基于人机工程学对座椅舒适性的分析

基于人机工程学对座椅舒适性的分析

刘佳

长春长客-庞巴迪轨道车辆有限公司吉林?长春?130000

摘要：本文针对座椅舒适性进行分析研究。通过Measure测量软件建立座椅的数学仿真模型，记录模型的仿真数据，并对数据结果进行分析研究。通过优化传统汽车座椅的设计经验以及对舒适性分析不足的情况为研究目的,从静态角度进行研究综分析如何满足人们对舒适性的要求。并围绕这个角度从座椅的研发阶段到设计阶段提出了新的思路和设想。

关键词:人机工程；座椅；H点；舒适性

1.引言

随着科技水平的飞速发展,生产力的迅猛提升。汽车这个曾经作为有钱人象征的存在更是走向了社会,被更多的人们所接受、所使用。人们对汽车的要求也越来越高,更多的追求安全、舒适、动力性强、人性化是现代汽车设计所追求的最优目标。而直接将汽车的一切行驶状况以及我们平时在车内接触最多的汽车座椅更是重要组成部分。本文围绕人体保持坐姿状态时的体压分布、对坐垫受到压力之后产生的变形、对H点进行测量分析三大影响因素，系统说明了如何提高座椅的舒适性。

2保持坐姿状态时的体压分布

体压分布是指体重在靠背和座垫上的分布情况,而人体的坐姿决定了体压的分布情况。以人机工程学为依据可以得出在人体坐姿处于最舒适的状态下,乘坐人员的体压分布应该满足以下要求:应该保证压力尽可能大面积地合理地施加到座垫和靠背上,以保证每一点的压强都比较小;压力的分布状况比较均匀连续,避免突然的数值相差较大的跳变。人体重在座椅上表现出的压力分布是不均匀的,应该在人体的各部位有不舒适的反应之前,根据人体各不同部分能够承受的压力的不同对其进行比较合理的分布。根据体压在座垫上的分布情况可以得出,人体的坐骨部分承受的压力值最大,从其周围向臀部外围所承受的压力逐渐减小,与座垫接触的大腿所承受的压力值最小。在靠背的腰靠部位上所分布的体压值是最大的。

图1背部体压分布

如果人体长时间在一个位置保持坐姿不动,就会出现肌肉紧张的状态,这时只要稍微转动自己的身体,改变一下位置,就可以让肌肉的紧张状态得到缓解,让肌肉得到休息。所以根据以上原则,在设计中就应该考虑使用者能够时常变换自己的位置以及姿势,以此活动身体各部分的肌肉缓解压力。

3.H点数模的建立与测量试验

设计的产品需要满足人们的使用要求。每个人的身体尺寸都不同,任何针对一个人或是几个人的测量数据都不能作为设计的依据,不管是实验要求还是产品设计使用要求都是需要满足大多数人体的需求。我们将针对使用的群体经行抽样测量,在抽样测量后经行数据统计,在经过对样品数据分析后中找出具有代表性的能符合我们设计需求的数据。

国家标准GB10000-88《中国成年人人体尺寸》按照人机工程学的要求提供了我国成年人人体裸体尺寸的基础数据。在我们运用标准给出的测量数据是,需要将这些外在因素对测量结果的影响考虑在内。根据国家标准CB/T14779-93提供了坐姿人体模板功能设计要求,如表2为中国人体模板功能尺寸(单位:mm),表1列出了男性、女性身高分级情况。男性、女性身高分级情况。

表1男性、女性身高分级表

在实际生产和试验中H点的计算时,需要以国家标准的数据为基准,借助模板上数据尺寸。选择适合汽车座椅使用要求的最佳百分位值,利用有效的模板数据尺寸来作为汽车座椅设计输入的依据,得出座椅尺寸的相关设计输出。我们将两个特殊百分位的模板户、数据作为人体模型的最大输入和最小输入,然后在对最佳舒适H点区域经行计算,我们得出来的设计结果将在两个百分位之间,这样就能使座椅满足90%以上的人们的使用要求。

表2人体模板功能尺寸位置

依据图2建立坐标系,以蹱点为坐标原点。这样我们就可以得出H点与X、Z有关的数学表达式:

从公式(3.1)可以看出,H点的位置X、Z与加速踏板与汽车底板的夹角(θ1)小腿轴线与加速踏板的夹角(θ2)和大腿轴线与水平方向的夹角(θ9)等关节角有关,以及人体测量的线性尺寸L2、L3、L4、L5,和有关;而从公式(3.2)可以看出,H点的位置X’、Z’与加速踏板与汽车底板的夹角(θ1)、大腿轴线与小腿夹角(θ3)和大腿轴线与水平方向的夹角(θ9)等关节角度有关,以及人体测量的线性尺寸L2、L3、L4和L5有关。

4．体压(坐塾、靠背)的试验

体压分布是指将汽车座椅对乘客身体支撑部分压力的大小分布。根据医学知识,因为坐骨结节比较粗壮,在此处分布的血管很神经很少,因此能够承受大压力也比周围的肌肉大,所以这是最能够承受压力的部位，一半以上的体重应该由骨盆下的两块面积25的坐骨结节承受。

图3理想状态下人体压力分布曲线

座垫上的体压部分原则是在人体的坐骨处承受的压力值是最大的,从其周围往臀部外围的方向所承受的压力逐渐减小,与座垫接触的大腿所承受的压力值最小。图3给出了座垫上理想的体压分布曲线示意图,其中的一圈圈的闭合曲线是等压线,竖直的压力差是Pa。

实验结果:

坐垫部分:除了臀部有压力集中点外没有集中的高压力区。坐垫接触较好。

靠背部分:没有集中的高压力区。靠背接触有一些明显空隙。

5.理想座椅设计

理想座椅设计主要分为以下5点：

（1）座椅要能合理的分担人体的重量

人在坐到座椅上的时候其重量主要臀部来平均分摊身体的重量,而背部可以借助座椅靠背使腿部获得更大的操作力。人坐在座椅上的时候是要完成驾驶车辆的工作,所以我们要求人在坐稳后上身应保持稳定,座椅要对人能提供相对稳定的支撑,还要有足够的包裹性,避免使力集中作用在人身上的某一点。

（2）座椅填充物材料选择

现代工艺中主要采用发泡泡沫来做为座椅的填充物。在实际生产中可以根据工艺规定的工艺参数来控制发泡的温度、酸和醚等混合材料的多少,控制发泡时间等非材料性的因素,最终生产出软硬适合人体乘坐的泡沫。

（3）座椅坐垫的深度

座垫的深度应能保证臀部与大腿的大邰分得到全部的支持。一般应保证在人坐下后调整坐姿使背部、臀部都与坐垫紧密的靠在一起,座垫前边沿与小腿之间有1/2拳距左右的间隙为宜。座椅前缘应造型光滑不要有棱角存在。

（4）座椅坐垫的宽度

座垫的宽度应大于人体臀部宽度,不论驾驶员的身材如何,都能使驾驶员能自如地调整坐姿。使坐垫可以对乘坐人员的臀部起到有效的包裹及对臀部提供侧面支撑的效果。

（5）座椅坐垫的倾角

坐垫不应是水平的,应造型成前高后低略微倾斜,以防止驾驶员在汽车行进的过程中受到颠簸时,臀部被向前抛而坐不稳。但倾斜的角度不要过大,这会对驾翻造成影响,让人感觉像是仰躺在座椅中。倾角的大小要使乘坐人员可以自由的变姿势而不致滑脱为适宜。

（6）座椅靠背的倾角

因为每个人的工作习惯不同,所以我们要求座椅靠背的倾斜角应是可以变化的随人们的需求不同可以自己调节。

结语

本文中通过体压分布测试和振动舒适性试验研究汽车座椅舒适性。通过体压分布测试，获得平均压强、总压力和接触面积等体压分布量化指标，并分析静态体压分布的特征和动态体压分布的变化规律，结果表明动态工况下除最大压强以外的其它体压指标均大于静态工况，且随车速增加而增加。而通过振动舒适性试验，分析动态体压分布与振动的相关性，结果表明平均压强与振动加权加速度有很强的相关性。

参考文献

[1]GB10000-88中国成年人人体尺寸国家技术监督局.

[2]安田滋;车辆用座椅舒适度的评价,国外铁道车辆,1995年第一期.

[3]周一鸣,毛恩荣;车辆人机工程学,北京理工大学出版社,1999.