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1、第1章 绪 论1.1 概述汽车座椅属于汽车的基本装置，是汽车的重要安全部件。在汽车中，它将人体和车身联系在一起，直接关系到乘员的驾乘舒适性和安全性。1886年德国人戴姆勒制成了最早的汽车座椅，其座垫是以棉花等软填料作为芯子，靠背是用木板和木条围成。一百多年来，随着汽车的发展和人们要求的不断提高，汽车座椅已不是单纯满足乘坐和美观需要的车身部件，而是关系到汽车的驾乘舒适性和安全性，集人机工程学、机械振动、控制工程等为一体的系统工程产品。1.2 汽车座椅的作用和功用1.2.1 汽车座椅的作用汽车座椅的类型：根据结构、用途及驾乘人员的不同，汽车座椅分为固定座椅和旋转座椅、可调节座椅和不可调节座椅、可翻
2、转座椅和不可翻转座椅、带减振的悬架座椅和不带减振的汽车座椅以及专用汽车座椅等。其中，悬架座椅又可分机械悬架座椅和空气悬架座椅，可调节座犄又分为机械调节座椅、气动调节座椅和电动调节座椅等。在现代汽车中，座椅的主要作用是：（1）为人体提供良好的支撑。座椅通过对人体提供合理的体压分布，可以有效的保证人体在车辆行驶过程中的平衡与平稳。（2）驾驶员的定位系统。通过座椅对驾驶员的定位，可以使驾驶员获得良好的视野，并实现驾驶员对汽车操纵系统的控制。（3）为乘员提供舒适的驾乘环境。座椅中各种人性化的附属设备以及豪华配置，能为乘员提供优越的驾乘环境。（4）在汽车受到撞击时最大限度的保护乘员的安全。合理的配置头枕
3、和靠背的软垫，防止驾驶员或乘员的颈部以及头部在汽车发生碰撞时受到意外伤害。简而言之，汽车座椅的功能为：在规定的条件下，能够为驾驶员和乘员提供舒适的位置并保证乘员的安全。1.2.2 汽车座椅的舒适性座椅设计的基本原则汽车座椅设计是一项复杂的系统工程，它涉及机械、化工、纺织、喷涂、热处理、美学、力学、人体工程学等多门学科，设计时应依据人体工程学原理综合考虑座椅的舒适性、减振性、安全性以及座椅的合理布置，此外，还要考虑人体生理特征及尺寸，进行量身定做，以提高座椅的乘坐舒适性。汽车乘坐的舒适性包括静态舒适性，动态舒适性（又称作振动舒适性）以及操作舒适性三方面内容。座椅的静态舒适性是指座椅在静止状态下提
4、供给人体的舒适特性，主要与座椅尺寸参数、表面质量、调节特性等有关；动态舒适性是指汽车在运动状态下通过座椅骨架以及软垫将振动传递到人体的舒适特性；操作舒适性是驾驶员和乘员在车内正常活动（如操纵方向盘）的舒适程度，主要与座椅和车内其他部件的布置有关。一、汽车座椅的静态舒适性设计时首先要绝对保证驾乘者的安全，这就要求座椅要有足够的强度，在发生碰撞时，座椅不会或可以减轻对乘坐者造成伤害，并能起到一定的保护作用。座椅静态舒适性是人体工程学在座椅设计中的具体应用，它通过人体舒适坐姿、合理的体压分布、人体测量的基本数据和视觉美学等使座椅的设计满足人的生理和心理要求，为乘员提供舒适、安全的驾驶和乘车条件。二、
5、汽车座椅的动态舒适性设计的座椅必须能使乘客保持良好的坐姿，使其脊柱自然弯曲，保证合理的体压分布并使其肌肉松弛，上体通向大腿的血管不受压迫，血液循环正常；并具有腰椎依托感、腰背部贴和感和侧向稳定感。能有效隔离或衰减路面不平产生的振动，满足大多数驾乘者坐姿舒适性的要求。汽车座椅的动态舒适性与座椅以及人体的振动特性密切相关。来自路面的振动（或激励）通过轮胎、汽车悬架和座椅三个减振环节传递到人体，每一部分的传递特性都影响到乘员的舒适程度。研究表明：座椅动态参数的改变对汽车其它使用性能没有影响，而且制造方便易行，周期短、见效快。因此，研究和改善座椅动态性能，对提高驾乘舒适性有着十分重要的意义。三、汽车座
6、椅的操作舒适性设计的座椅还需操纵方便，调整手柄和按钮的布置必须在驾乘者伸手可及的位置，并符合常人的习惯且操纵力量适中。座椅的操作舒适性主要包括以下两方面：一方面，就座椅的各种调节装置而言，应该是使操作更容易实现，并且更容易达到；另一方面，在保证静态舒适性的前提下，为驾驶员提供更为广阔的操作空间，也将成为座椅操作舒适性研究的主要方向。1.2.3 汽车座椅的安全性汽车座椅的安全性是指座椅能有效的防止事故的发生，并在事故发生时有效的减轻驾驶员及乘员所受伤害的能力。根据座椅在碰撞事故发生时和发生后对减轻乘员伤害程度的不同作用，可以将座椅的安全性分为主动安全性和被动安全性两个方面。一、汽车座椅的主动安全
7、性座椅的主动安全性是指座椅能够有效地防止事故发生的能力。座椅系统的设计与驾驶员视野、驾驶员定位以及其它汽车控制系统功能的更好发挥息息相关，这些系统之间配合的好坏也不同程度的影响座椅的主动安全性。另外，应当指出的是，座椅的舒适性与主动安全性有关，舒适的座椅可以为驾驶员提供一个良好的工作环境，使其心情愉快、精力集中，从而有效地防止交通事故的发生，提高汽车的主动安全性。二、汽车座椅的被动安全性座椅的被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员进行保护，避免发生伤害或使伤害降低至最低程度的性能。一个好的汽车座椅要能够减轻驾驶员及乘员的疲劳来满足主动安全性要求，更要有足够高的结构强度和刚度
8、，以便与安全带和安全气囊一起对乘员定位的同时缓解碰撞的强度，力图使乘员的损伤指标达到最小。 在各种事故中，座椅作为减少损伤的安全部件起着重要的保护作用。首先，在事故中它要保证乘员处在自身的生存空间之内，并防止其它车载体（如其它乘员、货物等）进入到这个空间。其次，要使乘员在事故发生过程中保持一定的姿态，以保证其它的约束系统能充分发挥其保护效能。1.3本章小结本设计力求在驾驶员座椅传统设计的基础上，在满足上述座椅作用和功能的前提下，对座椅材料和结构加以改进，以达到减轻座椅质量，降低座椅生产成本的目标。第2章 汽车座椅的人机工程设计2.1座椅的人机工程学要求1)各部贴合感：要求座椅靠背和坐垫的形状与
9、人体背部、臀部及大腿底面的形状相贴合。贴合感强的座椅将有利于改进接触面积和部位。2)横向稳定性：汽车转弯时，人体承受横向加速度，为了提高乘员的身体保持性，要求座椅的侧面稍加高，以便两跨和大腿部能轻轻支承身体。3)背部和腰部的合理支承：汽车座椅设计时应提供形状和位置适宜的两点支承，第一支承位于人体第56胸椎之间的高度上，作为肩靠能减轻颈曲变形；第二支承设置在腰曲部位，作为腰靠，能保证乘坐姿势下近似于正常的腰曲弧线。4)各部合适的软硬感：座椅最重要的作用是支撑乘员的身体，不能只是一把安乐椅，表面硬一些的座椅不易使人疲劳，但与身体不是特别贴合的硬座椅会压迫身体的某一部分，使疲劳感倍增。5)振动舒适性
10、：需要设计好座椅的静态刚度、共振频率及衰减特性。2.2座椅的结构参数汽车座椅的舒适性通常包括震动舒适性、坐姿舒适性和操作舒适性。震动舒适性一般不能只靠尺寸参数来保证，而驾驶席的坐姿舒适性和操作舒适性以及乘员席的坐姿舒适性则通过座椅的结构和尺寸参数得到相应程度的保证。座椅的尺寸结构参数可参考驾驶或乘坐姿势下人体尺寸的测量值加以确定。2.3人体模板在车辆座椅设计中的应用利用人体模板考察车辆室内主要人机工程学设计参数，用以了解和评价汽车的人机工程设计。以人体参数为基础建立的人体模型是描述人体形态特征和力学特征的有效工具，是对人及系统进行考察研究、分析评价、实验设计不可缺少的重要辅助手段。根据人体测量
11、数据进行处理和选择而得到的标准人体尺寸来制作的。将人体模板置于1-l模型或样车的作业空问内，或将二维人体模型置于设计图纸的相关位置，可用于校核设计的可行性和合理性。结合精确的人体模板中一各种主要的人体参数。按照一定的经验理论，考察汽车室内主要人机工程学设计参数。根据人体模板的标准参数，包括人体静态尺寸(主要是坐寸)、功能尺寸(坐姿活动范围尺寸)、作业尺寸(主要是手部、脚部的力学参数)等，确定相应的汽车车厢空间、座椅位置、转向盘、操控台、扶手等的设计参数。具体分类上主要是人体的舒适性设计参数(座椅、室内空间等)，操作性设计参数(方向盘、控制台、扶手、脚踏板等)以及安全性设计参数等。2.4座椅布置
12、根据人体的舒适坐姿和汽车设计对人体的布置要求，对座椅进行布置并确定座椅与操纵装置的相对位置；按舒适坐姿选择座椅的座面高度、座宽、座深、座面倾角、靠背的高、靠背与座面夹角；按汽车中利用人体样板进行人体布置的原则，来确定座椅与操纵装置的相对位置，确定出座椅与方向盘和加速踏板的相对位置，同时确定座椅的水平调节量和垂直调节量。2.5人体压力在座椅上的分布人体与座椅之间的压力分布称为坐姿的体压分布，坐姿的体压分布是影响乘坐舒适性的重要因素。人就坐时，身体重量的大部分(约80)经过臀部、背部隆起部分及其附着的肌肉压在座椅面上。座椅各部位的受力分布如图4。2.6座椅的静态舒适性设计座椅的静态舒适性设计须考虑
13、的因素很多，可以概括为以下基本原则：1） 座椅的形式和尺度与其功用无关;2） 座椅的尺度必须参照人体测量学数据确定；3） 座椅可适当调节，以满足坐姿变换；4） 座椅所使用的材料应适应人体的舒适性；5） 座椅的位置要与其作业空间相协调，便于人员作业。由坐姿生物力学分析，最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移，使上体略向上后倾斜，保持上体和大腿间角在90115。同时，小腿向前伸，大腿与小腿、小腿与脚掌间也应达到一定角度。另外，根据驾驶室的微气候环境，调整座椅表面的温湿度特性，可以适当调节人体代谢，达到减轻疲劳的目的。2.7座椅的动态舒适性设计驾驶员座椅动态舒适性主要与震动特性有关。对于有悬架的座椅系统，
14、影响其动态特性因素有：座垫的刚度和阻尼系数，悬挂系统的质量、刚度和阻尼系数以及座椅系统连接件的摩擦；对于非悬架座椅系统主要考虑座垫的刚度、阻尼以及座椅钢架结构的动态性能。刚度决定座椅的共振频率，二阻尼系数决定座椅的振动衰减特性。虽然座椅系统的质量和结构连接件的摩擦会影响整个座椅系统的动态性能，但由于质量和摩擦受其他因素限制而不会变化太大，所以刚度参数和阻尼系数就成了影响整个座椅系统动态性能的主要因素。影响驾驶疲劳的震动主要是行驶中因道路凹凸不平而引起车辆书记振动和车辆本身的机械振动。驾驶员受到纵向、横向及垂直方向的直线振动，以及绕着3个方向的角振动。其中垂直振动和绕纵、横坐标轴的角振动对人体的
15、影响较大。振动通过座椅传递到人体的臀部、后背部而引起全身性振动。因此，在设计汽车座椅时应尽量隔离人体敏感的振动。在座椅设计中可采取如下措施：减小座椅共振频率，降低对人体最有影响的高频区；降低共振时的振动传递率；降低乘员10 Hz附近的振动传递率，以减轻弹簧以下的共振的影响和减少来自座椅靠背的高频振动；把路面一轮胎、悬架、座椅一人三者看作一个整体大动力学系统，寻求在各种路面随机输入情况下使乘员不易疲劳的最优结构。另外，对于座椅的动态特性按照传入人体的能量最小、使人体在感频率区域动态响应最小、传给人体的加速度均方根值最小等目标进行优化，与汽车的其他减振系统相匹配，使人体处于更合适的振动环境，这些都
16、是减轻驾驶疲劳的重要措施。2.8本章小结综上所述，人机工程学应用于汽车座椅设计，能使座椅符合人体需求，从而保证乘坐和驾驶的舒适性和行车安全性。能提高人车接口的设计水平。随着数字化设计应用的不断深入，人机工程应用在汽车设计中的方法也更加精确，人机工程学将更注重人的信息处理能力，更注重人一机一环境的完整研究，并运用系统论、信息论等新兴科学来研究这个新的系统，以创造出更适合于人类使用的汽车，使人机系统的综合效能达到最佳水平。第3章 驾驶员座椅的结构设计及设计参数优选3.1 汽车座椅的结构和分类汽车座椅一般由座垫、调节装置、靠背、头枕和座椅连接件组成，设计原则的依据是：座垫、靠背的造形和曲线应与人体放松状态下的背部曲线和臀部曲线相吻合
