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小車座椅設計
摘 要：本文研究了人的坐姿生理和心理特性人與座椅的人機關系，結合我國對汽車座椅的設計和使用情況，分析了現(xiàn)有轎車駕駛座椅存在的問題，用戶人體尺寸，坐姿相關的人體生理學、解剖學、統(tǒng)計學研究。從滿足駕駛員的需求出發(fā)，確定駕駛座椅的各個參數(shù)并突出座椅尺寸設計與人體尺寸的相關性，真正達到一切人為設計導向的汽車座椅，重點設計了頭枕、腰靠和座椅的舒適度這三個用戶普遍反映的問題。
關鍵詞：人機工程學；汽車座椅；舒適度，汽車
Design Of The Car Seat
Abstract:This thesis mainly discusses the physiological and psychological features of human beings sitting posture，and the relationship between human beings and car seats. Regarding domestic car seats design and use condition, it analyses the exiting problems in car seats currently, clients’ body dimension, and human physiology, anatomy, statistics corresponding with sitting posture. According to the drivers requirement, it ensures the specific parameters of each driving seat, and sticks out the relevance between seat size design and human body dimension. All this is to design human oriented car seats, which aims to increase the comfort level of headrest, backrest and seats which are the main three problems reflecting by customers.
Key words : Ergonomics ;Car seat ;Comfortable degree ;Car
目 錄
摘要…………………………………………………………………………………………1
關鍵詞………………………………………………………………………………………1
1 前言………………………………………………………………………………………1
1.1 研究背景…………………………………………………………………………2
1.2 研究內(nèi)容…………………………………………………………………………2
1.3 研究的意義………………………………………………………………………2
1.4 設計的目的………………………………………………………………………3
1.5 設計的方法和程序………………………………………………………………3
2 座椅設計的相關理論……………………………………………………………………5
2.1 體壓分布與坐姿疲勞……………………………………………………………5
2.2 從汽車舒適性到座椅舒適性設計………………………………………………6
2.3 座椅對人體舒適度的研究………………………………………………………6
2.4 用戶人體尺寸的研究……………………………………………………………8
2.4.1 人體靜態(tài)尺寸……………………………………………………………8
2.4.2 人體測量尺寸……………………………………………………………9
2.4.3 人體尺寸數(shù)據(jù)統(tǒng)計規(guī)律…………………………………………………10
2.4.4 人體動態(tài)尺寸…………………………………………………………12
2.4.5 人體坐姿功能尺寸……………………………………………………13
2.4.6 人體尺寸測量分析……………………………………………………13
3 座椅設計要素分析……………………………………………………………………15
3.1 座椅的設計參數(shù)H點的控制和舒適性控制……………………………………15
3.2 駛座椅靜態(tài)參數(shù)的選取原則…………………………………………………16
3.3 汽車座椅主要部件的設計………………………………………………………18
3.4 外觀造型………………………………………………………………………27
3.5 調(diào)節(jié)機構及金屬件和機械機構………………………………………………28
3.6 外觀尺寸………………………………………………………………………28
4 主要結論和未來展望…………………………………………………………………29
參考文獻……………………………………………………………………………………30
致 謝………………………………………………………………………………………31
附錄……………………………………………………………………………………………31
1 前言
1.1 研究背景
隨著時代的發(fā)展，人們開始追求高品質(zhì)的舒適生活,于是按照人體工程學設計的產(chǎn)品也就越來越受到大眾的歡迎。以汽車座椅為例,人體工程學的家具并不是人們頭腦中所想象的僅有數(shù)據(jù)符合的座椅,它還包括除了人體生理數(shù)據(jù)之外的很多因素。它的設計原則除了常見的尺度設計原則,人體機能和環(huán)境設計原則,健康設計原則外還應該講求黃金分割比的設計原則。并指出在這些原則的指導下好的人體工程學座椅是功能與美學相結合的產(chǎn)品,可以為人帶來身心兩方面的享受。我國是人口大國，物質(zhì)方面的需求量要高于其他國家和地區(qū)。近幾年來，我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，汽車的消費逐漸成為帶動國民生產(chǎn)總值的重要指標。中國加入WTO后，中國的汽車工業(yè)，特別是轎車工業(yè)面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。
科學技術的發(fā)展，促使了轎車車身設計技術的變革和進步．特別是計算機技術的高速發(fā)展是計算機輔助設計和計算機輔助制造(CAD／CAM)技術在汽車領域得以廣泛的應用，為現(xiàn)代汽車設計與制造提供了新的手段。而人機工程學的發(fā)展，使得汽車設計又進入了一個新的領域。
1.2 研究內(nèi)容
汽車中的座椅是影響駕駛與乘坐舒適程度的重要設施，而駕駛員的座椅就更為重要。舒適而操作方便的駕駛座椅，可以減少駕駛員疲勞程度，降低故障的發(fā)生率。汽車駕駛員座椅設計優(yōu)劣與否直接關系到駕駛質(zhì)量。任何系統(tǒng)實際上都是人機系統(tǒng)，人機系統(tǒng)包括人、機、環(huán)境三個方面。顯然駕駛員-座椅也屬于人機系統(tǒng)研究的范疇。人機系統(tǒng)的安全模式多以人的行為為主體，即以人為本。對人機系統(tǒng)的研究始于第二次世界大戰(zhàn)。在設計和使用高度復雜的軍事裝備中，人們逐步認識到必須把人和機器作為一個整體，在系統(tǒng)設計中必須考慮人的因素。 設計出的產(chǎn)品才能有使用的價值。以往的汽車設計中對人機工程學的應用主要集中在初期的駕駛室配置的布置上、汽車安全性能得檢驗中。
1.3 研究的意義
從人的安全、健康的角度：現(xiàn)代人越來越多地的時間在汽車中度過，座椅的安全與舒適直接影響到人們的健康與安全。尤其是對人們脊椎的傷害。
從社會的角度：汽車走進干家萬戶，人們對汽車的情感也有所轉變，從以前的遙遠、到現(xiàn)在的占有，將來必將轉變?yōu)樘籼蕖Ｒ虼似嚨陌l(fā)展也要跟上時代的步伐。座椅是汽車與人接觸的界面，人們在選擇汽車時，往往首先接觸到的是它的座椅。
從經(jīng)濟和技術的角度：汽車制造業(yè)正在迅速地向全面數(shù)字化設計、制造和測試這種新方式轉化。在汽車產(chǎn)品開發(fā)CAC／CAM／CAE／PDM環(huán)境下[1]，傳統(tǒng)的實物模型被數(shù)字模型所取代。這使得汽車產(chǎn)品可以直接從設計階段進入生產(chǎn)階段。實現(xiàn)了汽車開發(fā)過程中多學科、多領域的集成化、并行化和協(xié)同化，縮短了產(chǎn)品設計開發(fā)周期，獲得了更短的產(chǎn)品上市時間。從這個角度來看，我們在技術上能夠也必然要脫離以前的那種反復的設計實驗周期，使得汽車座椅的設計走向數(shù)字化和虛擬化的道路。
1.4 設計的目的
駕車人無論做短途還是長途旅行都要求座椅十分舒適；座椅的設計必須能適應各種身材和高度的男女駕車人；座椅的外觀必須具有吸引力，令人賞心悅目。
（1）有良好的靜態(tài)特性，即：座椅的尺寸和形狀應使人體具有合適的坐姿，良好的體壓分布，觸感良好，并能調(diào)整尺寸與位置，以保證乘坐穩(wěn)定、舒適，操作方便。
(2)有良好的動態(tài)特性，以緩和與衰減有車身傳來的沖擊和振動，保證駕駛員能較長時間工作而不感到疲勞。
(3)構緊湊，外形與色彩應美觀、大方，與車身內(nèi)飾相協(xié)調(diào)，并盡可能減輕質(zhì)量，降低成本，有良好的結構工藝性。
1.5 設計的方法和程序
設計程序是將設計需求透過系統(tǒng)化的方法轉化而獲得符合設計需求的設計特征。設計成學通常是設計師開發(fā)產(chǎn)品時所建立的一套發(fā)展模式[2]。而設計師的發(fā)展模式綜合各種與產(chǎn)品有關的解決方法或觀念．不同的解決方法或觀念，將會產(chǎn)生不同的產(chǎn)品特征。因此，許多研究仍在探討如何運用有效的方法與途徑與設計程序中，以確保設計的品質(zhì)與效率”。
設計過程中所運用的邏輯概念與程序，已有部分設計學者提出相關的論點，本研究列舉二位國外學者所提出的邏輯概念與程序，其簡介如下：
(1)Andresen的設計程序(1980)
Andresen所提出的設計程序主要分成四個階段： (1)設計說明階段；(2)構想設計階段； (3)配置設計階段； (4)細部設計階段。該設計程序的進行由設計說明階段開始，透過構想設計階段的使用程序架構、功能架構與工具架構三種分析設計構成來完成設計。整個設計說明階段從使用程序進行到設計個案所必須具有的功能架構，再從有了設計個案功能的分析結果轉化到設計個案所具有的工具技能架構。設計說明階段完成后，隨之進行設計個案的‘行為一功能—機能’構想設計階段的發(fā)展。
程序架構一
經(jīng)完成上述階段后，設計過程進入對于設計個案各部分零件配置的配置設計階段。在此階段中，設計師對設計個案中個零件的相關配置進行組裝的工作。配置設計階段之后，整個發(fā)展過程進入最后的細部設計階段。在細部設計階段里，設計師必須回饋到所有在設計說明階段中，所有事先預定的事項，包括對產(chǎn)品的迸一步設計與對設計定義的再確認工作，已達成對設計個案的設計工作。Andresen設計程序的各個階段流程，如圖1所示。
設計預解決的問題
問題說明
階段
程序架構
功能架構
概念設計
階段
工具架構
單元結構設計
配置設計
整體設計完成
細部設計
階段
圖1 Andresen的設計程序(1980)
Fig.1 Andresen design program (1980)
(2)French的設計程序(1985)
設計需求
分析現(xiàn)有問題
描述問題
概念性設計
選擇方案
方案具體化
生產(chǎn)計劃，圖紙與其他工作
細部設計
圖2 French的設計程序(1985)
Fig.2 French design program (1980)
在French的設計程序里，設計從需求出發(fā)，透過對現(xiàn)有問題的分析，并收集相關的設計知識，進行概念性的設計,程序的流程如圖2所示。
French認為在產(chǎn)生許多概念性的設計后，設計師可對這些概念性的設計作篩選，使選定的設計方案能逐步接近設計需求。一旦完成設計方案的細部設計工作之后，緊接著為連接設計與制造生產(chǎn)間的工作，此包括工程圖和生產(chǎn)計劃等，以利設計活動從構想轉化到實際的制造過程[4],其表示設計。
本研究目的為設計符合人體的舒適性轎車駕駛座椅。在汽車的設計中人們往往考慮是汽車的動力性能、外觀和內(nèi)飾；人們在購買汽車是看重的多是汽車的價格、外觀。從汽車的設計者和使用著這兩個方面來說對于汽車的座椅的重視程度還很不夠。
實際中對于座椅設計的相關研究和設計方法沒有特別的標準和規(guī)范。得出設計的關鍵所在是“為人設計”，根據(jù)對用戶的分析得出設計目標并進行實際的設計工作．本研究可分為兩個階段：第一階段：理論研究階段；第二階段：座椅實際設計階段。
2 座椅設計的相關理論
2.1 體壓分布與坐姿疲勞
(1)坐姿體壓分布
當座椅上的人處于坐姿狀態(tài)時，人的身體重量作用于座墊和靠背上的壓力分布稱作坐姿的體壓分布?？梢?，坐姿體壓分布包括座墊上的體壓分布和靠背上的體壓分布兩部分。
(2)座墊上的體壓分布
根據(jù)人體組織的解剖學特性可知，坐骨結節(jié)處是人體最能耐受壓力的部位，適合于承重，而大腿下靠近表面處因有下肢主動脈分布，故不宜承受重壓。據(jù)此座墊上的壓力應按照臀部不同部位承受不同壓力的原則來分布，即在坐骨處壓力最大，向四周逐漸減少，自大腿部位時壓力降至最低值，這是座墊設計的壓力分布不均勻原則[12]。圖3為坐姿時座墊上的體壓分布。
圖3 坐姿時座墊上的體壓分布
Fig.3 When sitting a pad body pressure distribution
2.2 從汽車舒適性到座椅舒適性
影響汽車舒適性的因素很多，分析人-機-環(huán)境系統(tǒng)，可以提出整車舒適性影響因素的框架圖，如圖4。
圖4 座椅整車舒適性的評價圖
Fig.4 Seat comfort of vehicle evaluation map
圖中“人”即指乘坐者，是最終對舒適性做出評價的主體，其生理因素以及心理因素都會影響對舒適性的評價;“機”指汽車的座椅、儀表盤、方向盤、變速桿等;“環(huán)境”主要指車內(nèi)環(huán)境及路面狀況等。機系統(tǒng)中的影響因素通過直接影響環(huán)境中的因素而影響人體的生理因素，最終影響人對舒適性的評價[12]。如由輪胎和懸架產(chǎn)生的噪聲通過影響人的聽覺而影響人對舒適性的評價。從圖4可以看出，座椅在影響整車的舒適性中起了關鍵作用。
2.3 設計座椅人體的舒適度
概念化階段是整體設計的理念和宗旨，是保證今后具體設計得以順利進行的前提條件。對椅子設計概念化進行設定的過程，涉及椅子相關的功能性、構造和材料以及形狀等問題；具體化階段是按照在概念化階段設定的設計方案，解決座椅的構造、功能和美觀問題并創(chuàng)造出其基本形狀；座椅周詳設計的關鍵是將重點放在符合整體的外觀和核心架構的設計上。產(chǎn)品的外觀、座椅的造型以及穩(wěn)定的構造應該既反映其精湛設計，又能實現(xiàn)人們對舒適的要求，這就是汽車座椅設計的重點。
座椅設計、制造的好壞，對汽車駕駛人員和乘員的舒適性有很大的影響，座椅的尺寸應適合于人體的尺寸，要保證人體有良好的作業(yè)姿勢和休息姿勢。汽車座椅的舒適性歸納起來有三方面的內(nèi)容:
(1)振動的舒適性
對于汽車座椅振動舒適性來說，它主要是道路--輪胎、懸架、座椅--駕駛員三者之間的關系，在試驗過程中，把它們看作是一個整體，屬于動力學系統(tǒng)[19]。從而尋求在各種路面隨機輸人的作用下，使駕駛員和乘員對振動不易疲勞的性能，從中得出科學的結論，以便設計制造出最優(yōu)結構的汽車座椅來。
(2)駕駛員坐勢的舒適性
坐姿的舒適性的是把注意力集中在人體生理結構與座椅結構以及幾何尺寸的關系上，使座椅的設計、制造兼有極好的、靜態(tài)和動態(tài)的特性。座椅的高度應當使人的體壓分布合理，如坐墊的前部不可與高或太硬，使人坐著時腳懸空應避免在大腿后部分布壓力，以防該部對血液循環(huán)不暢而產(chǎn)生下肢和腳浮腫現(xiàn)象，人的背部與座椅的靠背整個接合面上，應在腰凹處壓力最大，使軀干得到充分支持，背部不能弓形，又不妨礙手臂活動，因此，舒適的座椅應使坐墊在坐骨關節(jié)和靠背的第三腰椎骨附近受集中壓力[15]。
(3)體壓分布對舒適性的影響
圖5 正確的坐勢
Fig.5 Right sit potential
圖6 不正確的坐勢
Fig.6 The incorrect sitting posture
圖6是不正確的坐勢，腰弧線變形過大，椎間盤受力是不均勻的，使駕駛員容易產(chǎn)生疲勞，長期采用這種坐勢，會使椎骨間距內(nèi)外受拉受壓，容易造成人體腰部變形。
影響人們駕駛汽車舒適性的另一因素，就是人體的生理因素臀部的體壓分布。人們的臀部在坐骨周圍的肌肉可以承受較大的壓力，而大腿下面的肌肉內(nèi)部分布有較大的皿管和神經(jīng)系統(tǒng).因此不能承受壓力，否則將影響神經(jīng)傳導[20]。
如圖7所示，可以看出，合理的人體壓力分布不是平均分布的，而是從坐骨向周圍逐漸平滑減小壓力。因此人體的重量作用在坐墊上的壓力應當隨臂部不同部位[6]，呈不均勻的分布。圖8中每條封閉的曲線，代表著一個等壓線。每條等壓線的數(shù)字是壓力分布情況，壓力的單位是kg/m2。
圖7 臀部的體壓分布
Fig.7 Hip body pressure distribution
圖8 理想的駕駛姿勢
Fig.8 The ideal driving posture
由以上的圖5、圖6、圖7的分析，可以得出圖8的模型，這一較理想的、舒適的駕駛姿勢。人體所處的角度是合理的。在這種姿勢下駕駛汽車，腰曲弧線拉伸和受壓最小，腰背肌肉幾乎處在松弛狀態(tài)，大腿血管和神經(jīng)系統(tǒng)不容易受到壓迫，頸曲變形很小，這是最合理的，最舒適的駕駛姿勢。
2.4 用戶人體尺寸設計
各種設備和工具等設計對象在適合于人的使用方面，首先涉及的問題是適合人的形態(tài)和功能范圍的限度。例如，一切操縱設備都應設在人的肢體活動所能及的范圍之內(nèi)，其高低位置必須與人體相應部位的高低位置相適應，而且豈不知應盡可能設在人操作方面、反應最靈活的范圍之內(nèi)。所以研究人體尺寸模型——用人體模型描述人體尺度是非常有必要的。
人機工程學范圍內(nèi)的人體形態(tài)測量數(shù)據(jù)主要有兩類，即人體構造尺寸和功能尺寸，也就是人體靜態(tài)尺寸和人體動態(tài)尺寸。而針對于座椅設計的人體尺寸相關的主要有人體立姿尺寸和人體水平尺寸口。
2.4.1 人體靜態(tài)尺寸
人體靜態(tài)尺寸，著眼于人體天然結構，比如身高、體重、腿臂長度等，是建立人體尺寸模型的基礎。國家標準GB 10000-88“中國成年人人體尺寸”按照人機工程學的要求提供了我國成年人人體尺寸的基礎數(shù)據(jù)[7]。標準中共給出了7類47項人體尺寸基本數(shù)據(jù)。人體的主要尺寸包括身高，體重、上臂長、前臂長、大腿長、小腿長等6項。根據(jù)有關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國人體基本尺寸見表1。
表1 我國人體基本尺寸
Fig1 Our basic human body size 單位：mm
尺寸名稱 尺寸數(shù)值 尺寸名稱 尺寸數(shù)值
男 女 男 女
續(xù)表1
尺寸名稱 尺寸數(shù)值 尺寸名稱 尺寸數(shù)值
男 女 男 女
身長 1688 1586 肩窄寬 426 392
眼高 1585 1480 臀寬 334 395
肩高 1421 1320 下肢前伸長 1016 977
坐姿身高 897 849 大腿長 422 409
坐姿眼高 794 743 大腿長 401 369
肘到坐平距離 245 239 足高 71 66
上肢前伸長 731 689 膝臀間距 551 525
大臂長 269 261 大腿平長 433 432
小臂長 247 226 膝上到足底距離 515 480
手長 193 179 膝彎到足底距離 406 383
前伸長 731 689
注：一般人體尺寸都是在立正或正坐的姿勢狀態(tài)下測量的，因為在人體自然狀態(tài)下測量很容易出現(xiàn)差別。在設計時，通常也要按立正或正坐時的人體尺寸來考慮。
2.4.2 人體測量尺寸
人體是一個復雜的生理體系，影響人體尺寸特征的因素很多，如國家、地區(qū)、民族、生活環(huán)境和風俗習慣等[14]。經(jīng)多年研究，我國成年人人體尺寸的國家標準GB 10000-88已經(jīng)于1987年7月開始實施，它為我國人機工程設計提供了基礎數(shù)據(jù)。該標準提供了代表從事工業(yè)生產(chǎn)的法定中國成年人男子18~66歲，女子18~55歲的人體結構尺寸數(shù)據(jù)，共七個類別47項人體尺寸數(shù)據(jù)，包括人體主要尺寸、立姿人體尺寸、坐姿人體尺寸、人體水平尺寸、年齡段為數(shù)列表，其中主要人體結構尺寸寸如表2所示。
表2 人體尺寸表
Fig2 Human body dimensions table
測量項目分類 主要測量項目
人體主要尺寸 身高、上臂長、前臂長、大腿長、小腿長、體重
立姿人體尺寸 眼高、肩高、肘高、手功能高、會陰高、脛骨點高
坐姿人體尺寸 坐高、坐姿頸椎點高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢長
人體水平尺寸 胸寬、胸厚、肩寬、最大肩寬、臀寬、胸圍、腰圍、臀圍、系寬、坐姿臀寬、坐姿兩肘間寬
經(jīng)過多人對于我國人體數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析表明，人體尺寸服從正態(tài)分布。其所列人體尺寸數(shù)據(jù)的年齡段劃分跨度大，而且沒有18歲以下未成年男女的人體統(tǒng)計結構尺寸。但是由于男女在成年人后人體的主要結構尺寸變化較少，且在工業(yè)產(chǎn)品的人機設計過程中，絕大部分情況下僅需要成年人的結構尺寸數(shù)據(jù)[10]。另外，我國不同地區(qū)人體尺寸有一定的差異，不同國家問人體尺寸的差異也頗為明顯，可根據(jù)我國不同地區(qū)、我國與其它國家的人體結構尺寸的比例差異推算出來。
國標GBl0000—88中所列出的數(shù)據(jù)是在被測者裸體或穿者盡量少的內(nèi)衣時的測量數(shù)據(jù)。實際工作環(huán)境中對勞動者的著裝有著嚴格的限制，不同的著裝可以使測量數(shù)據(jù)發(fā)生較大的變化，所以選用人體尺寸數(shù)據(jù)時，要考慮勞動者的著裝情況。表3給出了建議調(diào)整數(shù)據(jù)。
表3 著裝人體尺寸增大調(diào)整值
Fig3 Dress hunman size adjustment value 單位:cm
人體尺寸 輕薄夏裝 冬季外套 輕薄工作服，靴和盔
身高 25-40 25-40 70
坐姿眼高 3 10 3
大腿與臺面距離 13 25 13
足長 13-40 40 40
足寬 13-40 13-25 25
足跟高 25-40 25-40 35
頭最大長 — — 100
頭最大寬 — — 105
最大肩寬 13 50-75 13
臀寬 13 50-75 13
(1)身高尺寸增大的調(diào)整值，前者為男性的皮鞋高，后者為女性皮鞋高。由于皮鞋高度增加，隨之立姿眼高、肩高、肘高也等量增大
2.4.3 人體尺寸數(shù)據(jù)統(tǒng)計規(guī)律
根據(jù)前面GBl0000-88的人體結構尺寸數(shù)據(jù)表可知，身高數(shù)據(jù)是不連續(xù)的。例如：18-66歲的男子在百分數(shù)為99時身高為1814mm，在百分數(shù)為50時身高為1678mm。若想為身高1700mm的人進行產(chǎn)品設計時，就必須對大量身高為1700mm的被測量者身體各部分的尺寸進行測量統(tǒng)計平均。人體結構尺寸相當多，單獨為某種身體尺寸的人進行產(chǎn)品設計顯然是非常有限的。如果可以找到測量的人體尺寸的計算公式[10]，當輸入身高時，就可以直接計算出所需的其它尺寸數(shù)值。統(tǒng)計資料表明：這種公式是存在的，也就是說人體測量尺寸尤其統(tǒng)計規(guī)律。這種規(guī)律就是：人體的結構測量數(shù)據(jù)與身高、體重存在一定的關系，這種關系可以用經(jīng)驗公式表達。表4列出了以身高為基本參數(shù)的主要的人體尺寸經(jīng)驗公式。
表4 人體各部分和身高的比例(H指身高)
Fig4 Parts of the body and the ratio of the height (H refers to the height)
人體尺寸 男 女
亞洲人 歐美人 亞洲人 歐美人
眼高 0.933H 0．937H 0．933H 0．937H
肩高 0.844H 0．833H O．844H 0．833H
肘高 0.600H 0．625H O．600H 0．625H
臀高 0.467H 0．458H 0．467H 0．458H
脛骨點高 0.267H 0．313H 0．267H O．313H
肩寬 0.222H 0．250H O．213H 0．200H
前臂長 0.267H 0．250H 0．267H 0．250H
手臂長 0.467H 0．438H 0．467H 0．438H
坐高 0.533H O．53lH 0．533H O．53lH
坐姿眼高 0.467H 0．458H 0．467H 0．458H
坐姿膝高 0.267H O．292H 0．267H 0．292H
坐姿肩高 0.334H 0．333H 0．334H 0．333H
坐姿肘高 0.123H O．150H 0．123H O．150H
坐深 0.267H 0．275H 0．267H 0．275H
小腿加足高 0.233H O．250H 0．233H 0．250H
坐姿大腿厚 0.080H 0．086H 0．080H 0．086H
臀膝距 0.320H 0．342H 0．320H 0．342H
人體活動空間尺寸(動態(tài)尺寸)是相對于人體靜態(tài)尺寸而言的。人體靜態(tài)尺寸，著眼于人體自然結構，而不考慮人的姿態(tài)與活動。人體活動空間尺寸，指人體肢體末端能夠達到的三維空間范圍，著眼于人的日常姿態(tài)與活動需要。人體靜態(tài)尺寸參數(shù)雖然可以解決不少工業(yè)產(chǎn)品造型設計中有關人體尺寸的問題，但是人在操縱設備或從事某種作業(yè)時并不是靜止不動的。因此，人們更關心的是以不同姿態(tài)工作時人體的手、腳能活動的范圍?？杉岸仁侵冈诳臻g特定位置，通過改變手臂或腿部的方向及伸展長度，手或腳是否能夠觸及空間內(nèi)某一物體的評價指標如圖9。常用活動尺度表的繪制，是檢驗可及度的主要手段，是產(chǎn)品設計不可或缺的重要依據(jù)之一[14]。在日常生活和工作中，人的動作是十分豐富的，而且會由此產(chǎn)生許許多多活動空間尺度。比如，人的手臂可以上舉、平舉、側平舉、斜舉，可以推、拉、伸、屈、拿、送，沿著不同的方向或角度轉動：可以單臂動作、雙臂動作、上臂動作、下臂動作、雙臂同時動作、上下臂協(xié)調(diào)動作等等。人的手腕也可以有不少動作方向，人的手指則更為靈活。人的腿腳動作同樣多不勝舉。
圖9 三維H點測量裝置
Fig.9 Three-dimensional H measurement device
2.4.4 人體動態(tài)尺寸
人體活動空間尺寸(動態(tài)尺寸)是相對于人體靜態(tài)尺寸而言的。人體靜態(tài)尺寸，著眼于人體天然結構，而不考慮人的姿態(tài)與活動。人體靜態(tài)尺寸參數(shù)雖然可以解決不少工業(yè)產(chǎn)品造型設計中有關人體尺寸的問題，但是人在操縱設備或從事某種作業(yè)時并不是靜止不動的。因此，人們更關心的是以不同姿態(tài)工作時人體的手、腳能活動的范圍(圖10)。可及度是指在空間特定位置，通過改變手臂或腿部的方向及伸展長度，手或腳是否能夠觸及空間內(nèi)某一物體的評價指標。常用活動尺度表的繪制，是檢驗可及度的主要手段，是產(chǎn)品設計不可或缺的重要依據(jù)之一。
圖10 肢體活動空間尺度
Fig.10 Physical achivity scale
在常生活和工作中，人的動作是十分豐富的，而且會由此產(chǎn)生許許多多活動空間尺度。比如，人的手臂可以上舉、平舉、側平舉、斜舉，可以推、拉、伸、屈、拿、送，沿著不同的方向或角度轉動：可以單臂動作、雙臂動作、上臂動作、下臂動作、雙臂同時動作、上下臂協(xié)調(diào)動作等等。人的手腕也可以有不少動作方向，人的手指則更為靈活。人的腿腳動作同樣多不勝舉．如果把人的頭部、軀干與四肢協(xié)調(diào)配合起來，同時動作，其動作方向、動作幅度、動作數(shù)量，幾乎可以多到無法統(tǒng)計，故多關節(jié)的真實人體空間尺度難以描述。
2.4.5 人體坐姿功能尺寸
所謂產(chǎn)品功能尺寸是指以人體尺寸參量為基礎，考慮該產(chǎn)品的某項功能相對人體尺寸參量做修改的產(chǎn)品尺寸。
圖11 舒適的坐姿關節(jié)角度
Fig.11 Sitting comfortably in the joint angle
國家標準規(guī)定了不同身高等級的成年人坐姿功能尺寸設計的基本條件、功能尺寸、關節(jié)功能活動角度、設計圖和使用要求。主要用人體模版來設計和確定坐姿條件下的座椅、工作面，支撐面、調(diào)節(jié)配件配置是的功效學要求[17]。下表是人體的舒適性是進行座椅設計的主要考慮因素圖表11的是人體各關節(jié)之間的關系。
2.4.6 人體尺寸測量
本課題針對的是私家轎車駕駛座椅進行研究，作者針對這一用戶群進行了相關的尺寸測量。根據(jù)用戶普遍反映的座椅腰靠和頭枕部分的設計相關的尺寸確定的主要測量項目有：身高、肩峰——坐骨結節(jié)、第一頸椎——坐骨結節(jié)、第七頸椎——坐骨結節(jié)、第五頸椎——坐骨節(jié)結。
(一)測量實驗
(1)實驗場所：湖南農(nóng)業(yè)大學校內(nèi)醫(yī)院。
(2)實驗設備：體重計、人體坐高測量儀、卷尺、體重計、人體坐高測量儀、卷尺。
(3)實驗人員：作者本人、數(shù)據(jù)記錄員、20名被測者。
(4)測量人員：25-35的健康成年人，男女各10人。
(5)計測項目：身高、肩峰高、第一頸椎高、第七頸椎高、第五腰椎高。
(二)實驗數(shù)據(jù)
表5 成年男子測量項目數(shù)據(jù)
Fig5 Adult males measure ptoject data 單位：cm
性別 身高 肩峰高 第一頸椎高 第七頸椎高 第五腰椎高
男 177 65.1 73.6 66.3 18.7
男 175 66.3 77.2 69.9 19.6
男 175 64.7 74.8 65.6 19.8
男 179 61.1 75.5 66 21.3
男 174 63.5 76.1 68.4 19.4
男 175 62.5 71 64.2 19.4
男 170 57.6 69.2 67.5 16.6
男 167 60.1 71.4 63.7 19.5
男 172.5 62.2 68.3 63.1 15.9
男 175.5 61.5 72.3 66 16.5
表6 成年男子測量項目數(shù)據(jù)
Fig6 Adult females measure ptoject data 單位：cm
性別 身高 肩峰高 第一頸椎高 第七頸椎高 第五腰椎高
女 164 60.1 72.6 62.3 19.7
女 166 60 67.8 61.2 17.6
女 165 61 69.4 61.5 19.2
女 174 63.9 75.6 66 23
女 164.6 55.4 67.4 58.7 20
女 161 57.9 67.8 59.7 19
女 166.5 60.2 70.2 63 18.6
女 157 54 66 58 17
女 165 63 73 65.2 22
女 164 58 67.9 61.3 17
(三)數(shù)據(jù)統(tǒng)計： 單位：cm
Aver
Aver 174 62．26 72．64 66．07 18.53
Aver 164．02 59．01 69．47 61．43 19.13
Aver 169．01 60．635 71．055 63．75 18.83
性別 身高 肩峰高 第一頸椎高 第七頸椎高 第五腰椎高
男 174 62.26 72．64 66．07 18．53
女 164．02 59．01 69．47 61．43 19．13
總 169．01 60．635 71．055 63．75 18．83
從量表可以看出人體各部分的尺寸變化是成一定比例地變化，與身高尺寸成正比例變化。我們在應用數(shù)據(jù)的時候可以根據(jù)統(tǒng)計學找出相關的尺寸系數(shù)，進行計算。
(3)數(shù)據(jù)修正：
根據(jù)表進行尺寸的修正，得到男性平均身高為171．5cm，女性平均身高為160．02cm，總測量群的平均身高為166.1cm。
3 座椅設計要素
3.1 座椅的設計參數(shù)H點的控制和舒適性控制
(1)設計座椅的參數(shù)基準
踏腳平面：無論是什么型式的座具，踏腳平面部是確定參數(shù)最基本的起點。座面與踏腳平面的尺寸關系，決定了腿的姿態(tài)。但踏腳平面只能決定座具的部分參數(shù)，因此我們把它當作初始基準。
股骨大轉子：又稱H點，是股骨圍繞鎖骨轉動的軸心(人體軀干和大腿的鉸接點)。具有足蹬式操縱器的坐姿設計，如汽車駕駛姿態(tài)設計，一般以H點作為設計基準。
坐骨結節(jié)：一般座具通常采用坐骨結節(jié)作為設計基準。
座具參考點：又叫SRP點，是人取坐姿時大腿下側和后背兩條包絡切線的交點。以上三個基準點，可以通過一定的尺寸相互換算。
(2)駕駛座椅設計的主要參數(shù)
駕駛座椅設計的主要參數(shù)有：座墊深度、座墊寬度、座墊高度、座墊角度、座墊與靠背的夾角、靠背寬度、靠背高度如圖13。座椅尺寸設計主要參數(shù)包括：A椅面高度、B寬度、C深度、椅面傾角；D靠背的高度、寬度和傾角。座椅尺寸設計涉及主要參數(shù)如圖13中所示。
圖13 座椅尺寸設計主要參數(shù)
Fig.13 Seat size of main design parameters
3.2 駛座椅靜態(tài)參數(shù)的選取
駕駛姿勢下人體尺寸式座椅幾何尺寸確定的基準，以下是基于人機工程學原理的座椅有關參數(shù)的選取方法：
(l)椅面高度A：椅面高度應使駕駛員大腿接近水平、小腿自然放置，即保證不因椅面過高而使大腿肌肉受壓，又保證不因椅面過低而增加背部肌肉負荷。
(2)座寬B：座寬必須能容納身材粗壯的人。參考尺寸為臀寬，以女性群體尺寸上限為設計依據(jù)：為使駕駛員能調(diào)整坐姿，座寬取適當大于臀寬．座寬亦不能太大，否則肘部必須向兩側伸展以尋取支承，這樣會引起肩部疲勞。另外座寬受車寬的限制。
(3)座深C：坐墊前端至靠背表面之間的距離。該尺寸不能太大，正確的座深應使靠背方便地支持腰椎部位。如座深大于身材矮小者的大腿長(臀部至膝窩距)。座面前緣將壓迫膝窩處壓力敏感部位，這樣若要得到靠背的支持，則必須改變腰部正常曲線；否則坐者必須向前緣處移動以避免壓迫膝窩，卻得不到靠背的支持，這兩種坐姿都是不舒適的。為適應絕大多數(shù)駕駛員，座深應當按照較小百分位的群體設計，這樣身材矮小者坐著舒適，身材高大的人只要小腿能得到穩(wěn)定的支持，也不會在大腿部位引起壓力疲勞。
(4) 靠背高度D及寬度：靠背的高度和寬度與坐姿肩高和肩寬有關，對于汽車駕駛，椅靠背的高度應采取高靠背，最好加靠枕。
(5)座面傾角β：指座面與水平面所夾角度。座面后傾的作用有兩點：一是由于重力，驅趕后移，使背部抵靠靠背，獲得支持，可以降低背肌靜壓：二是防止坐者從坐緣滑出座面，這對于經(jīng)常處于震動顛簸環(huán)境中的駕駛員座椅非常重要。但是如果座面過分后傾，進行駕駛操作時，脊椎因身體前屈而會被拉直，破壞正常的腰椎曲線，形成一種費力的姿勢，同時還會壓迫腹部，長期駕駛會造成生理上的傷害。因此傾角不能太大，一般為50o~15o。坐墊表面最好由于臀部形態(tài)相適應的曲面。
(6)靠背傾角α：靠背傾角是指靠背與椅面水平方向的夾角。
(7)椅墊：坐姿狀態(tài)下，與座面緊密接觸的實際上只是臀部的兩塊坐骨結節(jié)，其上只有少量肌肉，人體重量的75％左右由約25cm2的坐骨周圍的部位來支承，這樣久坐足以產(chǎn)生壓力疲勞，導致臀部痛楚麻木感。若在座面上加上軟硬適度的坐墊，則測試研究表明，坐于坐墊上的臀部壓力大為降低．，而接觸支承面積也由900cm2增大到1050cm2，使壓力分散。坐墊的另一優(yōu)點是能使身體采取一種較穩(wěn)定的姿勢，讓身體可以適度地陷入坐墊。過硬的坐墊不足以起到預想的作用：太軟則使身體陷入其中，無法得到應有的支持，造成坐姿不穩(wěn)，而身體為了維持一定的姿勢，不得不使肌肉緊張，疲勞便很快產(chǎn)生。
對汽車座椅的綜合要求可歸納為：
(l)貼合感：座椅靠背和考點的形狀是否與人體背部、臀部、大腿底面的形狀相貼合。接觸面積和部位以及座椅的彈性遲滯損失特征與貼合感密切相關。
(2)側向穩(wěn)定感：汽車轉向行使時乘坐者能受到座椅左右的適當約束，避人體橫向偏斜。側向穩(wěn)定感與座椅兩側形狀、壓力以及壓力分布等因素有關系。適當選擇側向壓力與總壓力之比能改善側向穩(wěn)定感。
(3)腰椎依托感：腰椎依托感良好的座椅，其乘坐者容易獲得舒適姿勢。第3至第5腰椎部的壓力與靠背總壓力比適當時，依托感有明顯改善。
(4)震動彈性感：與震動彈性感相聯(lián)系的是座椅的靜態(tài)剛度、共振頻率及衰減特性。
圖14 駕駛作業(yè)空間設計的主要指標
Fig.14 Driving operation in space design of the main index
(5)坐墊與靠背的軟硬感：可用392N佐夫和德靜態(tài)變形特性來反映，不得有陷落的感覺。除上述要求外，汽車座椅不得有臀部滑落感、腹部壓迫感、脊背部弓形感等。座椅空間位置設計 座椅空間位置設計就是為了達到操作舒適性的目標，而進行駕駛座椅空間位置設計以確保駕駛員有良好的視野，同時對汽車轉向盤、腳踏板等操作部件有恰當?shù)牟僮饕缶嚯x，以達到操作舒適性的最終目的[7]。圖14列出了駕駛作業(yè)空間設計的主要指標。
3.3 汽車座椅主要部件的設計
座椅部件主要包括坐墊、靠背、頭枕、骨架蒙皮、減振機構調(diào)整機構等，設計原則的依據(jù)是：座椅靠背的造型和曲線應與人體放松狀態(tài)下的背部曲線和臀部曲線相吻合，能支撐到腰椎部位，不會因血液循環(huán)不良而引起肢體麻木，長時間乘坐不易感到疲勞；骨架及各機構應能滿足強度(安全)要求和使用要求，通過對座椅的前后上下、靠背的傾斜角度、頭枕前后上下等位置的有限調(diào)節(jié)，使大部分人處于舒適狀態(tài)。
(1)座椅靠背和加裝的網(wǎng)袋
圖15 靠背和加裝的網(wǎng)袋
Fig15 The seatback and the installation of mesh bag
靠背的設計主要指強度設計和造型設計，設計時應使靠背的高度、形狀符臺人體曲線，使背部肌肉處于放松狀態(tài)，并能給背部肩部有效可靠的支撐，使駕駛員保持穩(wěn)定的坐姿，還要有足夠的側背支撐，從而避免高速轉彎時的橫向滑動。設計時，如圖15靠背的高度和寬度一般分別為630mm和480mm。
不同的靠背傾角會導致不同的椎間盤內(nèi)壓力及背部肌肉負荷。當靠背傾角超過110o時椎間盤壓力顯著減小，所以設計時應考慮座椅的靠背傾角。為了提高舒適性．滿足司乘員在休息時的需求，靠背傾角應為可調(diào)式，并且調(diào)整范圍盡可能大。一般載重汽車為10