畢業(yè)設(shè)計(jì)——汽車座椅舒適度研究

1、<p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　畢 業(yè) 論 文 題 目 汽車座椅舒適度研究 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　汽車已經(jīng)在人們的生活中越來越普及，安全、舒適、方便是現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)所追求的最優(yōu)目標(biāo)。汽車座椅是汽車的重要組成部分

2、，它直接關(guān)系到乘員駕乘的安全、舒適和工作效率。為解決現(xiàn)代汽車座椅傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法中對舒適性分析的不足，本文以人機(jī)工程學(xué)的理論為基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，對汽車座椅的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)舒適性和評價(jià)進(jìn)行了綜合分析和深入研究，為座椅和其它類似機(jī)械的舒適性設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)提出了一些新的思路。研究結(jié)果對于提高中國汽車座椅的設(shè)計(jì)水平具有重要的指導(dǎo)意義，并可以廣泛應(yīng)用于其它座椅的舒適性設(shè)計(jì)。</p><p>　　本文概述了人體承受全身振動(dòng)的舒

3、適性評價(jià)方法，并建立了汽車人-座椅系統(tǒng)的三自由度模型，針對特定汽車的地板輸入譜特性，運(yùn)用Matlab進(jìn)行仿真研究該模型的動(dòng)態(tài)特性，合理設(shè)計(jì)座椅的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，結(jié)合ISO 2631對模型進(jìn)行人體振動(dòng)舒適性的定量評價(jià)。將人體H點(diǎn)是汽車駕駛室設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)點(diǎn)，將坐姿舒適性要求與坐姿角度相結(jié)合，建立人體坐姿桿系模型和數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　另外，正負(fù)剛度并聯(lián)彈簧作為一種新型非線性被動(dòng)控制減振元件，對提高汽車舒適性具有重

4、要意義。本文基于正負(fù)剛度并聯(lián)相消原理設(shè)計(jì)了新型汽車座椅彈性元件,并建立了其力學(xué)及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析?；谌藱C(jī)工程學(xué)原理和脊柱測量數(shù)據(jù)，研究舒適性汽車座椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和適合我國人體測量的座椅結(jié)構(gòu)尺寸，為舒適性座椅的設(shè)計(jì)提供了一種有效的手段。</p><p>　　關(guān)鍵詞：舒適性；隔振；H點(diǎn)；人機(jī)工程學(xué)</p><p><b>　　Abstract</b></p>

5、<p>　　Vehicles are becoming more and more popular in people’s daily life. Safety, comfort and efficiency are the main objective of directly guarantee the driver’s safety, comfort and work efficiency. In order to ov

6、ercome the deficiency of traditional experiential design method for vehicle seat in comfort. Ergonomics theory is used in this thesis, with the help of computer technology, the dynamic, static comfort and evaluation inde

7、x are explored based on the characteristics of vehicle seat. In this the</p><p>　　This paper summarizes the human body vibration comfort under evaluating methods, and establish the car seat system for certai

8、n three dof model car, the floor input spectrum characteristics, using Matlab simulation research this model, the dynamic characteristic of reasonable design of dynamic parameters of the seat, combined with ISO 2631, the

9、 model of quantitative evaluation body vibration comfort. Will human H point is the benchmark, automobile cabin design requirements and posture will postur</p><p>　　Key words：Comfort; Vibration isolation; H-

10、Point; Ergonomics</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p><b>　　1.1 舒適性1</b></p><p>　　1.1.1 振動(dòng)舒適性1</p><p>　

11、　1.1.2 靜態(tài)舒適性2</p><p>　　1.1.3 操作舒適性4</p><p>　　1.2 汽車座椅舒適性研究現(xiàn)狀4</p><p>　　1.2.1 汽車座椅動(dòng)態(tài)模型6</p><p>　　1.2.2 汽車座椅靜態(tài)舒適性8</p><p>　　1.3 基于人機(jī)工程學(xué)的汽車座椅舒適性設(shè)計(jì)要求10&l

12、t;/p><p>　　1.3.1 合理的體壓分布10</p><p>　　1.3.2 維持脊柱正常的生理彎曲12</p><p>　　1.3.3 橫向振動(dòng)的抵抗能力14</p><p>　　1.4本章小結(jié)14</p><p>　　第二章 人體承受振動(dòng)的舒適性評價(jià)16</p><p>　　2

13、.1 人體承受振動(dòng)的分類16</p><p>　　2.2 汽車座椅舒適性的主觀和客觀評價(jià)研究18</p><p>　　2.2.1 人體脊骨生理結(jié)構(gòu)與座椅腰托裝置19</p><p>　　2.2.2 座椅腰托的客觀性評價(jià)試驗(yàn)20</p><p>　　2.2.3 座椅腰托的主觀性評價(jià)試驗(yàn)22</p><p>　　

14、2.3 人體動(dòng)態(tài)舒適性評價(jià)24</p><p>　　2.3.1 加權(quán)加速度評價(jià)法24</p><p>　　2.3.2 加速度劑量法25</p><p>　　2.4 本章小結(jié)28</p><p>　　第三章 正負(fù)剛度并聯(lián)隔振研究29</p><p>　　3.1 正負(fù)剛度概念及其載荷變形關(guān)系29</p&g

15、t;<p>　　3.2 正負(fù)剛度并聯(lián)機(jī)構(gòu)隔振原理30</p><p>　　3.3 負(fù)剛度機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)31</p><p>　　3.4 正負(fù)剛度彈簧并聯(lián)力學(xué)建模與分析33</p><p>　　3.5 本章小結(jié)36</p><p>　　第四章 汽車座椅的隔振37</p><p>　　4.1 汽車座椅振動(dòng)

16、研究37</p><p>　　4.2 振動(dòng)理論37</p><p>　　4.2.1 力學(xué)模型38</p><p>　　4.2.2 數(shù)學(xué)模型39</p><p>　　4.2.3 求解方法39</p><p>　　4.3 汽車座椅設(shè)計(jì)40</p><p>　　4.3.1 汽車座椅舒適性設(shè)

17、計(jì)40</p><p>　　4.3.2 座椅舒適度設(shè)計(jì)指標(biāo)40</p><p>　　4.3.3 汽車座椅隔振機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)41</p><p>　　4.3.4 汽車座椅舒適度影響因素41</p><p>　　4.3.5 汽車座椅舒適性設(shè)計(jì)的重要性42</p><p>　　4.3.6 座椅舒適度的研究方法42<

18、;/p><p>　　4.3.7 預(yù)壓彈簧設(shè)計(jì)42</p><p>　　4.4 座椅安全性設(shè)計(jì)45</p><p>　　第五章 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析47</p><p>　　5.1 汽車座椅行業(yè)調(diào)研47</p><p>　　5.1.1 數(shù)據(jù)獲取48</p><p>　　5.1.2 舒適性影響因素分析

19、48</p><p>　　5.1.3 其它因素對舒適性評價(jià)的影響分析49</p><p>　　5.2 本章小結(jié)52</p><p><b>　　結(jié)論53</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)54</b></p><p><b>　　謝辭55<

20、;/b></p><p>　　附錄一 中文譯文……………………………………………………………………………ⅰ</p><p>　　附錄二 外文資料原文………………………………………………………………………ⅱ</p><p><b>　　汽車座椅舒適度研究</b></p><p><b>　　第一章 緒論&l

21、t;/b></p><p>　　隨著人們生活水平的提高，汽車的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣，同時(shí)對汽車的要求也越來越高。安全、舒適、方便是現(xiàn)代汽車座椅設(shè)計(jì)的最優(yōu)目標(biāo)。它應(yīng)該在安全、舒適、方便等各方同都能很好的適合不同個(gè)人的特殊需求。汽車座椅是汽車的重要組成部分，它的主要功能是支撐駕駛員及乘坐人員的身體，減緩路面不平傳給人體的沖擊并衰減由此引起的振動(dòng)，給駕乘者提供舒適、安全的乘坐環(huán)境，便于駕駛者操作的良好工作條件。汽車座

22、椅的動(dòng)力學(xué)參數(shù)——固有頻率和阻尼比對座椅的減振性能有重要影響，同時(shí)座椅的設(shè)計(jì)尺寸與人體測量數(shù)據(jù)密切相關(guān)。因此座椅的舒適性越來越多的成為廣大工程科技人員研究的對象。</p><p><b>　　1.1 舒適性</b></p><p>　　1.1.1 振動(dòng)舒適性</p><p>　　乘員所受的機(jī)械振動(dòng)可分為局部振動(dòng)和全身振動(dòng)兩大類：所謂局部振動(dòng)是指

23、作用開人體特殊部位（如頭部和四肢）的振動(dòng)，經(jīng)由方向盤、腳踏板和各種操作手柄傳遞到乘員的手或腳的振動(dòng)。局部振動(dòng)一般不會(huì)給乘員造成傷害，只對操作的精度和準(zhǔn)確度有影響。全身振動(dòng)是指通過人體的支撐表面（如站著的人體的腳部、坐著的人體的臀部、躺著的人體的背部支撐面等）傳給人體的振動(dòng)。汽車乘員承受的乘坐振動(dòng)屬于全身振動(dòng)，是對乘員可能造成嚴(yán)重傷害的主要振動(dòng)形式。</p><p>　　人體承受全身振動(dòng)而引起的舒適性問題，稱為振動(dòng)

24、舒適性。人體承受全身振動(dòng)將產(chǎn)生機(jī)械的、生理的、病理的和心理的效應(yīng)。座椅傳給乘員的振動(dòng)負(fù)荷主要通過人體臀部和座椅座墊接觸面?zhèn)鬟f進(jìn)入人體的，其強(qiáng)度用臀部與座墊接觸界面中心垂直方向的振動(dòng)加速度、振動(dòng)頻率、受振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間來描述。很多文獻(xiàn)研究表明：人體承受長期的全身振動(dòng)對于腰脊柱和相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)的不良影響是持續(xù)增加的，而通常，這對于人體健康的傷害需要數(shù)年才能產(chǎn)生。盡管對于人體承受振動(dòng)的劑量做過各種假定，但由于個(gè)體、環(huán)境的差異，目前并沒有一個(gè)特定

25、的量來衡量人體承受振動(dòng)對健康的影響。</p><p>　　通過座椅及車輛等部件，可以隔離、緩各、吸收和衰減行駛及作業(yè)中所產(chǎn)生的各種沖擊和振動(dòng)，最終使傳給乘員身體的振動(dòng)強(qiáng)度處于人體所能承受振動(dòng)的舒適性范圍之內(nèi)。汽車振動(dòng)主要來源于地面不平度的隨機(jī)激勵(lì)。汽車本身運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量的不平衡或者各種作業(yè)載荷的波動(dòng)也會(huì)引起汽車的振動(dòng)。汽車大都采用彈性懸架結(jié)構(gòu)，車身與地面之間有輪胎和車輛懸架機(jī)構(gòu)兩級(jí)彈性支撐元件。改善其動(dòng)態(tài)舒適性相當(dāng)重要

26、。</p><p>　　乘坐振動(dòng)通過乘員的臀部、腰部傳給乘員，激起人體的全身振動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)激勵(lì)頻率接近于人體主要器官的固有頻率時(shí)，將引起相應(yīng)器官的共振而產(chǎn)生相對位移，從而使人感到不舒適，嚴(yán)重時(shí)將危害人的身體健康。關(guān)于坐著的人體承受垂直振動(dòng)時(shí)的振動(dòng)特性，許多測量和研究結(jié)果基本一致。人體對4-8Hz頻率范圍的垂直振動(dòng)以及1-2Hz頻率范圍的水平振動(dòng)的能量傳遞率最大，其生理響應(yīng)也最大。</p><p&

27、gt;　　1.1.2 靜態(tài)舒適性</p><p>　　座椅與人體的匹配關(guān)系和為乘員提供坐資的舒適程度，稱為靜態(tài)舒適性。靜態(tài)舒適性要研究和解決的問題，是依據(jù)人體舒適坐姿的要求和人體測量數(shù)據(jù)，合理布置、優(yōu)化設(shè)計(jì)和充分考慮座椅的結(jié)構(gòu)、尺寸和調(diào)整參數(shù)，以及駕駛室內(nèi)各操作按鈕和駕駛員的視野等。</p><p>　　(1) 人機(jī)工程學(xué)[1]與H點(diǎn)</p><p>　　在汽車駕駛

28、室里駕駛者和儀表盤、方向盤、變速箱操縱桿、手剎拉桿、座椅及踏板之間構(gòu)成了人機(jī)界面，這就要求設(shè)計(jì)者要充分的考慮人機(jī)工程的因素以保證駕駛員能方便地操作，使車輛安全行駛，并保證人體經(jīng)常處于良好的姿勢狀態(tài)，以緩解疲勞。目前，汽車在設(shè)計(jì)駕駛室時(shí)選用的假人模型，一般為SAE95分值假人。通常在做汽車總布置設(shè)計(jì)時(shí)，通過一系列的約束條件，最終確定假人的H點(diǎn)，從而確定假人的坐姿。H點(diǎn)是指人體身軀與大腿的連接點(diǎn)，即跨點(diǎn)（Hip Point），它是與損人方便

29、性及坐姿舒適性相關(guān)的車內(nèi)尺寸的基準(zhǔn)點(diǎn)。人體工程學(xué)對座椅的舒適性提出了具體的要求：</p><p>　?、僮蔚某叨缺仨殔⒄杖梭w測量學(xué)數(shù)據(jù)確定；</p><p>　?、谧慰蛇m當(dāng)調(diào)節(jié)，以滿足坐姿變換；</p><p>　?、圩蔚奈恢靡c其作業(yè)空間相協(xié)調(diào)，便于人員作業(yè)。</p><p>　　(2) 最終姿勢與座椅外形</p>&l

30、t;p>　　人體在座椅上坐著時(shí)的姿勢，稱為最終姿勢。人體姿勢由相鄰關(guān)節(jié)的距離及每個(gè)關(guān)節(jié)的角度來確定。通常情況下，各關(guān)節(jié)之間的距離是不能調(diào)整的，但每個(gè)關(guān)節(jié)的角度可以改變。在關(guān)節(jié)角度可變范圍內(nèi)存在改變的最佳區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)人不易疲勞。由坐姿生物力學(xué)分析，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度在90°～115°。同時(shí)，小腿向前伸，大腿與小腿、小腿與腳踝之間也應(yīng)達(dá)到一定角度。<

31、/p><p>　　為了使不同身高的駕駛員獲得良好的靜態(tài)舒適性，并自如地進(jìn)行操作，必須使座椅的尺寸合適、駕駛位置合理，通常對于座椅來說，以下外形尺寸必須在規(guī)定的范圍之內(nèi)：</p><p>　?、僮鴫|深度。對于身材高大的駕駛員來說，坐墊太淺會(huì)因大腿下面無足夠的支撐面而感到不適，反之，身材稍小的駕駛員則會(huì)因?yàn)樽鴫|太深而背部不能與靠背接觸，勢必要端坐，長時(shí)間的端坐更易疲勞。因此，坐墊深度一般取400～

32、500mm；</p><p>　?、谧摺＜醋鴫|上表面至地板的距離，坐墊的高度應(yīng)保證雙腳能自如踏在地板上，并可以自由地前伸后驅(qū)，坐墊過高，身材稍小的駕駛員踩踏板困難，大腿下面過分胎神壓而使血液流動(dòng)不暢，以致麻木而很快疲勞；反之，坐墊過低，會(huì)使身材高大的駕駛員因小腿與大腿的角度變小而很快疲勞。因此，坐墊高度一般以取350～400mm為宜，最低不小于300mm，最高不大于400mm；</p><p

33、>　?、圩鴫|角度及靠背與坐墊的夾角。坐墊上表面若是水平的，則人坐上去身體會(huì)產(chǎn)生向前滑動(dòng)的趨勢，為保證駕駛員身體不向前滑動(dòng)，墊面一般設(shè)計(jì)成前高后低的傾斜狀，一般以取5～8°為宜。由于坐墊有水平夾角而造成靠背與坐墊夾角減小，如果角度過小，則腰椎就會(huì)由正常彎曲變直，使腰部很快疲勞。因此，一般靠背部設(shè)計(jì)成可調(diào)，使其后傾，以增大軀干和大腿之間的夾角。對于汽車座椅，軀干和大腿間夾角以在95～105°范圍內(nèi)為宜；</p

34、><p>　?、茏鴫|寬度。坐墊稍寬些，有利于駕駛員調(diào)整姿勢，但太寬會(huì)影響操作方便性，一般取450～500mm；</p><p>　?、菘勘硨挾??？勘撑c坐墊的寬度可以相同，也可以比坐墊稍窄些，但太窄會(huì)破壞座椅的整體造型，為了造型美觀及不影響上肢活動(dòng)而設(shè)計(jì)成上窄下寬的外型。目前座椅設(shè)計(jì)時(shí)一般取相等寬度。</p><p>　　(3) 體壓分布與測量</p>&l

35、t;p>　　人坐在座椅上時(shí)，人體重力作用在坐墊和靠背上，其壓力分布情況稱為體壓分布。坐姿的體壓分布是影響乘坐舒適性的重要因素。人就坐時(shí)，身體重量的大部分（約80%）經(jīng)過臀部、背部隆起部分及其附著的肌肉壓在座椅面上。</p><p>　　目前，GM，F(xiàn)ord,Toyota,Honda,BMW,Volvo,Delphi,Johnson Cont rols等大公司都在廣泛應(yīng)用美國Teksean公司的壓力分布測量系

36、統(tǒng)來解決座椅舒適度問題，該系統(tǒng)主要通過在座椅的坐墊和靠背上布置4000個(gè)以上的傳感單元來測量面套的支撐和泡綿硬度等對座椅的壓力分布和舒適度的影響效果。通過某公司開發(fā)的一款汽車座椅的體壓分布平面圖和立體圖，我們可以了解整個(gè)人體壓力狀況比較合理，接觸面積大，左右平均度好，無明顯的硬塊。</p><p>　　1.1.3 操作舒適性</p><p>　　主要是駕駛員進(jìn)行駕駛操作時(shí)的舒適性程度稱為操

37、作舒適性。操作舒適性所要研究和解決的問題主要是車輛駕駛員室、駕駛員、座椅、操縱裝置、顯示裝置、車外視野的合理匹配。</p><p>　　汽車座椅的動(dòng)態(tài)舒適性與座椅及人體的振動(dòng)特性密切相關(guān)。座椅動(dòng)態(tài)舒適性是指人體處于振動(dòng)環(huán)境中所感受到主觀上的相對舒適程度。振動(dòng)對駕駛員的直接影響涉及軀干和身體局部的動(dòng)態(tài)反應(yīng)行為，生理反應(yīng)，性能減退和敏感度障礙。</p><p>　　人體在振動(dòng)環(huán)境中會(huì)加速疲勞過

38、程，當(dāng)振動(dòng)環(huán)境中的振動(dòng)特性處于人體神經(jīng)系統(tǒng)的敏感區(qū)域時(shí)，這種刺激頻繁傳入大腦皮質(zhì)，引起大腦皮持細(xì)胞興奮。當(dāng)達(dá)到一定限度時(shí)，皮質(zhì)細(xì)胞的工作強(qiáng)度將減弱，人就會(huì)感到疲勞，工作效率明顯下降。</p><p>　　1.2 汽車座椅舒適性研究現(xiàn)狀</p><p>　　早在20世紀(jì)70年代，國外的許多汽車生產(chǎn)廠家就已經(jīng)注意到駕駛室設(shè)計(jì)的舒適性對汽車車輛作業(yè)效率的影響，人們開始將人機(jī)工程學(xué)理論應(yīng)用于汽車座

39、椅的設(shè)計(jì)上。但當(dāng)時(shí)的研究水平僅限于對座椅的尺寸、形狀等與人體尺寸相適應(yīng)的靜態(tài)問題。</p><p>　　近年來，國外開發(fā)研究了舒適性較高的汽車駕駛室。駕駛室內(nèi)部趨于多功能化，并盡顯豪華風(fēng)格：儀表板上的中央部位安排了更大的易于辨認(rèn)的、動(dòng)感十足的數(shù)字顯示，很容易看得清楚；電視攝像機(jī)和顯示器可以作為可選的一種裝置，隨時(shí)監(jiān)視汽車行駛的路面狀況；易于進(jìn)出的駕駛室車門有特殊的安全鎖定裝置；其高品質(zhì)的電動(dòng)升降門窗十分宜人；視野

40、十分廣闊等等的這一切都應(yīng)該集中于汽車座椅的位置布置，座椅上下、左右及角度可調(diào)，頭枕高度可調(diào)和可拆卸的座椅，使每個(gè)座椅都能活動(dòng)自如。這都體現(xiàn)了人機(jī)工程學(xué)上最佳的宜人性設(shè)計(jì)的原則。</p><p>　　國外對汽車座椅舒適性的研究是伴隨著汽車的誕生而逐漸展開的，至今已發(fā)展得十分成熟。早在20世紀(jì)40年代，國外學(xué)者就對乘坐舒適性開始了研究。20世紀(jì)60年代，隨機(jī)振動(dòng)理論蓬勃發(fā)展，人們對道路的路面特性有了一個(gè)明確的認(rèn)識(shí)，汽

41、車振動(dòng)學(xué)也隨之發(fā)展并日趨完善。到20世紀(jì)70年代，涌現(xiàn)出了以國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631為代表的大量研究成果，并在不斷完善，成為評價(jià)舒適性的方法及依據(jù)。在理論研究的同時(shí)，國外學(xué)者對座椅這個(gè)減振環(huán)節(jié)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，比如對人-椅系統(tǒng)的傳遞特性、三種姿態(tài)下的人體振動(dòng)模型、座墊阻尼特性的研究，均取得了豐富的成果。隨著人們對座椅舒適性的要求不斷提高，以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)肯，國外加強(qiáng)了對新型減振座椅的研究，在機(jī)械減振座椅出現(xiàn)的基礎(chǔ)上，于20世紀(jì)9

42、0后代開發(fā)出了空氣懸掛式座椅，極大地提高了載貨汽車及大客車駕駛員座椅的動(dòng)態(tài)舒適性。這種新型座椅的出現(xiàn)，已成為座椅動(dòng)態(tài)舒適性研究的一個(gè)新熱點(diǎn)，但其研究成果尚不全面。當(dāng)前，美國ROHO集團(tuán)已經(jīng)開發(fā)出一種車用充氣坐墊，可以有效地提高駕駛員乘坐的舒適性。</p><p>　　隨著中國汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)也注意到了汽車駕駛室的舒適問題，國內(nèi)多家汽車生產(chǎn)廠家開始測繪和仿制國外先進(jìn)的汽車座椅，駕駛員操作手柄形狀以及駕駛室內(nèi)

43、設(shè)施的布置等，并開始人機(jī)工程學(xué)在汽車座椅設(shè)計(jì)上的應(yīng)用的研究，并取得了一系列成果，同時(shí)駕駛室舒適性問題引起了更多的關(guān)注。這極大的推動(dòng)了國產(chǎn)汽車舒適性方面的設(shè)計(jì)和制造水平。但是應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)來研究汽車座椅舒適性問題，國內(nèi)還處于初級(jí)階段。</p><p>　　我國對汽車座椅動(dòng)態(tài)舒適性的研究起步較晚，相對落后。自20世紀(jì)80年代開始，電子計(jì)算機(jī)的普及，使人們對汽車座椅的動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化等研究成為可能，涌現(xiàn)出了大量的研究成

44、果。在此期間，洛陽拖拉機(jī)研究所等對礦用車和拖拉機(jī)用的剪式懸掛座椅（帶減振器、金屬彈簧）進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果，另外清華大學(xué)等也同時(shí)開展了對人體振動(dòng)模型的研究。不過，我國對座椅舒適性的研究尚處于相對落后的狀態(tài)，主要原因有三個(gè)：國內(nèi)座椅產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員尚未掌握先進(jìn)的研究方法（如系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法），也未對座椅的減振性能進(jìn)行深入的研究，這影響了座椅設(shè)計(jì)及研究的發(fā)展；在我國，座椅舒適性還不是強(qiáng)制檢測的要求內(nèi)容，一些企業(yè)認(rèn)為只要在安全性上滿足座

45、椅強(qiáng)度的檢測要求就可以了，而座椅的舒適性則是次要的；我國許多座椅生產(chǎn)廠家對舒適性的認(rèn)識(shí)也還只是停留在僅僅滿足國家法規(guī)要求上，而座椅舒適性試驗(yàn)方法行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及一些大企業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定較早，由于沒有對近幾年才出現(xiàn)的空氣懸掛式座椅進(jìn)行研究，導(dǎo)致認(rèn)識(shí)上的不確定、不清晰，這也是造成舒適性研究落后的另一個(gè)重要原因。鑒于此，急需投入一定的技術(shù)力量，以有效地開展適合我國現(xiàn)狀的座椅動(dòng)態(tài)舒適性研究工作。</p><p>　　根據(jù)影

46、響汽車駕駛座椅舒適性的人-機(jī)-環(huán)分析，安全舒適的汽車駕駛座椅的設(shè)計(jì)必須滿足坐姿舒適性（靜態(tài)舒適性）和振動(dòng)舒適性（動(dòng)態(tài)舒適性）的要求。開展人機(jī)工程學(xué)研究，并將其研究成果應(yīng)用到國內(nèi)汽車座椅設(shè)計(jì)中，對提高汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平，增強(qiáng)產(chǎn)品競爭力具有重要的意義。目前，在汽車研究方面，人們建立了各種各樣的關(guān)于汽車-人-環(huán)境的模型。</p><p>　　1.2.1 汽車座椅動(dòng)態(tài)模型</p><p>　　從汽

47、車整體上，在舒適性和安全性等方面研究很成熟。人們建立了許多汽車動(dòng)力學(xué)分析的數(shù)學(xué)模型。我們知道，任何控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都依賴于描述真實(shí)系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性，常見的汽車數(shù)學(xué)模型有三種：僅考慮汽車車輪和懸架系統(tǒng)的自由度（前后輪、前后懸架）的1/2（將車輛視為左右對稱）車輛模型；在1的基礎(chǔ)上增加座椅和乘員的自由度車輛模型；以及在2的基礎(chǔ)上增加發(fā)動(dòng)機(jī)的自由度車輛模型。其中最為準(zhǔn)確的為模型三，即用此模型來分析隨機(jī)路面輸入的頻率響應(yīng)對乘員的影響。在對這三個(gè)模

48、型的分析設(shè)計(jì)中，都力求從各個(gè)模型分析中得到的固有頻率都能有效的避開人體敏感頻率4-8Hz。如果分析得到的汽車固有頻率接近人體敏感頻率，那么在汽車行駛過程中將使人體產(chǎn)生共振，而嚴(yán)重影響乘員乘坐的舒適性，甚至對人體產(chǎn)生嚴(yán)重的健康隱患。</p><p>　　因此為了汽車的減振而提高人體的舒適性，人們在汽車懸架上安裝各種各樣的減振彈簧、減振液壓系統(tǒng)以及空氣彈簧等，控制汽車的固有頻率并增加阻尼，從一定程度上提高了人體的舒適

49、性。降低輪胎的使用壽命；同時(shí)降低汽車懸架剛度并增加阻尼也有利于減少振動(dòng)，但會(huì)影響汽車操縱和自動(dòng)的穩(wěn)定性，所以汽車懸架必須有相當(dāng)?shù)膭偠扔糜诘挚孤访娴韧饨鐚ζ嚨臎_擊。</p><p>　　而汽車座椅是與人體直接相接觸的部位，研究汽車座椅的減振性將直接影響乘員乘坐的舒適性。同量座椅的結(jié)構(gòu)相對汽車整體來說簡單，設(shè)計(jì)方便，改變座椅的動(dòng)態(tài)參數(shù)能顯著改變?nèi)梭w振動(dòng)舒適性，對汽車的使用性能沒有影響，而且制造成本低，周期短?，F(xiàn)在越

50、來越多的人將目光轉(zhuǎn)移到直接研究汽車座椅上來：研究座椅懸架系統(tǒng)，采取切實(shí)可行的技術(shù)措施隔離由于地面激勵(lì)引起的通過汽車輪胎和懸架傳給汽車座椅的振動(dòng)，從而改變傳遞到人體的振動(dòng)。</p><p>　　駕駛用座椅動(dòng)態(tài)舒適性[2]主要與振動(dòng)特性有關(guān)。影響駕駛疲勞的振動(dòng)主要是行駛中車輛的隨機(jī)振動(dòng)和車輛。駕駛員受到縱向、橫向及垂直三個(gè)方向的線振動(dòng)與角振動(dòng)，這幾個(gè)振動(dòng)中，以垂直和繞縱、橫坐標(biāo)軸的角振動(dòng)對駕駛員的影響較大。振動(dòng)通過座

51、椅傳遞到人體的臀部、背部而引起的全身性振動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)汽車座椅時(shí)應(yīng)盡量隔離人體敏感的振動(dòng)。</p><p>　　在座椅設(shè)計(jì)中可采取的措施有：減小座椅共振頻率，降低座椅10Hz附近振動(dòng)傳遞率，以減輕彈簧一下的共振的印象和減少來自座椅靠背的高頻振動(dòng)；把路面-輪胎、減震懸掛、座椅-人體三者看作一個(gè)整體大動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，尋求在各個(gè)路面隨機(jī)輸入情況下，乘員不易疲勞的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　此外

52、，對于座椅的動(dòng)態(tài)特性可按照傳入人體的能量最小、是人體在敏感頻率區(qū)域動(dòng)態(tài)響應(yīng)最小、傳給人體的加速度均方根值最小等目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，與汽車的減震系統(tǒng)相匹配，使駕駛員處于更合適的振動(dòng)環(huán)境，這些都是駕駛疲勞的重要措施。</p><p>　　從汽車座椅舒適性的局部研究來看，人們對于汽車座椅提出了很多的動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)人體測量數(shù)據(jù)進(jìn)行座椅結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì)，進(jìn)行了很有成效的研究。</p><p>　　汽車座

53、椅的動(dòng)態(tài)性能研究：關(guān)于座椅的動(dòng)態(tài)性能，人們設(shè)計(jì)了“人-椅系統(tǒng)”的動(dòng)力學(xué)模型，為了研究座椅的振動(dòng)性能對人體舒適性的影響，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施降低振動(dòng)，提高乘坐舒適性。</p><p>　　“人-椅系統(tǒng)”的垂直方向上的單自由度模型：僅考慮地面不平等引起的振動(dòng)傳給汽車然后傳給座椅的垂直方向上的振動(dòng)（垂直方向的振動(dòng)比其它方向的分量要大，且座椅對各方向的動(dòng)態(tài)參數(shù)是獨(dú)立的），并將人體簡化為一個(gè)簡單的剛性質(zhì)量塊。即將人體與汽車座

54、椅的總質(zhì)量計(jì)為M，汽車座椅的剛度系數(shù)（彈性）計(jì)為K，座椅振動(dòng)阻尼為C，路面不平傳給座椅的響應(yīng)作為汽車座椅的輸入X，而座椅的振動(dòng)響應(yīng)為Y，作為座椅傳給人體的輸入，它將影響人體乘坐的舒適性。經(jīng)過分析，該模型結(jié)果與實(shí)際人體在座椅上的試驗(yàn)結(jié)果相比較存在很大的差異：用剛性質(zhì)量塊代替人體作試驗(yàn)得到的座椅傳遞函數(shù)的峰值比實(shí)際人體測得的座椅傳遞函數(shù)峰值要高，而且峰值頻率也高。原因是人體不是一個(gè)簡單的質(zhì)量塊，它不僅有一定的質(zhì)量，而且有一定的阻尼和剛度。由

55、于人體內(nèi)部阻尼的作用，使整個(gè)座椅系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的峰值有峰值頻率大大降低。這種變化對座椅動(dòng)態(tài)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的影響是非常大的。由于振動(dòng)對人體最有害的頻率范圍，在垂直方向?yàn)?-8Hz，正好是人體內(nèi)臟器官的共振頻率，因此在座椅設(shè)計(jì)時(shí)為了保證振動(dòng)對人體最敏感的頻率的振動(dòng)能進(jìn)行有效的衰減，座椅系統(tǒng)（包括人體）的固有頻率常常設(shè)計(jì)成小于3Hz</p><p>　　“人-椅系統(tǒng)”在垂直方向上的多自由度模型：考慮到人體實(shí)際上存在一定

56、的阻尼和剛度，常常將人體模型設(shè)計(jì)為單質(zhì)量塊的單自由度模型或兩質(zhì)量塊的二自由度模型，而常常以人體二自由度模型最為理想，得到的“人-椅系統(tǒng)”模型為三自由度模型。這樣，在“人-椅系統(tǒng)”模型設(shè)計(jì)上增加了人體的剛度和阻尼。將此模型與真實(shí)“人-椅系統(tǒng)”進(jìn)行試驗(yàn)對比，測得系統(tǒng)傳遞函數(shù)非常相近。因此該模型更接近于實(shí)際應(yīng)用。但該模型并沒有將座椅質(zhì)量進(jìn)行考慮，其實(shí)，座椅為非剛性的，其質(zhì)量對于“人-椅”系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的影響是很大的。“人體-座椅”模型的建立主

57、要研究座椅的振動(dòng)性能對人體舒適度的影響，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施降低振動(dòng)，提高舒適性。</p><p>　　1.2.2 汽車座椅靜態(tài)舒適性</p><p>　　從人機(jī)工程學(xué)角度上來看，我國汽車座椅的研究應(yīng)該以我國人體測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。我國已經(jīng)有了自己的人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)：GB10000-88，中國成年人人體尺寸?；诖藰?biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)的研究者們在此基礎(chǔ)上為座椅的空間尺寸提供了很有成效的參考數(shù)據(jù)，對于汽車座椅

58、乘坐人體的舒適度[3]有很大的影響。</p><p>　　座椅的靜態(tài)舒適性設(shè)計(jì)須考慮的因素很多，設(shè)計(jì)中應(yīng)突出以下幾點(diǎn)。</p><p>　　(1) 座椅的形式和尺度與其功用有關(guān)，并參照人體測量學(xué)數(shù)據(jù)確定</p><p>　　座椅尺寸設(shè)計(jì)主要參數(shù)包括：椅面高度、寬度、深度、椅面傾角、靠背的高度、寬度和傾角。</p><p>　　椅面高度在設(shè)計(jì)時(shí)

59、主要考慮兩點(diǎn)：椅面過高會(huì)使大腿肌肉受壓，椅面過低就會(huì)增加背部肌肉負(fù)荷。對于寬度而言，駕駛員坐姿單一，不涉及變換姿勢，通常設(shè)計(jì)應(yīng)以滿足最寬人體需要為準(zhǔn)。</p><p>　　椅面深度其尺寸應(yīng)滿足：腰部得到靠背的支承椅面前緣與小腿之間留有適當(dāng)距離，以保證大腿肌肉不受擠壓，腿彎部分不受阻礙。</p><p>　　靠背的高度和寬度與坐姿肩高和肩寬有關(guān)，對于汽車駕駛座椅靠背的高度應(yīng)采取高靠背，最好加

60、靠枕。椅面傾角主要考慮為防止人體臀部向前滑動(dòng)，此角不易過大，否則會(huì)增加大腿下平面與座墊前緣的壓力，從而減少雙腳著地的負(fù)荷，阻礙血液循環(huán)，引起身心疲勞。</p><p>　　(2) 座椅所使用的材料應(yīng)適應(yīng)人體的舒適性</p><p>　　座椅材料的選擇主要考慮到以下兩個(gè)方面：振動(dòng)舒適性以及座椅對人體熱環(huán)境的影響。</p><p>　　座椅材料是座椅的主要減振元件，為使

61、座椅獲得較低的振動(dòng)傳遞率，應(yīng)使座椅有較高的振動(dòng)舒適性，必須采用合適的座墊和靠背減振材料，并根據(jù)駕駛室的微氣候環(huán)境，調(diào)整座椅表面的溫濕度特性調(diào)節(jié)人體代謝，以達(dá)到減輕疲勞的目的。</p><p>　　(3) 座椅的位置要與其作業(yè)相協(xié)調(diào)，便于駕駛員作業(yè)</p><p>　　根據(jù)汽車駕駛的特點(diǎn)，在駕駛座椅設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮座椅與空間的協(xié)調(diào)問題，駕駛空間以坐姿活動(dòng)為依據(jù)。</p><

62、p>　　汽車座椅上的許多調(diào)節(jié)功能都能在一定程度上保持人體主要關(guān)節(jié)處于舒適的角度。但是大多數(shù)的研究都忽略了對于人體上一個(gè)重要的關(guān)節(jié)點(diǎn)的研究：“H-點(diǎn)”（Hip-Point）,即胯點(diǎn)，是人體身軀與大腿的交接點(diǎn)，它是與坐姿舒適性相關(guān)的車身尺寸的基點(diǎn)。乘員以自己的意愿將座椅調(diào)整到適宜位置入座后，“H-點(diǎn)”的水平移動(dòng)量和垂直移動(dòng)量之間的關(guān)系反映了乘員座椅前后調(diào)節(jié)量與上下調(diào)節(jié)量之間的關(guān)系。這種關(guān)系隨著人體身材的不同具有不同的表達(dá)式。</

63、p><p>　　研究“H-點(diǎn)”的位置（真實(shí)人體乘坐在汽車座椅上時(shí)“H-點(diǎn)”的位置）能更準(zhǔn)確的了解人體處于復(fù)雜環(huán)境（隨機(jī)不平的路面?zhèn)鹘o汽車座椅的垂直振動(dòng)分量在人體上所引起的不舒適性）時(shí)所感覺到的舒適度指標(biāo)。座椅的設(shè)計(jì)與布置直接影響乘員乘坐的舒適性和室內(nèi)相關(guān)設(shè)施的布置，合理的安排座椅，改善人與座椅之間的關(guān)系，對于給乘員創(chuàng)造一個(gè)舒適安全的乘坐環(huán)境，起著至關(guān)重要的作用。因?yàn)椋核桥c操作方便性及乘坐舒適性有關(guān)的車內(nèi)尺寸的基準(zhǔn)點(diǎn)

64、；它是確定駕駛員視野的基準(zhǔn)點(diǎn)；它影響到駕駛員手伸及界面。</p><p>　　在駕駛室內(nèi)，乘員的座椅如何布置，才能使大多數(shù)人都感到舒適，一直是人們關(guān)注和研究的問題。大量文獻(xiàn)研究表明，汽車座椅的位置與座椅的“H-點(diǎn)”高度密切相關(guān)，駕駛室內(nèi)的所有參數(shù)，沒有一個(gè)能與座椅“H-點(diǎn)”高度更密切相關(guān)了。“H-點(diǎn)”高度越高，座椅就越靠前，即座椅距腳踝的距離越小。根據(jù)人體關(guān)節(jié)舒適性要求可以得出不同百分位人體模型“H-點(diǎn)”高度（跨

65、點(diǎn)距腳踝的垂直距離：Z）與該水平位置（跨點(diǎn)距腳踝的水平距：X）之間的關(guān)系。SAE標(biāo)準(zhǔn)中提供了這兩者大致的計(jì)算表達(dá)式。</p><p>　　僅僅根據(jù)人體尺寸并不能全面了解人體疲勞機(jī)理，不能在振動(dòng)環(huán)境中有效的分析脊柱曲線（與人的臉等一樣，不同人體有不同的脊柱曲線）與脊柱受力情況，以及脊柱在日常生活中所表現(xiàn)出來的作用，不了解脊柱變形所產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)；不正確的坐姿使椎間盤離開正常位置，因?yàn)榉钦５膲毫捌涑志眯栽斐勺甸g盤突

66、出；壓迫血管和神經(jīng)；肌肉疲勞等等，這樣而設(shè)計(jì)的汽車座椅并不能滿足大多數(shù)乘員舒適坐姿的需要。真正的人體工程學(xué)座椅應(yīng)該能在任何情況下都能有效的支撐著人體使其脊柱處于或接近于正常的生理形狀（曲線），并承受人體體壓，維持人體正常的生理活動(dòng)和功能，不能壓迫任何神經(jīng)組織、內(nèi)臟器官等敏感組織。</p><p>　　目前人們研究較多的人體模型是SAE簡化了的人體模型，但實(shí)際中我國人體數(shù)據(jù)與SAE的簡化人體模型相比，差異很大： S

67、AE中對“H-點(diǎn)”作用的影響中將X表示為Z的線性關(guān)系，沒有考慮到坐墊的傾角、座椅靠背的傾角、方向盤的直徑與傾角、司機(jī)的視野要求、操作輕便性要求等，實(shí)際上“H-點(diǎn)”是在多因素約束下的區(qū)域，不是高度的線性關(guān)系，因而不能反映“H-點(diǎn)”的真實(shí)位置； SAE中計(jì)算式是將踝關(guān)節(jié)角度固定在87°的條件下得到的，不能靈活的反映“H-點(diǎn)”的位置；同時(shí)也只考慮了髖點(diǎn)的因素，忽略了人體其它關(guān)節(jié)間的舒適夾角，并且它是根據(jù)歐洲人體模型數(shù)據(jù)在汽車駕駛室得

68、到的結(jié)果，不適合中國人體對駕駛室及座椅的要求。</p><p>　　因此，按照SAE標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出來的汽車座椅將比適合于中國人體要求的座椅尺寸偏大，相應(yīng)的也不能適應(yīng)大多數(shù)人的乘坐舒適性的要求，應(yīng)該根據(jù)我國具體的人體尺寸進(jìn)行座椅的設(shè)計(jì)和制造。</p><p>　　1.3 基于人機(jī)工程學(xué)的汽車座椅舒適性設(shè)計(jì)要求</p><p>　　許多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理的座椅，乘員長時(shí)間的持續(xù)

69、工作，踏板距離調(diào)節(jié)不當(dāng)，靠背傾斜角度不合理等，會(huì)使乘員產(chǎn)生不正確的坐姿，將使乘員的脊柱處于非自然的彎曲狀態(tài)，因而容易患上多種慢性?。杭怪鶄?cè)凸、椎間盤變形、背部肌肉疼痛等。從生理學(xué)角度出發(fā)，站立的人從踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)到臀部都有一些肌肉處于靜態(tài)受力狀態(tài)，一旦就坐，就會(huì)解除這部分肌肉的負(fù)荷，從而降低了人體的能耗、減輕了血液負(fù)擔(dān)，因而在座椅設(shè)計(jì)中就要考慮這些問題。</p><p>　　1.3.1 合理的體壓分布</p

70、><p>　　乘員坐在座椅坐墊上，長時(shí)間乘坐會(huì)造成不舒適感，在造成這種不舒適感前，臀部所受的壓力是不同的。乘員乘坐在座椅里時(shí)，為了保持乘坐姿勢，座椅對乘員身體支撐部分壓力的大小分布稱為體壓分布。體壓分布是決定座椅舒適性的重要因素。</p><p>　　根據(jù)人體組織的解剖特性可知，坐骨結(jié)節(jié)粗壯，分布的血管和很少，能承受比其周圍肌肉更大的壓力，因此坐骨結(jié)節(jié)處是人體最能承受壓力的部位，適合于承重，而

71、大腿下表面處因有下肢主動(dòng)脈和神經(jīng)系統(tǒng)分布，壓力過大會(huì)影響血液循環(huán)和神經(jīng)傳導(dǎo)而感到不適，故不宜承受重壓。</p><p>　　所以坐墊上的壓力應(yīng)按照臀部不同部位不同壓力的原則來分布：人體一半以上的重量由骨盆下的兩塊面積約為25cm2的坐骨結(jié)節(jié)承受，是以坐骨結(jié)節(jié)為中心，坐骨結(jié)節(jié)處壓力最大，由此向外，向四周壓力逐漸減小，直至座椅前緣與大腿接觸處，壓力為最小，這就是坐墊設(shè)計(jì)的壓力分布不均勻原則。理想的坐墊體壓分布曲線見圖

72、1-1（圖中封閉曲線為等壓力線，數(shù)值的壓力為102Pa），這種情況使得座椅要有振動(dòng)舒適性、坐墊與靠背要有軟硬感。</p><p>　　圖1-1 坐墊人體壓力分布曲線</p><p>　　為了使壓力集中于大腿后部的坐骨結(jié)節(jié)周圍，應(yīng)略提高坐墊與水平方向的夾角，其約5～10°。此夾角還可以防止車輛進(jìn)行過程中乘員臀部向前滑動(dòng)的趨勢，減少因肌肉靜力收縮來防止這一滑動(dòng)趨勢而造成的生理和心理上

73、的疲勞。</p><p>　　坐墊的后傾角度不宜過大，否則容易增大大腿前緣的壓力，并減少雙腳著地的負(fù)荷，因而阻礙血液循環(huán)而引起雙腿麻木。另外，為了使腹部與大腿之間的血管不受壓迫且血流通暢，軀干與大腿之間應(yīng)保持一鈍角：90～115°為宜，因此要求靠背向后傾斜，靠背向后傾斜還能使軀干的部分總量分布在靠背上，使腰部有所依托，腰部肌肉得以放松，減少肌肉做功（收縮），從而減緩疲勞的發(fā)生。但靠背角過大，會(huì)使乘員起坐

74、不方便，并有使頸椎向前彎曲上抬的趨勢，會(huì)造成頸部疲勞以及心理上的不舒適和疲勞感，還會(huì)影響汽車內(nèi)有效面積的合理使用。</p><p>　　坐墊不宜過高，應(yīng)比小腿長度短，這樣使雙腿能踩到地面以支持大腿的部分重量。同時(shí)小腿可前伸，保持大腿與小腿、小腿與腳之間達(dá)到105～115°的舒適角度，使得血流通暢。</p><p>　　設(shè)計(jì)差的座椅，在坐骨結(jié)節(jié)之外出現(xiàn)了峰值壓力，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)左右不對

75、稱、不協(xié)調(diào)的壓力分布。人在座椅上就坐時(shí)，測定與座椅接觸的身體各部分的壓力分布，便可以知道各處的支撐狀態(tài)是否合適。若體壓分布不合理，會(huì)使局部壓力過大，出現(xiàn)血液循環(huán)不暢、局部麻木的現(xiàn)象等，加速疲勞，所以要充分注意。因此關(guān)于體壓分布特性，舒適的一般要求是：最好坐墊對感覺遲鈍的坐骨結(jié)節(jié)部位支撐最大，承擔(dān)大部分的體重，朝大腿前方壓力平緩的減小。</p><p>　　同時(shí)，體壓由坐墊與靠背的形狀和硬度分布來保證。座椅應(yīng)堅(jiān)實(shí)平

76、坦，硬度不夠，過于松軟的椅而會(huì)使臀部與大腿的肌肉受壓面積加大，不僅增加了軀干的不穩(wěn)定性，而且不易改變坐姿，容易產(chǎn)生疲勞。</p><p>　　1.3.2 維持脊柱正常的生理彎曲</p><p>　　根據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論，首先腰椎承受人的上體全部質(zhì)量，同時(shí)承受因汽車振動(dòng)等而產(chǎn)生的沖擊載荷：如果不正確的坐姿使腰部脊椎[5]超出正常生理彎曲弧形，將會(huì)產(chǎn)生附加的椎間盤壓力，腰椎部分最容易受到損傷。&

77、lt;/p><p>　　脊椎分為三部分：頸椎有7塊椎骨，在脊椎中有最大的活動(dòng)范圍，從而使脖子有極大的靈活性；胸椎有12塊椎骨，分別與肋骨相連，因?yàn)樯厦娴?0塊肋骨在左右兩側(cè)與前胸的胸骨相連，因此胸椎的活動(dòng)性能最??；腰椎有段連接著胸腔和骶骨，并為腰部（下背部）提供活動(dòng)能力。骶骨由融合的脊椎段組成，通過骶骨關(guān)節(jié)與骨盆上的髂骨相連。在腰椎區(qū)域，腰椎骨和骶骨最上面的椎骨之間的關(guān)節(jié)通常有相當(dāng)大的活動(dòng)性，同時(shí)這里也最容易引起下北

78、部疼痛。骨盆的每一側(cè)由3塊融合在一起的骨頭組成，形成剛性非常大的骨組織。因?yàn)楣桥柰ㄟ^椎骨關(guān)節(jié)與腰椎相連，并有許多肌肉組織和韌帶連接，所以骨盆的方向是確定腰椎姿勢的關(guān)鍵點(diǎn)。</p><p>　　當(dāng)人從腰部向前彎曲時(shí)，通常認(rèn)為腰椎是彎曲的，脊椎向前彎曲的程度稱為“彎曲度”。當(dāng)脊椎向前充分的彎曲時(shí)，腰椎輪廓曲線向外彎曲稱作駝背（腰椎向后凸出：或稱脊椎后凸）；與之相對，當(dāng)軀干從彎曲姿勢或腰椎向后凸出的姿勢伸直時(shí)，脊椎舒展

79、；當(dāng)人自然站立時(shí)，大多數(shù)人的腰椎曲線向里，稱為脊柱前凸（腰椎向前凸出）。</p><p>　　人體站立時(shí)，脊柱呈彎曲狀，稱為脊柱的正常生理彎曲。從體的側(cè)面觀察，脊柱呈“S”形彎曲狀態(tài)，脊柱有頸、胸、腰、骶四個(gè)彎曲，稱為生理彎曲。其中，頸曲和腰曲凸向前，胸曲和骶曲凸向后。脊柱的生理彎曲以及椎間盤與一系列的韌帶裝置使脊柱具有彈性，所以可把脊柱視為能調(diào)節(jié)的彈性桿。這樣的結(jié)構(gòu)不僅可以減輕振蕩、有效地保護(hù)臟器，而且還能承受

80、較大的負(fù)荷，滿足人類生活和勞動(dòng)的需要。</p><p>　　人站立時(shí)，脊柱的椎間盤和前后兩條韌帶都處于正常位置，不受拉伸變形。脊柱的這種彎曲形狀使椎間盤之間具有最佳的壓力分布以及最佳椎骨間肌肉靜態(tài)負(fù)荷水平。</p><p>　　圖1-2 椎骨和椎間盤結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖1-2所示為椎骨和椎間盤的結(jié)構(gòu)示意圖，椎骨是附有肌肉及韌帶的骨頭，其功能是保護(hù)脊髓。椎管是

81、由連續(xù)的椎骨及椎孔形成。脊髓在椎管中流動(dòng)，椎間盤是相鄰兩個(gè)椎骨間的彈性軟骨盤，它由兩部分：纖維環(huán)（椎環(huán)）和髓核組成，其中央是一種柔軟而富有彈性的膠狀物質(zhì)，叫髓核，髓核柔軟而富有彈性，可以接受人站、走、跑等引起的振動(dòng)；髓核周圍是很多按同心圓排列的相互交織的纖維構(gòu)成的纖維環(huán)，它約束髓核，防止它向周圍膨出，同時(shí)增強(qiáng)了椎間盤的強(qiáng)度。椎間盤在力的作用下會(huì)發(fā)生變形，它為脊椎提供了彈性和運(yùn)動(dòng)能力。前縱韌帶和后縱韌帶從上到下將椎骨和椎間盤連成一體，形成

82、一個(gè)靈活的節(jié)。</p><p>　　為了維持人體的某種姿勢，往往要靠肌肉纖維的交替收縮以保持一定的張力，肌肉使脊柱具有運(yùn)動(dòng)功能并保持相對穩(wěn)定。（如圖1-3所示）</p><p>　　圖1-3肌肉使脊柱具有運(yùn)動(dòng)功能</p><p>　　當(dāng)脊柱處于正常的生理彎曲時(shí)，它具有最佳的吸振能力和彈性；它能防止背部肌肉的緊張和抽筋；使椎間盤受力均勻，防止脊柱受損，當(dāng)椎間盤受壓變薄

83、2mm時(shí)，它將失去彈性，當(dāng)受力不均勻或坐姿不正確時(shí)，椎間盤的壓力將大大增加（如圖1-4所示），同時(shí)導(dǎo)致髓核凸起，凸起的髓核將壓入椎環(huán)或凸起在椎環(huán)周圍，凸起部分會(huì)壓迫脊髓神經(jīng)末梢，從而導(dǎo)致疼痛或神經(jīng)紊亂；有助于脊髓神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)信號(hào)的傳輸，有缺陷的椎間盤對神經(jīng)系統(tǒng)將產(chǎn)生壓力，影響神經(jīng)功能，從而擾亂體內(nèi)平衡；不壓迫內(nèi)臟，提供適當(dāng)?shù)墓┭蹩臻g以及能深呼吸的坐姿。氧氣是維持人體各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)，它為呼吸提供了必要的姿勢。如果坐姿不正確，將使呼吸的頻次

84、增加，引起心理疲勞。</p><p>　　圖1-4 椎間盤受力及壓迫脊椎神經(jīng)末梢圖示</p><p>　　1.3.3 橫向振動(dòng)的抵抗能力</p><p>　　由于椎間盤有較大的壓縮潛力和很好的彈性，所以，脊柱能忍受較強(qiáng)的縱向振動(dòng)。在橫向上，脊柱只有前縱韌帶和后縱韌帶，分別附著在椎體和椎間盤的前緣和后緣并起一定的保護(hù)作用。因此，人體脊柱忍受橫向力的能力很低。</

85、p><p>　　座椅靠背后傾斜能使腰部得到依靠，加之靠背襯墊的適度柔軟，致使摩擦力較大，同時(shí)加上靠背側(cè)向護(hù)耳，可緩沖橫向振動(dòng)對人體的沖擊，以提高乘坐舒適性。</p><p><b>　　1.4本章小結(jié)</b></p><p>　　人機(jī)工程學(xué)作為一門新興的學(xué)科，在它自身的發(fā)展過程中，有機(jī)地吸收和融合各相關(guān)學(xué)科的理論，不斷地完善本學(xué)科的基本概念、理論體

86、系、研究方法、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。本文是以人機(jī)工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究的。</p><p>　　(1) 建立人椅系統(tǒng)三自由度模型，根據(jù)我國實(shí)際需求，結(jié)合ISO 2631對該模型進(jìn)行人體振動(dòng)舒適性的定量評價(jià)。設(shè)計(jì)座椅的動(dòng)態(tài)參數(shù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對參數(shù)進(jìn)行仿真分析與評價(jià)。</p><p>　　(2) 根據(jù)人體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建立人體坐姿模型和數(shù)學(xué)模型，以人體各關(guān)節(jié)的舒適活動(dòng)角度為約束條件，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)繪制小身

87、材女性、中等身材男性和大身材男性駕駛員舒適駕駛位置時(shí)的H點(diǎn)區(qū)域圖，為座椅的布置和調(diào)整提供理論依據(jù)。</p><p>　　(3) 測量不同坐姿下人體脊柱的形狀和各椎骨的位置，分析不同坐姿下腰椎的形狀變化，為座椅設(shè)計(jì)提供人要工程學(xué)上的參考數(shù)據(jù)。根據(jù)測量的脊椎數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)座椅的結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足乘員乘坐的舒適性要求。</p><p>　　第二章 人體承受振動(dòng)的舒適性評價(jià)</p><

88、p>　　2.1 人體承受振動(dòng)的分類</p><p>　　機(jī)械振動(dòng)對人體的影響取決于振動(dòng)的頻率與強(qiáng)度、振動(dòng)作用的方向和振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間，以及人的心理、生理狀態(tài)。不同的心理品質(zhì)和身體素質(zhì)，對振動(dòng)的敏感程度也不同。人體承受全身振動(dòng)而引起的舒適性問題稱為振動(dòng)舒適性。</p><p>　　對振動(dòng)舒適性的評價(jià)可分為：“沒有不舒適”、“少許不舒適”、“有點(diǎn)不舒適”、“不舒適”、“非常不舒適”及“極不

89、舒適”等。通常取某一頻率的正弦振動(dòng)作為基準(zhǔn)，其振動(dòng)加速度均方根值和振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間是一定的，并規(guī)定在此條件下的體承受振動(dòng)的舒適性評價(jià)，然后，在相同持續(xù)時(shí)間下改變振動(dòng)頻率和振動(dòng)加速度均方根值，與基準(zhǔn)振動(dòng)相比較，當(dāng)舒適性評價(jià)相同時(shí)，記錄振動(dòng)的頻率與振動(dòng)均方根值。如果把產(chǎn)生同樣的舒適性的各點(diǎn)連接起來，即可繪制出人體對振動(dòng)反應(yīng)的等舒適性曲線。ISO 2631《人體承受全身振動(dòng)的評價(jià)指南》[6]提出：以振動(dòng)加速度均方根值、振動(dòng)方向、振動(dòng)頻率和受振動(dòng)

90、持續(xù)時(shí)間四個(gè)基本的振動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系來評價(jià)全身振動(dòng)對人體產(chǎn)生的影響。并對舒適評價(jià)進(jìn)行分類：</p><p>　　(1) 保持舒適性界限（或稱降低舒適性界限）：在此振動(dòng)界限內(nèi)，沒有不舒適的感覺，受振動(dòng)者能順利完成讀、寫、吃等動(dòng)作；</p><p>　　(2) 保持工作效率界限（或稱疲勞——降低功效界限）：在此振動(dòng)界限內(nèi)，操作人員能在規(guī)定的時(shí)間保持正常的工作效率。超過此界限，則因疲勞而降低工作

91、效率。（當(dāng)駕駛員承受的振動(dòng)強(qiáng)度在此界限內(nèi)，能準(zhǔn)確靈敏地反應(yīng)，正常地進(jìn)行駕駛）；</p><p>　　(3) 保持健康與安全界限（或稱受振極限）：它是人體所能承受振動(dòng)的上限，超過此界限將使乘員的健康受到損害。</p><p>　　該標(biāo)準(zhǔn)用加速度均方根值給出了1-80Hz范圍頻率內(nèi)，人體對振動(dòng)的反應(yīng)（如圖2-1）：</p><p>　　圖2-1 ISO 2361保持工作

92、界限圖線 （a）垂直振動(dòng) （b）水平振動(dòng)</p><p>　　其中1～80Hz的頻率范圍包括汽車等主要機(jī)械振動(dòng)的頻率。其中圖a、圖b分別表示垂直振動(dòng)和水平振動(dòng)在各種受振持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持工作效率界限（或疲勞——降低功效界限，簡稱FDP限）圖線，圖中橫坐標(biāo)是振動(dòng)頻率（Hz），縱坐標(biāo)是振動(dòng)加速度有效值（m/s2）,都采用對數(shù)坐標(biāo)。</p><p>　　將該圖線上各振動(dòng)加速度有效值乘以2就是保持健康

93、與安全界限；除以3.15為保持舒適性界限。從圖中可以看出，在每一條表示界限的圖線上，到達(dá)規(guī)定的同一受振持續(xù)時(shí)間，在不同的頻率時(shí)的振動(dòng)加速度有效值是不同的，但人體的感覺程度相同。隨著規(guī)定的受振持續(xù)時(shí)間的減少，對應(yīng)的振動(dòng)加速度有效值增大，表示界限的圖線平行向上移動(dòng)。對于垂直振動(dòng)，人體最敏感的頻率范圍為4-8Hz，而對于水平振動(dòng)，人體最敏感的頻率范圍為1-2Hz。這是因?yàn)槿梭w各內(nèi)臟器官的固有頻率多在此范圍內(nèi)，容易引起共振，所容許承受的振動(dòng)加速

94、度有效值最小。為了便于測試分析和比較，把1-80Hz頻率范圍分為20個(gè)區(qū)段，稱作頻帶。</p><p>　　對于不同的工作環(huán)境，應(yīng)根據(jù)具體的使用要求和使用條件，選取上述三種界限之一作為評價(jià)振動(dòng)舒適性的基本標(biāo)準(zhǔn)。例如：對于小轎車和旅游車，宜選取保持舒適性界限作為評價(jià)振動(dòng)舒適性的標(biāo)準(zhǔn)；對于拖拉機(jī)、工程機(jī)械和各種越野車輛，宜選取保持工作效率界限作為評價(jià)振動(dòng)舒適性的標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　2.

95、2 汽車座椅舒適性的主觀和客觀評價(jià)研究</p><p>　　在對座椅機(jī)械結(jié)構(gòu)及人體脊骨生理結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，從主觀和客觀兩方面針對腰托對汽車座椅舒適性影響進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究[4]。研究表明腰托裝置的設(shè)計(jì)及安裝對人體的體壓分布有顯著影響，設(shè)計(jì)合理的腰托裝置可明顯改善汽車座椅的舒適性。</p><p>　　乘坐舒適性是評價(jià)汽車性能的主要指標(biāo)，其中座椅的舒適性設(shè)計(jì)已成為汽車廠商所關(guān)注的主要內(nèi)容

96、?，F(xiàn)代汽車座椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由頭枕、靠背、座墊、滑道等總成組成，如圖2-2所示。其中靠背總成（如圖2-3所示）主要由腰托裝置、彈性元件及泡沫塑料等部件組成。有研究表明腰托裝置比彈性元件更能夠改善人體腰部的支撐，提高人體的乘坐舒適性。作者從人體生理結(jié)構(gòu)上分析腰托裝置對人體乘坐舒適度的影響，然后通過大量的客觀試驗(yàn)，分析腰托的設(shè)計(jì)對人體壓力分布的影響，結(jié)合主觀試驗(yàn)評價(jià)對以上研究成果進(jìn)行驗(yàn)證。</p><p>　　圖2-

97、2 汽車座椅系統(tǒng)</p><p>　　圖2-3 座椅腰托及彈性元件</p><p>　　2.2.1 人體脊骨生理結(jié)構(gòu)與座椅腰托裝置</p><p>　　人體直立時(shí)，脊柱呈S型，稱為脊柱的正常生理彎曲。成人脊柱總長約70CM，有26塊獨(dú)立的骨塊組成，如圖2-4所示。當(dāng)人體以正常姿勢入座時(shí)，脊骨腰椎部分承受的負(fù)荷最大，此時(shí)的腰曲易出現(xiàn)前傾變形，使脊柱處于非正常生理彎曲狀

98、態(tài)。由于脊骨的定位是借助于肌腱的作用，一旦脊椎偏離自然狀態(tài)，肌腱組織就會(huì)受到拉力或壓力的作用，使肌肉活動(dòng)量增加，長時(shí)間會(huì)引起腰酸等不適的感覺。因此，汽車乘員長時(shí)間處于坐姿狀態(tài)，首先感到疲勞的部位是腰部。為了適應(yīng)凸向前的腰曲弧形，給予腰部合理的支撐，現(xiàn)代汽車座椅通常都設(shè)計(jì)有腰托裝置，可以避免因?yàn)檠课粦铱斩鴰淼纳眢w不適感覺。</p><p>　　腰托的安裝位置在座椅靠背結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中十分重要。乘員正常入座時(shí)，人體身

99、軀與大腿的連接點(diǎn)—胯點(diǎn)（hip point）簡稱H點(diǎn)，H點(diǎn)的位置是決定駕駛員操作方便、乘坐舒適性相關(guān)的車內(nèi)尺寸的基準(zhǔn)。圖2-5給出了座椅中H點(diǎn)的位置以及腰托的兩個(gè)極限位置。由圖可見，相對于人體靠背與座椅接觸的表面而言，腰托最凸出與最凹進(jìn)的兩個(gè)位置被稱為腰托裝置最前與最后極限位置。</p><p>　　圖2-4 人體脊骨生理結(jié)構(gòu) 圖2-5 H點(diǎn)及腰托裝置極限位置</p><p

100、>　　2.2.2 座椅腰托的客觀性評價(jià)試驗(yàn)</p><p>　　為了測試座椅靠背有無腰托裝置人體壓力分布的變化情況，采用Tekscan System人體壓力測試設(shè)備測量了靜態(tài)人體壓力分布。人體壓力分布是指乘員坐在座椅上時(shí)，人體與座椅之間接觸區(qū)域的壓力變化。座椅的體壓分布分為座墊和靠背壓力分布。</p><p>　　靠背壓力分布通常是將垂直于座椅靠背縱向?qū)ΨQ軸上的壓力進(jìn)行積分，以縱向?qū)?/p>

101、稱軸為橫坐標(biāo)，以人體靠背骶骨區(qū)域?yàn)榛鶞?zhǔn)點(diǎn)，等間隔分布測點(diǎn)，以壓力積分結(jié)果為縱坐標(biāo)繪制出曲線，即縱向壓力分布曲線。縱向壓力分布曲線反映人體受力的分布情況及變化趨勢，綜合反應(yīng)靠背剛度、形狀以及靠背離地高度等幾何物理特征對體壓的影響。</p><p>　　試驗(yàn)測試系統(tǒng)包括有腰托和無腰托兩個(gè)座椅，有腰托座椅采用雙向手動(dòng)腰托款式。同時(shí)以特制的傳感墊布置在靠背上，座椅的初始位置為設(shè)計(jì)位置，靠背角度為25度、座墊角度為17度，

102、以滿足設(shè)計(jì)的H點(diǎn)位置，其中有腰托座椅上的腰托調(diào)到最大極限位置，該位置為座椅H點(diǎn)上方200mm處。</p><p>　　試驗(yàn)用座椅安裝在模擬車身的夾具上，選取11位測試者，分別對有、無腰托裝置的座椅進(jìn)行測試。評測者的相關(guān)生理結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2-1。</p><p>　　表2-1 評測者相關(guān)生理結(jié)構(gòu)參數(shù)</p><p>　　測試者按照正常駕駛位置入座，傳感墊紀(jì)錄測試者整個(gè)靠

103、背壓力分布。試驗(yàn)所獲得的縱向壓力分布曲線及壓力分布云圖分別如圖2-6、圖2-7所示。</p><p>　　圖2-6 安裝與未安裝腰托座椅靠背壓力曲線對比</p><p>　　圖2-7 靠背壓力分布云圖</p><p>　　比較圖2-6、圖2-7可知，安裝有腰托裝置的座椅在腰部的壓力值明顯大于未安裝腰托裝置的座椅。顯然，安裝腰托之后的座椅在靠背腰部區(qū)域給予了人體比較大

104、的支撐，這種合理的支撐適應(yīng)了人體凸向前的腰曲弧形，使身體各部分肌肉均處于放松狀態(tài)，屈伸部位的角度以及受到的壓力都有利于人體保持正常的血液循環(huán)，滿足人體的生理結(jié)構(gòu)上的需要。據(jù)醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)，幾乎95%的病變均發(fā)生于第4和第5腰椎的椎間盤，所以該試驗(yàn)選擇在這個(gè)位置放置腰托裝置。該位置一般在座椅H點(diǎn)上方約200mm處。</p><p>　　腰托裝置的增加還為胸曲部分的肩胛骨提供了憑靠，減輕胸曲變形。根據(jù)人體靠背的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)