汽車座椅靠背對駕乘者腰部支撐強度的壓力特征及演變

王艷飛，黃玉強，王長余

（長春富維安道拓汽車飾件系統(tǒng)有限公司，長春 130033）

汽車座椅服務(wù)的是駕乘者，駕乘者坐姿各有不同，但不同駕乘者坐在不舒適的座椅上，隨著時間的推移，不舒適感積蓄后產(chǎn)生的坐姿變化機理相同。

座椅舒適性分為靜態(tài)舒適性和駕駛動態(tài)舒適性兩類。座椅開發(fā)完成初期，暴露最多的是短期靜態(tài)舒適性問題，一方面從座椅的靜態(tài)舒適性問題預(yù)判駕乘過程中的不舒適感知，如身體不同部位大小肌肉乏力、酸麻和鈍痛，甚至駕駛的職業(yè)病痛產(chǎn)生的機理。另一方面，收集駕乘過程中的疲勞問題。根據(jù)以上兩方面的積累，為座椅設(shè)計者分析、鎖定座椅設(shè)計缺陷提供基礎(chǔ)支撐。兩者之間預(yù)判分析的相互轉(zhuǎn)換離不開人體坐姿鉸鏈結(jié)構(gòu)變化原理。

汽車座椅服務(wù)的是駕乘者，考察駕乘者和座椅結(jié)合后的狀態(tài)是重要環(huán)節(jié)。1982年日本學(xué)者首次提出人-椅接觸的壓力分布客觀評價方法，發(fā)展至今已得到行業(yè)內(nèi)的廣泛認可和應(yīng)用。

與汽車座椅坐墊相比，給予人體脊柱健康支撐的靠背設(shè)計是難點。多數(shù)研究圍繞座椅靠背與人接觸界面壓力的主客觀評價方法開展研究。MERGL等學(xué)者圍繞人體17位壓力分布開展系列人-椅接觸界面壓力舒適范圍的研究工作。結(jié)合人體坐姿鉸鏈結(jié)構(gòu)變化原理，如何將座椅靜態(tài)識別到的不舒適問題與駕乘過程中人體不舒適性，或因座椅不舒適性導(dǎo)致駕駛過程中坐姿調(diào)整問題關(guān)聯(lián)起來的文獻報道很少。

綜上所述，采用廣泛應(yīng)用的壓力分布客觀評價方法，選擇行業(yè)內(nèi)口碑較好的某車型前排主駕駛座椅，調(diào)節(jié)腰托前后位置實現(xiàn)腰部支撐強度變化，目的是模擬座椅靠背特別是腰部不同支撐設(shè)計的座椅，得到壓力分布特征，再進一步基于人體工學(xué)原理和座椅不舒適部位，討論隨著駕駛時間的推移，駕乘者不舒適部位和坐姿變化規(guī)律，為駕駛產(chǎn)生的疲勞機理分析和座椅健康檢測技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)提供方向。

1 方法

為了模擬駕乘者在不同腰部支撐的座椅靠背壓力分布特征，并基于此討論隨著駕駛時間的推移不同腰部支撐的駕駛者坐姿變化規(guī)律，本文采用壓力分布和錄制駕乘者坐姿結(jié)合的方式表征人和座椅的結(jié)合狀態(tài)，依靠腰托調(diào)節(jié)實現(xiàn)腰部支撐強度變化，除座椅功能可以自由調(diào)節(jié)外，影響壓力分布的造型和裝飾等也應(yīng)保持一致。

1.1 被試者

根據(jù)GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》中50～95百分位人群的肩高范圍，如圖1所示，采用人體測量尺測量10名被試者的人體尺寸，測量信息統(tǒng)計見表1。駕乘者中主觀感知肩部支撐缺失的人群大部分集中在50百分位以上。

圖1 人體測量尺

表1 被試者人體尺寸信息統(tǒng)計［11］

1.2 壓力分布數(shù)據(jù)采集

圖2是座椅舒適性評價臺，采用XSensor壓力測試墊鋪設(shè)并固定在座椅上方。要求被試者將座椅高調(diào)、滑軌、靠背位置依據(jù)駕駛視野和油門腳踏板位置調(diào)整至駕駛狀態(tài)后，被試者可以開始模擬駕駛姿態(tài)。每次模擬駕乘時間5 min后開始同步錄制人-椅接觸壓力和駕駛姿態(tài)，錄制時間為3 min，錄制期間，被試者視野看向前方路況，手臂可以自由移動方向盤模擬左右轉(zhuǎn)彎坐姿。

圖2 座椅舒適性評價臺

1.3 被試者主客觀評價

經(jīng)過被試者中壓力分布試驗和主觀感知結(jié)果分析，選擇肩高在95百分位左右且駕齡5年以上的1名被試者進行詳細壓力分布試驗結(jié)果分析。在被試者調(diào)試座椅和坐姿的過程中，需要打開壓力分布墊調(diào)試與座椅的相對位置并固定；在3 min錄制被試者壓力分布過程中，詢問記錄被試者主觀感知供分析壓力分布結(jié)果時參考。被試者進行3次測試分別是：（1）腰托調(diào)節(jié)到被試者主觀感知腰部支撐舒適狀態(tài)；（2）腰托不工作狀態(tài)，被試者主觀感知腰部支撐不足；（3）腰托調(diào)節(jié)至最大狀態(tài)，被試者主觀感知腰部支撐過大，但并非不能接受的狀態(tài)。

2 試驗結(jié)果與分析

被試者坐在座椅上得到的壓力分布與人體骨骼對應(yīng)關(guān)系如圖3所示，人體股骨外側(cè)隆起的地方稱之為大轉(zhuǎn)子，是座椅設(shè)計中H點位置。以H點為基準，腰部支撐在腰椎第3根到第5根區(qū)域，肩部支撐從肩胛骨下角開始發(fā)生在人體胸椎第1根到第7根區(qū)域。

圖3 被試者與座椅結(jié)合后壓力分布和人體骨骼的關(guān)系

2.1 腰部支撐適中

被試者坐在座椅上調(diào)節(jié)座椅前后上下和視野等位置到駕駛所需要的舒適姿態(tài)，重點是腰托調(diào)節(jié)支撐腰部強度到主觀感知適中即舒適狀態(tài)，得到壓力分布等值線與肩高關(guān)系如圖4所示。對應(yīng)的腰部和肩部壓力分布比例如圖5所示，試驗座椅靠背造型有兩條裝飾線和一條拉緊線。從圖4中可以看出，無論是拉緊線還是裝飾線均能產(chǎn)生壓力集中，一般情況下，在人體肌肉群起始和小肌肉群位置座椅設(shè)計中，需要規(guī)避或減少類似此種壓力集中的產(chǎn)生。排除兩條裝飾線干擾，圖5顯示腰部壓力分布過渡平緩，對被試者腰部形成“面”支撐狀態(tài)，沿著肩高方向腰部平緩過渡區(qū)約60 mm，且支撐壓力大于肩部支撐壓力，同時根據(jù)人體工學(xué)背部支撐平衡分析，此種壓力分布曲線是腰部和肩部支撐達到較好平衡的典型分布之一。根據(jù)2020年王艷飛等發(fā)表的研究成果和10位被試者的試驗結(jié)果統(tǒng)計，得到一般性結(jié)論為肩部與背部合理支撐占比范圍為20%～35%，腰部與背部合理支撐占比范圍為60%～70%。

圖4 被試者與座椅結(jié)合后腰部支撐舒適姿態(tài)壓力云圖

圖5 被試者與座椅結(jié)合后主觀感知腰部支撐舒適姿態(tài)及其壓力分布

2.2 腰部支撐不足

被試者坐在座椅上調(diào)節(jié)座椅前后上下和視野等位置到駕駛所需的舒適姿態(tài)，將座椅腰托處于非工作狀態(tài)，被試者主觀感知腰部支撐不足，形成的壓力分布等值線如圖6所示，對應(yīng)的腰部和肩部壓力分布比例如圖7所示，結(jié)果顯示腰部約60 mm區(qū)域支撐力小于肩部壓力，此種壓力分布曲線是腰部支撐不足的典型分布之一。值得關(guān)注的是腰部支撐不足的壓力分布體現(xiàn)形式較多，需要結(jié)合座椅造型特點和被試者坐姿特點，在熟悉人體構(gòu)成的基礎(chǔ)上具體分析。與腰部支撐適中的圖5對比發(fā)現(xiàn)，腰部支撐不足時，人體與座椅靠背接觸面積增加，壓力有增加的趨勢。

圖6 被試者與座椅結(jié)合后腰部支撐不足壓力云圖

圖7 被試者主觀感知腰部支撐不足及其壓力分布

如圖8所示，駕乘者乘坐座椅腰部支撐不足，在駕乘初期依靠腰部肌肉收縮維持駕乘姿態(tài)，這時肌肉變得活躍做功，隨著駕乘時間增加，腰部肌肉產(chǎn)生疲勞，這時駕乘者在無意識情況下會將骨盆前移來緩解肌肉疲勞狀態(tài)，骨盆前移致使腰椎發(fā)生形變，脫離脊柱呈現(xiàn)“S”形健康生理彎曲狀態(tài)。由于骨盆前移，背部的主要支撐位置會上移至肩胛骨下角以下、腰椎以上的區(qū)域，如圖7所示。如圖9所示，人體肩胛骨部位是肌肉群及起始點集中感知較為敏感區(qū)域。同時，由于骨盆前移，背部支撐位置上移，與圖7壓力分布結(jié)果相呼應(yīng)，這時會出現(xiàn)常說的“駝背”，如何規(guī)避駕乘者的駝背現(xiàn)象是座椅設(shè)計的難點。

圖8 腰部支撐不足時被試者骨骼鉸鏈結(jié)構(gòu)演變

圖9 胸廓肩胛骨偏下區(qū)域肌肉群分布

2.3 腰部支撐過大

與圖5形成對比的是腰部支撐強度較大的壓力分布等值線（圖10）和腰肩部壓力分布（圖11）。座椅其他可調(diào)部位調(diào)至視野駕駛舒適姿態(tài)，讓座椅腰托處于滿荷工作狀態(tài)，被試者主觀感知腰部支撐強度過大，形成的壓力分布與腰托支撐舒適姿態(tài)相比，類似于背部支撐壓力分布形態(tài)，腰部支撐約60 mm區(qū)域內(nèi)壓力有增加趨勢。此種壓力分布曲線是腰部支撐偏大的分布形式之一。根據(jù)人體工學(xué)背部支撐平衡分析預(yù)測，隨著腰部支撐強度的繼續(xù)增加，腰部壓力由于骨盆不動而腰椎上方自由活動，導(dǎo)致腰椎下方壓力較上方增加更明顯，甚至形成“點”支撐的壓力集中，壓力分布趨勢如圖11所示。與腰部支撐適中時形成的圖4～5對比可知，腰部支撐過大時，會削弱座椅靠背對肩部的支撐，如圖10～11所示。

圖10 被試者與座椅結(jié)合后腰部支撐過大壓力云圖

圖11 被試者主觀感知腰部支撐過大及其壓力分布

如果腰部支撐強度增加到某一程度時肩部支撐消失，相當于汽車座椅缺乏肩部支撐，駕乘者乘坐座椅初期，為了維持駕乘姿態(tài)，依靠肌肉力量維持上身的坐姿，如圖12所示，肌肉時刻處于收縮活躍而不是自然放松狀態(tài)，肌肉做功產(chǎn)生疲勞。隨著駕乘時間變長，駕乘者胸廓上部也就是第1根至第7根胸椎在無意識情況下向后方移動呈現(xiàn)后彎姿態(tài)，但是這樣后仰的姿態(tài)不適合駕駛視野，駕駛者會調(diào)整頭部重心恢復(fù)駕駛操作所需的眼睛位置，這時肩部和頸部的肌肉活動變得活躍，這部分會感到疲勞。

圖12 腰部支撐過大時被試者骨骼鉸鏈結(jié)構(gòu)演變

3 結(jié)論

采用廣泛應(yīng)用的壓力分布客觀評價方法結(jié)合主觀感知，利用調(diào)節(jié)腰托前后位置來實現(xiàn)腰部支撐強度變化，模擬駕乘者坐在不同靠背特別是腰部不帶腰托的座椅上，座椅背部不舒適使駕乘者坐姿鉸鏈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

（1）得到具有代表性的1名被試者腰部支撐強度適中、不足和過大3種形式的壓力分布特征圖。其中，腰部支撐強度適中時，腰部約60 mm區(qū)域內(nèi)壓力變化平緩成“面”支撐，腰部壓力大于肩部壓力。腰部支撐強度不足時，腰部約60 mm區(qū)域內(nèi)腰椎上方壓力集中，腰部壓力小于肩部壓力。腰部支撐強度過大時，腰部約60 mm區(qū)域內(nèi)腰椎下方壓力集中，有“點”支撐的變化趨勢。

（2）腰部支撐強度不足時駕乘者鉸鏈結(jié)構(gòu)變化規(guī)律：駕乘開始階段腰部肌肉維持坐姿，隨著駕乘時間增加，為緩解肌肉疲勞，骨盆會前移使腰椎脫離脊柱“S”形的健康生理彎曲狀態(tài)。

（3）腰部支撐強度過大時駕乘者鉸鏈結(jié)構(gòu)變化規(guī)律：駕乘開始階段背部肌肉維持坐姿，隨著駕乘時間增加，胸廓后仰后調(diào)整駕駛所需的眼睛位置，頸部和肩部肌肉處于活躍做功狀態(tài)產(chǎn)生疲勞。

（4）無論是腰部支撐不足還是支撐過大，開始駕駛階段，腰部支撐不足導(dǎo)致腰椎附近區(qū)域的肌肉最先產(chǎn)生疲勞，腰部支撐過大導(dǎo)致肩部和頸部肌肉最先產(chǎn)生疲勞。但隨著駕駛時間的推移，伴隨這種局部肌肉疲勞而來的是其他部位肌肉活動也會活躍起來而產(chǎn)生疲勞。

4 展望

首先，駕駛產(chǎn)生疲勞機理分析和座椅健康檢測技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)離不開駕乘過程中的肌肉收縮，骨骼健康平衡線，人體神經(jīng)控制肌肉和骨骼運動，骨骼鉸鏈結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，肌電和壓力分布結(jié)合客觀評價方法等內(nèi)容。本文旨在為汽車座椅的創(chuàng)新研發(fā)設(shè)計提供方向性參考，為駕駛疲勞回歸設(shè)計的改進研發(fā)和監(jiān)測技術(shù)提供思路。其次，被試者與座椅結(jié)合的壓力分布狀態(tài)，能代表大多數(shù)駕乘者的壓力結(jié)果才是更合理的。為此，滿足代表多數(shù)駕乘者壓力結(jié)果的統(tǒng)計方式是未來研究焦點之一。