趙天鵬，王淑芬，胡文文

（大連大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連116622）

0 引 言

在汽車的駕駛過程中汽車座椅的舒適性、安全性以及對(duì)汽車的操作便捷性十分重要［1］。因此現(xiàn)代汽車座椅的設(shè)計(jì),應(yīng)從人機(jī)工程學(xué)出發(fā),尋求“人-機(jī)-環(huán)境”完美結(jié)合。在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)理論，使駕駛員有一個(gè)安全舒適、操作方便的工作空間，可提高駕駛員的工作效率并降低事故發(fā)生率。

1 座椅的功能設(shè)計(jì)

1.1 座椅的功能設(shè)計(jì)

1）坐墊。坐墊的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為坐墊傾角與坐墊深度。坐墊傾角應(yīng)滿足安全性與舒適性，通常在2°～10°之間。坐墊深度首先應(yīng)充分利用靠背，再使臀部得到適當(dāng)支撐。坐墊深度過大會(huì)使身體前移而腰部不能得到充分支撐，引起疲勞；坐墊深度過小會(huì)造成腿部得不到相應(yīng)的支撐引起疲勞，一般取400～480 mm。在此設(shè)計(jì)中，坐墊傾斜角度設(shè)定為5°，坐墊深度設(shè)定為450 mm。

2）座椅骨架。座椅強(qiáng)度指的是座椅骨架強(qiáng)度，其屬于汽車整車強(qiáng)制認(rèn)證檢測(cè)項(xiàng)目之一，應(yīng)符合GB15083-2006。根據(jù)成本、強(qiáng)度要求、技術(shù)要求等條件，本設(shè)計(jì)采用鋼質(zhì)材料焊接而成。

3）頭枕。設(shè)計(jì)頭枕的目的是縮短在交通事故中駕駛員頭部的變化距離，從而保護(hù)頸椎，并減少駕駛員頸部在駕駛中的疲勞程度，保證駕駛員的舒適性。

4）靠背?？勘硰?qiáng)度與造型為靠背設(shè)計(jì)主要考慮的技術(shù)參數(shù)。靠背造型主要是使人體背部肌肉得到放松與乘坐人員的休息使用，所以靠背造型應(yīng)符合人體曲線，靠背傾角應(yīng)為可調(diào)式。根據(jù)要求，此座椅靠背傾角能在100°~115°內(nèi)調(diào)節(jié)。

1.2 人機(jī)工程學(xué)在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1）人機(jī)工程學(xué)對(duì)汽車座椅的要求［2-3］。貼合感：座椅靠背、坐墊符合人體形狀，使其有較大的接觸面積，增加舒適度。橫向穩(wěn)定性：座椅能夠承受一定的側(cè)向力，使人體受到側(cè)向力作用時(shí)有所支撐。背部和腰部的合理支承：汽車座椅應(yīng)有合適的形狀與位置對(duì)脊柱有所支撐。各部合適的軟硬感：座椅的作用是對(duì)乘坐人員提供支撐，其表面硬度應(yīng)適中。

2）座椅的結(jié)構(gòu)參數(shù)。座椅的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)滿足震動(dòng)舒適性、操作舒適性和坐姿舒適性的條件。應(yīng)該結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，以保證結(jié)構(gòu)參數(shù)的正確性。

圖1 座椅受力分布圖

3）座椅的空間位置布局。座椅空間的位置要保證駕駛員乘坐舒適性，同時(shí)還要滿足人體的布置要求。同時(shí)要考慮座椅所受壓力分布。坐姿體壓分布是影響座椅舒適性的主要因素。人乘坐座椅時(shí)，大概身體重量的80%通過背部及臀部作用在座椅表面上。座椅受力分布如圖1 所示。

4）座椅的設(shè)計(jì)要求。有良好的靜態(tài)特性，即座椅的形狀尺寸應(yīng)與人體的舒適性坐姿能夠相吻合。座椅能夠調(diào)整尺寸大小與并改變位置，從而使駕駛員乘坐既舒適穩(wěn)定又操作方便。同時(shí)還要保證座椅有良好的動(dòng)態(tài)特性，來減弱車體因運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)，能使駕駛員在長(zhǎng)途駕車中不會(huì)有過度疲勞的感受。保證駕駛座椅靜態(tài)舒適性的主要因素為以下幾類：a.座椅的位置要與其駕駛空間相協(xié)調(diào)，便于人員作業(yè)；b.根據(jù)人體尺寸確定座椅尺寸；c.為適合各種坐姿，座椅應(yīng)能適當(dāng)調(diào)節(jié)；d.座椅表面所使用材料。由生物力學(xué)分析可知，最舒適的坐姿是臀部稍離靠背向前移，使上體略向上后傾斜，保持上體與大腿間角在90°～105°。同時(shí)，小腿向前伸，大腿與小腿、小腿與腳掌之間也應(yīng)達(dá)到一定角度。進(jìn)行駕駛座椅設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮駕駛室特定的空間與環(huán)境。人體關(guān)節(jié)的舒適性是進(jìn)行駕駛室設(shè)計(jì)的主要考慮因素，圖2 所示為駕駛室人體各關(guān)節(jié)之間的關(guān)系。

圖2 舒適性各關(guān)節(jié)角度

座椅的動(dòng)態(tài)舒適性設(shè)計(jì)［4］：汽車行進(jìn)過程中震動(dòng)是影響汽車座椅舒適性的首要因素。其中座墊的阻尼系數(shù)和剛度對(duì)有懸架的汽車座椅舒適性影響最大；對(duì)于非懸架座椅，座椅剛架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能、阻尼系數(shù)及剛度對(duì)汽車座椅的舒適性影響最大。質(zhì)量與摩擦等其他因素對(duì)汽車座椅的動(dòng)態(tài)舒適性影響不大，故本設(shè)計(jì)將其予以忽略。綜上所述可知，座椅剛度與阻尼系數(shù)對(duì)座椅的動(dòng)態(tài)特性影響最為主要。地面的凹凸不平引起車輛隨機(jī)震動(dòng)和車身固有的機(jī)械震動(dòng)是產(chǎn)生駕駛疲勞的主要影響因素。因此，設(shè)計(jì)時(shí)盡量減少人體的振動(dòng)。具體措施如下：降低對(duì)人體最有影響的高頻振動(dòng)，駕駛座椅與汽車的共振，減弱震動(dòng)的傳遞；降低乘員10 Hz附近的振動(dòng)傳遞率。

基于上述汽車座椅舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)，首先對(duì)大量人員做出實(shí)驗(yàn)研究使用座椅時(shí)對(duì)座椅的壓力分布，圖3 所示為最終壓力分布結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)

本文對(duì)坐墊進(jìn)行了乘坐舒適性的主觀和客觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。采用尺度法進(jìn)行研究，將各種不同的實(shí)驗(yàn)坐墊曲面在駕駛位試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本文選用以下五種坐墊曲面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：1）形面1坐墊。整體平滑，坐墊面略微翹起的常規(guī)汽車坐墊；2）形面2 坐墊。坐墊面四周凸起，中部凹陷；3）形面3 坐墊。坐墊面四周稍微凹陷而中部凸起；4）形面4 坐墊。即臀部凸起，四周凹陷，凸起程度與臀部壓力不同；5）形面5 坐墊。坐墊表面為平面。坐墊形面生成后，參試人員進(jìn)行乘坐舒適性的主觀評(píng)分，主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)流程見圖4。

選出年齡在18～55 歲、身體健康、身高體型不同的50 名實(shí)驗(yàn)人員，其基本情況如表1 所示。將乘坐座椅整體的舒適度、腿部的舒適度以及臀部舒適度作為本次試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)分尺度10分，分5 級(jí)，如圖5 所示［5］。

圖3 壓力分布圖

圖4 試驗(yàn)流程

表1 參加實(shí)驗(yàn)人員的基本情況統(tǒng)計(jì)

圖5 主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的評(píng)分尺度

實(shí)驗(yàn)人員對(duì)5 種坐墊的主觀評(píng)價(jià)（“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”）如表2所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，形面1 坐墊最為舒適，形面5 坐墊次之，形面3 坐墊舒適度最差。

3 運(yùn)用Pro/E 建立座椅模型

首先應(yīng)用Pro/E 軟件建立圖6 所示的座椅骨架模型，主要過程：草繪一個(gè)矩形500 mm×400 mm，運(yùn)用拉伸命令設(shè)置拉伸深度為80 mm，再運(yùn)用倒角命令對(duì)其四個(gè)高線進(jìn)行倒角，設(shè)置倒角半徑為50 mm，至此得到座椅靠背的雛形。再對(duì)其內(nèi)角進(jìn)行相應(yīng)的倒角，在座椅靠背的側(cè)面運(yùn)用拉伸剪切材料打出4 個(gè)φ20 的孔，運(yùn)用相同的原理可得坐墊部分的模型尺寸為400 mm×400 mm，在坐墊部分根據(jù)坐墊壓力分布相應(yīng)地打出一些洞，用以在做一個(gè)部分強(qiáng)度滿足要求的情況下減輕汽車座椅的質(zhì)量并節(jié)約材料，在坐墊上作出相應(yīng)的傾角，隨后用螺栓等連接部件以及連接片最終將各個(gè)部分裝配。

表2 不同形面坐墊的主觀評(píng)分統(tǒng)計(jì)結(jié)果

得到汽車座椅骨架模型之后對(duì)其進(jìn)行填充得到座椅模型如圖7 所示。

4 座椅骨架靜強(qiáng)度分析

將已建好的Pro/E 座椅骨架模型導(dǎo)入ANSYS，其過程為，點(diǎn)擊文件下的import...選擇已經(jīng)建好的裝配圖,在座椅的質(zhì)心（60，0，-109）加20G 的力（G 為汽車座椅質(zhì)量產(chǎn)生的力），如圖8 所示，座椅材料選擇steel。

加載后ANSYS 分析結(jié)果如圖9 所示。

由圖10 可知座椅受力的危險(xiǎn)處為最后一個(gè)螺栓連接處。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，在座椅R 點(diǎn)加530N·m 轉(zhuǎn)矩其ANSYS 受力分析結(jié)果如圖11 所示。

由ANSYS 受力分析結(jié)果可知，座椅靠背的位移量小于相關(guān)規(guī)定，故可以安全使用。

圖6 座椅骨架模型

圖7 座椅填充模型

圖8 座椅總成靜強(qiáng)度法規(guī)規(guī)定加載

圖9 座椅靜強(qiáng)度ANSYS 分析結(jié)果

圖10 座椅受力情況

圖11 座椅靠背位移圖

5 結(jié) 論

綜上所述，汽車座椅的人機(jī)工程學(xué)運(yùn)用至關(guān)重要，人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)能夠使座椅舒適性、安全性得到提高并讓汽車座椅更加符合人體特征，人機(jī)工程學(xué)在汽車座椅設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是人與座椅的完美統(tǒng)一，真正體現(xiàn)出人機(jī)工程學(xué)在汽車座椅設(shè)計(jì)中的重要性。

［1］ 劉維信.汽車設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

［2］ 袁修干，莊達(dá)民.人機(jī)工程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［3］ 郭伏，楊學(xué)涵.人機(jī)工程學(xué)［M］.沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，2001.

［4］ 黃斌，蔣祖華，嚴(yán)雋琪.汽車座椅系統(tǒng)動(dòng)態(tài)舒適性的研究綜述［J］.汽車科技，2001，10（6）：13-16.

［5］ 楊德一，郭剛，彭新宇，等.汽車設(shè)計(jì)人機(jī)工程綜合評(píng)價(jià)的研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2003（5）：119-120.