【正文】 常常以人體二自由度模型最為理想，得到的“人椅系統(tǒng)”模型為三自由度模型。將此模型與真實(shí)“人椅系統(tǒng)”進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，測(cè)得系統(tǒng)傳遞函數(shù)非常相近。但該模型并沒有將座椅質(zhì)量進(jìn)行考慮，其實(shí)，座椅為非剛性的，其質(zhì)量對(duì)于“人椅”系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的影響是很大的。 汽車座椅靜態(tài)舒適性從人機(jī)工程學(xué)角度上來看，我國(guó)汽車座椅的研究應(yīng)該以我國(guó)人體測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的?；诖藰?biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)的研究者們?cè)诖嘶A(chǔ)上為座椅的空間尺寸提供了很有成效的參考數(shù)據(jù)，對(duì)于汽車座椅乘坐人體的舒適度[3]有很大的影響。(1) 座椅的形式和尺度與其功用有關(guān)，并參照人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)確定座椅尺寸設(shè)計(jì)主要參數(shù)包括：椅面高度、寬度、深度、椅面傾角、靠背的高度、寬度和傾角。對(duì)于寬度而言，駕駛員坐姿單一，不涉及變換姿勢(shì)，通常設(shè)計(jì)應(yīng)以滿足最寬人體需要為準(zhǔn)?？勘车母叨群蛯挾扰c坐姿肩高和肩寬有關(guān)，對(duì)于汽車駕駛座椅靠背的高度應(yīng)采取高靠背，最好加靠枕。(2) 座椅所使用的材料應(yīng)適應(yīng)人體的舒適性座椅材料的選擇主要考慮到以下兩個(gè)方面：振動(dòng)舒適性以及座椅對(duì)人體熱環(huán)境的影響。(3) 座椅的位置要與其作業(yè)相協(xié)調(diào)，便于駕駛員作業(yè)根據(jù)汽車駕駛的特點(diǎn)，在駕駛座椅設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮座椅與空間的協(xié)調(diào)問題，駕駛空間以坐姿活動(dòng)為依據(jù)。但是大多數(shù)的研究都忽略了對(duì)于人體上一個(gè)重要的關(guān)節(jié)點(diǎn)的研究：“H點(diǎn)”（HipPoint）,即胯點(diǎn)，是人體身軀與大腿的交接點(diǎn)，它是與坐姿舒適性相關(guān)的車身尺寸的基點(diǎn)。這種關(guān)系隨著人體身材的不同具有不同的表達(dá)式。座椅的設(shè)計(jì)與布置直接影響乘員乘坐的舒適性和室內(nèi)相關(guān)設(shè)施的布置，合理的安排座椅，改善人與座椅之間的關(guān)系，對(duì)于給乘員創(chuàng)造一個(gè)舒適安全的乘坐環(huán)境，起著至關(guān)重要的作用。在駕駛室內(nèi)，乘員的座椅如何布置，才能使大多數(shù)人都感到舒適，一直是人們關(guān)注和研究的問題?！癏點(diǎn)”高度越高，座椅就越靠前，即座椅距腳踝的距離越小。SAE標(biāo)準(zhǔn)中提供了這兩者大致的計(jì)算表達(dá)式。真正的人體工程學(xué)座椅應(yīng)該能在任何情況下都能有效的支撐著人體使其脊柱處于或接近于正常的生理形狀（曲線），并承受人體體壓，維持人體正常的生理活動(dòng)和功能，不能壓迫任何神經(jīng)組織、內(nèi)臟器官等敏感組織。的條件下得到的，不能靈活的反映“H點(diǎn)”的位置；同時(shí)也只考慮了髖點(diǎn)的因素，忽略了人體其它關(guān)節(jié)間的舒適夾角，并且它是根據(jù)歐洲人體模型數(shù)據(jù)在汽車駕駛室得到的結(jié)果，不適合中國(guó)人體對(duì)駕駛室及座椅的要求。 基于人機(jī)工程學(xué)的汽車座椅舒適性設(shè)計(jì)要求許多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理的座椅，乘員長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)工作，踏板距離調(diào)節(jié)不當(dāng)，靠背傾斜角度不合理等，會(huì)使乘員產(chǎn)生不正確的坐姿，將使乘員的脊柱處于非自然的彎曲狀態(tài)，因而容易患上多種慢性病：脊柱側(cè)凸、椎間盤變形、背部肌肉疼痛等。 合理的體壓分布乘員坐在座椅坐墊上，長(zhǎng)時(shí)間乘坐會(huì)造成不舒適感，在造成這種不舒適感前，臀部所受的壓力是不同的。體壓分布是決定座椅舒適性的重要因素。所以坐墊上的壓力應(yīng)按照臀部不同部位不同壓力的原則來分布：人體一半以上的重量由骨盆下的兩塊面積約為25cm2的坐骨結(jié)節(jié)承受，是以坐骨結(jié)節(jié)為中心，坐骨結(jié)節(jié)處壓力最大，由此向外，向四周壓力逐漸減小，直至座椅前緣與大腿接觸處，壓力為最小，這就是坐墊設(shè)計(jì)的壓力分布不均勻原則。圖11 坐墊人體壓力分布曲線為了使壓力集中于大腿后部的坐骨結(jié)節(jié)周圍，應(yīng)略提高坐墊與水平方向的夾角，其約5～10176。坐墊的后傾角度不宜過大，否則容易增大大腿前緣的壓力，并減少雙腳著地的負(fù)荷，因而阻礙血液循環(huán)而引起雙腿麻木。為宜，因此要求靠背向后傾斜，靠背向后傾斜還能使軀干的部分總量分布在靠背上，使腰部有所依托，腰部肌肉得以放松，減少肌肉做功（收縮），從而減緩疲勞的發(fā)生。坐墊不宜過高，應(yīng)比小腿長(zhǎng)度短，這樣使雙腿能踩到地面以支持大腿的部分重量。的舒適角度，使得血流通暢。人在座椅上就坐時(shí)，測(cè)定與座椅接觸的身體各部分的壓力分布，便可以知道各處的支撐狀態(tài)是否合適。因此關(guān)于體壓分布特性，舒適的一般要求是：最好坐墊對(duì)感覺遲鈍的坐骨結(jié)節(jié)部位支撐最大，承擔(dān)大部分的體重，朝大腿前方壓力平緩的減小。座椅應(yīng)堅(jiān)實(shí)平坦，硬度不夠，過于松軟的椅而會(huì)使臀部與大腿的肌肉受壓面積加大，不僅增加了軀干的不穩(wěn)定性，而且不易改變坐姿，容易產(chǎn)生疲勞。脊椎分為三部分：頸椎有7塊椎骨，在脊椎中有最大的活動(dòng)范圍，從而使脖子有極大的靈活性；胸椎有12塊椎骨，分別與肋骨相連，因?yàn)樯厦娴?0塊肋骨在左右兩側(cè)與前胸的胸骨相連，因此胸椎的活動(dòng)性能最??；腰椎有段連接著胸腔和骶骨，并為腰部（下背部）提供活動(dòng)能力。在腰椎區(qū)域，腰椎骨和骶骨最上面的椎骨之間的關(guān)節(jié)通常有相當(dāng)大的活動(dòng)性，同時(shí)這里也最容易引起下北部疼痛。因?yàn)楣桥柰ㄟ^椎骨關(guān)節(jié)與腰椎相連，并有許多肌肉組織和韌帶連接，所以骨盆的方向是確定腰椎姿勢(shì)的關(guān)鍵點(diǎn)。當(dāng)脊椎向前充分的彎曲時(shí)，腰椎輪廓曲線向外彎曲稱作駝背（腰椎向后凸出：或稱脊椎后凸）；與之相對(duì)，當(dāng)軀干從彎曲姿勢(shì)或腰椎向后凸出的姿勢(shì)伸直時(shí)，脊椎舒展；當(dāng)人自然站立時(shí)，大多數(shù)人的腰椎曲線向里，稱為脊柱前凸（腰椎向前凸出）。從體的側(cè)面觀察，脊柱呈“S”形彎曲狀態(tài)，脊柱有頸、胸、腰、骶四個(gè)彎曲，稱為生理彎曲。脊柱的生理彎曲以及椎間盤與一系列的韌帶裝置使脊柱具有彈性，所以可把脊柱視為能調(diào)節(jié)的彈性桿。人站立時(shí)，脊柱的椎間盤和前后兩條韌帶都處于正常位置，不受拉伸變形。圖12 椎骨和椎間盤結(jié)構(gòu)圖12所示為椎骨和椎間盤的結(jié)構(gòu)示意圖，椎骨是附有肌肉及韌帶的骨頭，其功能是保護(hù)脊髓。脊髓在椎管中流動(dòng)，椎間盤是相鄰兩個(gè)椎骨間的彈性軟骨盤，它由兩部分：纖維環(huán)（椎環(huán)）和髓核組成，其中央是一種柔軟而富有彈性的膠狀物質(zhì)，叫髓核，髓核柔軟而富有彈性，可以接受人站、走、跑等引起的振動(dòng)；髓核周圍是很多按同心圓排列的相互交織的纖維構(gòu)成的纖維環(huán)，它約束髓核，防止它向周圍膨出，同時(shí)增強(qiáng)了椎間盤的強(qiáng)度。前縱韌帶和后縱韌帶從上到下將椎骨和椎間盤連成一體，形成一個(gè)靈活的節(jié)。（如圖13所示）圖13肌肉使脊柱具有運(yùn)動(dòng)功能當(dāng)脊柱處于正常的生理彎曲時(shí)，它具有最佳的吸振能力和彈性；它能防止背部肌肉的緊張和抽筋；使椎間盤受力均勻，防止脊柱受損，當(dāng)椎間盤受壓變薄2mm時(shí)，它將失去彈性，當(dāng)受力不均勻或坐姿不正確時(shí)，椎間盤的壓力將大大增加（如圖14所示），同時(shí)導(dǎo)致髓核凸起，凸起的髓核將壓入椎環(huán)或凸起在椎環(huán)周圍，凸起部分會(huì)壓迫脊髓神經(jīng)末梢，從而導(dǎo)致疼痛或神經(jīng)紊亂；有助于脊髓神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)信號(hào)的傳輸，有缺陷的椎間盤對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)將產(chǎn)生壓力，影響神經(jīng)功能，從而擾亂體內(nèi)平衡；不壓迫內(nèi)臟，提供適當(dāng)?shù)墓┭蹩臻g以及能深呼吸的坐姿。如果坐姿不正確，將使呼吸的頻次增加，引起心理疲勞。在橫向上，脊柱只有前縱韌帶和后縱韌帶，分別附著在椎體和椎間盤的前緣和后緣并起一定的保護(hù)作用。座椅靠背后傾斜能使腰部得到依靠，加之靠背襯墊的適度柔軟，致使摩擦力較大，同時(shí)加上靠背側(cè)向護(hù)耳，可緩沖橫向振動(dòng)對(duì)人體的沖擊，以提高乘坐舒適性。本文是以人機(jī)工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究的。設(shè)計(jì)座椅的動(dòng)態(tài)參數(shù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)參數(shù)進(jìn)行仿真分析與評(píng)價(jià)。(3) 測(cè)量不同坐姿下人體脊柱的形狀和各椎骨的位置，分析不同坐姿下腰椎的形狀變化，為座椅設(shè)計(jì)提供人要工程學(xué)上的參考數(shù)據(jù)。第二章 人體承受振動(dòng)的舒適性評(píng)價(jià) 人體承受振動(dòng)的分類機(jī)械振動(dòng)對(duì)人體的影響取決于振動(dòng)的頻率與強(qiáng)度、振動(dòng)作用的方向和振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間，以及人的心理、生理狀態(tài)。人體承受全身振動(dòng)而引起的舒適性問題稱為振動(dòng)舒適性。通常取某一頻率的正弦振動(dòng)作為基準(zhǔn)，其振動(dòng)加速度均方根值和振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間是一定的，并規(guī)定在此條件下的體承受振動(dòng)的舒適性評(píng)價(jià)，然后，在相同持續(xù)時(shí)間下改變振動(dòng)頻率和振動(dòng)加速度均方根值，與基準(zhǔn)振動(dòng)相比較，當(dāng)舒適性評(píng)價(jià)相同時(shí)，記錄振動(dòng)的頻率與振動(dòng)均方根值。ISO 2631《人體承受全身振動(dòng)的評(píng)價(jià)指南》[6]提出：以振動(dòng)加速度均方根值、振動(dòng)方向、振動(dòng)頻率和受振動(dòng)持續(xù)時(shí)間四個(gè)基本的振動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系來評(píng)價(jià)全身振動(dòng)對(duì)人體產(chǎn)生的影響。超過此界限，則因疲勞而降低工作效率。該標(biāo)準(zhǔn)用加速度均方根值給出了180Hz范圍頻率內(nèi)，人體對(duì)振動(dòng)的反應(yīng)（如圖21）：圖21 ISO 2361保持工作界限圖線 （a）垂直振動(dòng) （b）水平振動(dòng)其中1～80Hz的頻率范圍包括汽車等主要機(jī)械振動(dòng)的頻率。將該圖線上各振動(dòng)加速度有效值乘以2就是保持健康與安全界限；。隨著規(guī)定的受振持續(xù)時(shí)間的減少，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度有效值增大，表示界限的圖線平行向上移動(dòng)。這是因?yàn)槿梭w各內(nèi)臟器官的固有頻率多在此范圍內(nèi)，容易引起共振，所容許承受的振動(dòng)加速度有效值最小。對(duì)于不同的工作環(huán)境，應(yīng)根據(jù)具體的使用要求和使用條件，選取上述三種界限之一作為評(píng)價(jià)振動(dòng)舒適性的基本標(biāo)準(zhǔn)。 汽車座椅舒適性的主觀和客觀評(píng)價(jià)研究在對(duì)座椅機(jī)械結(jié)構(gòu)及人體脊骨生理結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，從主觀和客觀兩方面針對(duì)腰托對(duì)汽車座椅舒適性影響進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究[4]。乘坐舒適性是評(píng)價(jià)汽車性能的主要指標(biāo)，其中座椅的舒適性設(shè)計(jì)已成為汽車廠商所關(guān)注的主要內(nèi)容。其中靠背總成（如圖23所示）主要由腰托裝置、彈性元件及泡沫塑料等部件組成。作者從人體生理結(jié)構(gòu)上分析腰托裝置對(duì)人體乘坐舒適度的影響，然后通過大量的客觀試驗(yàn)，分析腰托的設(shè)計(jì)對(duì)人體壓力分布的影響，結(jié)合主觀試驗(yàn)評(píng)價(jià)對(duì)以上研究成果進(jìn)行驗(yàn)證。成人脊柱總長(zhǎng)約70CM，有26塊獨(dú)立的骨塊組成，如圖24所示。由于脊骨的定位是借助于肌腱的作用，一旦脊椎偏離自然狀態(tài)，肌腱組織就會(huì)受到拉力或壓力的作用，使肌肉活動(dòng)量增加，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)引起腰酸等不適的感覺。為了適應(yīng)凸向前的腰曲弧形，給予腰部合理的支撐，現(xiàn)代汽車座椅通常都設(shè)計(jì)有腰托裝置，可以避免因?yàn)檠课粦铱斩鴰淼纳眢w不適感覺。乘員正常入座時(shí)，人體身軀與大腿的連接點(diǎn)—胯點(diǎn)（hip point）簡(jiǎn)稱H點(diǎn)，H點(diǎn)的位置是決定駕駛員操作方便、乘坐舒適性相關(guān)的車內(nèi)尺寸的基準(zhǔn)。由圖可見，相對(duì)于人體靠背與座椅接觸的表面而言，腰托最凸出與最凹進(jìn)的兩個(gè)位置被稱為腰托裝置最前與最后極限位置。人體壓力分布是指乘員坐在座椅上時(shí)，人體與座椅之間接觸區(qū)域的壓力變化?？勘硥毫Ψ植纪ǔＪ菍⒋怪庇谧慰勘晨v向?qū)ΨQ軸上的壓力進(jìn)行積分，以縱向?qū)ΨQ軸為橫坐標(biāo)，以人體靠背骶骨區(qū)域?yàn)榛鶞?zhǔn)點(diǎn)，等間隔分布測(cè)點(diǎn)，以壓力積分結(jié)果為縱坐標(biāo)繪制出曲線，即縱向壓力分布曲線。試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)包括有腰托和無腰托兩個(gè)座椅，有腰托座椅采用雙向手動(dòng)腰托款式。試驗(yàn)用座椅安裝在模擬車身的夾具上，選取11位測(cè)試者，分別對(duì)有、無腰托裝置的座椅進(jìn)行測(cè)試。表21 評(píng)測(cè)者相關(guān)生理結(jié)構(gòu)參數(shù)序號(hào)性別身高/cm體重/kg序號(hào)性別身高/cm體重/kg1男184887男165752女164598女162503男160619女180614男1807710男175805男1839111男171846女17274測(cè)試者按照正常駕駛位置入座，傳感墊紀(jì)錄測(cè)試者整個(gè)靠背壓力分布。圖26 安裝與未安裝腰托座椅靠背壓力曲線對(duì)比圖27 靠背壓力分布云圖比較圖2圖27可知，安裝有腰托裝置的座椅在腰部的壓力值明顯大于未安裝腰托裝置的座椅。據(jù)醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)，幾乎95%的病變均發(fā)生于第4和第5腰椎的椎間盤，所以該試驗(yàn)選擇在這個(gè)位置放置腰托裝置。腰托裝置的增加還為胸曲部分的肩胛骨提供了憑靠，減輕胸曲變形。這一點(diǎn)是乘坐舒適的憑靠點(diǎn)，而且其承受的壓力最大，并沿著兩點(diǎn)向外逐漸減小。如圖27（b）所示。設(shè)計(jì)的主觀舒適性評(píng)價(jià)試驗(yàn)由表22說明，通過每位評(píng)測(cè)者的打分對(duì)座椅總體舒適性進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。表22 主觀舒適性評(píng)估表評(píng)價(jià)指標(biāo)感受程度(1)靠背壓力太小適中太強(qiáng)3210123(2)靠背中部承重太小適中太強(qiáng)3210123(3)支持力度太小適中太強(qiáng)3210123(4)靠背中部舒適度太小適中太強(qiáng)3210123(5)肩膀承重太小適中太強(qiáng)3210123(6)操作性能困難適中3210總體評(píng)價(jià)(滿分為10分)11位評(píng)測(cè)者的主觀評(píng)價(jià)經(jīng)處理后的評(píng)分值見圖28。圖28 座椅的主觀評(píng)價(jià)對(duì)比通過以上主觀評(píng)價(jià)，可以看出盡管評(píng)測(cè)者的性別、身高以及體重不同，但安裝腰托的座椅主觀舒適度明顯高于未安裝腰托的座椅，進(jìn)一步驗(yàn)證了客觀試驗(yàn)結(jié)果的正確性。圖29為應(yīng)用于試驗(yàn)的汽車在水泥路面上以45Km/h車速行駛時(shí)的實(shí)測(cè)地板譜。圖210 頭部對(duì)于汽車地板譜的加速度響應(yīng)由圖210可見，人體頭部的加速度譜峰值與汽車地板加速度譜峰值所在的頻率幾乎相同， m/s2。因此座椅有較好的振動(dòng)舒適性能，能很好的衰減汽車地板傳給座椅的振動(dòng)。（a）座椅在x軸方向上的振動(dòng)加速度（b）座椅在y軸方向上的振動(dòng)加速度（c）座椅在z軸方向上的振動(dòng)加速度圖211 座椅振動(dòng)加速度（a）x軸振動(dòng)（b）y軸振動(dòng)（c）z軸振動(dòng)乘員的腰椎在X軸、Y軸和Z軸的加速度響應(yīng)用Matlab計(jì)算所得到的圖像如圖212所示。以汽車駕駛員為被測(cè)對(duì)象，假設(shè)以每個(gè)工作日承受60分鐘的相當(dāng)于的被測(cè)試時(shí)的加速度劑量，于是每天的等效加速度劑量可得：Dxd = (60/3)1/6=Dyd = (60/3)1/6=Dzd = (60/3)1/6=該結(jié)果表明該座椅有較好的舒適性，對(duì)人體的健康影響比較少，通常人們都能承受而不會(huì)因此產(chǎn)生身體上的損害。 本章小結(jié)研究表明通過安裝腰托裝置可明顯提高人體在腰部區(qū)域的支撐力度，使人體腰部壓力增大，減輕了腰椎所承受的負(fù)荷，避免腰曲的變形，保持腰部肌肉處于松弛休息狀態(tài)，從而明顯提高人體的乘坐舒適度。本章將人和座椅作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，考慮了人體的阻尼和不同個(gè)體的不同質(zhì)量特