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1、第27卷第5期鞍山科技大学学报Vol.27No.52004年10月JournalofAnshanUniversityofScienceandTechnologyOct.,2004汽车座椅的设计与优化燕峰,李世国(鞍山科技大学机械工程与自动化学院,辽宁鞍山114044)摘要:根据坐姿的生理形态和体压分布,对汽车座椅的设计采用了人机工程学的方法进行分析,并用优化设计理论对座椅靠背曲线进行拟合,得出更符合人体生态曲线的座椅靠背曲线,以提高乘坐的舒适性,并适应人体的健康需要.关键词:座椅;人机工程;优化设计中图分类号
2、:TH123.1文献标示码:A文章编号:1672-4410(2004)05-0367-04据统计,目前我国各种车辆累计已达上亿辆,患上驾驶员腰、背痛职业病的人数也在1亿以上.经常背痛和不舒服的姿势使交通事故的危险增加了好几倍,因为司机无法集中精力驾驶汽车和关注道路.所[1][1]以,座椅对人体健康的影响当然很重要,目前国家对客车座椅的安全性、牢固性有一定要求,而对于座椅与人体健康没有明显要求,因此对汽车座椅的设计必须加以重视.以往是采用比较落后的比照设计方法,根本无法适应如今汽车工业的迅速发展.本文通过对座椅
3、的人机工程分析,得出简化的力学模型,再对靠背曲线进行优化设计,得到更符合人体曲线的靠背形状,使设计的座椅更加舒适和美观,以确保人体的健康.1座椅的人机工程分析1.1坐姿的生理形态在坐姿状态下,支持人体的主要结构是脊柱、骨盆、腿和脚等.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,保持上体与大腿间角在90°-115°,同时,小腿向前伸,大腿与小腿、小腿与脚[2]掌之间也应达到一定角度,如图1所示,否则会造成腰部酸痛、疲劳等不舒适的感觉.此时,腰椎、骶骨和椎间盘及软组织承受坐姿时上身大部分负荷,还要实现弯
4、腰扭转等动作(图2),对设计而言,这两部分最重要.图1舒适的坐姿关节角度图2脊柱的形状及组成Fig.1ComfortablejointangleinseatingFig.2Shapeandcomponentofbackbone收稿日期:2004-06-11.作者简介:燕峰(1965-),女,辽宁鞍山人,副教授.·368·鞍山科技大学学报第27卷1.2人体坐姿的体压分布人体的质量在靠背和坐垫上的压力分布叫坐姿的体压分布.根据人机工程学的研究,最舒适的坐姿分布应保证:人体的大部分质量应以较大的支承面积、较小的单位
5、压力合理地分布到坐垫和靠背上;压力分布应从小到大平滑地过渡,避免突然变化.[3]图3所示为人体的靠背和坐垫上最适宜的体压分布.由图可见,人体质量作用在座椅上的压力并非均布,由前面分析可知,舒适的坐姿是肩部和臀部同时支撑身体质量,因而应根据各部位在产生不舒适感觉之前所能承受压力的大小予以合理的分布.坐垫上的体压分布图3坐椅各部位的受力图应使坐骨部分承受的压力最高,由坐骨周围扩展到臀部外围,压力逐Fig.3Distributionofphsical渐降低,直到与坐垫前缘接触的大腿下平面趋于最低值.靠背上的体str
6、engthinaseat压分布则应以肩胛骨和腰椎骨两个部位的压力最高.这就是靠背设计中所强调的“两点支承”.2座椅的设计2.1靠背参数的设计设置适当的靠背可以降低背部紧张度.当人体背部脊柱处于自然形态时最舒适,要达到这一点,只有通过座椅的坐面与靠背之间的角度、靠背的形状和适当的腰椎支持来保证.由于每个人的脊柱长度不同,身材也不完全相同,因此每个人的脊柱曲度变化存在着一定的差异,这就使靠背高度与其形状之间出现了复杂的关系.座椅的形状应与脊椎自然弯曲相符,主要是提供腰椎与肩胛骨两个支承点,特别是腰椎支承,因坐姿主
7、要的疲劳形式是腰肌疲劳.为能保证腰部支承,在骶骨一带最好留有空隙,以便就坐者自己向后调整体位时,不会因为臀部抵着靠背使腰部不能按自然弯曲状态使用靠背.根据人体数模结果可得到高靠背椅的参数:靠背倾角范围取为105°-115°,高靠背座椅的高度应达到肩部,可取为530-560mm,宽度为480mm,坐垫倾斜角为6°-7°.2.2靠背曲线的优化优化的目的是在人机工程基础上对数据点进行优化,以获得符合人体生态曲线的靠背,提高乘坐的舒适度.2.2.1优化模型的建立为了拟合N个数据点成为一条光滑曲线,采用三次样条插值算法
8、,它能满足插值函数的光滑性.对于给定的函数表,可用在每个子区间上端点值近似替代原来的函数值,其中在每个子区间上都是不高于三次的多项式.(1)在每个区间[xj-1,xj]上,三次样条函数可表示为3322(xj-x)(x-xj-1)Mj-1hj-1xj-xMjhj-1x-xj-1s(x)=Mj-1+Mj+yi-1-+yi-x∈[xj-1,xj](1)6hj-16hj-16hj-16hj-1其中:hj-1
