座椅设计参数及其对舒适性的影响

上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响6第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响1986年Grieco提出了一个新概念“Posturalfixity”[2],这是指驾驶员在较长的一段车辆行驶过程中，肢体很少移动。这种情况的确可以想象，在驾驶席开车的人仅仅需要脚踩一下踏板，把握一下方向盘，操纵一下档位而已。此时轿车座椅设计时需要更多考虑人体生理结构，避免使人体受到静态载荷，否则肌肉长期受载会对人体生理机能产生不良的影响。在受迫情况下血液循环将受影响从而涉及到正常新陈代谢过程中营养物质的交换，严重的更会形成硬化区域。为了防止这种现象的产生，一个设计合理的座椅系统首先应当考虑人体生理结构，其次需要考虑结合人体工程学原理，最后需要优化座椅本身的设计参数。2.1人体生理结构与乘坐舒适性的关系2.1.1舒适坐姿时人体的解剖学原理人体直立时，脊柱呈S型，一般成年人的脊柱具有四个生理弯曲，即颈曲、腰曲、胸曲和骶尾曲，这称为脊柱的正常生理弯曲。就座时，身体的负担主要施加在躯干上。脊柱总长约70cm，有26块独立游离的骨块[3]，详细分布见图2-1。研究资料表明，凡是符合人体生理要求的乘坐姿势，就是最舒适的乘坐姿势。从图2-1中分析在自然状态下脊柱呈现S型曲线，腰椎构成前弯，也就是向前突起的形状。当人体以正常姿势入座后，靠背腰椎部分承受的负荷最大，腰曲最易于变形，即腰曲部位向前倾。形成诸如猫背姿势，腰椎会变得笔直或向后弯的不自然状态，使人体感觉不舒适，脊柱处于非正常生理弯曲状态，使腰曲弧度减小，椎间盘的前缘受压、后缘受拉，从而导致韧带受压迫绷紧，容易引起腰酸等不适的感觉[4]。图二上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响71块尾骨1块骶骨5块腰骨椎间盘12块胸骨7块颈骨图2-1人体脊椎的基本组成Fig.2-1Humanbeingacantha’sconfiguration因此，汽车乘员，尤其是驾驶员首先感到疲劳的部位就是腰部。由此可见，最舒适的乘坐姿势要求[5]：(1).腰曲弧形应保持正常的生理弯曲而不受载变形，腰部的肌肉应处于松弛休息状态。(2).腹部通向大腿的血管和神经不受压迫，保持血液循环畅通。考虑到人体生理结构的影响，座椅设计应使乘员脊柱处于正常生理弯曲状态，各部分肌肉处于放松状态，身体屈伸部位的角度以及受压都要有利于人体保持正常的血液循环。由于下体的腰椎承重最大，弯曲度也最大。据医学统计，几乎95%的病变均发生于第4和第5腰椎的椎间盘，所以一般座椅设计需要在这个位置设置腰托装置，同时它还能够为胸曲部分的肩胛骨提供凭靠，减轻胸曲变形。当然身体某一部分受力也不能够过大，否则人体同样会产生不适感[6]。2.1.2座椅合理体压分布所谓体压分布是指人坐在座椅上，人体与座椅之间的接触压力分布。cervicalvertebrasternumcentrumwaistbonesacrumcoccyxpelviscrurabreastbonepelviscrura上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响8座椅的体压分布分座垫压力分布与靠背压力分布，体压分布和乘坐姿势互相影响。显然，这里所讲的合理体压分布是指舒适乘坐姿势状态下的体压分布,合理的体压分布以保证全身肌肉放松及血液正常循环[7]。为了使座椅具有合理的体压分布，应考虑采用下列座椅设计参数：1.适当提高坐垫与水平方向的夹角，约5°～10°为宜这样的话可以使压力集中于大腿后部的坐骨结节周围，同时还能够防止行车过程中乘客臀部向前滑动的趋势，避免造成生理和心理上的疲劳感。根据人体臀部的组织结构特点可以看出，臀部不同部位在产生不适感之前所承受的压力不同，构成骨盆的粗壮坐骨所承受的压力比周围大腿的肌肉承受的压力大，是人体重量的主要支承部位，另外，分布于大腿下面肌肉中的血管和神经极容易受压而使两腿发麻造成腿部疲劳。因此，合理的座椅体压分布并不是一种平均分配的分布，而是按照臀部的不同部位的在产生不适感之前所能承受的压力大小的合理分布，即从坐骨的最大压力部位逐渐向外扩展减弱，大腿下面的压力最小。但也要注意坐垫的后倾角不宜过大，否则容易增大大腿前缘的压力，并减少双脚着地的负荷，这样反而会防碍血液循环而引起的双腿发麻。2.体腿夹角，一般在105°～115°左右为舒适躯干和大腿之间的角度称为体腿夹角。在体腿夹角为105°～115°左右时，能够保证人体腹部与大腿之间的血管不受压迫且血液通畅，这一生理需求同样要求座椅靠背稍微向后倾。靠背倾斜能使躯干的部分体压分布在座椅靠背上，可以对人体腰背部进行支撑，使得腰背部肌肉得以放松，减少肌肉做功，从而减缓疲劳的发生。但靠背角度不宜过大，否则会使乘员起坐不便，会造成人体颈部上抬有沉重的感觉，并产生颈部疲劳以及心理上的不适和疲劳感。同时坐垫不宜过高，应该比小腿长度短，这样使双腿能够踩到地面以支撑大腿的部分重量。3.小腿与大腿之间达到105°～115°左右为舒适这样的话，小腿可以向前伸，保持人体血液流畅。此外，坐位时大腿稍微倾斜并向后下、小腿稍微向前的位置也使得静脉血易于回流，可以减少疲劳的发生。4.可考虑增加座椅前排扶手有了扶手能够起到促进上肢静脉血回流及减轻疲劳的作用，但其高度要配合适当，应该不能使得人体的肌肉为凑合扶手高低而产生屈曲或伸张的感觉。上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响95.可考虑增加靠背腰托装置对于靠背，为保持人体脊柱的自然生理弯曲，乘坐时，人体靠背的主要受力点就是由肩胛骨提供凭靠的支承和腰曲部位的支承[8]。这就是我们通常所说的肩靠和腰垫的两点支撑。这两点是乘坐舒适的凭靠点，而且其承受的压力最大，并沿着两点向外逐渐减小。合理的体压分布，例如图2-2所示。增加靠背腰托装置后会明显增加对于人体腰部区域的支撑，避免腰部区域受载过大变形而造成人体疲劳。体压分布的数据处理结果最终通过一系列量化的指标体现出来，他们应当分别从不同角度体现座椅的特性，尤其应体现那些与乘坐舒适性关系密切的几何物理参数的影响，如座垫形状、座垫的刚度以及刚度的分布等。腰部区域压力值图2-2典型靠背与座垫的体压分布图Fig.2-2Pressuresupportmapofseatingbackandcushion在已有的文献中，不同的研究者分别采用了一些指标来表征体压分布，即使是相同的指标，计算方法也有差异，以下8个具有较高价值、能够较好的体现前述原则的指标[9]。最大压力平均压力最大压力梯度平均压力梯度不对称系数Thelumbarregionpressure上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响10纵向压力分布曲线纵向力矩分布曲线侧倾稳定性系数2.2人体测量学与乘坐舒适性的关系在座椅开发初期，座椅技术部门一般会从汽车主机厂得到整个车身的三维模型。因此在一开始便需要从人机工程角度来考虑问题，进而在车身环境中布置整个座椅系统，从而满足座椅舒适性的要求[10]。座椅系统设计时在CAD环境中布置SAEJ826中规定的假人模型，该模型勾勒出了重要的H点、靠背角度以及脚跟点等等的信息。以此模型作为布置时的基准，从而保证乘坐者有足够的可视性、合理的驾驶操作性等等。除了SAE假人模型以外，SAE还负责管理另外一个项目简称为CAESAR[11]即CivilianAmericanandEuropeanSurfaceAnthropometryResource。该项目的目的是为了更新与补充现代人体测量学方面的数据，该数据库采样了将近２５００北美公民与２５００左右的欧洲公民（男性与女性）的尺寸，如图2-3，他们年龄跨度从１８到６５周岁，CAESAR代表了当今最完整的成年公民人体测量学方面的研究数据，这些数据来自于不同的国家与不同的行业，其中当然包含了汽车工业，CAESAR能够反映人类长期发展趋势之中目前的阶段性变化，从而为我们更好的设计汽车座椅系统提供数据。图2-3CAESAR采集人体测量学数据Fig.2-3AnthropometrydatagatheredbyCAESAR上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响11对于座椅系统而言,以下参数必须考虑到人体测量学。坐垫宽度为了满足绝大部分人体尺寸的要求，坐垫宽度应该能够承载较宽臀部区域且保留足够的间隙以方便人体活动[12]。坐垫长度为了满足绝大部分人体尺寸的要求，坐垫长度应该能够承载最小的乘坐者。坐垫的长度因人而异，高个的驾驶者一般喜欢坐垫的长度短一些，这样他们更能够踩上刹车板。而个子稍微小一点的驾驶者则喜欢稍微长一些的坐垫，这样才能便于他们踩到刹车板。座椅高度为了满足绝大部分人体尺寸的要求，座椅高度应能够承载最小的乘坐者。同时为了满足不同尺寸人群的需要，座椅的高度应该能够调节。座椅靠背宽度为了满足绝大部分人体尺寸的要求，靠背宽度应该能够承载最大人群的的肩部与腰部，同时为了避免人体手臂运动时与靠背区域干涉，靠背的肩部区域最好有足够的宽度。布置时，整个靠背的宽度还需要与轿车前排的中央控制盒以及外侧车门门板区域进行匹配，以防止干涉。座椅靠背高度为了满足绝大部分人体尺寸的要求，靠背高度应该能够承载最小的乘坐者。座椅靠背需要足够高度来支持人体的上背部以及肩部区域，当然为了不影响了后排乘客的视线，靠背不能太高。上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响12表2-1人体测量数据与座椅设计尺寸关系Table2-1TherelationshipbetweenCAESARandseatingdesignparameters2.3人体工程学与乘坐舒适性的关系图2-4在车身里座椅的人机工程学尺寸Fig.2-4TheErgonomicsinautomobileenviroment座椅尺寸人体测量学相应的部位CAESAR数据推荐尺寸坐垫宽度满足95%女性的人体臀部尺寸95%女性=480.3mm99%女性=522.6mm500-525mm左右坐垫长度满足5%最小女性臀部到腿弯部的尺寸5%最小女性=440mm（指从臀部区域到腿弯部区域）440mm左右坐垫高度满足5%最小女性的腿弯部高度尺寸5%最小女性=340mm不超过363mm,推荐为346mm左右。靠背宽度满足95%男性的肩部宽度尺寸95%男性=384mm测量值取自H点以上220mm的数据384mm（从H点向上220mm的数据,靠背Insert区域值）靠背高度满足5%最小女性靠背高度尺寸5%最小女性=414mm410-550mm从H点沿躯干线测量HeadspaceHeadspaceHandlespaceLegspaceKneespaceFrontandrearspace上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响13乘客在座椅里面的位置对于舒适及安全性相当重要。尤其是以下三点。1.头，手部，腿部，以及膝部空间如图2-4所示，头部空间不仅对于人体舒适性而且对于安全性也相当重要。足够的头部空间能够提供人们充足的视觉空间，防止头晕，同时避免车辆颠簸时造成头部受伤[13]。足够的手部空间对于驾驶员而言是相当重要的，这样能够保证手臂操纵自如[14]。同样道理，充足的腿部空间能够保证驾驶员踩上刹车。膝部空间是指后排乘坐者的膝部与前排靠背后部之间的距离。足够的膝部空间，能够使得后排的乘坐者腿部伸展自由，没有压迫感。从而有效防止因为坐姿的一成不变引起腹部以及腰部区域受到压载而导致人体不适。2.视觉空间保证汽车安全运行需要驾驶员能够及时接受足够正确的信息。事实上80%以上的信息是驾驶员通过视觉获得的，汽车驾驶视野是汽车主动安全系统中的重要组成部分。汽车驾驶视野的宜人化程度直接决定车辆预防交通事故的性能。同时充足的视觉空间能够保证在车辆行驶过程中方向盘、汽车顶板、保险带、柱子等对驾驶员视线影响最小，使驾驶员能够清晰的通过反光镜来控制驾驶[15]。3.操作的控制性对于座椅设计而言，乘员的可操作性是另外一个严格的因素，控制又可分为主要控制与次要控制。主要控制是指对车辆的控制。在系着保险带