汽車座椅舒適性的技術(shù)研究

錢志剛

摘 要：座椅設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮人體生理結(jié)構(gòu)，避免使人體受到靜態(tài)載荷，肌肉長期受載會(huì)對(duì)人體生理機(jī)能產(chǎn)生不良的影響。在受迫情況下血液循環(huán)將受影響從而涉及到正常新陳代謝過程中營養(yǎng)物質(zhì)的交換，嚴(yán)重的更會(huì)形成硬化區(qū)域。為了防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，一個(gè)設(shè)計(jì)合理的座椅系統(tǒng)首先應(yīng)當(dāng)考慮人體生理結(jié)構(gòu)，其次需要考慮結(jié)合人體工程學(xué)原理，最后需要優(yōu)化座椅本身的設(shè)計(jì)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：舒適性；壓陷負(fù)荷；模數(shù)比

中圖分類號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 人體生理結(jié)構(gòu)與乘坐舒適性的關(guān)系

1.1 舒適坐姿時(shí)人體的解剖學(xué)原理：當(dāng)人體以正常姿勢(shì)入座后，靠背腰椎部分承受的負(fù)荷最大，腰曲最易于變形，即腰曲部位向前傾。形成諸如貓背姿勢(shì)，腰椎會(huì)變得筆直或向后彎的不自然狀態(tài)，使人體感覺不舒適，脊柱處于非正常生理彎曲狀態(tài)，使腰曲弧度減小，椎間盤的前緣受壓、后緣受拉，從而導(dǎo)致韌帶受壓迫繃緊，容易引起腰酸等不適的感覺。對(duì)于工體工程學(xué)而言，有95%的病變均發(fā)生于第4和第5腰椎的椎間盤，當(dāng)乘客在運(yùn)行的車上時(shí)脊柱處于正常生理彎曲狀態(tài)，通過座靠海綿的弧面造型，以及面罩對(duì)人體加大磨擦系數(shù)，在車運(yùn)行過程中一般座椅設(shè)計(jì)需要在這個(gè)位置設(shè)置腰托裝置或腳托，這樣才能對(duì)胸曲部分的肩胛骨提供憑靠，減輕胸曲壓迫與變形。當(dāng)然身體某一部分受力也不能夠過大，否則人體同樣會(huì)產(chǎn)生不適感。

1.2座椅合理的體壓分布與乘坐舒適性的關(guān)系：①適當(dāng)提高坐墊與水平方向的夾角，約5°～10°為宜，這樣的話可以使壓力集中于大腿后部的坐骨結(jié)節(jié)周圍，同時(shí)還能夠防止行車過程中乘客臀部向前滑動(dòng)的趨勢(shì)，避免造成生理和心理上的疲勞感；②腿夾角，一般在105°～115°左右為舒適，軀干和大腿之間的角度稱為體腿夾角，在體腿夾角為105°～115°左右時(shí)，能夠保證人體腹部與大腿之間的血管不受壓迫且血液通暢，這一生理需求同樣要求座椅靠背稍微向后傾；③小腿與大腿之間達(dá)到105°～115°左右為舒適，這樣的話，小腿可以向前伸，保持人體血液流暢，此外，坐位時(shí)大腿稍微傾斜并向后下、小腿稍微向前的位置也使得靜脈血易于回流，可以減少疲勞的發(fā)生；④對(duì)座椅左、中、右側(cè)設(shè)立不同檔位的扶手，有了扶手的支撐，能促進(jìn)上肢靜脈血回流及減輕疲勞的作用，對(duì)于扶手的高度，應(yīng)滿足75kg人體手臂自然下垂的模擬狀態(tài)；⑤可增加靠背腰托裝置對(duì)乘客合理的體壓分布，在靠背對(duì)應(yīng)人體的第4和第5腰椎的椎間盤處，增加靠背腰托裝置后會(huì)明顯增加對(duì)于人體腰部區(qū)域的支撐，避免腰部區(qū)域受載過大變形而造成人體疲勞。乘客乘坐時(shí)人體脊柱的自然生理彎曲，對(duì)由肩胛骨提供憑靠的支承和腰曲部位的支承，通行頂腰對(duì)肩靠和腰墊的兩點(diǎn)支撐來達(dá)至乘坐舒適的支撐點(diǎn)。

2 人體測(cè)量數(shù)據(jù)與座椅設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系

2.1座椅尺寸中按人體測(cè)量學(xué)相應(yīng)的部位，坐墊寬度滿足95%女性的人體臀部尺寸，推薦尺寸500mm～525 mm；坐墊長度在滿足5%最小女性臀部到腿彎部的尺寸，推薦尺寸440mm左右；坐墊高度在滿足5%最小女性的腿彎部高度尺寸，推薦尺寸不超過363mm，推薦為346mm左右；④靠背寬度在滿足95%男性的肩部（測(cè)量值取自H點(diǎn)以上220mm的數(shù)據(jù)）推薦為384mm；⑤靠背高度在從H點(diǎn)沿軀干線測(cè)量滿足5%最小女性靠背，推薦為410mm～550mm ；⑥腰托頂出時(shí)腰托最凸出一點(diǎn)到軀干點(diǎn)之間的距離一般這個(gè)值選擇為90mm～110mm。

2.2座椅泡沫的影響：為了給乘客靠部與臀部提供合理的體壓分布支撐，座墊彈性結(jié)構(gòu)的剛度應(yīng)該遵循體壓分布原則進(jìn)行合理分配。在座墊長度的2/3區(qū)域處，即乘坐時(shí)人體坐骨接觸部位的硬度應(yīng)該比其他部分的硬度高，以此承受坐骨部位的較大壓力。由于座墊前沿在大腳處會(huì)產(chǎn)生較大的支撐力，所以在座墊前沿需采用人體工程學(xué)的曲線造型，在座海綿前沿采用曲線與大腿進(jìn)行貼合，同時(shí)減少前沿海綿的硬度，從而減小大腿的支撐力對(duì)海綿前沿施加的較大支撐力，避免壓迫大腿下面的神經(jīng)和血管使經(jīng)脈舒緩達(dá)到舒適的乘座空間。中間的海綿可采用不同組份配方的海綿料進(jìn)行加工，使之在同一海綿上產(chǎn)生密度不同的工藝，以實(shí)現(xiàn)合理的硬度分配。為了阻止乘員橫向滑移，泡沫結(jié)構(gòu)中在座墊與靠背兩側(cè)增加翼狀結(jié)構(gòu)，增加這種結(jié)構(gòu)，能夠明顯提高兩側(cè)硬度，從而可以形成必要的橫向穩(wěn)定支承。

根據(jù)研究表明，人體對(duì)頻率4Hz-8Hz的振動(dòng)是最敏感的，這種頻率的振動(dòng)會(huì)使人感到精神疲憊，這種振動(dòng)對(duì)心臟虛弱的人傷害更為嚴(yán)重，經(jīng)過振動(dòng)人體的心臟會(huì)最身體各項(xiàng)技能的供血不足，很容易引起心臟病人的病發(fā)從而造成生命危險(xiǎn)。對(duì)于人體工程學(xué)來說，與人接觸電的座椅面罩下的海綿物性要求為：密度（kg/m3）座為55±5，靠為65±5，頭枕為35±5；壓陷負(fù)荷25%（硬度），靠背≧160N，座墊≧180N，頭枕≧30N，扶手≧30N；模數(shù)比（舒適性系數(shù)）65%/25%≧2.6；④落球回彈率≧50%；⑤伸長率≧90%；⑥拉伸強(qiáng)度≧100MPa；撕裂強(qiáng)度≧1.8N/cm；壓縮永久變形（75%）在70±1℃22小時(shí)應(yīng)≦8%；能滿足乘客在長時(shí)間旅途中的顛波共振產(chǎn)生的部分疲勞的緩解與消除。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化安全帶在車輛運(yùn)行過程中對(duì)乘客舒適性的影響

乘客使用座椅上的安全帶（三點(diǎn)式）進(jìn)行安全防護(hù)，從而在車輛出現(xiàn)交通事故過程中，起到預(yù)防與減少人員損傷的作用，從而挽救生命。乘客在佩戴和使用安全帶過程中的主觀感受為設(shè)計(jì)優(yōu)化的方向，其中①對(duì)安全帶上固定點(diǎn)的高度需同垂直于座椅縱向中心面并與乘客軀干呈65°夾角，對(duì)于后排座椅此夾角需≤60°，減少安全帶對(duì)身體的壓迫感，對(duì)安全帶導(dǎo)向槽需會(huì)隨乘座人員肩高進(jìn)行轉(zhuǎn)角，使乘客在佩戴和使用要具有舒適性，使人體在自然放松的心理狀態(tài)下進(jìn)行乘座；②安帶的織帶拉出過程不會(huì)出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，造成拉出織帶費(fèi)力；拉出力值400mm處應(yīng)≤9N時(shí)，800mm處應(yīng)≤12N，安全帶在使用后能自動(dòng)回彈到位，不會(huì)出現(xiàn)織帶扭曲或回彈力過大的甩力；③對(duì)安全帶鎖扣需同座椅H點(diǎn)呈25°夾角，使兩點(diǎn)式卷收與三點(diǎn)式卷收在乘客人體腹部與肩部呈一個(gè)舒適的最佳角度，同時(shí)鎖扣解鎖力應(yīng)在10N～25N與座椅乘座后的變形量無干涉造成解鎖困難，且不會(huì)使乘客乘座及或頂觸造成不適；④隨著整車座椅全車安全帶，安全帶的噪聲也對(duì)乘客的舒適度產(chǎn)生影響，安全帶在車開動(dòng)過程中與抽出過程中卷收器的噪聲，特別是卷帶筒和框架以及安全和加速度敏感機(jī)構(gòu)中慣性塊與支座的磨擦撞擊應(yīng)不大于55dB；⑤卷收器鎖止的敏感程度會(huì)影響乘客在車輛出現(xiàn)急剎車或路面顛頗導(dǎo)致的慣性沖擊，GB14166法規(guī)要求當(dāng)車體加度大于0.45g或者織帶加速度大于0.8g，傾角角度達(dá)到27°時(shí)安全帶卷收器應(yīng)自動(dòng)進(jìn)行鎖止，以確保乘客在座位上不出現(xiàn)突發(fā)性的巨烈位移，對(duì)乘客產(chǎn)生不適與慣性瞬間大強(qiáng)度壓迫感；⑥安全帶兩≤240mm座椅縱向中心平面距離≤120mm。

結(jié)語

司機(jī)與乘客座椅是客車不可缺少的重要組成部分，直接關(guān)系到乘坐舒適性。隨著全國高鐵與同城化及旅游的發(fā)展，人們出行旅游熱情高漲，出行對(duì)乘坐舒適性提出更高要求，乘客座椅設(shè)計(jì)必順以人體工程學(xué)原理為指導(dǎo)，在滿足座椅強(qiáng)度與吸能性的基礎(chǔ)上并注重人性化設(shè)計(jì)提高司機(jī)與乘客座椅乘坐舒適性。

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