摘要：汽车座椅作为驾驶员与汽车接触最频繁的部件，其舒适性不仅影响到汽车的产品竞争力，而且对乘员身体健康以及行车安全都有重要影响。本文对压力分布的座椅舒适性设计方法进行分析和了解。
关键词：压力分布，座椅舒适性，设计
引言：
随着消费者生活水平的提高和用车观念的成熟，消费者在选购车辆时越来越重视汽车的整体驾乘感受。座椅作为支撑乘员的部件，对整车的驾乘感受有重要影响，尤其是座椅的舒适性。因此消费者选购汽车时，会重点考察汽车座椅的舒适性。汽车座椅的舒适性对乘员的整车乘坐感受、身体健康和行车安全有着重要的影响。设计良好的汽车座椅应当保证人体重力能够合理地分布在座椅上，人体各部分能够得到合理地支撑，脊椎呈自然弯曲状态，有利于血液循环和肌肉放松，保证乘员的身体健康。
一、分析驾驶员与座椅压力分布仿真
1.人体生物力学
骨、骨连接和骨骼肌是人体运动系统的重要组成部分。骨骼在骨骼肌的牵动下绕着骨连接进行转动，骨骼通过骨骼肌产生的动力以骨连接作为运动支点带动人体的运动。关节的运动形式对于有限元分析时模拟人体姿势的变化具有重要意义。由于坐骨结节下有大量的毛细血管，肌肉和皮肤能够获得大量新鲜的动脉血，因此坐骨结节下的肌肉能够承受较大的压力而不易产生疲劳，是人体最主要的承重部位。驾驶时感受到的肌肉疲劳由长时间保持驾驶姿势而产生，通过适当地变换驾驶姿势可以促进生物电的活动从而缓解疲劳感，肌肉得到放松，使疲劳感减弱。
2.驾驶员姿势舒适性
驾驶姿势是驾驶员操纵车辆时的驾驶身姿，通常通过驾驶员身体各个关节角度进行定义。驾驶员的驾驶姿势对驾驶员肌肉负荷、驾驶疲劳感和驾驶安全都有影响，在车辆人机界面设计中需要对驾驶姿势进行重点研究。由于驾驶室内部空间几何形状复杂，并且驾驶员姿势和姿势变化都是三维空间变量，了解驾驶员的姿势特性不仅有利于对驾驶室空间进行优化设计，驾驶室的操作舒适性也可以得到改善。如图所示为驾驶姿势的各个关节角度：
3.驾驶员和座椅建模
皮肤、骨骼和软组织三部分组成了人体有限元模型。根据其结构特点，皮肤使用壳网格进行划分，而软组织和骨骼则使用体网格划分。四面体和六面体网格是最常见的两种体网格，六面体网格比四面体网格具有更高的质量，计算时也更容易收敛，计算速度更快。考虑到人体结构较为复杂，采用六面体网格划分时间成本过高，采用四面体网格。仿真实验结果表明，采用四面体网格建立的有限元模型，能够得到非常准确的计算结果。
二、分析座椅舒适度建模
根据人体的生理特点，位于盆骨下方的坐骨结节能够承受比较大的压力。因此理想的座垫压力分布应当是最大压力出现在座椅与坐骨结节接触的部位，压力以坐骨结节为中心，向四周逐渐减小，压力最低值出现在大腿与座椅前缘接触的部位。虽然坐骨结节是最能承受压力的部位，但是过大的压力也会使乘员产生疲劳感，压强过小则无法发挥座椅对人体的支撑作用。由于大腿下侧存在丰富的神经系统和动脉血管，压力不能过大，否则会造成大腿麻木等不舒适感，大腿前部压力值应当最小。
脊柱中最为粗壮的是腰椎，是背部最能够承受压力的部位，肩胛骨也是背部能够承受较大压力的部位。因此理想的座椅靠背压力分布形式是最大压力出现在靠背与腰椎第4~5节椎骨接触的部位，肩胛骨下端与靠背接触处的压力值仅次于腰椎处的压力值，其余部位的压力值向四周逐渐减小。对于汽车驾驶员座椅，由于操作汽车等动作的要求，驾驶员身体往往会向前倾斜一定角度，导致肩胛骨与座椅靠背基本无接触，因此腰椎成为最主要的受力部位，压力值最大。
三、座椅设计因素对舒适性的影响
1.影响座椅舒适性的座椅设计因素
座椅作为与乘员接触最频繁的部件，不仅起到支撑乘员、衰减车辆振动的作用，还对乘员的行车安全和身体健康有着重要影响。静态舒适性是座椅最重要的性能之一，座椅的静态空间尺寸、造型、调节功能和动态参数对座椅的舒适性有重要影响。本文通过座椅压力分布的变化来研究座椅设计因素对舒适性的影响。
座椅海绵是汽车座椅的重要组成部分。适当的海绵厚度能够缓解乘员所承受的压力和衰减车辆传递给乘员的振动，为乘员提供稳定的支撑，使乘员能够较为轻松地维持驾驶姿势。海绵厚度过小则无法缓解驾驶员所承受的压力和衰减行驶过程中的振动，而厚度过大虽然可以有效缓解压力和衰减振动，但是成本过高，因此有必要研究海绵的舒适厚度。
人体背部所承受的压力很大部分由腰部承受，腰托则是支撑腰部的主要部件，也是座椅靠背的重要组成部分。腰部支撑是减少背部疲劳最有效的措施，腰托最佳支撑位置较为稳定，主要集中在腰椎第4~5节附近，而最佳腰托支撑量则因人而异。合理的腰部支撑能够保证脊椎处于自然的弯曲状态，背部肌肉放松，乘员感到舒适。
2.海绵厚度对座椅舒适性的影响
海绵厚度对座椅舒适性的影响主要体现在：海绵厚度在一定范围内时，厚度的增加对座椅所承受的驾驶员重量影响较小，但是厚度的增加可以有效增大驾驶员与座椅的接触面积并减小座椅上的最大压强，也可以明显减小驾驶员下肢与座椅前缘接触区域的压强和人体坐骨结节下的软组织应力，以上压力分布指标的变化有利于提高座椅舒适性。当海绵厚度超过一定范围时，厚度的增加对座椅舒适度的提高效果并不明显。
3.座椅腰部支撑对座椅舒适性的影响
驾驶员与座椅的接触面积和肩胛骨处的最大压强随支撑量的增大而减小，而腰椎处最大压强随支撑量的增大而增大。由于驾驶员身材尺寸存在差异，不同身材的驾驶员对腰部支撑量的需求也不同。腰部支撑量过小，腰部无法得到有效的支撑，支撑量过大，则会导致腰椎变形，无法维持自然弯曲状态。理想的腰部支撑位置相当于腰椎第4-5节之间。腰部支撑位置对于座椅上的压力分布形式影响较小，主要影响腰椎处最大压强的位置，对肩胛骨处最大压强也有一定影响。支撑位置越高，肩胛骨处最大压强越小。由于驾驶员身材差异，第4-5节腰椎在座椅上对应的位置也不相同，身材较高的驾驶员，腰部支撑位置应当向上移动，身材较小的驾驶员，腰部支撑位置应当适当向下移动。腰部支撑位置不当，将导致腰椎姿态不自然，降低座椅的舒适度。
结束语：
综上所述，汽车座椅作为驾驶员与汽车接触最频繁的部件，其舒适性对乘员的整车乘坐感受、身体健康和行车安全有着重要的影响。设计良好的汽车座椅应当保证人体重力能够合理地分布在座椅上，人体各部分能够得到合理地支撑，脊椎呈自然弯曲状态，有利于血液循环和肌肉放松，保证乘员的身体健康。
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论文作者:谭嘉威
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/17
标签：座椅论文; 压力论文; 驾驶员论文; 乘员论文; 舒适性论文; 腰部论文; 腰椎论文; 《基层建设》2019年第12期论文;