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[复合材料] 载货汽车座椅的静态舒适性研究

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发表于 2015-3-19 19:57:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
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座椅是直接关系到驾驶安全性和乘坐舒适性的主要零部件。载货汽车驾驶员要进行长途运输,易于造成驾驶员的疲劳驾驶,因此对座椅的舒适的设计要求越来越高。本文通过对载货汽车座椅的静态舒适性研究,找到最佳的设计方法来提高乘坐舒适性。
        驾驶员在驾驶汽车时,长时间保持坐姿状态是引起脊背疼痛等职业病的主要原因。大量调查结果显示,腰痛已成为汽车驾驶员最常见的疾病,于红等人在研究中指出,20世纪80年代后文献报道腰痛的患病率为57%~82%,其中驾驶重型工程车辆的患病率高达80%以上。良好的座椅可以改善驾驶员驾驶姿势,减小腰椎的负荷和四肢的酸痛,从而实现最佳的操作效能。
        针对载货汽车座椅舒适度,本文集中在驾驶员的姿态舒适性、座椅设计的尺寸参数、座椅的操作舒适性及体压分布方面进行研究。
       

载货汽车座椅的静态舒适性研究

载货汽车座椅的静态舒适性研究

        驾驶员的姿势舒适性
        驾驶员的姿势舒适性是指驾驶员以正常驾驶姿势坐在座椅上,身系安全带,双脚置于脚踏板上,双手握住转向盘时驾驶员对身体姿势感觉的舒适程度。
        驾驶员姿势舒适性是座椅舒适评价的决定因素,各国学者针对舒适的驾驶姿势进行了一些研究,将人体简化为二维竹节模型,做了大量的研究试验,总结出驾驶舒适坐姿下的关节角度范围。在国内,浙江大学罗仕鉴等人通过实车环境下测量关节点,也得到了针对中国人体参数的舒适坐姿的关节角度(见表1)。
       

载货汽车座椅的静态舒适性研究

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        座椅设计的尺寸参数
        1. 座椅的外形尺寸
        座椅的外形尺寸的研究主要集中在载货汽车驾驶员生理结构的特点和驾驶室内空间的有限性上,在GB-T 15705《载货汽车驾驶员操作位置尺寸》标准推荐了座椅设计参数(见表2),当然这些推荐值在受到转向盘、门护板和卧铺等的边界限制时,应有所调整。
       

载货汽车座椅的静态舒适性研究

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        2. 座椅的设计角度
        座椅的设计角度是为了保证人体背部、臀部及大腿底面与座椅的贴合感,主要包括座垫倾角和靠背倾角。座椅角度的调节范围要涵盖在驾驶员的舒适坐姿关节角度范围内。
       

载货汽车座椅的静态舒适性研究

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        座垫倾角是座椅中心面上人体大腿中心线与水平面的夹角,其目的是为了方便驾驶员调整姿势,保持全身肌肉放松和血液正常循环。该角度不宜过小,否则臀部易向前滑动,也不能太大,否则会增加大腿下侧的压力而阻碍血液循环,也会使人起身困难,一般建议座垫角在3°~5°范围内。
       

载货汽车座椅的静态舒适性研究

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        图4  座垫/靠背体压力分布

        靠背倾角是座椅中心面上人体躯干线与铅垂面的夹角,以利于驾驶员保持良好的姿势,使其腹部与大腿间血管不受压迫,使躯干的部分体压分布在靠背上,腰背部有所依托而使肌肉得以放松,从而减缓疲劳。在SAE J1100中对B级车的靠背角度定义为8°~18°。
        同时,座垫倾角和靠背倾角的调节范围要涵盖在驾驶员的舒适坐姿关节角度范围内。
        3. 座椅扶手的尺寸
        座椅扶手的作用是支撑手臂,缓解驾驶员肩部负担,增加舒适感;同时在车辆摇摆或颠簸时,胳膊歇可以保持身体的稳定性。一般要求胳膊歇上表面距离人体H点高度在150~200mm之间,长度需要大于330mm,总宽度需要大于60mm。胳膊歇的尺寸要求受内饰造型的影响较大,不满足理想尺寸时,需要评审和主观评价。
       

载货汽车座椅的静态舒适性研究

载货汽车座椅的静态舒适性研究

        4. 座椅的调节行程
        为了满足不同人体的驾驶舒适性,座椅必需具有一定的水平和上下调节行程。根据人机工程学原理确定,在设计驾驶室时选用的假人模型一般为SAE 95分位和SAE 5分位假人,按照坐姿舒适性原则确定好人体姿态,通过两个人体右脚掌约束在油门踏板面,右脚跟约束在地毯面上双重条件下,得到一个矩形的H点行程范围(见图1);因为不同人体对座椅的压陷量是不相同的,按照SAE J833标准中关于人体和座椅压陷量对应关系(见表3),最终可以推导出人机要求的座椅R点水平和高低调节行程。
        座椅操作舒适性
        为了满足座椅的多项功能要求,在座垫和靠背周围布置有许多调节按钮或手柄,驾驶员能轻易地操作,就需要满足在手伸界面之内(见图2)。通过对载货汽车座椅操作件的使用频次的市场调研分析,我们总结出给各操作元件的重要的程度(见表4),按照主次原则进行合理的布置。
        体压分布
        当座椅上的人处于坐姿状态时,人的身体重量作用于座垫和靠背上的压力分布被称作“坐姿的体压分布”。通过对各个部分的受力状况,能够验证人体坐姿的合理性和泡沫的硬度等,为产品测试、新品研发等方面提供重要价值。坐姿体压分布包括座垫上的体压分布和靠背上的体压分布两部分。
        一种比较典型的压力分布测量系统是美国的Tekscan CONFORMat(见图3),采471mm×471mm的柔性薄膜网格传感器,多条纵横交错的半导体交叉点就形成了压力感应点阵列,将传感器贴合在座垫或者靠背的轮廓表面,当驾驶员作用到感应点上时,感应器的阻值会随外力的变化而成比例变化,由此来反映感应点的压力值。
        体压分布的结果一般采用等高线的形式反映压力分布状况(见图4),座椅的压力分布应左右对称,并且无明显的异常峰值,即没有使人有异物感的峰值压力。人体坐骨结节处是人体最能耐受压力的部位,大腿下靠近表面处因有下肢主动脉分布,不宜承受重压,据此座垫上的压力应按照臀部不同部位承受不同压力的原则来分布,即在坐骨处压力最大,向四周逐渐减小,这是座垫设计的压力分布不均匀原则。靠背压力相对集中在肩胛骨和腰椎两个部位,从这两个部位向外,压力逐步降低。
        结束语
        座椅直接影响驾驶舒适性,为保证载货汽车驾驶员长时间的乘坐舒适性,座椅的设计必须基于人机工程学原理。本人提出的座椅舒适性分析方法,为主机厂设计座椅提供了科学依据。
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