基于人機工程學(xué)的長途客車座椅設(shè)計與分析

沈華林

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基于人機工程學(xué)的長途客車座椅設(shè)計與分析

沈華林

（佛山市姆巴佩汽車配件有限公司，廣東 佛山 528000）

論文利用PRO/E軟件，充分考慮人機工程學(xué)，設(shè)計一種符合乘客要求的長途客車座椅。設(shè)計過程中，結(jié)合人機工程學(xué)和人體坐立時的體壓分布特性，使設(shè)計的座椅靠背曲線符合人體脊柱曲線。根據(jù)國家汽車碰撞試驗分析結(jié)果，對座椅進行了改進，改進后的座椅更好地符合人機工程學(xué)的要求。

長途客車座椅；人機工程；PRO/E

前言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的提高，汽車已經(jīng)融入了人們的日常生活。作為對汽車人機交換性能起關(guān)鍵作用的汽車座椅，人們對其舒適性和安全性提出了較高的要求。過去，座椅在設(shè)計時沒有考慮到符合人體舒適坐姿的生理特性，忽略了座椅的人機工程學(xué)，僅僅是從外觀角度出發(fā)進行設(shè)計，結(jié)果往往難以滿足人們的要求[1]。

本文利用PRO/E軟件，設(shè)計一種基于人機工程學(xué)的長途客車座椅。在本設(shè)計中，充分考慮人機工程學(xué)和人體坐姿的體壓分布特性進行座椅的建模，使座椅靠背曲線符合人體脊柱曲線，并對座椅骨架進行了動態(tài)特性的改進，使座椅更加舒適安全。

1 設(shè)計方案

長途客車座椅一般由座墊、靠背、扶手和骨架等四大部分構(gòu)成，根據(jù)座椅的基本組成，可以有如下兩個方案：

方案1：它的坐墊剛性連接在車廂上，坐墊前端平整，坐墊面水平，靠背為平面型支撐，表面透氣性能不佳，多數(shù)設(shè)計成高靠背。

方案2：坐墊面具有一定的傾角，邊緣過渡為圓弧曲面，背靠按人體脊柱曲線設(shè)計，配備頸枕，背靠面開了小孔，背靠內(nèi)連接制冷系統(tǒng)，骨架由三坐標方位的彈簧彈性連接于車廂。

方案1造型簡單，采用固定的座椅偶爾會受到重大沖擊，對人體傷害很大，而方案2采用的彈性連接可有效減少對人體的傷害，故本題采用方案2進行設(shè)計。

2 PRO/E環(huán)境下基于人體工程學(xué)的座椅設(shè)計

2.1 座姿人體工程學(xué)

脊柱是人體的主要支柱，而脊柱中的腰椎尤為重要，實現(xiàn)人體承重的同時還要實現(xiàn)人體運動時彎腰、扭轉(zhuǎn)等活動，非常容易造成損傷和腰曲變形[2]。除了人體站立時的腰曲接近于生理弧形外，其余姿勢都使腰曲弧形受到拉伸變形。

乘坐姿勢腰曲接近于生理弧形，說明這種姿勢符合生理要求，是舒適的就坐姿勢。它的特點是臀部離開靠背，背部向后傾斜，保持人體背部與大腿平面間夾角在90o至115o[3]。

2.2 長途客車座椅人機建模

本課題設(shè)計的客車座椅最終效果圖1所示。采用曲線坐墊、圓形外邊建模，更利于人體均勻受力?？勘掣鶕?jù)人體脊柱的形狀，利用PRO/E生成背靠曲線，輪廓完全吻合脊柱曲線，極大的減少對脊骨的壓力。符合人體工學(xué)的扶手有利于人體重量的分散，有助于減少對坐墊和靠背的壓力。采用頭頸支撐結(jié)合的方式設(shè)計頭枕，頭枕結(jié)構(gòu)可以上下調(diào)節(jié)，滿座不同乘客的需求[4]。

圖1 座椅設(shè)計總裝配圖

2.3 座椅動態(tài)性能的改進

如圖2，把滑動支架彈性連接在座椅骨架上，滑動支架與座椅骨架靠汽車縱向螺旋拉伸彈簧和橫向壓縮彈簧固定。

圖7 緩沖彈簧裝置圖

2.3.1拉伸彈簧的參數(shù)確定與計算

根據(jù)國家汽車碰撞試驗C—NCAP的規(guī)定，汽車以50km／h正面、重疊率100％碰撞固定障礙物時，人體受到的平均沖力約為4000N。即拉簧承擔(dān)此4000N的沖力，考慮活動骨架受力均勻性，設(shè)計由兩個拉簧并聯(lián)使用，每個拉簧承擔(dān)沖力Fn=2000N。考慮汽車被后撞時拉簧受壓，采用淬火間隙彈簧(B類，65Mn-75Mn)，切變模量G=79GPa、許用應(yīng)力[τ]=0.44b，承受Ⅲ類載荷(循環(huán)次數(shù)≤103)[5][6]。

取旋繞比C=5.6，查曲度系數(shù)K=1.273。先設(shè)絲徑d=8mm，查極限強度b=1324MPa，則[τ]=0.44b=0.44×1324=582.56（MPa）。

所設(shè)絲徑d在此范圍內(nèi)，取標準系列d=8mm；則中徑D=Cd=5.6×8=44.8(mm)，取標準系列D=45mm。

有效圈數(shù)n的確定

取變形量=30mm，極限變形量λ=1.12=1.12×30=33.6 (mm)，則：

取n=7圈。拉簧兩端各壓平半圈做圓鉤，總?cè)?shù)，t總=n+0.5+0.5=8(圈)

2.3.2壓縮彈簧的參數(shù)確定與計算

活動骨架兩側(cè)各安裝兩個壓縮彈簧，以緩沖汽車被偏撞或后撞時的沖擊力。每個壓簧設(shè)計承受沖擊力1000N(每側(cè)兩壓簧共承受2000N。國家C—NCAP規(guī)定側(cè)沖力為正面沖力的一半)，采用與拉簧相同的材料，其主要參數(shù)經(jīng)計算確定如下(計算過程略)：

絲徑d=6mm，中徑D=32mm，變形量=15mm。有效圈數(shù)n=6圈，自由長度54mm。

以上拉伸、壓縮彈簧的額定軸向載荷分別為400kg和200kg，足以保證汽車正常行駛中駕乘人員及座椅的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文利用PRO/E軟件，結(jié)合人機工程學(xué)和人體體壓分布特性對長途客車座椅進行重新造型設(shè)計。與傳統(tǒng)客車座椅相比，本文使用PRO/E軟件并考慮人機工程學(xué)設(shè)計的長途客車座椅更加符合人體舒適性要求。

[1] 郭伏,錢省三.人因工程學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[2] 孫家廣,陳玉健,黃漢文.計算機輔助設(shè)計技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1990.

[3] 丁玉蘭.人機工程學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版, 2000.

[4] 孟清華,王保國,王瑞君,基于交通安全的人-車-環(huán)境系統(tǒng)的研究[J].車輛與動力工程, 2004,2: 60-64.

[5] 吳宗譯.機械零件設(shè)計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004:546- 559.

[6] 中國汽車技術(shù)研究中心.新車評價規(guī)程(c—NCAP)[M].北京:人民交通出版社,2006: 20-24.

Design and analysis of coach seat based on ergonomics

Shen Hualin

（Foshan MBP Auto Parts Co., Ltd., Guangdong Foshan 528000）

This paper uses PRO/E software, fully consider ergonomics, design a coach seat in line with passenger require -ments. In the design process, combining ergonomics, human anatomy and body pressure distribution characteristics of human sitting position, the curve of seat back is designed in line with the curve of human spine. According to the analysis results of national automobile crash test, the improved seats better meet the requirements of ergonomics.

coach seats; Ergonomics; PRO/E

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.029

U462.1

A

1671-7988(2019)10-82-02

U462.1

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1671-7988(2019)10-82-02

沈華林，男（1980.8-）湖南武岡人，工程碩士，機電中級工程師，就職于佛山市姆巴佩汽車配件有限公司。研究方向：機械設(shè)計制造。