對(duì)工程施工車輛座椅舒適度及安全性能的分析

汪中興　李瑞寶

摘要：工程施工車輛由于工作的特殊性，其座椅的配置很講究，它既要讓司機(jī)有舒適感，更要體現(xiàn)安全性，這是現(xiàn)代社會(huì)對(duì)汽車制造業(yè)的要求。文章對(duì)這一問題進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：工程施工；車輛座椅；舒適度；安全性

中圖分類號(hào)：U463文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-1145（2009）14-0147-02

一、前言

車輛的乘坐舒適度及安全性是評(píng)價(jià)汽車性能的主要指標(biāo)，其中座椅的舒適度及安全性設(shè)計(jì)已成為汽車廠商所

關(guān)注的主要內(nèi)容。當(dāng)今汽車座椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由頭枕、靠背、座墊、滑道等組成。座椅的主要功能是支撐駕駛員及乘坐人員的身體，減緩路面不平傳給人體的沖擊并減弱由此而引起的震動(dòng)。給駕乘提供舒適、安全的乘坐條件和便于駕駛操作的良好的工作條件。

根據(jù)生物動(dòng)力學(xué)原理，長時(shí)間地承受高強(qiáng)度的全身震動(dòng)對(duì)于人體健康的損害是相當(dāng)嚴(yán)重的。主要是腰脊和相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)受到影響。新陳代謝以及源于機(jī)體內(nèi)部的一些其他因素會(huì)惡化這個(gè)影響，通常認(rèn)為環(huán)境因素，如

身體姿勢、低溫及氣流會(huì)引起肌肉疼痛。工程施工車輛司乘人員對(duì)這種影響感受最深。

二、座椅舒適度研究

（一）座椅舒適度的指標(biāo)

根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，靜態(tài)舒適度設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循以下原則：（1）座椅尺寸應(yīng)與人體測量尺寸相適宜；（2）座椅應(yīng)可調(diào)節(jié)，能使乘坐者變換姿勢，并最大范圍滿足各類人體的乘坐要求；（3）座椅應(yīng)能使乘坐者保持舒適坐姿，靠背結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)給腰部充分的支撐,使脊柱接近于正常彎曲狀態(tài)。

車輛座椅的幾何相關(guān)特性應(yīng)符合人體測量學(xué)特征。如座寬對(duì)應(yīng)人的臀寬，它的設(shè)計(jì)應(yīng)符合身材高大的人，適宜采用較大百分位的女性測量值為設(shè)計(jì)依據(jù)；靠背的尺寸與坐高及肩寬有關(guān)，舒適的靠背形狀與人體脊柱曲率有關(guān)等。壓力分布特征要符合人體坐姿：根據(jù)人體脊椎骨受力特征，坐墊上合理的壓力分布應(yīng)是坐骨處最大，并向四周遞減，大腿部位壓力最?。豢勘程幯挡繎?yīng)有強(qiáng)大的支撐，沿此向外逐漸減小；另外，左右兩邊壓力應(yīng)當(dāng)對(duì)稱分布。

（二）影響座椅舒適度的因素

座椅的幾何尺寸是影響座椅舒適度的因素，但研究發(fā)現(xiàn)這并非唯一的影響因素。許多相關(guān)資料都提及腰部支撐的重要作用。腰托的形狀和位置，對(duì)于是否能使人保持良好坐姿，減少人體疲勞具有重要作用。從人機(jī)工程學(xué)的角度來講，腰部是體現(xiàn)座椅功能的關(guān)鍵部位。因此，座椅的腰托是影響舒適性的關(guān)鍵因素。腰托的安裝位置在座椅靠背結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中十分重要。乘員正常入座時(shí)，人體身軀與大腿的連接點(diǎn)—胯點(diǎn)（hip point）簡稱H點(diǎn)，H點(diǎn)的位置是決定駕駛員操作方便、乘坐舒適性相關(guān)的車內(nèi)尺寸的基準(zhǔn)。此外，座椅的調(diào)節(jié)特性對(duì)座椅的舒適度影響很大，已成為座椅舒適度設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的因素。壓力分布是導(dǎo)致不舒適的最主要的生物力學(xué)因素，通過界面壓力對(duì)座椅舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià)是一種重要客觀、有效的方法。

（三）座椅舒適度的研究方法

從汽車座椅設(shè)計(jì)及改善的角度出發(fā)，消除座椅不舒適性最理想的方法是能建立定量模型，預(yù)測座椅的不舒適性。國內(nèi)外研究中,建立的模型主要有如下3種：利用模糊理論建立的模型；線性模型；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。E. Levrat利用多標(biāo)準(zhǔn)的模糊理論模型對(duì)不同種類的不舒適以及座椅不同部位的不舒適建立了模糊理論的評(píng)價(jià)模型；M.Kolic則將測得的壓力分布值、人體測量值、對(duì)座椅的外觀評(píng)價(jià)值等作為自變量，以綜合舒適度OCI作為因變量，分別建立起了舒適度的線性模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。利用這些定量化的模型能夠有效確定各因子影響程度的大小，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)及預(yù)測座椅的舒適度，并反饋于座椅的舒適度設(shè)計(jì)中。

目前國內(nèi)在座椅舒適度的研究上還存在一些缺陷。沒有針對(duì)中國人體特征尺寸的座椅舒適性研究，特別沒有對(duì)工程施工車輛座椅進(jìn)行專門研究；其次，對(duì)于座椅靜態(tài)舒適性評(píng)價(jià)還沒有形成一套客觀系統(tǒng)的體系；最后，在應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法評(píng)價(jià)舒適性中，對(duì)輸入量的界定還不夠清晰明確，有待進(jìn)一步研究。

三、座椅安全性設(shè)計(jì)

座椅安全性設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：座椅強(qiáng)度的設(shè)計(jì)、座椅結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)、靠背的設(shè)計(jì)、坐墊的設(shè)計(jì)、頭枕的設(shè)計(jì)

（一）座椅強(qiáng)度的設(shè)計(jì)

座椅強(qiáng)度的設(shè)計(jì)是安全性設(shè)計(jì)的首要內(nèi)容。汽車行駛中，座椅要承受復(fù)雜的載荷。汽車座椅必須有足夠的強(qiáng)度，以確保座椅上的人所受的傷害最??；座椅的壽命應(yīng)足夠長，不致過早變形或損壞；受沖擊載荷作用時(shí)，座椅不應(yīng)發(fā)生斷裂、嚴(yán)重變形等損壞現(xiàn)象。所以設(shè)計(jì)座椅時(shí)必須對(duì)汽車座椅的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，盡量以最少的材料、最小的質(zhì)量滿足強(qiáng)度要求。

（二）座椅結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)

座椅整體結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的是其對(duì)其他約束系統(tǒng)效能的影響及與其他約束系統(tǒng)之間的連接方式等。

（三）靠背的設(shè)計(jì)

靠背的安全性設(shè)計(jì)應(yīng)考慮靠背的強(qiáng)度、傾角、基本尺寸及其形狀?？勘车膹?qiáng)度設(shè)計(jì)不但應(yīng)該在“追尾”等后部碰撞時(shí)給乘員提供良好的保護(hù)，而且也要考慮側(cè)碰時(shí)對(duì)乘員的保護(hù)。而靠背傾角、基本尺寸及其形狀對(duì)尾部碰撞的嚴(yán)重程度有很大影響。

（四）坐墊的設(shè)計(jì)

坐墊一般不會(huì)造成對(duì)乘員的直接沖擊傷害，但坐墊的結(jié)構(gòu)可以影響到乘員運(yùn)動(dòng)過程、約束力加到乘員身體上的方式及外部載荷(加速度、力等)的絕對(duì)值大小。坐墊深度設(shè)計(jì)的原則是在充分利用靠背的情況下，使臀部得到合理的支承。坐墊深度不應(yīng)該超過人的大腿長度。

（五）頭枕的設(shè)計(jì)

頭枕是一種用以限制乘員頭部相對(duì)于軀干向后移位的彈性裝置。其作用是在發(fā)生碰撞時(shí)，減輕乘員頸椎可能受到的損傷。尤其是在汽車受到追尾碰撞時(shí)，可抑制乘員頭部后傾，防止或減輕頸部損傷?，F(xiàn)多采用模擬計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法，該方法重復(fù)性好、存儲(chǔ)信息量大、開發(fā)周期短且開發(fā)費(fèi)用低。

一般的座椅是由幾千個(gè)零件組裝而成，在建模前首先需要對(duì)座椅的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定各個(gè)零件對(duì)強(qiáng)度特性的影響，根據(jù)影響程度的不同對(duì)零件進(jìn)行篩選。對(duì)于座椅中主要的支撐性零部件，應(yīng)精確建模，以保證模型的正確性；對(duì)靜強(qiáng)度特性影響不大的零件，只要抓住其主要的幾何形狀進(jìn)行建模即可；對(duì)于基本沒影響的部件，可以簡單建模或不建模。汽車座椅骨架屬于空間桿系和空間板系的組合結(jié)構(gòu)，由于各種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不完全對(duì)稱；同時(shí)，汽車在行駛過程中，座椅承受復(fù)雜的載荷，結(jié)構(gòu)中的各個(gè)桿件既受彎曲又受扭轉(zhuǎn)。對(duì)于這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，利用有限元方法對(duì)座椅系統(tǒng)進(jìn)行各種情況仿真，具有明顯優(yōu)越性，不僅能節(jié)省大量的人力、物力、財(cái)力，還能取得良好效果。

早期的汽車座椅骨架大都采用簡單的鋼管結(jié)構(gòu)，因此最早采用空間梁單元進(jìn)行強(qiáng)度分析。受硬件設(shè)備與軟件水平的限制，當(dāng)時(shí)的座椅有限元模型都比較簡單，單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少。隨著座椅結(jié)構(gòu)形式的不斷變化，單純用梁單元已不足以精確地描述座椅骨架的結(jié)構(gòu)，于是越來越多地使用了其他的單元形式建模，如空間板殼單元、實(shí)體單元等。目前可用于座椅強(qiáng)度分析的有限元軟件有MSC.NASTRAN、ABAQUAS、ANSYS、SAP、PAM-CRASH、DYNA-3D等。座椅在承受外部載荷時(shí)，主要受力部件是骨架，骨架表面的蒙皮及軟墊等覆蓋物對(duì)外部載荷的分配很少，基本上不能承受外部帶來的較大載荷力。另外，由于軟墊及蒙皮的形狀往往是復(fù)雜且不規(guī)則的，如果對(duì)這種軟墊和蒙皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，不僅大大增加了工作量，而且對(duì)結(jié)果的精確度提高往往不明顯。因此，對(duì)于軟墊和蒙皮的處理采取在有限元建模時(shí)不予考慮?；谝陨戏治?，在對(duì)座椅進(jìn)行強(qiáng)度特性分析時(shí)，只考慮對(duì)座椅骨架總成進(jìn)行幾何建模。幾何建模采用M S C.PATRAN軟件。MSC.PATRAN是世界上著名的有限元前、后處理軟件，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、造船、國防等各大領(lǐng)域。ABAQIJS是國際上最先進(jìn)的大型通用非線性有限元力學(xué)分析軟件之一，在采用MSC.PATRAN完成座椅總成強(qiáng)度有限元計(jì)算模型建立后，即可將其打包生成分析文件并運(yùn)用ABAQUS進(jìn)行計(jì)算。

四、結(jié)語

汽車座椅行業(yè)應(yīng)該致力于簡化座椅的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，大幅度縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用和成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能，獲得最優(yōu)化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品，希望有專業(yè)廠商針對(duì)工程施工車輛座椅進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，讓工程施工車輛司乘人員體會(huì)到社會(huì)進(jìn)步帶來的幸福。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡志鴻．汽車座椅安全振動(dòng)舒適度分析[J]．科技資訊，2007，（19）．

[2]孟翔，王宏明．基于ADAMS的汽車座椅沖擊強(qiáng)度研究[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007，（11）．

作者簡介：汪中興（1980- ），男，武警水電第一總隊(duì)第二支隊(duì)助理工程師，研究方向：工程機(jī)械的使用、維修、保養(yǎng)工作；李瑞寶（1980- ），男，武警水電第一總隊(duì)后勤部物資運(yùn)輸科助理工程師，研究方向：水電施工的現(xiàn)場協(xié)調(diào)和管理。