運(yùn)輸車(chē)座椅人機(jī)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)

徐來(lái)春++楊甫勤

摘 要：本文從長(zhǎng)途運(yùn)輸車(chē)駕駛室座椅舒適性需求分析入手，依托人機(jī)工程設(shè)計(jì)分析理論，運(yùn)用功能區(qū)域優(yōu)化方法確定了運(yùn)輸車(chē)座椅舒適性的區(qū)域位置，并利用Matlab軟件繪制出該優(yōu)化區(qū)域，從而改善了運(yùn)輸車(chē)座椅設(shè)計(jì)的靈活性和方便性，為運(yùn)輸車(chē)運(yùn)行安全提供了方法途徑。

關(guān)鍵詞：運(yùn)輸車(chē)座椅；舒適性；人機(jī)工程

駕駛員座椅優(yōu)良的舒適性，可以有效消除司機(jī)疲勞強(qiáng)度和降低車(chē)輛次生事故率。優(yōu)化運(yùn)輸車(chē)座椅的舒適性和人機(jī)運(yùn)行環(huán)境設(shè)計(jì)，提升運(yùn)輸車(chē)駕駛員良好的身心狀態(tài)，是有效解決長(zhǎng)途運(yùn)輸車(chē)不安全因素的基本途徑。

1 運(yùn)輸車(chē)座椅位置舒適性需求分析

運(yùn)輸車(chē)座椅的舒適性與駕駛員的坐姿密切相關(guān)，座椅對(duì)臀部的體壓、頸部的曲度以及駕駛時(shí)腰腿部與駕駛室地面的角度，都是影響駕駛汽車(chē)舒適性的重要因素。

如圖1所示，人體重量在運(yùn)輸車(chē)坐墊上產(chǎn)生的壓力，由于臀部支撐作用而呈不均勻性分布，形成臀部壓力從坐骨向周?chē)饾u減小的狀態(tài)，圖1中每條封閉的等壓線數(shù)字表示的是壓力分布情況（單位為kg/m2）。

圖2模型中顯示了整個(gè)人體處于最合理、最舒適的駕駛姿態(tài)和角度，在這種狀態(tài)下駕駛汽車(chē)，人體腰背肌肉放松，腰部和大腿血管受壓最小，頸椎曲度最合適，駕駛舒適性處于最優(yōu)。

2 運(yùn)輸車(chē)座椅舒適性位置的確定

人體H點(diǎn)是確定座椅在運(yùn)輸車(chē)駕駛室中舒適位置的關(guān)鍵參考點(diǎn)，如圖3所示。所謂人體H點(diǎn)就是指二維或者三維人體模型樣板中人體軀干與大腿的連接點(diǎn)即胯點(diǎn)。

圖4是美國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)工程師學(xué)會(huì)（SAE J1517）推薦的坐姿舒適的H點(diǎn)位置線，但該方法和位置線都存在不足，一是H點(diǎn)位置線主要考慮人體坐姿舒適性因素，且跺關(guān)節(jié)的角度是一個(gè)固定值，對(duì)應(yīng)某一H30值具有單一性，局限性大；其次，該位置線依據(jù)的是美國(guó)駕駛員體型人體數(shù)據(jù)，不適合亞洲人體型。

由此可見(jiàn)，SAE J1517推薦的H點(diǎn)的位置線有很大的局限性，適應(yīng)性較差。綜合根據(jù)考慮到人體數(shù)據(jù)范圍不同和若干其他因素，符合舒適性功能要求的H點(diǎn)不應(yīng)僅僅只是一個(gè)點(diǎn)或者一條線，而應(yīng)該是一個(gè)范圍或區(qū)域。我們可以用集合的方法來(lái)確定H點(diǎn)的區(qū)域，達(dá)到優(yōu)化H點(diǎn)的目的。如下式：

{H}O={H}F1∩{H}F2 ∩{H}F3 ……{H}Fn

式中：{H}O為優(yōu)化后的H點(diǎn)區(qū)域；

{H}Fn（n=l，2，...）為各功能約束條件下的H點(diǎn)區(qū)域。

主要從坐姿舒適性和視野功能區(qū)域兩個(gè)主要因素考慮來(lái)優(yōu)化H點(diǎn)區(qū)域。

2.1 坐姿舒適功能區(qū)域的確定

如圖5所示為二維人體桿狀模型，各參數(shù)為： XH、ZH分別為H點(diǎn)的X向和Z向坐標(biāo)值；α1為軀干與X垂直面之間的夾角；α9為大腿與水平面之間的夾角；α3為大腿與小腿之間的夾角；α4為小腿與踏平面之間的夾角；α8為踏平面與地板之間的夾角。

由幾何關(guān)系可得H點(diǎn)坐標(biāo)方程為：

由式（2-1）、（2-2），結(jié)合表1中列出的變化范圍，由于運(yùn)輸車(chē)車(chē)體較大，駕駛員多為男性，故取第95百分位人體模型為研究對(duì)象。根據(jù)表1中給定的舒適角度范圍，在確定H點(diǎn)時(shí)，固定其中某一角度，如固定α8，其余兩個(gè)角度α4、α9就會(huì)相應(yīng)變化，在Matlab中繪制出H點(diǎn)的移動(dòng)軌跡，根據(jù)H點(diǎn)的移動(dòng)軌跡定義出舒適功能區(qū)域的邊界，如圖6所示，這些如同三角形式的封閉區(qū)域即為滿足坐姿舒適性要求的功能區(qū)域{H}F1。

2.2 視野功能區(qū)域的確定

駕駛員在駕駛運(yùn)輸車(chē)時(shí)，良好的視野可以極大的提高駕駛的安全性。在設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少駕駛員眼睛的疲勞。一般以靜視野感到舒適的角度范圍為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于運(yùn)輸車(chē)來(lái)說(shuō)，左右視野非常寬闊，一般都大于舒適視野之間，不用專門(mén)進(jìn)行設(shè)計(jì)。上下視野需要保證靜視野需在舒適度范圍內(nèi)，如圖7所示，靜視野最佳眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)內(nèi)為上視野在標(biāo)準(zhǔn)視線上25°，下視野在標(biāo)準(zhǔn)視線下30°范圍內(nèi)。

根據(jù)靜視野最佳眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)上下視野的角度，眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)的上下最佳界限都經(jīng)過(guò)眼橢圓中心，以95百分位人體尺寸為模板，設(shè)駕駛員眼橢圓中心位置為O點(diǎn)，其中心坐標(biāo)為xO=624mm，zO=1325mm，眼睛上下最佳界限直線方程為：

Z1=0.4663x+1616 （2-3）

Z2=-0.5774x+1685.3 （2-4）

由圖7和圖8可得O點(diǎn)的坐標(biāo)方程：

然后，代入Z1、Z2的方程整理得：

由Z1、Z2方程和表1中的舒適坐姿角度范圍，利用Matlab軟件，繪制出如圖9所示的駕駛員視野范圍{H}F2。

取{H}F1、{H}F2功能區(qū)域交集

（{H}O={H}F1∩{H}F2），即得出了符合兩種因素在內(nèi)的的優(yōu)化區(qū)域，如圖10所示。

優(yōu)化后的H點(diǎn)區(qū)域具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：

①坐姿舒適；

②視野舒適；

③設(shè)計(jì)更加靈活和方便。