坐姿力分布在汽車座椅靠背設計中的應用探討

高彬

泛亞汽車技術中心有限公司 上海 201208

引言

隨著我國人民生活水平的不斷提升，汽車消費已經(jīng)非常普及，城市的汽車保有量在逐步提升，而且人們對于汽車安全性、節(jié)能環(huán)保性、舒適性的要求也越來越高。汽車座椅是汽車內(nèi)飾重要的一個組成部分，也是與駕駛員接觸最為緊密的一個部件，在近幾年的汽車結構設計中越來越受到重視。甚至根據(jù)相關的市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，汽車座椅舒適性和外形設計已經(jīng)成為消費者購買汽車的主要因素。汽車座椅不僅能夠直觀的反映出汽車本身的價值，而且通過汽車座椅能夠體現(xiàn)出設計者的情感色彩，汽車座椅設計中還能夠體現(xiàn)出對駕駛員負責任的態(tài)度。

1 汽車座椅概述

1.1 汽車座椅組成

文章在研究過程中，主要以駕駛員座椅作為研究對象。駕駛員座椅主要是由坐墊骨架、靠背骨架、發(fā)泡、頭枕、調(diào)角器、調(diào)節(jié)機構、塑料裝飾件等幾個部分組成[1]。其具體組成結構如下圖1所示。

圖1 汽車座椅組成

汽車座椅靠背的主要作用是對乘坐人員軀干主體部分形成支撐，這樣在汽車加速、減速或者是發(fā)生碰撞的情況下，通過汽車座椅靠背能夠承受大部分的力量，可見在汽車座椅結構中，靠背發(fā)揮的作用非常重要。汽車座椅靠背的形狀會對駕駛員乘坐舒適感形成較大影響。針對汽車座椅靠背進行合理設置能夠有效緩解乘坐人員背部的緊張感，人體脊柱只有處在自然形態(tài)下才能達到最佳的舒適點，在進行汽車座椅設計過程中，要通過做面和靠背之間平衡的角度、靠背的形狀來對腰椎形成有效支撐來實現(xiàn)最佳的舒適度。汽車頭枕主要作用是避免乘坐人員在乘坐過程中產(chǎn)生頭頸疲勞，同時能夠保障基本的人身安全，尤其是在當汽車發(fā)生追尾事故時，能夠對頸椎的損害進行有效緩解。

1.2 汽車座椅分類

根據(jù)位置的不同，可以將汽車座椅劃分為前排、中排、后排等三種類型[2]。前排座椅主要指的是駕駛員或者副駕駛員座椅，而中排座椅通常有獨立座椅、雙人連體座椅等幾種類型，而后排座椅通常情況下為三連排座椅或者是5/5、4/6分座椅。

2 汽車座椅設計基本原則

汽車座椅設計屬于一項非常復雜的系統(tǒng)性工程，在具體設計環(huán)節(jié)中不僅涉及到機械、化工、紡織、噴涂、熱處理等多個學科知識，與此同時還會涉及到人體力學、人體工程學的幾個學科[3]。在進行汽車座椅設計的過程中應該以人體工程力學基本原理為出發(fā)點，對座椅的舒適性、減震性能、安全性能進行全方位考慮。另外，還需要對人體生理特征以及具體尺寸進行充分考慮，盡可能的做到量身定做，這樣才能讓汽車座椅舒適性得到全面提升。

2.1 安全性原則

汽車座椅設計首先要以安全性為基本原則。因此，在設計環(huán)節(jié)首先必須要保證座椅強度，當汽車發(fā)生碰撞情況下，要充分保證汽車座椅不會對乘坐人員造成傷害，或者能夠最大程度緩解乘坐人員所受到的傷害，同時能夠對乘客人員形成有效保護。

2.2 操縱便捷性

座椅設計過程中需要充分保證操作的便捷性，要讓駕乘人員伸手就能夠接觸到調(diào)整手柄或按鈕，同時還要對乘坐人員日常行為習慣進行充分結合，保證操作力量設置的合理性。

2.3 乘坐舒適型

汽車座椅在設計過程中必須要能保障駕乘人員保持良好坐姿。讓脊柱能夠處在自然彎曲狀態(tài)，讓體壓分布保持合理性，從而使得肌肉能夠完全處在松弛狀態(tài)，駕乘人員上體通向大腿血管不會受到壓迫，盡可能的保持血液實現(xiàn)正常循環(huán)；而且座椅設計中要能夠實現(xiàn)對駕乘人員腰椎的依托感，同時要保障產(chǎn)生貼合感。對于汽車在路面上行駛產(chǎn)生的震動能夠進行最大程度緩解或隔離，使駕乘人員的乘坐舒適性達到最佳。

3 汽車座椅靠背設計中坐姿力分布應用分析

汽車座椅靠背設計過程中主要涉及到強度、造型等兩個部分的設計工作。在設計過程中應該盡可能保證汽車靠背的高度、形狀完全符合人體曲線，在這種情況下才能夠讓駕乘人員的背部肌肉完全處在放松狀態(tài)，同時還能夠對背部、肩部形成有效支撐，讓駕駛員能夠始終保持坐姿穩(wěn)定。與此同時，還要為乘坐人員的側背提供足夠支撐，從而有效避免在汽車高速轉彎情況下人體產(chǎn)生橫向滑動。在具體設計過程中，汽車靠背的高度和寬度通常情況下設置在600mm和480mm[4]。

汽車靠背的中心脊線與人體脊柱會直接進行接觸。而人體脊柱側面同時會產(chǎn)生頸曲、胸曲、腰曲及骶曲等幾種生理上的彎曲。如下圖2所示。其中以坐姿舒適性關聯(lián)最緊密的屬于腰曲；人體處在坐姿狀態(tài)下的時候，上半身的全部重量都會施加在腰椎、骶骨以及相關軟組織上面，而且人體在坐姿狀態(tài)下還需要完成扭轉等一些動作，因此在針對中心脊線輪廓進行設計的過程中，要保證坐者完全能夠達到腰曲弧線，而且在必要的情況下，還要讓軀干和大腿之間形成一定的鈍角，在這種情況下就能夠對腰部形成有效支撐，同時腰弧曲線能夠處在正常情況下，進一步提升了坐姿狀態(tài)下乘坐人員的舒適性。

圖2 駕乘人員坐姿下脊柱形狀及腰椎曲度

此外，當人體處在正常坐姿狀態(tài)下時脊柱腰椎部分會產(chǎn)生一定的前突。在這種情況下會在腰間盤上分布一定的壓力，因此在具體針對中心脊線設計中要結合中國成年人身體尺寸標準的相關要求來對其高度進行合理設置。

外界輪廓主要是對肩靠在寬度方向上的定位以及背靠行業(yè)的走勢等產(chǎn)生影響，從而最終能夠對乘坐人員的腰弧曲線是否正常，以及腰部的側向異常的作用產(chǎn)生一定影響。在具體進行設計的過程中可以采取雙向投影法來對其輪廓邊界進行設計。

汽車靠背傾斜角的不同會導致椎間盤內(nèi)部壓力以及背部肌肉負荷產(chǎn)生較大差異。如果在進行靠背設計過程中其傾角超過了110°的情況下，椎間盤壓力會明顯下降因此在設計過程中必須要對靠背傾角進行充分考慮。為了能夠最大程度提升汽車座椅的舒適性，同時能夠滿足乘坐人員的休息需求，因此針對靠背傾角要設置可調(diào)節(jié)式，而且要盡可能保障實現(xiàn)大范圍調(diào)整。通常情況下針對重載貨車其靠背的傾角可以在100°～115°的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，而大型客車通常情況下靠背傾角設置在90°～135°范圍內(nèi)，而針對小型轎車其靠背傾角通常情況下設置在80°～170°的范圍內(nèi)。

另外，腰部支撐和扶手的合理設計也能夠最大程度緩解椎間盤的壓力。在具體設計環(huán)節(jié)，腰部支撐必須要具有一定的厚度和硬度，同時還要達到良好的透氣性，這樣才能充分保障在坐骨結節(jié)區(qū)域實現(xiàn)人體啟動的均勻分布。對于人體來說通常情況下是在第三到第五腰椎部位來形成腰部支撐，而且其實際的支撐厚度通常應該設置在5cm的范圍內(nèi)。針對汽車座椅腰部支撐目前主要有機械支撐和空氣支撐等兩種方式。機械支撐方式主要是充分利用機械結構來對人體進行支撐，因此其支撐部位通常情況下為剛性，會嚴重影響舒適性?？諝庵畏椒ㄖ饕峭ㄟ^空氣氣囊而對人體形成支撐，氣囊充放氣主要是通過控制閥來實現(xiàn)控制，在這種方式下就能夠讓人體腰部受到良好保護和支撐。腰部支撐氣囊，通常情況下會使用厚度為0.4～0.8mm之間的聚氨酯板焊接而成，整體的制造工藝簡單，而且實際使用成本較低，具有較強耐磨性和抗老化型，目前在汽車座椅設計過程中的應用比較廣泛。腰部支撐的氣囊控制法不僅可以對氣囊的進排氣進行有效控制，同時還能夠有效的發(fā)揮出溢流保護作用，也就是說當氣囊內(nèi)部壓力超過一定數(shù)值的情況下，控制方能夠及時進行卸壓，從而保障氣囊實現(xiàn)安全使用。目前我國針對汽車靠背腰部支撐裝置已經(jīng)開發(fā)出了一些新型的空氣支撐，這種新型的空氣支撐裝置能夠按照一定的順序和頻率來實現(xiàn)對頸部、腰部、肩部進行有規(guī)律的充放氣，利用氣囊規(guī)律性的膨脹和收縮作用，讓腰部、頸部、肩部等位置形成有規(guī)律擠壓，在此基礎上很好的發(fā)揮出人體局部的按摩作用，從而使得汽車座椅靠背的舒適性得到極大提升。

座椅扶手安裝位置應該要充分保證與人體處在坐姿狀態(tài)下時肘部高度尺寸完全相符，在進行設計過程中，通常情況下將座椅扶手設置在距離坐墊250mm的位置。注意扶手，通常情況下有固定式、角度可調(diào)試和可翻轉式等幾種。

汽車座椅在設計過程中不僅僅是針對靠背進行設計，同時還需要針對頭枕以及座椅骨架等幾個部分進行設計，頭枕的設計同樣是為了提升乘坐人員的舒適性和安全性，而座椅骨架在設計過程中需要充分保證其具備足夠的載荷承受能力。在進行靠背和坐墊骨架形狀設計的過程中，需要充分結合人體生理特征，在此基礎上做出的設計作品才能夠為駕駛員提供更加安全有效的支撐。

4 結束語

綜上所述，在當前汽車不斷普及的前提下，作為汽車內(nèi)飾非常重要的一個組成部分，汽車座椅在當前受到了極大的關注，而汽車座椅靠背是汽車座椅中直接與人體進行接觸的一個重要部位，不僅關系到人體脊柱的舒適型，而且對于駕乘人員的安全性有緊密關聯(lián)，因此在設計過程中不僅需要從人體工程學原理的角度來針對座椅型面進行科學設計，與此同時還需要針對自由曲面機械產(chǎn)品把設計特征進行充分結合，這樣才能進一步提升汽車座椅的舒適性。