孫明欣

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

在對許多需長時間駕車的駕駛員的調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)很多駕駛員都患有輕重不同的腰部疾病，一般表現(xiàn)為長時間駕駛后出現(xiàn)腰部酸痛癥狀，嚴重者則患有腰椎間盤突出?？梢?，汽車座椅除了對乘坐的舒適性有較強的影響之外，對身體健康的干預(yù)也很大，所以基于人機工程學(xué)的座椅設(shè)計越來越重要。關(guān)于座椅靜態(tài)舒適性的研究，汽車工業(yè)發(fā)達的西方國家投入了大量的人力物力，例如：Mehta C.R和Tamari提出了一種新的座椅設(shè)計的基本模式，這種模式建立在生物力學(xué)基礎(chǔ)上并可以進行舒適度的相關(guān)設(shè)計；美國ROHO集團研發(fā)出一種能防止乘員完全陷入座椅的車用充氣座墊；德國一家專業(yè)制造汽車座椅的公司在生產(chǎn)的座椅底部巧加了氣囊式懸架結(jié)構(gòu)，用這種方式能同時保證汽車行駛過程中乘員的駕乘安全性和舒適性[1]。目前國內(nèi)各大主機廠和座椅生產(chǎn)廠商在座椅舒適性方面做得還遠遠不夠，相比國外的人性化設(shè)計國內(nèi)還很欠缺，對座椅的具體舒適性結(jié)構(gòu)參數(shù)未做到完整的定義。因此文章根據(jù)以往車型的座椅設(shè)計經(jīng)驗，對座椅的各項布置設(shè)計參數(shù)、座椅的各項結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)及座椅的動態(tài)舒適性軟件分析等進行了詳細的表述，用以指導(dǎo)新車型的座椅設(shè)計。

1 汽車人機工程學(xué)的常用工具

1.1 百分位人體

人體尺寸決定了人體占據(jù)的幾何空間和活動范圍，是人機系統(tǒng)或產(chǎn)品設(shè)計的基本資料。百分位是人體測量學(xué)中的一個術(shù)語，用以表示人體某項尺寸數(shù)據(jù)的等級[2]。以50th百分位人體尺寸為例，表示人群中有50%的個體該尺寸小于此值，有50%的個體該尺寸大于此值。在汽車總布置以及人機工程學(xué)研究中，通常用到的是5%、50%及95%3種分位的人體模板，分別表示小身材、中等身材和大身材的人體尺寸，如圖1所示。5%和95%的人體坐姿，如圖2所示。

圖1 3種分位的人體模板示意圖

圖2 5%和95%人體坐姿示意圖

1.2 H點、踵點（AHP點）、踏點（PRP點）

H點、AHP點及PRP點是汽車人機工程中最常用的3個硬點，此3點確定之后，整個假人姿態(tài)基本可確定，如圖3所示。

圖3 H點、AHP點、PRP點示意圖

H點：汽車總布置的基準(zhǔn)點，是二維人體模板上大腿線和軀干線的交點。

AHP點：假人鞋跟與地毯的交點，同時考慮了地毯的壓縮量。

PRP點：在假人鞋底中線上，距離AHP點203 mm的點。

1.3 RAMSIS

RAMSIS是“用于乘員仿真的計算機輔助人體數(shù)字系統(tǒng)”的德語縮寫，是一種基于虛擬人體技術(shù)的高效CAD工具。RAMSIS軟件具備人體姿勢模擬、視野分析、可及性分析及舒適性分析等多種人機工程分析功能。RAMSIS軟件示意圖，如圖4所示。

圖4 RAMSIS軟件示意圖

2 人機工程學(xué)在座椅設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 座椅的人機工程學(xué)要求

基于乘用車座椅的使用需求和以往車型的開發(fā)經(jīng)驗，座椅的人機工程學(xué)要求主要可概括為3個方面：1）座椅的操作舒適性；2）座椅的靜態(tài)舒適性；3）座椅的動態(tài)舒適性。

2.2 座椅的布置設(shè)計

在項目開始初期，座椅的布置是先行確定的，包括座椅的行程（前后滑動行程和高低舉升行程）、座椅的靠背角以及其他的包括座椅與周邊環(huán)境件的布置要求，在座椅造型CAS發(fā)布之后，需要逐項地進行校核。座椅行程確定示意圖，如圖5所示。假人裝置角度示意圖，如圖6所示。

圖5 座椅行程的確定示意圖

圖6 假人裝置角度示意圖

座椅布置設(shè)計中一些具體參數(shù)和經(jīng)驗值如下。

1）座椅行程。座椅行程設(shè)定原則上需要覆蓋2.5%～97.5%分位人體舒適線范圍。座椅設(shè)計位置向前滑動距離（L01）一般為200～220 mm，座椅設(shè)計位置向后滑動距離（L02）一般為20～40 mm。座椅設(shè)計位置Z向向上距離（H01）一般為20～40 mm，座椅設(shè)計位置Z向向下距離（H02）一般為20 mm。

2）座椅靠背角度（A40）?？紤]舒適性，A40的設(shè)定范圍推薦為20～30°。

3）座椅與周邊部件布置。座墊外輪廓與門護板的間隙：座椅外側(cè)不同形式的調(diào)節(jié)手柄對此處的間隙設(shè)定各不相同，輪式手柄設(shè)定間隙一般最小為50 mm，泵式與掀式的手柄一般最小為45 mm；座墊外輪廓和中控臺的間隙：為避免因座椅內(nèi)側(cè)表面或安全帶鎖扣和中控臺摩擦?xí)r產(chǎn)生噪聲，根據(jù)造型需要，通常留有10～15 mm的間距；座椅靠背和門護板、B柱的間隙，最小要求為20 mm。

4）座椅操縱件的布置。隨座椅前后移動的操縱件的控制曲線，如圖7所示。

圖7 座椅操縱件控制曲線圖

2.3 座椅的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1）人體到座椅骨架的距離。為避免乘客在實際乘坐過程中，由于發(fā)泡厚度過薄，而對座椅骨架產(chǎn)生異物感，乘客坐上座椅之后，與軀干線和大腿線垂直的每個截面內(nèi)，人體與座椅骨架之間的距離要大于35 mm，人體與座墊骨架之間的距離要大于50 mm。

2）座墊尺寸。通過對一系列對標(biāo)車的測量積累，整理出較為舒適的座墊尺寸統(tǒng)計量，如表1所示。

表1 座墊結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸

3）靠背尺寸。通過對一系列對標(biāo)車的測量積累，由于測量誤差等原因，大致整理出較為舒適的座椅的靠背尺寸統(tǒng)計量，如表2所示。

表2 靠背結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸 mm

4）坐壓分布。設(shè)計前期，定義好座椅的各項參數(shù)，對座椅的坐壓分布進行CAE仿真分析，發(fā)現(xiàn)有應(yīng)力集中過大的地方，可以對發(fā)泡進行適應(yīng)性更改，避免后期開完正式模具之后，再因舒適性問題對發(fā)泡進行更改，造成較大的經(jīng)濟損失。

通過做好前期的CAE分析，以及之后的座椅布置和座椅結(jié)構(gòu)尺寸的控制，最終使座椅的舒適性得到很大的提升。座墊和靠背壓力分布，如圖8和圖9所示。

圖8 座墊壓力分布圖

圖9 靠背壓力分布圖

2.4 座椅的動態(tài)分析

1）RAMSIS分析。通過RAMSIS軟件，約束好假人的各項尺寸，可通過“駕駛員長時間正常駕駛疲勞評價”命令，得到當(dāng)前駕駛員在長時間保持正常駕駛姿態(tài)下，其總體不舒適感覺，以及頸、肩、背、臀、腿及臂等部位的疲勞感覺。某車型用RAMSIS軟件的坐姿疲勞分析顯示界面，如圖10所示。

圖10 某車型用RAMSIS軟件坐姿疲勞分析顯示界面

2）虛擬樣機仿真分析。利用CATIA軟件建立人椅系統(tǒng)的三維模型，并把人椅模型通過接口文件導(dǎo)入多體動力學(xué)軟件ADAMS中進行仿真分析，通過選擇不同的動力學(xué)參數(shù)，仿真分析獲得汽車座椅動力學(xué)參數(shù)的最佳取值范圍。

更深一步的研究為：可以基于ADAMS/Car建立包括汽車前后懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車身、動力總成系統(tǒng)、輪胎及人椅系統(tǒng)的整車系統(tǒng)動力學(xué)模型，并給與符合國家標(biāo)準(zhǔn)的路面不平激勵，得到仿真分析結(jié)果，并根據(jù)ISO人體舒適性評價方法對仿真結(jié)果進行評價，以驗證汽車座椅動力學(xué)參數(shù)選擇的正確性[3]。

3 結(jié)論

文章根據(jù)以往車型的座椅設(shè)計經(jīng)驗，總結(jié)出了可以保證乘坐舒適性的座椅布置和座椅結(jié)構(gòu)等經(jīng)驗參數(shù)，可有效減輕乘員長期乘坐或者駕駛汽車帶來的疲勞感和不舒適感。后期還需提高的方面包括：可應(yīng)用ADAMS/Car軟件建立整車的動力學(xué)模型進行分析，進而達到整車各個部件對于舒適性的動態(tài)平衡和統(tǒng)籌考慮。同時人機工程學(xué)作為一個越來越被各大主機廠所重視的研究方向，不僅可以用于座椅設(shè)計，而且整車大多數(shù)系統(tǒng)都可以應(yīng)用人機工程學(xué)來設(shè)計開發(fā)，進而保證整車的便利性和舒適性性能。