基于人機(jī)工程學(xué)的抗疲勞汽車座椅設(shè)計(jì)的探討

王芳

摘 要：汽車的出現(xiàn)和廣泛普及在為人們的日常出行提供巨大便利的同時，也隨之產(chǎn)生了大量的汽車安全事故。其中有相當(dāng)一部分汽車安全事故是由于駕駛員疲勞駕駛而導(dǎo)致的，而汽車座椅作為直接接觸駕駛員的工具之一，其設(shè)計(jì)的科學(xué)與否與駕駛員的疲勞程度有著直接的影響關(guān)系，甚至對汽車安全事故發(fā)生率也有著相應(yīng)的影響作用。因此本文將通過立足人機(jī)工程學(xué)，對抗疲勞汽車座椅設(shè)計(jì)進(jìn)行簡要分析研究，希望能夠?yàn)轳{駛員的平安駕駛提供必要幫助。

關(guān)鍵詞：人機(jī)工程學(xué)；抗疲勞；舒適性；汽車座椅

中圖分類號：U463.836 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）12-0046-02

駕駛員在長時間的駕駛過程中，因受到自身坐姿、周圍溫度和濕度以及振動等各方面因素的影響，極有可能導(dǎo)致駕駛員出現(xiàn)駕駛疲勞的情況，并且隨著駕駛時間的不斷延長，駕駛員的疲勞程度還將進(jìn)一步加劇，并對駕駛安全產(chǎn)生直接影響，極有可能誘發(fā)汽車安全事故。

1 基于人機(jī)工程學(xué)下影響汽車座椅抗疲勞性的因素分析

1.1 人體坐姿

根據(jù)人機(jī)工程學(xué)可知，在不同坐姿狀態(tài)下人的脊柱形態(tài)也不盡相同，如果汽車座椅結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計(jì)無法使得駕駛員脊柱形態(tài)保持幾近正常自然狀態(tài)，則會明顯增加人體腰椎以及腰背部肌肉負(fù)荷，在長時間駕駛下比較容易出現(xiàn)疲勞駕駛的問題。此外人在座椅上處于坐姿狀態(tài)時，通常身體重量會同時向汽車座椅靠背以及座墊方向分布，也就是坐姿體壓分布[1]。而從人體組織解剖學(xué)的角度出發(fā)，可知人體耐受壓力最強(qiáng)的部位便是坐骨結(jié)節(jié)，該部位比較適合承重，相比之下，大腿下靠近表面處因分布著下肢主動脈，因此該部位應(yīng)當(dāng)盡可能避免承重。在這一人體原理下，應(yīng)當(dāng)根據(jù)人體臀部各部位的實(shí)際承受壓力情況進(jìn)行汽車座椅的座墊壓力分布，即以坐骨處壓力最大并逐漸向四周減少，到大腿部位時壓力應(yīng)當(dāng)降至最低。需要注意的是，人在處于坐姿狀態(tài)下，向汽車座椅靠背分布的壓力并不均勻，其中肩胛骨與腰椎兩大部位處承受的壓力相對集中，以肩胛骨和腰椎部位為中心壓力越向外應(yīng)當(dāng)越弱，否則也有可能因座椅不舒適而影響駕駛員的疲勞度。

1.2 振動因素

從人機(jī)工程學(xué)的角度看待汽車座椅設(shè)計(jì)，需要將駕駛員以及座椅視為一個完整的人機(jī)系統(tǒng)，而其中振動因素也是影響駕駛員疲勞程度的一大重要因素。駕駛員所承受的振動為一種全身振動，而根據(jù)呂國敏（2016）的相關(guān)研究可知，在縱向和橫向振動分別為4到8赫茲以及1到2赫茲時，人體對這一頻率范圍的敏感度最大。一旦外界產(chǎn)生的振動同人體器官共振頻率相接近時，振幅將會在短時間迅速增大，此時將會引起人體出現(xiàn)明顯的器官生理反應(yīng)。受此影響，駕駛員的反應(yīng)能力、判斷能力以及視覺作業(yè)效率等均將出現(xiàn)明顯變?nèi)醯那闆r，當(dāng)達(dá)到一定限度時，人體的皮質(zhì)細(xì)胞將難以繼續(xù)保持較高的工作強(qiáng)度，使人產(chǎn)生明顯的疲憊感，進(jìn)而容易導(dǎo)致出現(xiàn)疲勞駕駛的問題[2]。

1.3 溫度濕度

國內(nèi)外學(xué)者通過反復(fù)多次開展人體實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在溫度和濕度均相對較高的環(huán)境下，人體比較容易出現(xiàn)包括四肢乏力等在內(nèi)的眾多不適感，難以繼續(xù)保持良好的工作狀態(tài)。歐陽丹（2012）通過從動態(tài)舒適性的角度對汽車座椅設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究，其在經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)之后指出，當(dāng)環(huán)境溫度在18℃到23℃之間，且環(huán)境濕度在40%到60%之間時，駕駛員能夠處于最佳的駕駛狀態(tài)，此時其代謝量在1到2met之間，駕駛員不易產(chǎn)生疲勞問題。但如果環(huán)境溫度和環(huán)境濕度超出這一范圍，將直接影響駕駛員的代謝量，并由此影響到駕駛員的疲勞程度。其在將駕駛員人體熱環(huán)境同汽車座椅進(jìn)行相互整合下，提出座椅表面的溫度和濕度也會對駕駛員的疲勞性產(chǎn)生相應(yīng)影響[3]。座椅表面的溫度和濕度特性對與汽車座椅直接接觸的人體部位如背部、臀部等自身的散熱性能、皮膚的呼吸功能等有著直接的影響作用，如果汽車座椅表面的溫度和濕度特性無法和人體生理機(jī)能相適應(yīng)，則極有可能導(dǎo)致人體與座椅相接觸的部位產(chǎn)生不適感，從而加速出現(xiàn)駕駛員疲勞的情況。

2 傳統(tǒng)汽車座椅對駕駛員疲勞的影響分析

2.1 座椅高度與前后距離不當(dāng)

筆者在對部分老款汽車座椅設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)查分析的過程中，發(fā)現(xiàn)有部分汽車座椅存在設(shè)計(jì)高度過高的情況，導(dǎo)致汽車在遇到高低不平的路況時，經(jīng)常容易出現(xiàn)上下顛簸的情況，使得駕駛員頭部經(jīng)常與車頂發(fā)生碰觸、磕碰，其一方面對駕駛員人身安全產(chǎn)生極為不利的影響，另一方面也直接影響著汽車的行車安全。此外，在其他部分老款的汽車座椅設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于汽車座椅高度相對較低，因此對于身高較高的駕駛員來說，其難以在駕駛過程中保持腿部的正常彎曲，因此比較容易增加駕駛員的身體不適感和疲勞感，進(jìn)而影響汽車行駛安全。

除此之外，汽車座椅前后位置距離同樣也會對駕駛員的疲勞程度產(chǎn)生相應(yīng)影響。根據(jù)相關(guān)研究可知，當(dāng)汽車座椅位置相對靠后的情況下，需要駕駛員“竭盡全力”伸腳才能完成剎車或加油提速等操作，而這也將會在很大程度上影響駕駛安全。反之，如果汽車座椅位置過于靠前，駕駛員雙腿將始終處于不自然的彎曲狀態(tài)，同樣也會影響駕駛員的駕駛操作，對最終的駕駛效果產(chǎn)生相應(yīng)不良影響。

2.2 汽車座椅結(jié)構(gòu)尺寸不合理

在對不合理的傳統(tǒng)汽車座椅設(shè)計(jì)進(jìn)行分析的過程中，因汽車座椅結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計(jì)合理程度不足而導(dǎo)致駕駛員在短途駕駛過程中出現(xiàn)疲勞和不適的情況相對較多。由于汽車座椅的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)并未對駕駛員自身正常自然狀態(tài)下的脊柱形態(tài)予以充分考慮，因此導(dǎo)致駕駛員在長時間坐在此種汽車座椅上，會使得自身腰椎與背部肌肉群等位置處的負(fù)擔(dān)增大，進(jìn)而加速駕駛員出現(xiàn)疲勞情況。另外值得注意的是，由于汽車座椅結(jié)構(gòu)和尺寸缺乏足夠的合理性，因此其也很難對汽車座椅靠背以及座墊上的人體體壓分布進(jìn)行科學(xué)承受，同樣也比較容易加大駕駛員的駕駛疲勞感。在設(shè)計(jì)汽車座椅座墊時，由于未能對人體臀部各部位的受壓情況進(jìn)行深入分析，因此其設(shè)計(jì)的汽車座椅幾乎無法實(shí)現(xiàn)壓力的均勻分布。導(dǎo)致靠背無法同時分擔(dān)人體肩胛部位以及腰椎部位的壓力，也會增加駕駛員的疲勞感。

2.3 汽車座椅材料選擇不科學(xué)

為了追求一種高檔的效果，設(shè)計(jì)人員在對汽車座椅進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中通常習(xí)慣使用真皮、皮革等材質(zhì)，雖然此種材質(zhì)本身可以增強(qiáng)汽車座椅的“高級感”，但由于其缺乏良好的透氣性，因此人體在長時間與此類材質(zhì)的汽車座椅進(jìn)行接觸下，容易導(dǎo)致汽車座椅表面溫度和濕度不斷增加，對人體皮膚自身的散熱性與呼吸功能產(chǎn)生相應(yīng)影響。比如在夏季等溫度較高的天氣環(huán)境下，皮質(zhì)汽車座椅在長時間吸收太陽輻射熱量后表面溫度會迅速升高，甚至出現(xiàn)“發(fā)燙”的情況，加之人體正常排汗使得周圍濕度變大，進(jìn)而在汽車座椅范圍出現(xiàn)了一種高溫、高濕度的環(huán)境，對駕駛員的正常生理機(jī)能產(chǎn)生極大影響，容易導(dǎo)致其出現(xiàn)疲勞感和不適感，在長時間的駕駛下極有可能出現(xiàn)疲勞駕駛甚至引發(fā)交通安全事故。

3 基于人機(jī)工程學(xué)下的抗疲勞汽車座椅設(shè)計(jì)

3.1 座椅設(shè)計(jì)參數(shù)

通常情況下汽車座椅尺寸設(shè)計(jì)包括座椅的高度和寬度、座椅的傾角、椅面深度等等。由于汽車座椅過高或是過低會導(dǎo)致駕駛員大腿肌肉受壓或增加其背部肌肉負(fù)荷，影響其舒適度以及疲勞度。因此在設(shè)計(jì)汽車座椅椅面時應(yīng)當(dāng)適當(dāng)降低高度。而在設(shè)計(jì)椅面寬度時則需要在空間允許范圍內(nèi)盡可能增大其寬度值。使得駕駛員即便變換各種駕駛姿勢，也可以擁有足夠的寬度空間。設(shè)計(jì)汽車座椅椅面深度的過程中，則需要確保座椅靠背能夠有效為駕駛員的腰部提供相應(yīng)支撐，椅面前緣和駕駛員的小腿間留有適當(dāng)距離，從而使得其大腿肌肉和腿彎部分能夠免受擠壓與阻礙。在進(jìn)行汽車座椅靠背寬度與高度的設(shè)計(jì)過程中，受人機(jī)工程學(xué)的影響，則需要保障座椅靠背的寬度與高度同駕駛員坐姿的肩高與肩寬基本一致，并且可以適當(dāng)加高座椅靠背、增設(shè)靠枕以此有效提高駕駛員的舒適感。

3.2 基于靜態(tài)角度

3.2.1 合理設(shè)計(jì)座椅尺寸

為了能夠有效減輕駕駛員的疲勞感，使其可以長時間地維持良好駕駛狀態(tài)，需要在設(shè)計(jì)汽車座椅的過程中通過靈活運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，并對汽車座椅的抗疲勞性予以高度關(guān)注。在此過程中，設(shè)計(jì)人員需要通過采用實(shí)際測量等方式獲得大量與人體有關(guān)的真實(shí)的測量學(xué)數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行汽車座椅的尺寸設(shè)計(jì)，注意保障座椅的可調(diào)節(jié)性，從而有效滿足不同駕駛坐姿的需要。根據(jù)坐姿生物力學(xué)的分析結(jié)果可知，人體感覺最為舒適的坐姿便是臀部稍離靠背向前移，上體朝上后方向略微傾斜，其與大腿間角需要保持在90°到115°的范圍內(nèi)。與此同時，駕駛員的小腿在向前伸時，大腿和小腿以及小腿和腳掌之間的角度則需要分別控制在100°到120°以及85°到95°之間，進(jìn)而使得汽車座椅能夠始終貼合駕駛員坐姿需要，盡可能減少駕駛員的疲勞感和不適感。

3.2.2 座椅選用發(fā)泡材料

目前汽車座椅中的發(fā)泡主要是通過將聚醚、異氰酸酯等同水和一定量的添加劑放入模具中進(jìn)行一系列的化學(xué)反應(yīng)后制造而成，并將其放置在自由狀態(tài)下進(jìn)行大約24到72小時的靜置進(jìn)行熟化，使之具有良好的硬度及相應(yīng)性能的穩(wěn)定性。再將面套包覆其上，形成座椅靠背或座墊，進(jìn)而組裝成座椅。隨著工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，為了能夠?qū)⑵囎伟l(fā)泡的實(shí)用性和審美性進(jìn)行有機(jī)整合，目前已有汽車公司研發(fā)出了一種面套發(fā)泡一體式的發(fā)泡工藝（PIP工藝），即將座椅外面的面套同座椅的發(fā)泡進(jìn)行互相整合。在結(jié)合人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)完成座椅面套的外觀和功能設(shè)計(jì)之后，制作面套的裁片并對其進(jìn)行縫制且放入生成發(fā)泡的模具中，而后將發(fā)泡材料注入其中，使得發(fā)泡材料能夠同面套之間實(shí)現(xiàn)緊密貼合，以此有效對傳統(tǒng)的先生成發(fā)泡再加工座椅面套最后包覆在發(fā)泡上的制作工藝的優(yōu)化和改進(jìn)。在這一工藝技術(shù)下，汽車座椅面套同發(fā)泡基本能夠?qū)崿F(xiàn)無縫貼合，從而實(shí)現(xiàn)符合人體背部凹面曲線的造型（駕駛員的駕車狀態(tài)），使得駕駛員的乘坐舒適性能夠得到極大提高。特別是在同汽車內(nèi)部的空調(diào)以及安全氣囊等功能部件進(jìn)行相互配合下，可以同時保障駕駛員的駕駛舒適性和安全性，盡可能減少因汽車座椅不適而導(dǎo)致的駕駛疲勞情況[4]。

以豐田公司旗下的LEXUS IS F Sport車型為例，該款車型在抗疲勞汽車座椅設(shè)計(jì)當(dāng)中便通過采用了表皮一體發(fā)泡工藝，設(shè)計(jì)人員通過結(jié)合車型的運(yùn)動特性，將座椅肩部設(shè)計(jì)成凹面支撐，并貼合人體曲線的側(cè)面支撐，進(jìn)而可以在駕駛轉(zhuǎn)彎時使得汽車座椅可以為駕駛員身體提供有力支撐，保障駕駛的安全穩(wěn)定性。在汽車座椅的背部設(shè)計(jì)當(dāng)中，其采用了薄型設(shè)計(jì)的方式并融入了凹面設(shè)計(jì)，最大程度地增加了后排空間，對提高后排乘客的舒適性也起到了積極的幫助作用。我國部分汽車座椅設(shè)計(jì)和生產(chǎn)企業(yè)，也通過立足人機(jī)工程學(xué)，運(yùn)用分泡沫區(qū)域設(shè)計(jì)硬度支撐的方式，設(shè)計(jì)出一系列雙硬度和多硬度的汽車座椅產(chǎn)品。比方說其針對駕駛員的腰椎部位，通過運(yùn)用R-Comfort，DHH泡沫使得質(zhì)地輕便也具有一定硬度的泡沫能夠在滿足配合人體輪廓的基礎(chǔ)上有效防止駕駛員在乘坐時出現(xiàn)“坐塌陷”的情況，均勻分布腰椎受壓，提高駕駛員乘坐舒適感并盡量延緩長途駕駛所帶來的疲勞感。

3.3 基于動態(tài)角度

3.3.1 需降低座椅共振率

從動態(tài)角度來看，汽車座椅的抗疲勞性和舒適性與振動特性之間有著緊密的關(guān)聯(lián)。一般在有懸架的汽車座椅系統(tǒng)當(dāng)中，座椅和懸掛系統(tǒng)的剛度與阻尼系數(shù)、座椅系統(tǒng)連接件摩擦等均影響座椅系統(tǒng)的抗疲勞性。而在非懸架汽車座椅系統(tǒng)當(dāng)中，座椅座墊的剛度和阻尼結(jié)構(gòu)以及剛架結(jié)構(gòu)動態(tài)性能等也會直接影響著汽車座椅的抗疲勞性。汽車座椅的振動衰減特性和共振頻率則直接受到剛度與阻尼系數(shù)的影響，而汽車行使在高低不平的道路上所產(chǎn)生的車輛隨機(jī)振動，以及汽車本身機(jī)械振動則共同組成了影響駕駛疲勞的振動。在這一過程中，駕駛員通常會同時受到來自橫向以及垂直方向的直線振動等，從而經(jīng)由座椅的振動傳遞帶動人體臀部、后背等部位的振動。從而比較容易增加駕駛員的疲勞感，因此本文建議立足人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)抗疲勞性汽車座椅時，可以通過盡量隔離人體敏感度相對較大的振動，將彈簧以下和汽車座椅靠背振動降至最低，嚴(yán)格控制10赫茲附近的振動傳遞率。

3.3.2 確定座椅最優(yōu)結(jié)構(gòu)

此外，設(shè)計(jì)人員也需要通過將路面和輪胎以及汽車座椅與駕駛員看做是一個完整的動力學(xué)系統(tǒng)，通過結(jié)合座椅的動態(tài)特性，合理運(yùn)用汽車發(fā)泡等保障座椅靠背在具有一定硬度的同時還可以兼具良好的柔軟度。通過將汽車座椅設(shè)計(jì)成靠背兩端稍隆起的方式，可以為駕駛員橫向移動起到緩沖作用的同時，將車輛振動對駕駛員造成的不適感降至最低。另外，通過盡量選擇具有良好透氣性、散熱性和親膚性的材料、材質(zhì)，對座椅椅面的溫度和濕度進(jìn)行有效控制，通過維護(hù)駕駛員的正常生理機(jī)能，從而達(dá)到延緩其疲勞感的效果。

4 結(jié)語

通過本文的分析研究可知，在運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)下，駕駛員的坐姿、汽車座椅振動以及溫濕度等均會在不同程度上影響著駕駛員的疲勞度以及汽車座椅的抗疲勞性。尤其是傳統(tǒng)汽車座椅設(shè)計(jì)因未能充分考慮人機(jī)工程學(xué)方面的內(nèi)容，設(shè)計(jì)的汽車座椅尺寸與位置等合理性不足，也使得駕駛員在駕駛過程中極易感到疲勞。因此本文通過分別從靜態(tài)和動態(tài)兩個角度出發(fā)，指出需要通過結(jié)合人體特性與人體原理，合理設(shè)計(jì)座椅尺寸，并積極運(yùn)用座椅發(fā)泡性能等方式從而有效提高汽車座椅的舒適性和抗疲勞性，以此有效保障駕駛安全。

參考文獻(xiàn)

[1]孫環(huán).汽車座椅抗疲勞設(shè)計(jì)研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017，（04）：212.

[2]呂國敏.基于AnyBody的汽車駕駛員坐姿力學(xué)特性建模及坐姿支撐設(shè)計(jì)[D].山東大學(xué)，2016.

[3]歐陽丹.基于動態(tài)舒適性的汽車座椅系統(tǒng)的研究[D].湘潭大學(xué)，2012.

[4]馬國忠，張學(xué)盡.汽車駕駛用座椅的抗疲勞人機(jī)工程設(shè)計(jì)[J].人類工效學(xué)，2004，（03）：34-36.