梁曉亮

摘 要：隨著汽車(chē)走進(jìn)我國(guó)千家萬(wàn)戶(hù)，尤其是我國(guó)自主品牌汽車(chē)的產(chǎn)銷(xiāo)占比不斷升高，對(duì)合資品牌汽車(chē)造成很大的沖擊，汽車(chē)售價(jià)比以前降低了很多， 消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)座椅的舒適性有越來(lái)越高的要求。因此汽車(chē)座椅的優(yōu)化設(shè)計(jì)非常重要。本文從人體坐姿分析入手，對(duì)汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)的優(yōu)化原則進(jìn)行了研究和分析，提出了汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)的優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：人體坐姿 汽車(chē)座椅 優(yōu)化設(shè)計(jì)

Optimal Design of Car Seat Based on Sitting Posture Analysis

Liang Xiaoliang

Abstract：With the entry of automobiles into thousands of households in China， the increasing proportion of production and sales of China's own brand automobiles， have a great impact on joint venture brand automobiles. The price of automobiles has dropped a lot. People have increasingly higher requirements for the comfort of chairs. Therefore， the optimal design of car seats is very important. This article starts with the analysis of human sitting posture， studies and analyzes the optimization principles of car seat design， and proposes optimization measures for car seat design.

Key words： human sitting posture， car seat， optimized design

1 引言

目前人們?cè)谑褂闷?chē)的過(guò)程中對(duì)汽車(chē)座椅有更高的舒適和安全的要求，導(dǎo)致汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)的過(guò)程中，如果我們?nèi)匀皇褂脗鹘y(tǒng)的汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)方法，將在很大程度上不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，因此根據(jù)坐姿分析對(duì)汽車(chē)座椅的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的意義。

2 汽車(chē)座椅構(gòu)成及主要類(lèi)型

在汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，主要設(shè)計(jì)了六個(gè)部分，由塑料裝飾、表面涂層材料、彈性元件、調(diào)整機(jī)構(gòu)、座椅架等六部分組成。

汽車(chē)座椅由于汽車(chē)用途的不同，類(lèi)型也有所不同。類(lèi)型主要有單座、雙座、多座、分拆座、半分拆座、整體座、固定座、多向可調(diào)座等。隨著科技的不斷進(jìn)步，汽車(chē)座椅的種類(lèi)會(huì)越來(lái)越多。研發(fā)人員還將對(duì)汽車(chē)座椅的新材料、新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的研究。 智能汽車(chē)座椅將在人們的出行中廣泛應(yīng)用。

3 坐姿分析

3.1 坐姿矯形學(xué)生理

（1）在平常姿勢(shì)下，腰椎的脊柱部分前凸，當(dāng)它到達(dá)骶骨時(shí)，它是凹的。坐姿良好時(shí)，壓力均勻分、布在椎間盤(pán)上，肌肉組織承受均勻的靜載荷。

（2）當(dāng)坐的姿勢(shì)不自然時(shí)，椎間盤(pán)內(nèi)的壓力分布異常，形成的壓力梯度將椎間盤(pán)擠壓出腰椎，壓迫中樞神經(jīng)系統(tǒng)，引起疲勞、腰痛等不適。

（3）軀干完全筆直的姿勢(shì)會(huì)造成脊柱嚴(yán)重彎曲。由于壓力不能正常分布椎間盤(pán)上，腰椎在上身的負(fù)荷作用下引起不適，所以直角靠背是一個(gè)不理想的設(shè)計(jì)。

（4）前傾的坐姿能導(dǎo)致凸出的腰椎變直甚至反凹，這是非常不舒服的，影響了胸椎和頸椎的正常彎曲，使頸部和背部疲勞。各種姿勢(shì)與脊椎形狀關(guān)系如圖1所示。

通過(guò)以上分析，大腿和腰成95至115度，腰部有支撐是很理想的坐姿。

3.2 肌肉活動(dòng)度

椎骨的位置依賴(lài)于肌腱的力量，這是由于椎骨連接附近肌肉和肌腱的。疲勞和疼痛是一旦脊柱偏離正常狀態(tài)，相互之間壓力（拉或壓）就會(huì)作用在肌腱組織，增加肌肉活動(dòng)度所導(dǎo)致的。

3.3 分析結(jié)論

（1）坐時(shí)軀干挺直或向前，容易引起疲勞

（2）設(shè)置適當(dāng)?shù)目勘晨墒蛊诮档?/p>

（3）大于90度的靠背可防止骨盆的旋轉(zhuǎn)，增加坐姿穩(wěn)定性 且使坐姿更接近自然狀態(tài)

4 設(shè)計(jì)原則

1、座椅的形式與尺度及其功用有關(guān)

2、座椅的尺度必須參照人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)確定

3、身體的主要重量應(yīng)由臀部坐骨結(jié)節(jié)承擔(dān)

4、座椅前緣處，大腿與椅子之間壓力應(yīng)盡量減小

5、腰椎下部應(yīng)提供支承，設(shè)置適當(dāng)?shù)目勘骋越档捅巢烤o張度

6、要使體重壓力均勻地分布于坐骨結(jié)節(jié)區(qū)域，椅墊須有適當(dāng)?shù)挠捕群妥銐虻膲|料。

5 汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

5.1 汽車(chē)座椅形狀定位設(shè)計(jì)優(yōu)化

汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)的基本元素是形狀，也是汽車(chē)座椅的重要標(biāo)志。根據(jù)目前人們的生活觀念，在形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置相關(guān)的具體符號(hào)，盡可能提高人們對(duì)汽車(chē)座椅的形態(tài)認(rèn)同感。這個(gè)過(guò)程中可以向其中加入一定的色彩。設(shè)計(jì)汽車(chē)座椅顏色的同時(shí)，通過(guò)在設(shè)計(jì)的早期階段調(diào)查，發(fā)現(xiàn)預(yù)期的顏色，通過(guò)示范和定位產(chǎn)品的顏色。

5.2 汽車(chē)座椅頭枕設(shè)計(jì)優(yōu)化

提供乘員頭部舒緩和在碰撞過(guò)程中吸收能量保護(hù)頭部功能的是汽車(chē)座椅頭枕。在進(jìn)行頭枕優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中， 應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足FMVSS201和FMVSS202中對(duì)于前排乘客和后排乘客的頭部撞擊所產(chǎn)生的能量吸收要求，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖突，相對(duì)的結(jié)構(gòu)或造型就必須作出讓步。研究表明，頭枕前后距離應(yīng)控制在每百分位頭枕前端到頭部的50mm以?xún)?nèi)，頭枕最高點(diǎn)與H點(diǎn)之間的距離應(yīng)控制在772～832mm之間。

5.3 汽車(chē)座椅靠背設(shè)計(jì)優(yōu)化

我們可以從兩個(gè)方面入手靠背的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，即強(qiáng)度設(shè)計(jì)和外形設(shè)計(jì)的優(yōu)化。為使靠背更符合人體曲線(xiàn)，設(shè)計(jì)人員在確保整個(gè)座椅的強(qiáng)度后，應(yīng)該優(yōu)化靠背的形狀和高度。 在開(kāi)車(chē)的過(guò)程中，要確保司機(jī)的肌肉處于放松的狀態(tài)并能更好的支持司機(jī)的肩膀和背部，并給予駕駛員足夠的側(cè)向支撐，保證其處于相對(duì)穩(wěn)定的位置，在轉(zhuǎn)急彎時(shí)防止駕駛員發(fā)生橫向移動(dòng)，從而保證駕駛員的駕駛安全。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)汽車(chē)座椅靠背時(shí)，座椅靠背的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下方面：泡沫壓痕、泡沫密度、泡沫厚度，高度從H-point，H-point寬度，高度從腰椎定點(diǎn)到H-point，向前和向后運(yùn)動(dòng)的距離腰椎的假人嵌入量和腰托。其中發(fā)泡壓陷50%需要力220牛至350牛，發(fā)泡密度30kg/m3至55kg/m3，發(fā)泡厚度20毫米至60毫米，背部離H-point高度為500～570mm，離H-point寬度為300 ～350mm，腰椎支撐點(diǎn)離H-point高度為135mm，腰托前后和垂直移動(dòng)距離分別為25毫米和65毫米，假人嵌入量30%至40%。

5.4 汽車(chē)座椅座墊設(shè)計(jì)優(yōu)化

在汽車(chē)座墊的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，關(guān)鍵部位的深度優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，充分運(yùn)用了靠背原則。這種設(shè)計(jì)的主要目的是確保有效地支撐司機(jī)的臀部，座墊結(jié)構(gòu)對(duì)駕駛員的坐姿有較大影響部位有和胸部角度，另外座墊的深度、寬度等也會(huì)對(duì)駕駛?cè)笋{駛舒適感產(chǎn)生較大影響。正常坐姿與雙腿交叉時(shí)坐骨受力情況如圖2所示：

具體優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，泡沫厚度，長(zhǎng)度從H-point到最前端的，座墊的內(nèi)寬度和整體寬度以臀部最低點(diǎn)為基準(zhǔn)，滑道坡度角，假人傾角，發(fā)泡壓陷量和發(fā)泡密度等方面考慮。300牛至430?？梢允拱l(fā)泡壓陷50%，靠背密度略低于發(fā)泡密度，是45/立方米至55公斤/立方米，泡沫厚度為100mm到150mm， 墊內(nèi)則的寬度是300毫米到350毫米，長(zhǎng)度從H點(diǎn)到座墊的前端是380毫米到400毫米，總體寬度是500毫米，向后滑動(dòng)傾角是2至5度，側(cè)翼高度為20毫米至50毫米，角度為40度至65度，假人軀干角23度至26度。

5.5 汽車(chē)座椅骨架設(shè)計(jì)優(yōu)化

保證汽車(chē)座椅強(qiáng)度滿(mǎn)足要求的關(guān)鍵是汽車(chē)座椅骨架，由座墊架、后架及相關(guān)的加強(qiáng)板連接件組成。座墊架的作用是保持正確的坐姿，限制乘客下部左右搖晃，支撐乘客的臀部和大腿，在發(fā)生碰撞時(shí)提供乘員保護(hù)。后架的主要功能是使乘員保持正確的坐姿，在轉(zhuǎn)彎時(shí)為上半身提供支撐，在碰撞時(shí)為上半身提供保護(hù)。因此，座椅骨架是汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)優(yōu)化的重點(diǎn)。在設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，首先要保證座椅材料的合格性和合理性。焊管材料一般采用Q235，Q295，Q345和QSTE340等，管徑選擇25毫米或22毫米，壁厚1.5毫米或2毫米等。一般采用厚度為2mm或2.5mm高強(qiáng)度沖壓鋼板。其必須能夠給駕駛員提供出有效、安全的支撐。在汽車(chē)座椅骨架材料的選擇，目前常采用鎂合金整體壓鑄材料，該材料具有強(qiáng)度高、重量輕、穩(wěn)定性好和剛度高等優(yōu)點(diǎn)，常用于豪華轎車(chē)的座椅。另外許多非金屬高強(qiáng)度材料的誕生，也為汽車(chē)座椅骨架的優(yōu)化提供了更多可能。

5.6 汽車(chē)座椅發(fā)泡設(shè)計(jì)優(yōu)化

座椅泡沫是影響座椅舒適性和H-point的關(guān)鍵，同時(shí)是形成座椅形狀和形狀的關(guān)鍵，通過(guò)對(duì)汽車(chē)座墊與座椅靠背之間泡沫的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使汽車(chē)座椅的人機(jī)感知得到提高。不同的汽車(chē)在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)座椅泡沫有不同的要求，所以設(shè)計(jì)師應(yīng)在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程的初期根據(jù)客戶(hù)的不同需求和不同型號(hào)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，使其更符合要求。發(fā)泡的化學(xué)成分目前有多元醇、催化劑、水、聚合多元醇、異氰酸酯、釋放劑和表面活性劑，其中最為重要的是異氰酸酯和多元醇。優(yōu)化乘客的乘坐感受可以通過(guò)控制上述成分的比例來(lái)調(diào)整泡沫的密度和硬度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，更為關(guān)鍵的是汽車(chē)座椅的優(yōu)化設(shè)計(jì)，汽車(chē)設(shè)計(jì)師在具體設(shè)計(jì)工作中應(yīng)在堅(jiān)持設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，改變傳統(tǒng)汽車(chē)座椅的設(shè)計(jì)理念，充分考慮人們對(duì)安全性和舒適性提出的新要求，設(shè)計(jì)出符合人們要求的汽車(chē)座椅。

1、廣東理工學(xué)院院級(jí)科研項(xiàng)目 編號(hào)：GKJ2017021

2、廣東省教育廳科研項(xiàng)目：“新工科”背景下廣東省民辦高校應(yīng)用技術(shù)型汽車(chē)人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究，編號(hào)：2017GXJK209

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