒適度設計中面臨的問題

對于座椅中主要的支撐性零部件，應精確建模，以保證模型的正確性；對靜強度特性影響不大的零件，只要抓住其主要的幾何形狀進行建模即可；對于基本沒影響的部件，可以簡單建模或不建模。隨著座椅結構形式的不斷變化，單純用梁單元已不足以精確地描述座椅骨架的結構，于是越來越多地使用了其他的單元形式建模，如空間板殼單元、實體單元等。在新的世紀里，人們以新的方式來感知世界，人們越來越多的在追求一種新的生存環境和生存空間，毫無疑義，未來的人性化設計具有更加全面立體的內涵，它將超越人們過去所局限的人與物的關系的認識，向時間、空間、生理感官和心理方向發展，同時，通過現代高科技技術如虛擬現實、互聯網絡等多種數字化的形式而擴延。

五、總結國內汽車座椅行業應該致力于簡化座椅的設計開發過程，大幅度縮短開發周期，減少開發費用和成本，提高產品質量和性能，獲得最優化的創新設計產品，這樣才能更好地促進我國座椅行業的設計國際化、現代化。我們希望這種汽車座椅的設計可以更好地保護人們的腰部和頸部。

同時，要想設法使駕駛員駕車時有更舒適、更安全的駕駛環境，對于當前的汽車座椅設計，高度的運用人機工程學知識，更大的提高人體舒適度，是極為必要，也是勢在必行！

［參考文獻］

【1】王正華，喻凡，莊德軍.汽車座椅舒適性的主觀和客觀評價研究［J］.汽車工 程，2006（9）：817. 【2】 孟翔，王宏明.基于ADAMS的汽車座椅沖擊強度研究［J］.機械設計與制造，2007（11）：167.項目指導老師： 李和

論文報告編輯者： 何鈞 襄樊學院機械與汽車工程學院工業工程0811班 完成時間：2010年5月10日

第四篇：人機工程學在汽車座椅設計中的應用

人機工程學在汽車座椅設計中的應用

摘要：運用人機工程學原理，針對汽車駕駛座持，從駕駛員生理特性與作業環境兩個方面分析了影響駕駛舒適性及安全性的原因，在此基礎上從坐姿舒適性，振動舒適性，操作舒適性，安全性等四個方面論述了人機工程學在汽車座椅設計中的應用，完成了對汽車駕駛座椅從分析到設計的系列開發過程。

關鍵詞：汽車駕駛座椅 人機工程學 設計

一、引言

隨著時代的發展，當今社會已由工業社會向信息社會即后工業社會過渡，人類賴以生存的生活空間和生活方式，處處都是經過設計并不斷完善的設計世界。現代設計，作為一種廣泛的文化活動，已成為人們生活中的一部分。人們開始追求高品質的舒適生活,于是按照人體工程學設計的產品也就越來越受到大眾的歡迎。人體工程學的產品也就成了現代社會人們追求的目標。先以汽車座椅為例,人體工程學的家具并不是人們頭腦中所想象的僅有數據符合的座椅,它還包括除了人體生理數據之外的很多因素。它的設計原則除了常見的尺度設計原則,人體機能和環境設計原則,健康設計原則外還應該講求黃金分割比的設計原則。并指出在這些原則的指導下好的人體工程學座椅是功能與美學相結合的產品,可以為人帶來身心兩方面的享受。

二、舒適駕乘首要在于座椅設計

通過對汽車座椅設計中的人機因素分析,即尺度、形態、功能、色彩四方面的具體分析,尋求汽車座椅設計與人機工程學的關系,從而論證目前汽車座椅設計中人機工程學應用的一些局限性,即學科內涵與目標的矛盾、共性原則與個性需求的矛盾、統計與個案的矛盾以及合理與合情的矛盾,通過對這些應用矛盾的透析,探求出汽車座椅設計中人機工程學應用的原則,從而最終為汽車座椅產品設計中人機工程學的應用探索出一條道路。

而人機工程學在汽車座椅設計中的作用主要體現在以下幾方面：

1、為確定汽車空間范圍提供依據。

2、為設計汽車座椅提供依據。

3、為確定感覺器官的適應能力提供依據。

三、汽車座椅人機工程學分析

1、人體坐姿生理特性分析（1）坐姿時脊柱的形態

人坐著時，身體主要由脊柱、盆骨、腿和腳支撐。脊柱位于人體的背部中央，是構成人體的中軸。人處于不同的坐姿時，脊柱形態不同，只有座椅的結構和尺寸設計使駕駛員的脊柱形態接近于正常自然形態，才會減少腰椎的負荷以及腰背部肌肉的負荷，防止駕駛疲勞發生。

（2）坐姿體壓分布

當座椅上的人處于坐姿狀態時，人的身體重量作用于座墊和靠背上的壓力分布稱作坐姿的體壓分布。可見，坐姿體壓分布包括座墊上的體壓分布和靠背上的體壓分布兩部分。

（3）座墊上的體壓分布

根據人體組織的解剖學特性可知，坐骨結節處是人體最能耐受壓力的部位，適合于承重，而大腿下靠近表面處因有下肢主動脈分布，故不宜承受重壓。據此座墊上的壓力應按照臀部不同部位承受不同壓力的原則來分布，即在坐骨處壓力最大，自大腿部位時壓力降至最低，這是座墊設計的壓力分布不均勻原則。圖1為坐姿時座墊上的體壓分布。

（4）靠背上的體壓分布

靠背上的體壓分布也以不均勻分布，壓力相對集中在肩胛骨和腰椎兩個部位。從這兩個部位向外，壓力應逐步降低。

2、環境分析

把駕駛員——座椅組成的系統看作一個典型人機系統，該系統所處的環境對系統中的駕駛員的影響主要體現在以下兩個方面，具體分析如下：

（1）振動

駕駛員坐在行使中的汽車上所承受的振動屬于全身振動的范疇。有關研究表明，人體最敏感的頻率范圍為縱向振動4~8Hz，橫向振動1~2Hz。當外界振動接近器官的共振頻率時，即產生共振，振幅迅速增大，此時引起器官的生理反應最大。

振動對駕駛員操作的影響主要表現為視覺作業效率的下降和操作動作準確性變差。當振動頻率低于2Hz時，由于眼肌的調節補償作用，使視網膜上的映像相對穩定，因此對視覺的干擾作用不大，但當振動頻率大于4Hz時，視覺作業效率將受到嚴重的影響，振動頻率為10~30Hz時，對視覺的干擾最大，振動頻率為50Hz、加速度為2m/s2時，視覺下降約50%。振動對操作動作準確性的影響，主要是由于振動降低了手（或腳）的穩定性，從而使操縱動作的準確性變差，而且振幅越大，影響越大。

（2）溫濕度

研究表明，駕駛員在駕駛狀態下的舒適溫度為18℃～23℃，舒適濕度為40%～60%，代謝量為1.0～2.0met。座椅對人體熱環境的主要影響因素有：座椅表面的溫度和濕度。座椅表面的溫濕度特性將影響人體背部、臀部、下體等部位的散熱性能及皮膚的呼吸功能，當其溫濕度特性與人體生理機能不適應時將引起人體局部不快感，從而加速人體疲勞的形成。

四、汽車座椅的人機工程設計

汽車駕駛座椅的人機工程學分析，安全舒適的汽車駕駛座椅的設計必須滿足以下要求：意識坐姿舒適性（靜態舒適性）；二是振動舒適性（動態舒適性）；三是操作舒適性；四是安全性（包括主動安全性及被動安全性兩個方面）。

上述要求具體到駕駛座椅的設計中滿足駕駛員坐姿舒適性的座椅尺寸結構設計、滿足駕駛員振動舒適性的座椅抗振減振設計、滿足操作舒適性的座椅空間位置設計以及滿足駕駛員的安全性的汽車駕駛座椅主動安全性及被動安全性的設計。

1、座椅尺寸結構設計

駕駛座椅尺寸結構設計的研究把注意力集中在人體生理結構特點對駕駛舒適程度的影響上，尋求最佳的座椅結構形式、尺寸、輪廓形狀及材料選擇。

（1）座椅尺寸設計

座椅尺寸設計主要參數包括：椅面高度、寬度、深度、椅面傾角；靠背的高度、寬度和傾角。座椅尺寸設計涉及主要參數如圖2所示。

椅面高度A：椅面高度定義為椅面前緣至駕駛員踵點的垂直距離。在設計時主要考慮到兩點：椅面過高會使大腿肌肉受壓，椅面過低就會增加背部肌肉負荷，駕駛座椅的椅面高度應低些。

椅面寬度B：在空間允許的條件下，以寬為好。但對于汽車駕駛座椅來講，駕駛員坐姿單一，不涉及變換姿勢，通常設計應滿足最寬人體需要為準。

椅面深度C：指椅面前緣至靠背前面水平距離。其尺寸應滿足：腰部得到靠背的支撐；椅面前緣與小腿之間留有適當距離，以保證大腿肌肉不受擠壓，腿彎部分不受阻礙。

靠背高度D及寬度：靠背的高度和寬度與坐姿肩高和肩寬有關，對于汽車駕駛座椅靠背的高度應采取高靠背，最好加靠枕。

靠背傾角α：靠背傾角是指靠背與椅面水平方向的夾角。

椅面傾角β：指椅面與水平之間的夾角。主要考慮到為了防止人體臀部向前滑動而是椅面前緣向后傾。此角不易過大，否則會增加大腿下平面與座墊前緣的壓力，從而減少雙腳著地的負荷，阻礙血液循環，引起身心疲勞。

通過以上座椅尺寸參數的確定，以保證駕駛員人體脊柱曲線更接近于正常生理脊柱曲線。舒適坐姿的各關節的角度應該滿足圖3中所示的要求角度。

（2）座椅結構設計

為了保證座墊上合理的體壓分布，座墊應堅實平坦。太軟的椅子容易令使用者曲起身子，全身肌肉和骨骼受力不均，從而導致腰酸背痛現象的產生。研究表明：過于松軟的椅面，使臀部與大腿的肌肉受壓面積增大，不僅增加了軀干的不穩定性，而且不易改變坐姿，容易產生疲勞。

依據靠背上體壓分布不均勻原則，在座椅靠背設計時應保證有靠背兩點支撐，即就是人體背部和腰部的合理支撐。汽車座椅設計時應提供形狀和位置適宜的兩點支撐，第一支撐不位位于人體第5—6胸椎之間的高度上，作為肩靠；第二支撐設置在腰曲部位，作為腰靠。肩靠能減輕頸曲變形，腰靠能保證坐姿下的近似于正常的腰弧曲線。

（3）座椅材料選擇

座椅材料的選擇主要考慮到以下兩個方面：振動舒適性以及座椅對人體熱環境的主要影響。座椅材料是座椅的主要減振元件，要想使座椅獲得較低的振動傳遞率，使座椅有較高的振動舒適性，必須采用合適的座墊和靠背減振材料。根據駕駛室的微氣候環境，調整座椅表面的濕溫度特性，可以適當調節人體代謝，達到減輕疲勞的目的。

2、座椅舒適性設計 通過查閱相關資料并對當前市民針對汽車座椅舒適性的市場調查考證，由生物動力學研究表明，長時間地承受高強度的全身振動對于人體健康的損害是相當嚴重的。主要是腰脊和相關的神經系統會受到影響。新陳代謝以及源于機體內部的一些其他因素會惡 化這個影響，通常認為環境因素，如身體姿勢、低溫及氣流會引起肌肉疼痛。由本小組研究人員取證分析，得到以下結論：

（1）、座椅舒適度的指標

根據人機工程學原理,為保證良好的舒適度，針對靜態舒適度，設計中應遵循以下原則：① 座椅尺寸應與人體測量尺寸相適宜；②座椅應可調節，能使乘坐者變換姿勢，并最大范圍 滿足各類人體的乘坐要求；③座椅應能使乘坐者保持舒適坐姿，靠背結構和尺寸應給腰部 充分的支撐,使脊柱接近于正常彎曲狀態。

（2）、座椅舒適度的影響因素 座椅的幾何尺寸是影響座椅舒適度的因素，但研究發現這并非唯一最主要的影響因素。許多 文獻都提及腰部支撐的重要作用。腰托的形狀和位置，對于是否能使人保持良好坐姿，減少 人體疲勞具有重要作用。從人機工程學的角度來講，腰部是體現座椅功能的關鍵部位。因此，座椅的腰托是影響舒適性的關鍵因素。腰托的安裝位置在座椅靠背結構設計中十分重要。

（3）、座椅舒適度的研究方法 從汽車座椅設計及改善的角度出發，消除座椅不舒適性最理想的方法是能建立定量模型，預測座椅的不舒適性。國內外研究中,建立的模型主要有如下3種：利用模糊理論建立的模型、線性模型和神經網絡模型。

目前，國內在座椅舒適度的研究上還存在一些缺陷：①沒有針對中國人體特征尺寸的座椅舒 適性研究；②對于座椅靜態舒適性評價還沒有形成一套客觀系統的體系；③在應用神經 網絡建模方法評價舒適性中，對輸入量的界定還不夠清晰明確，有待進一步研究。

3、座椅空間位置設計

座椅空間位置設計就是為了達到操作舒適性的目標，而進行駕駛室座椅空間位置設計以確保駕駛員有良好的視野，同時對汽車轉向盤、腳踏板等操作部件有恰當的操作要求距離，以達到操作舒適性的最終目的。

圖4列出了駕駛作業空間設計的主要指標。

4、座椅安全性設計

座椅安全性設計的內容主要包括以下幾個方面:座椅強度的設計、座椅結構型式的設計、靠 背的設計、坐墊的設計、頭枕的設計。

（1）座椅強度的設計

座椅強度的設計是安全性設計的首要內容。汽車行駛中，座椅要承受復雜的載荷。汽車座椅 必須有足夠的強度，以確保座椅上的人所受的傷害最小；座椅的壽命應足夠長，不致過早變 形或損壞；受沖擊載荷作用時，座椅不應發生斷裂、嚴重變形等損壞現象。所以設計座椅時 必須對汽車座椅的強度進行計算，盡量以最少的材料、最小的質量滿足強度要求。

（2）座椅結構型式的設計

座椅整體結構的安全性設計應考慮的是其對其他約束系統效能的影響及與其他約束系統之間 的連接方式等。

（3）靠背的設計

靠背的安全性設計應考慮靠背的強度、傾角、基本尺寸及其形狀。靠背的強度設計不但應該 在“追尾”等后部碰撞時給乘員提供良好的保護，而且也要考慮側碰時對乘員的保護。而靠 背傾角、基本尺寸及其形狀對尾部碰撞的嚴重程度有很大影響。

（4）坐墊的設計

坐墊一般不會造成對乘員的直接沖擊傷害，但坐墊的結構可以影響到乘員運動過程、約束力 加到乘員身體上的方式及外部載荷(加速度、力等)的絕對值大小。坐墊深度設計的原則是在 充分利用靠背的情況下，使臀部得到合理的支撐。坐墊深度不應該超過人的大腿長度。（5）頭枕的設計

頭枕是一種用以限制乘員頭部相對于軀干向后移位的彈性裝置，其作用是在發生碰撞時，減 輕乘員頸椎可能受到的損傷。尤其是在汽車受到追尾碰撞時，可抑制乘員頭部后傾，防止或 減輕頸部損傷。現多采用模擬計算和試驗驗證相結合的研究方法，該方法重復性好、存儲信 息量大、開發周期短且開發費用低。

五、汽車座椅人機工程學的應用

所謂人機工程學，亦即是應用人體測量學、人體力學、勞動生理學、勞動心理學等學科的研究方法，對人體結構特征和機能特征進行研究，提供人體各部分的尺寸、重量、體表面積、比重、重心以及人體各部分在活動時的相互關系和可及范圍等人體結構特征參數；還提供人體各部分的出力范圍、活動范圍、動作速度、動作頻率、重心變化以及動作時的習慣等人體機能特征參數，分析人的視覺、聽覺、觸覺以及膚覺等感覺器官的機能特性；分析人在各種勞動時的生理變化、能量消耗、疲勞機理以及人對各種勞動負荷的適應能力；探討人在工作中影響心理狀態的因素以及心理因素對工作效率的影響等。

人機工程學的顯著特點是，在認真研究人、機、環境三個要素本身特性的基礎上，不單純著眼于個別要素的優良與否，而是將使用“物”的人和所設計的“物”以及人與“物”所共處的環境作為一個系統來研究。在人機工程學中將這個系統稱為“人——機——環境”系統。

六、結束語

從人機工程學的角度出發，進行汽車駕駛座椅的設計，是使駕駛座椅具有良好坐姿舒適性、振動舒適性、操作舒適性和安全性的必要手段。

目前，雖然已有企業在利用人機工程學的研究成果來設計駕駛員座椅了，但對設計出來的駕駛座椅還不夠完善，因此建立一個從分析——設計的系列開發過程有著非常重要的意義。參考文獻

[1]王惠軍 《汽車造型設計》 國防工業出版社，2007年 [2]郭竹亭 《汽車車身設計》 吉林科學技術出版社，1992年 [3]黃天澤 《汽車車身結構與設計》 機械工業出版社，2003年

[4]李少波 《汽車車身計算機輔助設計與分析》[碩士論文] 貴州工業大學，1999年 [5]吳翔 《產品系統設計》 中國輕工業出版社，2000年

第五篇：人機工程學在汽車座椅設計中的應用

題目 人機工程學在汽車座椅設計中的應用

熊雯

湖北汽車工業學院 機械工程系,湖北 十堰,442002 摘要：駕駛員駕駛姿勢直接影響著駕駛員的舒適和健康，關系著是否能夠安全、高效準確地駕駛。同時它還決定著舒適程度，以及長期駕駛是否對駕駛員造成生理和心理上的有害的影響。本文結合人機工程學的知識，從人的心理，生理特點出發并結合汽車振動特性，視野范圍以及空間分布來分析人與座椅的相互關系和相互作用，從而得出能符合人機工程學標準的，并將舒適性、安全性都考慮到位的汽車座椅的設計。關鍵詞：人機工程學、座椅，舒適度、設計

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：

一個性能優良的汽車座椅主要取決于以下五個方面：①座椅與人體的人機界面能否為人提供舒適而穩定的坐姿。②駕駛員(或乘坐)——座椅——車輛系統能否有效的隔離或衰減來自路面不平度的激勵而產生的震動以及駕駛員或乘坐員所承受的全身震動負荷低于規定限值。③駕駛員(或乘坐員)——座椅——駕駛室系統的幾何位置

關系能否為駕駛員提供良好的視野。④能否為駕駛員提供一個相對于各種操縱機構的合適位置，使他能方便地進行操作。⑤能否提高駕駛員的人身安全性，當發生翻車或撞車事故時，將駕駛員約束在駕駛座椅上面，下面就從這四個方面來分析人機工程學在汽車座椅設計上的運用。

1.舒適坐姿的生理特征

坐姿是人體較自然的姿勢，坐姿將以腳支撐全身的狀況轉變為以臀部支撐全身，有利于發揮腳的作用，特別是能夠利用靠背來增大腿腳的蹬力這一特點，來控制操縱力較大的裝置。但如果坐姿不正確，座椅設計不合理，也會給身體帶來嚴重損害。1.1坐姿生理學 1.1.1脊柱結構

坐姿狀態下，支撐身體的是脊柱、骨盆、腿和腳。脊柱是人體的主要支柱，由24節椎骨以及5塊骶骨和4塊尾骨連接組成，如圖1-1所示，其中椎骨自上而下又分為頸椎（共7節）、胸椎（共12節）、腰椎（共5節）三部分，每兩節椎骨之間由軟骨組織和韌帶相聯系，使人體得以進行屈伸、側曲和扭轉動作等有限度的活動。頸椎支撐頭部，胸椎與肋骨構成胸腔，腰椎、骶骨和椎間盤承擔人體坐姿的主要負荷。

圖1-1 脊柱的構造

從圖中可以看出脊柱呈現頸、胸、腰、骶四個彎曲部位，其中頸曲和腰曲凸向前，胸曲和骶曲凸向后。1.1.2腰曲弧線

與坐姿舒適性直接相關的是腰曲。圖1-2為各種不同姿勢下所產生的腰曲弧線，人體正常腰曲弧線是松弛狀態下側臥的曲線，如圖中曲線B所示；軀干挺直坐姿和前彎時的腰弧曲線會使腰椎嚴重變形，如圖中曲線F和G所示；欲使坐姿能形成幾乎正常的腰曲弧線，軀干與大腿之間必須有大于90度的角度，且在腰部有所支撐，如圖中曲線C所示。可見保證腰弧曲線的正常形狀是獲得舒適性的關鍵。

圖1-2 不同姿勢下所產生的腰椎曲度

1.1.3腰椎后突和前突

正常的腰線曲線是微微前突。為使坐姿下的腰弧曲線變形最小，座椅應在腰椎部提

供所謂兩點支撐。無腰靠或腰靠不明顯將會使正常的腰椎成圖1-3（a)中的后突形狀。而腰靠過分凸出將會使腰椎呈圖1-3（b）中的前突形狀。腰椎后突和過分前突都是非正常狀態，合理的腰靠應該是使腰弧曲線處于正常的生理曲線。

圖1-3 腰椎后突和前突

1.2坐姿生物力學

1.2.1肌肉活動度

脊椎骨依靠其附近的肌肉和腱連接，椎骨的定位借助于肌腱的作用力。一旦脊椎偏離自然狀態，肌腱組織就會受到相互壓力(拉或壓)的作用，使肌肉活動度（活動量）增加，招致疲勞酸痛。在挺直坐姿下，腰椎部位肌肉活動度高，因為腰椎前向拉直使肌肉組織緊張受力。提供靠背支承腰椎后，活動力則明顯減小；當軀干前傾時，背上方和肩部肌肉活動度高。1.2.2體壓分布

座墊上的體壓分布。根據人體組織的解剖學特性可知，坐骨結節處是人體最能耐受壓力的部位，合于承重，而大腿下靠近表面處因有下肢主動脈分布，故不宜承受重壓。據此座墊上的壓力應按照臀部不同部位承受不同壓力的原則來分布，即在坐骨處壓力最大，向四周逐漸減少，自大腿部位時壓力 降至最低值，這是座墊設計的壓力分布不均

勻原則。圖1-4是較為理想的坐墊體壓分布線。

圖1-4 體壓分布曲線

1.2.3骨盤受力分析

人體結構在骨盤下面有兩塊圓骨，稱為坐骨結節。如圖1-5所示。坐骨結節下面的底座呈近似水平時，可使兩坐骨結節外側的股骨處于正常的位置而不受過分的壓迫，如1-5（a）。當坐面呈斗形時，會使股骨向上轉動，這種狀態會使肘部和肩部受力，從而引起不舒服。所以在座椅設計中，斗形坐面是應該避免的。

圖1-5 座面對股骨的影響

1.2.4椎間盤受力分析 當坐姿腰弧曲線正常時，椎間盤上受的壓力均勻而輕微，幾乎無推力作用于韌帶，韌帶不拉伸，腰部無不舒適感，如圖1-6（a）所示。但是，當人體處于前彎坐姿時，椎骨之間的間距發生改變，相鄰兩椎骨前端間隙縮小，后端間隙增大，如圖1-6（b）。這會引起腰部的不舒適感，長期積累作用，可造成椎間盤病變。

圖1-6 不同坐姿時椎間盤受力分析

1.3坐姿人體測量尺寸

坐姿人體測量尺寸是座椅靜態尺寸設計的主要依據。與座椅設計相關的人體測量主要尺寸見圖1-7，具體測量數值如表1-8所示。

圖1-7 對座椅設計有用的人體尺寸

表1-8坐姿人體尺寸

綜合來看，從坐姿生理學角度，應保證要弧線正常，腰背肌肉處于松弛狀態，從上體通向大腿的血壓不受壓迫，保持血液正常循環。因此，最舒適的坐姿是臀部稍離靠背向前移，使上體略微向后傾斜，保持腿夾角在90度到115度之間，小腿向前伸，大腿與小腿，小腿與腳面之間也有合適的夾角。如圖1-9所示：

圖1-9 大腿、小腿和腳面的夾角

2.人體對乘坐振動的反應

座椅及懸架等部件隔離、吸收、緩和、衰減行駛中所產生的各種沖擊和振動激勵如果超出了人體承受振動的舒適性界限，就會使人產生不舒服感。車輛駕駛員所受的機械震動分為全局振動和全身震動兩大類。局部振動是指作用于人體特殊部位（如頭部和四肢）的震動，一般不會給駕駛員造成損害，但是對操縱的精確度有影響。全身震動是指通過人體支撐表面作為整體傳給人體的震動。車輛駕駛員承受的乘坐振動屬于全身震動，是對駕駛員可能造成嚴重傷害的主要震動形式。人體承受全身震動將產生機械的、生理、病理的和心理的效應。2.1乘坐振動的機械效應

乘坐振動通過駕駛員的臀部、腰部傳給駕駛員，激起人體的全身震動。當振動激勵頻率接近人體的主要器官的固有頻率時，將引起相應器官的共振而產生相對位移，從而使人感到不舒適。

在正常重力情況下，人體對4～8Hz頻率的震動的能量傳遞最大，其生理效應也最大，稱為第一共振峰。10 12Hz的震動頻率時出現第二共振峰，其生理效應僅次于第一共振峰。在20 25Hz時出現第三共振峰，其生理效應較第二共振峰稍低。以后隨著頻率的增高，震動在人體內的傳遞逐步衰減，其生理效應也相應減弱。如圖2-1所示。

圖2-1 坐姿時人體對垂直振動的傳遞率

坐在駕駛座上的駕駛員承受垂直振動時，人體各主要器官的固有頻率如圖2-2所示。

圖2-2 人體器官的固有頻率 將人置于震動臺上進行各種典型工況下的激振試驗，測得人體的坐姿震動特性如圖2-

3、2-

4、2-5所示。圖2-3 人體坐姿承受垂直振動的傳遞特性

圖2-4 人體坐姿承受左、右水平振動的傳遞特性

圖2-5 人體坐姿承受前、后水平振動的傳遞特性

2.2乘坐振動的生理效應

全身振動引起的主訴癥狀及生理反應與振動頻率有關。低于10Hz的震動，主要引起胸脯部不適；高于10Hz的振動，引起頭部癥狀的增強。全身振動英氣的生理效應如圖2-6所示：

圖2-6 全身振動的生理效應

全身振動最明顯的生理反應時人體姿勢的變化，低頻高強度的振動使人難以保持

穩定的姿態。

2.3全身振動的病理效應

研究表明，駕駛員常患的兩種職業病：胃病和脊椎損傷。圖2-7為拖拉機駕駛員的胃病患病率。主要原因是因為急劇的乘坐振動對胃的消化功能產生了有害影響。

圖2-7 拖拉機駕駛員的胃病患病率

圖2-8為拖拉機駕駛員為脊椎病與年齡的關系。由此可以看出，駕駛員的脊椎畸形的發病率都很高，主要原因是因為駕駛員承受劇烈的乘坐振動和不方便的乘坐姿勢。

圖2-8 拖拉機駕駛員脊椎患病率與年齡的關系

實線——男人；虛線——女人

2.4乘坐振動的心理效應

對車輛駕駛員來說，乘坐振動的心理效應主要表現為操作能力的變化。讓人在座椅上用振動臺進行各種典型情況下的激振試驗，測得振動對人的操作能力的影響如圖2-9至2-11所示。

圖2-9 人體坐姿承受垂直振動時的實力降低情況

（a）加振中；（b）加振終了時

2-10 人體坐姿承受水平振動時腳踩加速踏板壓

力保持不變的能力

左邊—振動頻率的影響；右邊—振動加速度的影響圖2-11 坐姿人體承受垂直振動時的平衡能力降

低情況（a）加振時；（b）加振終了時

圖2-12 人體坐姿承受橫向水平振動時跟蹤誤差

圖2-13 人體坐姿承受橫向水平振動選擇時的反應時間

圖2-14 人體坐姿承受垂直振動的手眼協調平均動作時間

根據受振者的感覺，《人體承受全身振動的評價指南》即ISO2631—1982把振動劃分為三個不同的認為界限：

（1）保持舒適性界限：在此振動界限內，沒有不舒服的感覺，受振者能順利的完成讀、寫、吃等動作。

（2）保持工作效率界限：在此振動界限內，操作人員能在規定的時間保持正常的工作效率。超過此界限，則因疲勞而降低工作效率。

（3）保持健康與安全界限：它是身體所能承受振動的上限。超過此界限將使受振者的健康受到損害。

一般對于小轎車和旅游車，選取保持舒

適性界限作為評價振動舒適性的標準；對于拖拉機、工程機械和各種越野車輛，宜選擇保持工作效率界限作為評價振動舒適性的標準。

3.座椅空間位置的設計

座椅空間位置設計就是為了達到操作

舒適性的目標，而進行駕駛座椅空間位置設計以確保駕駛員有良好的視野，同時對汽車轉向盤、腳踏板等操作部件有恰當的操作要求距離，以達到操作舒適性的最終目的。

好的駕駛設計必須要保證駕駛員在連續幾個小時操作的情況下，身體能夠得到很好的支持。并且座椅必須有額外的空間，允

許駕駛員坐在座椅上的任一邊或改變在座椅上的角度，以便暫時使他的肌肉放松。

確定駕駛座椅在車輛上的安裝位置之前，必須先確定坐著的駕駛員與座椅結構的相對位置。美國汽車工程師協會SAE已將車輛駕駛座椅設計的參考點標準化，這個參考點稱為座椅標志點，即SIP，其位置如圖3-1所示。圖3-1 人體H點與座椅標志點之間的關系 圖3-2為轎車駕駛座椅的作業空間布置和尺寸推薦數據。

圖3-3為載貨汽車的駕駛座椅的作業空間布置和尺寸推薦數據。

圖3-2 轎車駕駛座椅的推薦設計

圖3-3 載貨汽車的駕駛座椅的操作位置尺寸

4.汽車座椅的尺寸結構設計

座椅尺寸設計的合適與否，直接影響到駕駛員能否有一個舒適而穩定的坐姿和合適的操縱位置。4.1汽車座椅的主要尺寸

座椅尺寸設計主要參數包

括:椅面高度、寬度、深度、椅面傾角;靠背的高度、寬度和傾角。如圖4-1所示：

圖4-1 座椅尺寸設計主要參數

椅面高度A：為椅面前緣至駕駛員踵點的垂直距離。在設計時主要考慮到兩點:椅

面過高會使大腿肌肉受壓，椅面過低就會增加背部肌肉負荷。駕駛座椅的椅面高度應低些。

椅面寬度B :在空間允許的條件下，以寬為好。但對于汽車駕駛座椅來講，駕駛員坐姿單一，不涉及變換姿勢，通常設計應以滿足最寬人體需要為準。

椅面深度C :指椅面前緣至靠背前面水平距離。其尺寸應滿足:腰部得到靠背的支承;椅面前緣與小腿之間留有適當距離，以

保證大腿肌肉不受擠壓，腿彎部分不受阻礙。

靠背高度D及寬度:靠背的高度和寬度與坐姿肩高和肩寬有關，對于汽車駕駛座椅靠背的高度應采取高靠背，最好加靠枕。

靠背傾角α:靠背傾角是指靠背與椅面水平方向的夾角。椅面傾角β :指椅面與水平之間的夾角。主要考慮到為了防止人體臀部向前滑動而是椅面前緣向后傾。此角不易過大，否則會增加大腿下平面與座墊前緣的壓力，從而減少雙腳著地的負荷，阻礙血液循環，引起身心疲勞。

通過以上座椅尺寸參數的確定，以保證駕駛員人體脊柱曲線更接近于正常生理脊柱曲線。舒適坐姿的各關節的角度應該滿足圖4-2中所示的要求角度。

圖4-2 舒適坐姿的關節角度

4.2汽車座椅的結構設計

現代汽車座椅的機械結構主要由頭枕、靠背、座墊、滑道等總成組成。4.2.1汽車座椅枕墊的設計 頭枕是一種用以限制乘員頭部相對于軀干向后移位的彈性裝置，其作用是在發生碰撞時，減輕乘員頸椎可能受到的損傷。尤其是在汽車受到追尾碰撞時，可抑制乘員頭部后傾，防止或減輕頸部損傷。如圖4-3所示：

圖4-3 汽車座椅的枕墊

4.2.2汽車座椅的靠背的設計

靠背的安全性設計應考慮靠背的強度、傾角、基本尺寸及其形狀。靠背的強度設計不但應該在“追尾”等后部碰撞時給乘員提供良好的保護，而且也要考慮側碰時對乘員的保護。而靠背傾角、基本尺寸及其形狀對尾部碰撞的嚴重程度有很大影響。

依據靠背上體壓分布不均勻原則，在座椅靠背設計時應保證有靠背兩點支承即就

是人體背部和腰部的合理支承。汽車座椅設計時應提供形狀和位置適宜的兩點支承，第一支承部位位于人體第5 一 6胸椎之間的高度上，作為肩靠;第二支承設置在腰曲部位，作為腰靠。肩靠能減輕頸曲變形，腰靠能保證乘坐姿勢下的近似于正常的腰弧曲線。如圖4-4所示： 圖4-4 汽車座椅的靠背 4.2.3汽車座椅座墊的設計 坐墊一般不會造成對乘員的直接沖擊傷害，但坐墊的結構可以影響到乘員運動過程、約束力加到乘員身體上的方式及外部載荷(加速度、力等)的絕對值大小。坐墊深度設計的原則是在充分利用靠背的情況下，使臀部得到合理的支撐。坐墊深度不應該超過人的大腿長度。

為了保證座墊上合理的體壓分布，座墊應堅實平坦。太軟的椅子容易令使用者曲起身子，全身肌肉和骨骼受力不均，從而導致腰酸背痛的現象的產生。研究表明間：過于松軟的椅面，使臀部與大腿的肌肉受壓面積增大，不僅增加了軀干的不穩定性，而且不易改變坐姿，容易產生疲勞。如圖4-5所示：

圖4-5 汽車座椅的坐墊

5.駕駛座椅設計的安全性

座椅安全性設計的內容主要包括主動安全性和被動安全性。5.1坐椅主動安全性

主動安全性是指汽車駕駛座椅防止事故的能力。汽車駕駛座椅的主動安全性設計主要從減輕駕駛員的疲勞人手進行分析設

計，以滿足主動安全性要求。主動安全性主要考慮合理的座椅尺寸設計、座墊上合理的體壓分布、靠背上理的體壓分布等為駕駛員提供一個舒適的作業環境，減輕駕駛員的疲勞，從而保證駕駛座椅主動安全性的設計要求。

5.2坐椅被動安全性

被動安全性是指事故發生時，保護乘員的能力。駕駛座椅作為安全部件，是汽車被動安全性設計的主要考慮部件之一。考慮提高駕駛員的人身安全性，汽車駕駛座椅被動安全性設計目 標為： ①在事故中要保證駕駛員處在自身的生存空間之內，并防止其他車載體進人到這個空間;②要保持駕駛員在事故發生時，保持一定的姿態，以使其他的約束系統能充分發揮其保護效能；③在事故中，使得事故后果對駕駛員的傷害降低到最小限度。5.3安全措施

目前采取的主要安全措施：提高座椅骨架強度，達到汽車駕駛座椅強度的要求值；

設置座椅安全帶，使在緊急制動或正面撞車時不致將駕駛員碰傷；達到一定的阻燃要求，坐墊和靠背材料應達到汽車內飾材料燃燒特性技術要求的規定。

現在越來越多的汽車座椅都開始利用人機工程學的知識及其研究成果進行設計了。只有從人機工程學的角度出發，進行汽車駕駛座椅的設計，才能使駕駛座椅具有良好坐姿舒適性、振動舒適性、操作舒適性及安全性。

參考文獻：

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