驾驶员座椅

驾驶员座椅（精选五篇）

驾驶员座椅 篇1

关键词：H点,三维H点装置,汽车碰撞试验

1、测量装置

三维H点装置能够反应出成年人座椅外形和轮廓,可以检测和测量车辆的关键参考点,是当今最主要也是应用最广泛的H点位置测量装置。三维H点装置由空间点、线、曲面构成,包括背板、座板、连接膝关节的T型杆、大腿杆、小腿杆、头部空间探测杆、配重块等(见图1)[1]。成年男子的平均背部和臀部轮廓可以由三维H点装置的背板和座板表现。背板和座板是由加强塑料和金属构成的,分别模拟了人体的躯干和大腿,在实际H点通过机械方式铰接。在头部空间探测杆上,固连着一个量角器,用来测量实际靠背角。一根大腿杆附在座板上,大腿杆长度和左右方向可以调节,用来确定大腿的中心线,并当作臀部角度量角器的基准线。小腿杆件的长度也是可调的,它和座板总成在T形杆处连接,组成膝关节,T形杆可以水平方向伸缩从而调节大腿杆件的长度,小腿杆件上装有量角器可以测出膝部角度。鞋与脚总成上有简易刻度量角器,用来测量小腿夹角。在相当于成年男子尺寸第50百分位和第95百分位处,大腿杆和小腿杆上均装有定位销。两只水平仪用于装置空间定位。代表人体各部质量的重块,施加在相应各部重心的位置上,使座椅承受一个相当于成年男子平均质量的重力而产生变形,三维H点装置各部关节应活动自如。

2、测量方法及过程

本文介绍了在某款新型轿车正撞试验前采用三维H点装置对汽车驾驶员座椅H点位置的测量过程。该车型驾驶员踵点至R点间垂直距离小于550 mm,靠背后倾角大于5°,所以适应于GB/T 11563—1995汽车H点确定程序。对H点的测量标记具体步骤如下:

(1)实验车辆在温度19°—26°的实验室内已经过行驶及长时间放置,座椅材料达到室温并且座椅和靠背产生了应有的变形。

(2)按制造厂规定的坐标基准点定出车辆的垂直和水平的零平面,做为车身测量的基准。所有各项调节均按R点的位置,调到制造厂规定的正常驾驶姿势位置。

(3)将棉布铺在座椅和靠背上,防止三维H点装置与座椅和靠背接触。

(4)安放三维H点装置的座板和靠背。使乘员中心面(C/LO)与装置中心面相重合(见图2)。

(5)将三维H点装置小腿杆件调至合适的长度。

(6)将三维H点装置的脚和小腿总成通过T形杆装到座板总成上,通过两H点标记钮的直线垂直于座椅的纵向中心面,调节装置右小腿中心线和鞋底的纵向切线之间的夹角为88°,双脚放在地板上。

(7)三维H点装置的腿长用的是第50百分位数据,数值查询表1可得臀背至膝的距离P为595mm,膝高M为546mm[2]。

(8)施加小腿及大腿重块,并调平三维H点装置。

(9)将背板前倾到前限位块,通过T形杆将装置拉离座椅靠背,三维H点装置无向后滑动的趋势,在T形杆加一水平向后推力,使之向后滑动,直至座板接触靠背。

(10)用大约100N的力水平拉动臀部角度量角器和T形杆外壳相交处,从而对背板和座板总成施加100N的力,力的作用方向沿着上述交点的大腿杆外壳上面的线。然后将背板放回到座椅靠背上,并应防止三维H点装置在随后的过程中向前滑动。

(11)装上左右臀部重块,再交替加上八块躯干重块,使三维H点装置保持水平。图4表示重块加载完成后。

(12)将背板前倾(消除座椅靠背上的张力),然后再将背板放回座椅靠背上,该过程要使装置保持水平。将左、右两脚轮流抬离地板,直至两脚不再产生附加的牵动。完成后发现座板不水平,于是在背板顶部施加一横向力使装置座板在座椅上保持水平。

(13)拉住T形杆,使三维H点装置在座垫上不能向前滑移。

a.将背板放回到座椅靠背上;

b.在三维H点装置探测杆约为躯干重块中心高度处,交替地施加和撤去一个不大于25 N的向后水平力,直至力撤去后臀部角度量角器指示达到稳定位置[4]。

(14)在H点标记钮连线与车门内部相交的位置做好标记X1、X2,在汽车碰撞试验前安放测量假人时,使测量假人上面的H点标记钮之间的连线与直线X1X2重合。

3、总结

如果制造厂对于某些条例有特殊的要求,应该按照制造厂的要求处理。在有些测量中有人会把实际靠背角人为的调节到与设计靠背角相一致,这样的做法是错误的,在完成所有的装置安装后,实际靠背角与设计靠背角可以不一致,误差范围为5°。在步骤12调节背板过程中,装置的双脚不应有任何约束。如果双脚变动位置,暂且不必调整。在抬脚时,两脚要能自由转动,不施加任何向前或侧向的载荷。

正确测量H点位置不仅为测量假人的安装提供可靠的依据,也提升了整个汽车碰撞试验数据的可靠性与准确性。

参考文献

[1]《测量用三维H点装置的尺寸校准技术研究》[J],陈锡林,朱凯捷,周新良,《北京汽车》,2012年05期.

[2]GB/T 11563-1995汽车H点确定程序.

[3]GB/T26512-2011商用车驾驶室乘员保护.

人机工程学驾驶室座椅设计 篇2

题 目： 基于人机工程学的车内座椅设计 班 级： 09铁道车辆2班 姓 名： 屈难平学 号: 20097831 基于人机工程学的驾驶室座椅设计

摘 要

以人机工程学的理论为基础,介绍了座椅设计中座高、座宽、座深、座面倾角、靠背高度靠背倾角等座椅静态参数的选取原则,以某轻卡座椅为例,用Pro/E建立座椅的模型,导入Man-neQuinPRO10。2中进行人机分析,并结合实例对座椅的各静态参数进行选取。

关 键 词:人机工程学;轻卡座椅;舒适坐姿;建模分析

人机工程学是一门边缘学科,主要研究工程技术如何与人体尺寸、生理及心理特征相适应。在

轻卡驾驶室座椅的设计中,主要研究如何使座椅符合人体尺寸的需求,给驾驶员带来舒适感,降低驾驶疲劳度,提高驾驶的安全性,同时也能大大防止驾驶员由于不正确的驾驶姿势而导致的脊椎变形,以及由此引发腰痛、腰肌劳损等职业病。1.舒适坐姿的生理特征

图1所示为人体在各种不同姿势下腰椎的弯曲形状。曲线B表示人体松弛侧卧时,脊柱呈自然弯曲状态;曲线C是最接近人体脊柱自然弯曲状态的坐姿;曲线F是当人体的躯干与大腿的夹角呈90°时的情形,此时脊柱严重变形,椎间盘上的压力不能正常分布。因此,欲使坐姿能形成接近正常的脊柱自然弯曲形态,躯干与大腿之间必须有大约135°的夹角,并且座椅的设计应使坐者的腰部有适当的支撑,以使腰曲呈弧形自然弯曲状态,腰背肌肉处于放松状态人坐着时,大腿和上身的质量必须由座椅来支承。人体结构在骨盆下面有2块圆骨,称为坐骨结节,如图2所示。这2块小面积能够支持大部分上身的质量。覆盖在它们外面的皮肤能获得丰富的动脉血液供应,就像脚底一样。而在臀部的边缘部分,血液循环则大不一样,这部分静脉较多(包含较少的氧)。当人坐着的时候,覆盖着坐骨结节的皮肤能够更好地经受持久的压力。因此,座面上的臀部压力分布在坐骨结节处最大,由此向外压力逐渐减小,直至与座面前缘接触的大腿下部,此处压力为最小。座垫的柔软程度要适当,坐骨部分的座垫应当是支承性的,它要承受加在座位上的大约60%的质量,而其余部分则应当比它更柔软些,以便能够把质量分布在更大的面积上。座椅靠背上的压力分布中,肩胛骨和腰椎骨2个部位应最高,此即靠背设计中所谓的“两点支承”准则。在靠背的两点支承中,上支承点为肩胛骨提供凭靠,称为肩靠,其位置处于第5-6节胸椎的高度；下支承点为腰曲部分提供凭靠,称为腰靠,其位置处于第4-5节腰椎的高度。

图1 人体在各种不同状态下腰椎的弯曲形状 图2 股骨正常位置

腿的主动脉紧靠着大腿下表面和膝盖的后面,在这个部位上,任何持续的压力都会给人造成极端的不舒适和肿胀感觉,需要借助于适当减短座深、把座垫前缘修圆和采用较软的泡沫塑料座垫等措施来防止这种情况发生。同时,还要使座面离地板的高度足够低,以便使脚能踩着地板,让人的这个重要部位感觉不到有任何压力。坐骨下面的座面应当是近似水平的。图2表示带有股骨的骨盆部位的前视图,从图中可看出股骨在股节中从连接骨盆的球孔向外伸去。用平坦的座面,股骨的这一部分在坐骨平面之上,因此不承受过分的压迫。但是,如果座面是斗形的(图3),则弯曲的座面会使股骨趋于向上转动(箭头所示)而受载,造成髋部肌肉承受反常的压迫,从而引起不舒适感。故需注意避免采用斗形座面。应当注意斗形的座面不论从什么观点看,都是不适用的,因为它不能适应人体大小的整个系列,它还把身体质量平均地分配在整个臀部,而不是让较多的质量集中在坐骨结节部位。

图3 斗形座位将股骨推向上方

使股骨处于受载状态,舒适的坐姿,应保证腰曲弧处于正常自然状态,腰背肌肉处于松弛状态,从上体通向大腿的血管不受压迫,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,使上体略向后倾斜,体腿夹角保持在90°-115°。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4示,10°<θ1<20°;15°<θ2<35°;80°<θ3<90°;90°<θ4<115°;100°<θ5<120°;85°<θ6<95°。针对具体情况,在舒适范围内选取合适的角度。

图4 舒适坐姿的关节角度 轻卡座椅静态参数的选取

1)座高。座高指地面至座面上坐骨支承处的高度。座椅高度应该使驾驶员大腿接近水平,小腿自然放置。如果座面过高,就会导致小腿悬空,使大腿肌肉受椅面前缘压迫,腿部血液循环受阻,小腿麻木肿胀;座面过低会增加背部肌肉负荷。所以座高的设计先要考虑较小身材的操作者。

2)座宽。座宽应满足臀部就坐所需的尺度,使人能自如地调整坐姿,座宽取值时应适当大于臀宽。通常以大身材女性的臀宽尺寸上限为设计依据,以满足能容纳身材粗壮者的需要。由于驾驶室空间的限制,座宽尺寸不能太大,以免影响变速操纵杆、停车制动杆等的尺寸和操作。

3)座深。座深是指椅面的前后距离。正确的设计应使臀部、腰部都得到支持,座面前缘与小腿间应留有适当的距离,保证小腿可自由活动。座深不宜太大,防止矮小身材的人坐上之后,座面前缘压迫膝窝处的压力敏感部位,迫使人前移,背部得不到靠背支持,产生极度不适。如果要得到靠背的支持,则必须改变腰部正常曲线,也会产生不舒适。为了满足大多数人的需求,座深应按较小百分位的群体设计。这样,身材矮小的人能够坐着舒适,身体高大的人也只要小腿能得到稳定的支持,就不会在大腿部位引起压力疲劳。

4)座面倾角。座面倾角是座面与水平面夹角。座面后倾可以起到2个作用:一是由于人体重力作用,使坐者躯干后移,使背部抵靠靠背,以获得支持,从而使背肌得到放松,降低背部静压;二是防止坐者从座面前缘滑出座面,这对在常处于颠簸环境中的驾驶员尤为重要。但如果座面过分后倾,在进行驾驶操作时,脊椎因身体前屈而会被拉直,破坏正常的腰椎曲线,形成一种费力的姿势,同时还会压迫腹部,长期驾驶会造成生理上的伤害。因此倾角不能太大,一般为4°-8°。

5)靠背的高度。靠背的功用是保持脊柱具有一种轻松的姿势。由于每个人的脊柱长度不同,身材也不完全相同,每个人的脊柱曲度变化存在着一定的差异,使靠背高度与其形状之间出现了复杂的关系。靠背按其高度不同可分为低靠背、中靠背、高靠背及全靠背4类。低靠背为一点支承,只支承腰部;中靠背也是一点支承,支承在胸椎;高靠背为两点支承,靠背下部支承于腰椎、上部支承于肩脚骨上;全靠背为三点支承,除支承于腰椎及肩胛骨之外还设有头枕。靠背的尺寸主要与腰部、肩部、头部的高度(决定靠背高)和宽度(决定靠背宽)有关,确定高度时还应计入座椅的有效厚度。6)靠背倾角。靠背倾角指坐面与靠背的夹角。从保持正常自然形态的脊柱、增加舒适感角度看,靠背倾角取115°左右较为合适。3 座椅Pro/E建模实例分析

用Pro/E建立座椅的模型,然后导入ManneQuinPRO10.2中进行人机分析。ManneQuinPRO10.2的主要功能是:能为产品作人性化设计和评估提供3D的人体模型,可以对此人体模型作多种姿势变换,进行全方位的模拟验证。在进行分析之前,了解坐姿的人体尺寸是非常重要的。坐姿人体尺寸包括11项,如图5所示,表1列出了我国成年人的人体坐姿尺寸。

图5 坐姿人体尺寸 表1 坐姿人体尺寸

下面结合实例对座椅的各静态参数进行分析: 1)座高。为了满足大身材驾驶员的需求,应该取P99男性的人体尺寸进行计算研究。前面已经提过,驾驶员操纵脚踏板时,小腿与大腿间的舒适夹角应为110°-120°,以120°为优,如图6所示。根据图

5、表2可知AB代表坐深,P99男性的坐深AB为510 mm;BC为小腿加足高加上鞋高修正量30mm,取P99男性的尺寸得出BC=463+30=493mm。根据公式:AC2=AB2+BC2-2AB·BCcos120°,即AC2=5102+4932-2×510×493×cos120°=754 579,求得AC≈869 mm。实例中的轻卡驾驶室中DC为840 mm。根据勾股定理:AD2=AC2-CD2,即AD2=8692-8402=45 361。求得AD≈214mm就是舒适的座椅高度。实例的座椅的高度为200 mm,与214 mm的相差不大。用Pro/E建立如图7所示的座椅三维模型,然后导入ManneQuin-PRO10。2中,采用P99男性的人体3D模型进行分析,可得知当人坐在高度为214 mm座椅上时,大腿与小腿夹角是120°,所以本例的轻卡座椅的高度是合理的。

2)座宽。根据P99的女性坐姿臀宽400 mm,再加上着装功能修正量13 mm,座椅的座宽应为413 mm较佳。本例轻卡驾驶座椅的座宽尺寸为510 mm,大于413 mm。建模分析如图8所示,座椅宽度大于P99的女性坐姿臀宽,因此,该轻卡的坐 宽是较为合理的,能满足更大部分人群的使用。

3)座深。根据P5的女性人体坐深401 mm,再加上着装修正量,座深应为415 mm左右。本例轻卡座椅的座深为460 mm,建模分析如图9,看到小身材尺寸的女性的膝窝处的压力敏感部位受到座面前缘的压迫,所以建议缩小座深,改为415 mm左右。

图6 小腿与大腿夹角

图7 座椅高度分析验证

图8 座宽分析验证

4)座面倾角。由图9可知,该轻卡的座面倾角为5°。汽车驾驶座椅座面倾角一般为7°-12°,为了避免驾驶员因颠簸而滑出座椅,建议将座面倾角改为15°左右。

图9 座深、座面倾角分析验证

5)靠背高度。本例的座椅是三点支承的全靠背座椅。查询GB/T14774─93《工作座椅一般人类工效学要求》可知,腰靠距座面的高度取165-210mm,腰靠圆弧半径取为400-700 mm,推荐值为550 mm。如图10所示,本例座椅的腰靠高度在170 mm左右,其表面为接近于平面的大圆弧。靠背高度为848 mm,表面弧度的设计与人体在正常状态下的脊椎弯曲吻合度较大,因此其设计是较为合理的。

6)靠背倾角。本例的座椅靠背倾角调节范围是:向后8°,向前7°。如图10所示,靠背倾角为100°,向前调节后可达到93°,向后调节可达到107°,即本例的座椅靠背倾角范围是93°-107°。查询GB/T14774─93《工作座椅一般人类工效学要求》可知,靠背倾角取95°~115°。所以靠背倾角的度数也在合理的参数范围之内。

图10 座面倾角、靠背高度分析验证

参考文献

[1] 丁玉兰。人因工程学[M]。上海:上海交通大学出版社,2004。

[2] 毛恩荣,张红,宋正河。车辆人机工程学[M]。北京:北京理工大学出版社,2007。

[3] 赖维铁。管理工效学[M]。长沙:湖南人民出版社,1988。

[4] 陆剑雄,张福昌,申利民。坐姿与座椅设计的人机工程学探讨[J]。人类工效学,2005,11(4):44-49。

驾驶员座椅 篇3

关键词：驾驶座椅；驾驶疲劳；人机工程

1 驾驶疲劳成因

驾驶工作是一项脑力与体力并重的劳动，具有耗时长、能量消耗不大的特点。对于驾驶员来说，疲劳是以神经系统相当紧张的劳动而引起的复合性疲劳为主，主要表象为全身乏力。当疲劳达到一定程度以后，驾驶员的意志减弱，注意力分散，反应迟钝，对信息输入方向性的选择能力降低，信息处理缓慢，信息输出形式混乱，动作缺乏准确性，甚至出现失误，难以确保交通安全。

2 驾驶座椅对疲劳的影响分析

驾驶座椅对人体的刺激主要是肤觉刺激，驾驶员只是被动接收和反应，不需要进行处理。其对驾驶疲劳的影响分析如下：

2.1 坐姿

2.1.1 对脊椎及肌肉活动的影响

对坐姿的分析主要是腰柱椎间盘的受力情况及竖直肌的肌腱活动。由于椎骨的定位是借助于肌腱的作用，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，使肌肉活动度增加，招致疲劳酸痛。

2.1.2 体压分布

人体与座椅之间的压力分布称为坐姿的体压分布，坐姿的体压分布是影响乘坐舒适性的重要因素。人就坐时，身体重量的大部分（约80%）经过臀部、背部隆起部分及其附着的肌肉压在坐椅面上。图1为座椅各部位的受力分布。

2.2 振动

振动对驾驶员的直接影响涉及躯干和身体局部的生物动态反应行为、生理反应、性能减退和敏感度障碍。表1列出了人体各个主要部位的共振频率[2，3]

人体在振动环境中会加速疲劳过程。当振动环境中的振动特性处于人体神经系统的敏感区域时，这种刺激频繁传入大脑皮质，引起大脑皮质细胞兴奋。当达到一定限度时，皮质细胞的工作强度将减弱，人就会感到疲劳，工作效率明显下降。

3.3 温湿度

研究表明，驾驶员在驾驶状态下的舒适温度为18℃～23℃，舒适湿度为40%～60%，代谢量为1.0～2.0met。座椅对人体热环境的主要影响因素有：座椅表面的温度和湿度。座椅表面的温湿度特性将影响人体背部、臀部、下体等部位的散热性能及皮肤的呼吸功能，当其温湿度特性与人体生理机能不适应时将引起人体局部不快感，从而加速人体疲劳的形成。

4 座椅的人机工程设计

根据以上分析，驾驶员长期保持坐姿工作，疲劳很大程度上受座椅影响，乘坐舒适性是汽车座椅系统设计开发中的重要问题。乘坐舒适性包括静态舒适性和动态舒适性，前者主要与尺寸参数、表面质量、调节特性等有关，后者则主要与振动特性有关。

4.1 座椅的静态舒适性设计

座椅的静态舒适性设计须考虑的因素很多，可以概括为以下基本原则：

（1）座椅的形式和尺度与其功用有关；

（2）座椅的尺度必须参照人体测量学数据确定；

（3）座椅可适当调节，以满足坐姿变换；

（4）座椅所使用的材料应适应人体的舒适性；

由坐姿生物力学分析，最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移，使上体略向上后倾斜，保持上体与大腿间角在90°～115°。同时，小腿向前伸，大腿与小腿、小腿与脚掌之间也应达到一定角度，如

由于汽车驾驶的特点，在驾驶座椅设计时还应考虑座椅与空间的协调问题，驾驶空间以坐姿活动空间为依据。图6列出了驾驶作业空间设计的主要指标[6]。

4.2 座椅的动态舒适性设计

驾驶用座椅动态舒适性主要与振动特性有关。影响驾驶疲劳的振动主要是行驶中因道路凹凸不平而引起车辆随机振动和车辆本身的机械振动。驾驶员受到纵向、横向及垂直方向的直线振动，以及绕这3个方向的角振动。其中垂直振动和绕纵、横坐标轴的角振动对人体的影响较大。在设计汽车座椅时应尽量隔离人体敏感的振动。

在座椅设计中可采取如下措施[7]：减小座椅共振频率，降低对人体最有影响的高频区；降低共振时的振动传递率；降低乘员10Hz附近的振动传递率，以减轻弹簧以下的共振的影响和减少来自座椅靠背的高频振动；把路面—轮胎、悬架、座椅—人三者看作一个整体大动力学系统，寻求在各种路面随机输入情况下使乘员不易疲劳的最优结构。另外，对于座椅的动态特性按照传入人体的能量最小、使人体在敏感频率区域动态响应最小、传给人体的加速度均方根值最小等目标进行优化[3]，与汽车的其他减振系统相匹配，使人体处于更合适的振动环境，这些都是减轻驾驶疲劳的重要措施。

5 结束语

汽车驾驶座椅的舒适性研究，是目前汽车产品人机工程设计中值得深入探讨的问题，在今后的研究中，应对以下几方面加以重视：

（1）中国人的体群反映特性研究。目前，我国的评价标准是建立在国际标准的基础上的。由于人群存在着差异，建立中国人的人体模型，尤其是动态模型，研究人体承受多方向振动情况下的反映及评价方法是十分迫切的。

（2）采用系统的设计思想和研究方法。一般研究方法只是把汽车地板以上的座椅系统作为研究对象，并未考虑到人体的动态性能，建立的座椅模型较为简单，不能准确地反映实际。因此建立一个详尽的、操作性强的分析方法有着非常重要的现实意义。

参考文献：

[1]周美玉.工业设计应用人类工程学[M].北京：中国轻工业出版社，2001.

[2]袁修干，庄达民.人机工程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[3]黄斌，蒋祖华，严隽琪.汽车座椅系统动态舒适性的研究综述[J].汽车科技，2001，10（6）：13-16.

[4]郭伏，杨学涵.人因工程学[M].沈阳：东北大学出版社，2001.

[5]Gault T.Case study：Mercedes-bezs-class[J].Automotive.Engineer，1999，24（1）：46-57.

[6]Tilly AR.人体工程学图解———设计中的人体因素[M].朱涛译.北京：中国建筑工业出版社，1998.

汽车驾驶座椅的人机工程学设计 篇4

在汽车的驾驶过程中汽车座椅的舒适性、安全性以及对汽车的操作便捷性十分重要[1]。因此现代汽车座椅的设计, 应从人机工程学出发, 寻求“人-机-环境”完美结合。在现代汽车设计中运用人机工程学理论, 使驾驶员有一个安全舒适、操作方便的工作空间, 可提高驾驶员的工作效率并降低事故发生率。

1 座椅的功能设计

1.1 座椅的功能设计

1) 坐垫。坐垫的主要设计参数为坐垫倾角与坐垫深度。坐垫倾角应满足安全性与舒适性, 通常在2°~10°之间。坐垫深度首先应充分利用靠背, 再使臀部得到适当支撑。坐垫深度过大会使身体前移而腰部不能得到充分支撑, 引起疲劳;坐垫深度过小会造成腿部得不到相应的支撑引起疲劳, 一般取400~480 mm。在此设计中, 坐垫倾斜角度设定为5°, 坐垫深度设定为450 mm。

2) 座椅骨架。座椅强度指的是座椅骨架强度, 其属于汽车整车强制认证检测项目之一, 应符合GB15083-2006。根据成本、强度要求、技术要求等条件, 本设计采用钢质材料焊接而成。

3) 头枕。设计头枕的目的是缩短在交通事故中驾驶员头部的变化距离, 从而保护颈椎, 并减少驾驶员颈部在驾驶中的疲劳程度, 保证驾驶员的舒适性。

4) 靠背。靠背强度与造型为靠背设计主要考虑的技术参数。靠背造型主要是使人体背部肌肉得到放松与乘坐人员的休息使用, 所以靠背造型应符合人体曲线, 靠背倾角应为可调式。根据要求, 此座椅靠背倾角能在100°~115°内调节。

1.2 人机工程学在本设计中的应用

1) 人机工程学对汽车座椅的要求[2,3]。贴合感:座椅靠背、坐垫符合人体形状, 使其有较大的接触面积, 增加舒适度。横向稳定性:座椅能够承受一定的侧向力, 使人体受到侧向力作用时有所支撑。背部和腰部的合理支承:汽车座椅应有合适的形状与位置对脊柱有所支撑。各部合适的软硬感:座椅的作用是对乘坐人员提供支撑, 其表面硬度应适中。

2) 座椅的结构参数。座椅的结构参数应满足震动舒适性、操作舒适性和坐姿舒适性的条件。应该结合实验数据确定, 以保证结构参数的正确性。

3) 座椅的空间位置布局。座椅空间的位置要保证驾驶员乘坐舒适性, 同时还要满足人体的布置要求。同时要考虑座椅所受压力分布。坐姿体压分布是影响座椅舒适性的主要因素。人乘坐座椅时, 大概身体重量的80%通过背部及臀部作用在座椅表面上。座椅受力分布如图1所示。

4) 座椅的设计要求。有良好的静态特性, 即座椅的形状尺寸应与人体的舒适性坐姿能够相吻合。座椅能够调整尺寸大小与并改变位置, 从而使驾驶员乘坐既舒适稳定又操作方便。同时还要保证座椅有良好的动态特性, 来减弱车体因运动产生的冲击和振动, 能使驾驶员在长途驾车中不会有过度疲劳的感受。保证驾驶座椅静态舒适性的主要因素为以下几类:a.座椅的位置要与其驾驶空间相协调, 便于人员作业;b.根据人体尺寸确定座椅尺寸;c.为适合各种坐姿, 座椅应能适当调节;d.座椅表面所使用材料。由生物力学分析可知, 最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移, 使上体略向上后倾斜, 保持上体与大腿间角在90°~105°。同时, 小腿向前伸, 大腿与小腿、小腿与脚掌之间也应达到一定角度。进行驾驶座椅设计, 应充分考虑驾驶室特定的空间与环境。人体关节的舒适性是进行驾驶室设计的主要考虑因素, 图2所示为驾驶室人体各关节之间的关系。

10°<θ1<120°, 15°<θ2<35°, 80°<θ3<90°, 90°<θ4<115°, 100°<θ5<120°, 85°<θ6<95°

座椅的动态舒适性设计[4]:汽车行进过程中震动是影响汽车座椅舒适性的首要因素。其中座垫的阻尼系数和刚度对有悬架的汽车座椅舒适性影响最大;对于非悬架座椅, 座椅刚架结构的动态性能、阻尼系数及刚度对汽车座椅的舒适性影响最大。质量与摩擦等其他因素对汽车座椅的动态舒适性影响不大, 故本设计将其予以忽略。综上所述可知, 座椅刚度与阻尼系数对座椅的动态特性影响最为主要。地面的凹凸不平引起车辆随机震动和车身固有的机械震动是产生驾驶疲劳的主要影响因素。因此, 设计时尽量减少人体的振动。具体措施如下:降低对人体最有影响的高频振动, 驾驶座椅与汽车的共振, 减弱震动的传递;降低乘员10 Hz附近的振动传递率。

基于上述汽车座椅舒适性评价指标, 首先对大量人员做出实验研究使用座椅时对座椅的压力分布, 图3所示为最终压力分布结果。

2 实验获取数据

本文对坐垫进行了乘坐舒适性的主观和客观评价实验。采用尺度法进行研究, 将各种不同的实验坐垫曲面在驾驶位试验台上进行实验。本文选用以下五种坐垫曲面进行实验:1) 形面1坐垫。整体平滑, 坐垫面略微翘起的常规汽车坐垫;2) 形面2坐垫。坐垫面四周凸起, 中部凹陷;3) 形面3坐垫。坐垫面四周稍微凹陷而中部凸起;4) 形面4坐垫。即臀部凸起, 四周凹陷, 凸起程度与臀部压力不同;5) 形面5坐垫。坐垫表面为平面。坐垫形面生成后, 参试人员进行乘坐舒适性的主观评分, 主观评价实验流程见图4。

选出年龄在18~55岁、身体健康、身高体型不同的50名实验人员, 其基本情况如表1所示。将乘坐座椅整体的舒适度、腿部的舒适度以及臀部舒适度作为本次试验的评价指标。评分尺度10分, 分5级, 如图5所示[5]。

实验人员对5种坐垫的主观评价 (“平均值±标准差”) 如表2所示。

实验结果表明, 形面1坐垫最为舒适, 形面5坐垫次之, 形面3坐垫舒适度最差。

3 运用Pro/E建立座椅模型

首先应用Pro/E软件建立图6所示的座椅骨架模型, 主要过程:草绘一个矩形500 mm×400 mm, 运用拉伸命令设置拉伸深度为80 mm, 再运用倒角命令对其四个高线进行倒角, 设置倒角半径为50 mm, 至此得到座椅靠背的雏形。再对其内角进行相应的倒角, 在座椅靠背的侧面运用拉伸剪切材料打出4个Ф20的孔, 运用相同的原理可得坐垫部分的模型尺寸为400mm×400 mm, 在坐垫部分根据坐垫压力分布相应地打出一些洞, 用以在做一个部分强度满足要求的情况下减轻汽车座椅的质量并节约材料, 在坐垫上作出相应的倾角, 随后用螺栓等连接部件以及连接片最终将各个部分装配。

得到汽车座椅骨架模型之后对其进行填充得到座椅模型如图7所示。

4 座椅骨架静强度分析

将已建好的Pro/E座椅骨架模型导入ANSYS, 其过程为, 点击文件下的import...选择已经建好的装配图, 在座椅的质心 (60, 0, -109) 加20G的力 (G为汽车座椅质量产生的力) , 如图8所示, 座椅材料选择steel。

加载后ANSYS分析结果如图9所示。

由图10可知座椅受力的危险处为最后一个螺栓连接处。

根据相关规定, 在座椅R点加530N·m转矩其ANSYS受力分析结果如图11所示。

由ANSYS受力分析结果可知, 座椅靠背的位移量小于相关规定, 故可以安全使用。

5 结论

综上所述, 汽车座椅的人机工程学运用至关重要, 人机工程学设计能够使座椅舒适性、安全性得到提高并让汽车座椅更加符合人体特征, 人机工程学在汽车座椅设计中的应用是人与座椅的完美统一, 真正体现出人机工程学在汽车座椅设计中的重要性。

参考文献

[1]刘维信.汽车设计[M].北京:清华大学出版社, 2001.

[2]袁修干, 庄达民.人机工程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2002.

[3]郭伏, 杨学涵.人机工程学[M].沈阳:东北大学出版社, 2001.

[4]黄斌, 蒋祖华, 严隽琪.汽车座椅系统动态舒适性的研究综述[J].汽车科技, 2001, 10 (6) :13-16.

工程车辆驾驶室座椅H点设计研究 篇5

操作的舒适性决定着驾驶员在工作中的疲劳程度、工作效率及愉悦程度。工程车辆区别于一般家用车辆,其驾驶室的布局较为简洁,结构紧凑,相对于比较成熟的家庭用车布局设计,工程车辆的驾驶室设计具有一定的特殊性和较大的改进空间。

目前普遍采用的H点的计算方法是参考SAE J1517给出的定义,由Philippartal采用回归公式推导出来,用于7个百分位的座椅位置计算公式。但是SAE标准中的数据来源于欧洲人体测量数据,并不适用于我国的工程车辆驾驶员。因此,根据我国人体数据进行实验分析,得出合适的H点确定方法及参数具有一定的必要性和研究意义。

1 H点的基本定义

在工业车辆的空间布局设计中,由于工业车辆驾驶员操作时需要经常观测运行情况,频繁地操作相关部件,而家庭用车其方向盘、仪表等和头部的距离较远,故按照家用车的设计标准进行工业车辆驾驶室设计并不利于提高操作者的工作效率。在工程车的操纵工作及行驶时,如果要使驾驶员能舒适方便地进行方向盘和其他设备机构的操作,则需要驾驶员能保持在一个上半身放松且不用刻意往前倾的状态下,在这一驾驶过程中,H点具有相对稳定性。因此,一般以H点为基准点,通过驾驶员操作动作的分析,来确定座椅、方向盘、脚踏板、手操纵杆等操作装置的位置、角度和布置范围,以支持符合人机关系的驾驶室设计。

H点是人体躯干线与大腿中心线的连接点,即胯点(Hip point),如图1所示。眼椭圆、头廓包络线和手伸及界面的确定也都是以H点为基础的。由此可见,H点在车辆车身布置中占有极其重要的地位。H点的选取直接影响车辆的总体布置性能。

设计H点是指在进行汽车室内布置设计时,用于使驾驶员驾驶和乘客乘坐时有舒适坐姿的设计基准点。设计H点根据不同车型或驾驶人员有多个参考数值,一般情况下选取第95百分位的男子以舒适坐姿入座后的胯点位置:H95作为最后、最低设计H点的位置代表。以第5百分位的女子以舒适坐姿入座后的胯点位置:H5作为最前、最高设计H点的位置代表。通过H95与H5的对应差值即可得到能满足大众入座舒适度的一般座椅的水平和垂直调节量,如图2所示。实际H点是指当H点人体模型按规定的步骤安放在汽车座椅中时,人体模型上左右两H点标记连接线的中点。它表示汽车驾驶员或乘员入座后胯关节中点在车身中的实际位置。它是决定乘坐舒适性、视野性、操作方便性以及手伸及性等的基准点。

2 H点的确定方法

H点的确定一般有以下3种方法。

2.1 参考已有标准和公式

汽车分为A类和B类,A类是H点低于405mm,方向盘直径小于450 mm的小型车;B类车是H点高于405 mm,方向盘直径大于450 mm的中型和重型车。

2.2 利用人体模型

人体模型分为二维人体模型和三维人体模型2种,其中二维人体模板的原理较为简单,成本较低。二维人体模板将人体大致分为5个部分:脚板、小腿板、大腿版、躯干板和上肢板,通过调节各个板间的相对位置和角度模拟得出不同坐姿下的H点值进行实验及校验。三维模板的操作原理是通过机械装置调节各部分长度和角度将不同人体百分位反映在同一个模板上,测量模型能够表现操作者坐在座位上时的胯关节的位置和整个空间的关系,如图3所示。由于三维模板的坐板和背板的轮廓线形状是根据真实的人体轮廓线形状进行设计,三维H点模板相对于二维模板的基础功能外,还能够测量出实际H点的位置,因此,可以较为准确的模拟驾驶员在实际操作中的H点位置。

2.3 计算机仿真计算

先建立各个尺寸间的约束条件,在给定百分位的人体尺寸的条件下,得出H点和基点之间的水平和垂直距离。仿真计算的方法虽然能得到直观准确的数据,但由于驾驶室空间布置的舒适度与人的感受密切相关,存在一定的主观因素,故通过编程得到的数据通常还需要进行一定的真人实验进行数据修正。

3 工程车驾驶室座椅H点的确定

本文以某专用工程车驾驶室为例,进行H点确定的方案制定及计算。图4为专用工程车驾驶室的照片。根据测量可知驾驶员座椅涉及的空间活动范围长度约1 100 mm,宽度约580 mm,高度约1 546 mm。

考虑到成本问题,本文采用方法2:制作简化的二维模板,如图5所示。根据已知的人体尺寸和工作姿态的舒适角度对模板进行调节,最终确定H点的位置。根据表1选取男性第50百分位的大腿长度387 mm,小腿长度357 mm,躯干长度444 mm,脚长约265 mm。根据数据制作模板如图5所示,其中A=387 mm、B=357 mm、C=444 mm、D=265 mm。将ABCD 4个部件依照一般坐姿摆好,连接处分别用针固定,相连的两个板可以在底板平面内自由转动。将脚底平面和小腿轴线的交点固定,作为确定H点坐标的坐标原点。

在舒适的工作坐姿状态下,小腿和地面夹角为105°~115°,大腿板和小腿板的夹角为100°~105°,大腿板在水平线下5°~8°。首先固定坐标原点,然后依次调节B板和A板,满足上述位置条件后根据第50百分位脚踝高度107 mm进行修正,得到H点垂直高度为332~455 mm,高度Δh50=123 mm。由于排灌车属于工业用车的A类车,根据SAE标准A类车H点水平坐标公式第50百分位X50=793.7+0.903387Z-0.00225518Z2,得出水平方向上H点到踵点的距离为737.6~844.8 mm,Δl50=107.2 mm。

同理取男性第95百分位的小腿长382 mm,大腿长414 mm,得H点高度变化为352~477 mm,高度Δh95=125 mm,根据SAE标准第95百分位的H点水平距离计算公式X95=913.7+0.672316Z-0.0019553Z2,计算得出H点到踵点的水平距离为789.5~908.1 mm,Δl95=118.6 mm。

取女性第5百分位的小腿长335 mm,大腿长361 mm,对应H点高度为315~425 mm,Δh5=110mm,根据女性第5百分位H点水平距离计算X5=692.6+0.981427Z-0.0022623Z2,得到女性第5百分位H点水平位置为701.1~777.2 mm,Δl5=76.1mm。

因为工程车辆驾驶者多为男性,男性第50百分位的数据更接近男性平均值,将男性第50百分位的H点数据作为基准数据,男性第95百分位和女性第5百分位的H点位置作为设计参考。

根据计算所得的H点参数建立相应的CATIA模型,如图6所示。在此计算所得的H点参数的指导下进行驾驶室布局设计,驾驶员能较为舒适的进行驾驶及工程操作。

4 结语