基于坐姿分析的汽車座椅優(yōu)化設(shè)計

梁曉亮

摘 要：隨著汽車走進我國千家萬戶，尤其是我國自主品牌汽車的產(chǎn)銷占比不斷升高，對合資品牌汽車造成很大的沖擊，汽車售價比以前降低了很多， 消費者對汽車座椅的舒適性有越來越高的要求。因此汽車座椅的優(yōu)化設(shè)計非常重要。本文從人體坐姿分析入手，對汽車座椅設(shè)計的優(yōu)化原則進行了研究和分析，提出了汽車座椅設(shè)計的優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：人體坐姿 汽車座椅 優(yōu)化設(shè)計

Optimal Design of Car Seat Based on Sitting Posture Analysis

Liang Xiaoliang

Abstract：With the entry of automobiles into thousands of households in China， the increasing proportion of production and sales of China's own brand automobiles， have a great impact on joint venture brand automobiles. The price of automobiles has dropped a lot. People have increasingly higher requirements for the comfort of chairs. Therefore， the optimal design of car seats is very important. This article starts with the analysis of human sitting posture， studies and analyzes the optimization principles of car seat design， and proposes optimization measures for car seat design.

Key words： human sitting posture， car seat， optimized design

1 引言

目前人們在使用汽車的過程中對汽車座椅有更高的舒適和安全的要求，導(dǎo)致汽車座椅設(shè)計的過程中，如果我們?nèi)匀皇褂脗鹘y(tǒng)的汽車座椅設(shè)計方法，將在很大程度上不能滿足設(shè)計要求，因此根據(jù)坐姿分析對汽車座椅的優(yōu)化設(shè)計具有重要的意義。

2 汽車座椅構(gòu)成及主要類型

在汽車座椅設(shè)計優(yōu)化過程中，主要設(shè)計了六個部分，由塑料裝飾、表面涂層材料、彈性元件、調(diào)整機構(gòu)、座椅架等六部分組成。

汽車座椅由于汽車用途的不同，類型也有所不同。類型主要有單座、雙座、多座、分拆座、半分拆座、整體座、固定座、多向可調(diào)座等。隨著科技的不斷進步，汽車座椅的種類會越來越多。研發(fā)人員還將對汽車座椅的新材料、新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)進行更深入的研究。 智能汽車座椅將在人們的出行中廣泛應(yīng)用。

3 坐姿分析

3.1 坐姿矯形學生理

（1）在平常姿勢下，腰椎的脊柱部分前凸，當它到達骶骨時，它是凹的。坐姿良好時，壓力均勻分、布在椎間盤上，肌肉組織承受均勻的靜載荷。

（2）當坐的姿勢不自然時，椎間盤內(nèi)的壓力分布異常，形成的壓力梯度將椎間盤擠壓出腰椎，壓迫中樞神經(jīng)系統(tǒng)，引起疲勞、腰痛等不適。

（3）軀干完全筆直的姿勢會造成脊柱嚴重彎曲。由于壓力不能正常分布椎間盤上，腰椎在上身的負荷作用下引起不適，所以直角靠背是一個不理想的設(shè)計。

（4）前傾的坐姿能導(dǎo)致凸出的腰椎變直甚至反凹，這是非常不舒服的，影響了胸椎和頸椎的正常彎曲，使頸部和背部疲勞。各種姿勢與脊椎形狀關(guān)系如圖1所示。

通過以上分析，大腿和腰成95至115度，腰部有支撐是很理想的坐姿。

3.2 肌肉活動度

椎骨的位置依賴于肌腱的力量，這是由于椎骨連接附近肌肉和肌腱的。疲勞和疼痛是一旦脊柱偏離正常狀態(tài)，相互之間壓力（拉或壓）就會作用在肌腱組織，增加肌肉活動度所導(dǎo)致的。

3.3 分析結(jié)論

（1）坐時軀干挺直或向前，容易引起疲勞

（2）設(shè)置適當?shù)目勘晨墒蛊诮档?/p>

（3）大于90度的靠背可防止骨盆的旋轉(zhuǎn)，增加坐姿穩(wěn)定性 且使坐姿更接近自然狀態(tài)

4 設(shè)計原則

1、座椅的形式與尺度及其功用有關(guān)

2、座椅的尺度必須參照人體測量學數(shù)據(jù)確定

3、身體的主要重量應(yīng)由臀部坐骨結(jié)節(jié)承擔

4、座椅前緣處，大腿與椅子之間壓力應(yīng)盡量減小

5、腰椎下部應(yīng)提供支承，設(shè)置適當?shù)目勘骋越档捅巢烤o張度

6、要使體重壓力均勻地分布于坐骨結(jié)節(jié)區(qū)域，椅墊須有適當?shù)挠捕群妥銐虻膲|料。

5 汽車座椅設(shè)計優(yōu)化措施

5.1 汽車座椅形狀定位設(shè)計優(yōu)化

汽車座椅設(shè)計的基本元素是形狀，也是汽車座椅的重要標志。根據(jù)目前人們的生活觀念，在形狀優(yōu)化設(shè)計的過程中，通過設(shè)置相關(guān)的具體符號，盡可能提高人們對汽車座椅的形態(tài)認同感。這個過程中可以向其中加入一定的色彩。設(shè)計汽車座椅顏色的同時，通過在設(shè)計的早期階段調(diào)查，發(fā)現(xiàn)預(yù)期的顏色，通過示范和定位產(chǎn)品的顏色。

5.2 汽車座椅頭枕設(shè)計優(yōu)化

提供乘員頭部舒緩和在碰撞過程中吸收能量保護頭部功能的是汽車座椅頭枕。在進行頭枕優(yōu)化設(shè)計的過程中， 應(yīng)同時滿足FMVSS201和FMVSS202中對于前排乘客和后排乘客的頭部撞擊所產(chǎn)生的能量吸收要求，有時會產(chǎn)生沖突，相對的結(jié)構(gòu)或造型就必須作出讓步。研究表明，頭枕前后距離應(yīng)控制在每百分位頭枕前端到頭部的50mm以內(nèi)，頭枕最高點與H點之間的距離應(yīng)控制在772～832mm之間。

5.3 汽車座椅靠背設(shè)計優(yōu)化

我們可以從兩個方面入手靠背的設(shè)計和優(yōu)化，即強度設(shè)計和外形設(shè)計的優(yōu)化。為使靠背更符合人體曲線，設(shè)計人員在確保整個座椅的強度后，應(yīng)該優(yōu)化靠背的形狀和高度。 在開車的過程中，要確保司機的肌肉處于放松的狀態(tài)并能更好的支持司機的肩膀和背部，并給予駕駛員足夠的側(cè)向支撐，保證其處于相對穩(wěn)定的位置，在轉(zhuǎn)急彎時防止駕駛員發(fā)生橫向移動，從而保證駕駛員的駕駛安全。根據(jù)以往經(jīng)驗設(shè)計汽車座椅靠背時，座椅靠背的設(shè)計應(yīng)考慮以下方面：泡沫壓痕、泡沫密度、泡沫厚度，高度從H-point，H-point寬度，高度從腰椎定點到H-point，向前和向后運動的距離腰椎的假人嵌入量和腰托。其中發(fā)泡壓陷50%需要力220牛至350牛，發(fā)泡密度30kg/m3至55kg/m3，發(fā)泡厚度20毫米至60毫米，背部離H-point高度為500～570mm，離H-point寬度為300 ～350mm，腰椎支撐點離H-point高度為135mm，腰托前后和垂直移動距離分別為25毫米和65毫米，假人嵌入量30%至40%。

5.4 汽車座椅座墊設(shè)計優(yōu)化

在汽車座墊的優(yōu)化設(shè)計過程中，關(guān)鍵部位的深度優(yōu)化設(shè)計的過程中，充分運用了靠背原則。這種設(shè)計的主要目的是確保有效地支撐司機的臀部，座墊結(jié)構(gòu)對駕駛員的坐姿有較大影響部位有和胸部角度，另外座墊的深度、寬度等也會對駕駛?cè)笋{駛舒適感產(chǎn)生較大影響。正常坐姿與雙腿交叉時坐骨受力情況如圖2所示：

具體優(yōu)化設(shè)計的過程中，泡沫厚度，長度從H-point到最前端的，座墊的內(nèi)寬度和整體寬度以臀部最低點為基準，滑道坡度角，假人傾角，發(fā)泡壓陷量和發(fā)泡密度等方面考慮。300牛至430牛可以使發(fā)泡壓陷50%，靠背密度略低于發(fā)泡密度，是45/立方米至55公斤/立方米，泡沫厚度為100mm到150mm， 墊內(nèi)則的寬度是300毫米到350毫米，長度從H點到座墊的前端是380毫米到400毫米，總體寬度是500毫米，向后滑動傾角是2至5度，側(cè)翼高度為20毫米至50毫米，角度為40度至65度，假人軀干角23度至26度。

5.5 汽車座椅骨架設(shè)計優(yōu)化

保證汽車座椅強度滿足要求的關(guān)鍵是汽車座椅骨架，由座墊架、后架及相關(guān)的加強板連接件組成。座墊架的作用是保持正確的坐姿，限制乘客下部左右搖晃，支撐乘客的臀部和大腿，在發(fā)生碰撞時提供乘員保護。后架的主要功能是使乘員保持正確的坐姿，在轉(zhuǎn)彎時為上半身提供支撐，在碰撞時為上半身提供保護。因此，座椅骨架是汽車座椅設(shè)計優(yōu)化的重點。在設(shè)計優(yōu)化過程中，首先要保證座椅材料的合格性和合理性。焊管材料一般采用Q235，Q295，Q345和QSTE340等，管徑選擇25毫米或22毫米，壁厚1.5毫米或2毫米等。一般采用厚度為2mm或2.5mm高強度沖壓鋼板。其必須能夠給駕駛員提供出有效、安全的支撐。在汽車座椅骨架材料的選擇，目前常采用鎂合金整體壓鑄材料，該材料具有強度高、重量輕、穩(wěn)定性好和剛度高等優(yōu)點，常用于豪華轎車的座椅。另外許多非金屬高強度材料的誕生，也為汽車座椅骨架的優(yōu)化提供了更多可能。

5.6 汽車座椅發(fā)泡設(shè)計優(yōu)化

座椅泡沫是影響座椅舒適性和H-point的關(guān)鍵，同時是形成座椅形狀和形狀的關(guān)鍵，通過對汽車座墊與座椅靠背之間泡沫的優(yōu)化設(shè)計，使汽車座椅的人機感知得到提高。不同的汽車在設(shè)計過程中對座椅泡沫有不同的要求，所以設(shè)計師應(yīng)在優(yōu)化設(shè)計過程的初期根據(jù)客戶的不同需求和不同型號進行特殊設(shè)計，使其更符合要求。發(fā)泡的化學成分目前有多元醇、催化劑、水、聚合多元醇、異氰酸酯、釋放劑和表面活性劑，其中最為重要的是異氰酸酯和多元醇。優(yōu)化乘客的乘坐感受可以通過控制上述成分的比例來調(diào)整泡沫的密度和硬度來實現(xiàn)。

6 結(jié)束語

綜上所述，更為關(guān)鍵的是汽車座椅的優(yōu)化設(shè)計，汽車設(shè)計師在具體設(shè)計工作中應(yīng)在堅持設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，改變傳統(tǒng)汽車座椅的設(shè)計理念，充分考慮人們對安全性和舒適性提出的新要求，設(shè)計出符合人們要求的汽車座椅。

1、廣東理工學院院級科研項目 編號：GKJ2017021

2、廣東省教育廳科研項目：“新工科”背景下廣東省民辦高校應(yīng)用技術(shù)型汽車人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究，編號：2017GXJK209

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