【正文】 畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 7 乘客座椅設(shè)計 在輕型客車中，乘客座椅是體現(xiàn)汽車服務(wù)質(zhì)量的重要功能件之一，它的 舒適性在車輛的個性化設(shè)計中非常重要，同時也是保障車輛安全性能的一部分。設(shè)計合理的汽車座椅能為乘員提供安全、舒適 的 乘 坐 感受。汽車技術(shù)的飛速發(fā)展和人們對汽車各方面性能要求的提高，對汽車座椅的要求也在不斷提高。 座椅 設(shè)計 的基本原 則 汽車座椅設(shè)計是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涉及機械、化工、紡織、噴涂、熱處理、美學(xué)、力學(xué)、人體工程學(xué)等多門學(xué)科，設(shè)計時應(yīng)依據(jù)人體工程學(xué)原理綜合考慮座椅的舒適 性、減振性、安全性以及座椅的合理布置，此外，還要考慮人體生理特征及尺寸，進行量身定做，以提高座椅的乘坐舒適性。 安全 設(shè)計時首先要絕對保證駕乘者的安全，這就要求座椅要有足夠的強度，在發(fā)生碰撞時，座椅不會或可以減輕對乘坐者造成傷害，并能起到一定的保護作用。 乘座舒適性 設(shè)計的座椅必須能使乘客保持良好的坐姿，使其脊柱自然彎曲，保證合理的體壓分布并使其肌肉松弛，上體通向大腿的血管不受壓迫，血液循環(huán)正常；并具有腰椎依托感、腰背部貼和感和側(cè)向穩(wěn)定感。能有效隔離或衰減路面不平產(chǎn)生的振動，滿足大多數(shù)乘 客 坐姿舒適性的要求。 靜態(tài) 舒適性 最終坐姿與座椅外形 人體在座椅上坐著時的姿勢，稱為最終姿勢。人體姿勢由相鄰關(guān)節(jié)的距離及每個關(guān)節(jié)的角度來確定。通常情況下，各關(guān)節(jié)之間的距離是不能調(diào)整的，但每個關(guān)節(jié)的角度可以改變。在關(guān)節(jié)角度可變范圍內(nèi)存在改變的最佳區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)人不易疲勞。由坐姿生物力學(xué)分析，最舒適的坐姿是臀部稍離背向前移，使上體略向上后傾斜，保持上體與大腿間角度在 900到 1150。同時，小腿向前伸，大腿與小腿，黃石理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 小腿與腳掌之間也應(yīng)達(dá)到一定角度，如圖 71所示 圖 71 舒適的坐姿關(guān)節(jié)角度 體壓分布與測量 人坐在座椅上時，人體重力作用在坐墊和靠背上，其壓力分布情況稱為體壓 分布。坐姿的體壓分布是影響乘坐舒適性的重要因素。人就坐時，身體重量的大部分（約 80%）經(jīng)過臀部，背部隆起部分及其附著的肌肉壓在座椅面上。圖 72座椅各部位的受力分布。 黃石理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 圖 72 座椅各部位的受力分布 動態(tài) 舒適性 汽車座椅的動態(tài)舒適性與座椅及人體的振動特性密切 相關(guān)。座椅動態(tài)舒適性是指處于振動環(huán)境中所感受到的主觀上的相對舒適程度。振動對駕駛員的直接影響涉及軀干和身體局部的動態(tài)反應(yīng)行為，生理反應(yīng)，性能減退和敏感度障礙。表 71列出了人 體和個主要部位的共振頻率。 表 71 人體各個主要部位的主要共振頻率 人體在振動環(huán)境中會加速疲勞過程。當(dāng)振動環(huán)境中的振動特性處于人體神經(jīng)系統(tǒng)的敏感區(qū)域時，這種刺激頻繁傳入大腦皮質(zhì)，引起大腦皮質(zhì)細(xì)胞興奮。當(dāng)達(dá)到一定限度時，皮質(zhì)細(xì)胞的工作強度將減弱，人就會感到疲勞，工作效率明顯下降。由于座椅與人體直接接觸，而且在大多數(shù)情況下，座椅懸 架系統(tǒng)是用來控制低頻和大振幅振動的僅有的機械裝置，所以，座椅的懸架實際上是削弱垂直振動的最簡單 ，最有效的選擇。 汽車運行時，會產(chǎn)生強烈的橫向和縱向振動。目前的研究表明因有頻率低的極柔軟的座椅懸架能有效的降低橫向振動，但是這種懸架帶來的相當(dāng)大的動態(tài)和靜態(tài)黃石理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 變形會造成人體的不舒適。因此，我們通常不考慮橫向低頻振動，而只考慮垂直方向振動即座椅的懸架系統(tǒng)。 試驗證明，影響座椅動態(tài)特性的因素有：座墊的剛度和阻尼系數(shù)，懸掛系統(tǒng)的質(zhì)量，剛度和阻尼系數(shù)以及座椅剛架結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能，其中起決定作用的是剛度和阻尼系數(shù)。剛度參數(shù)決定 座椅的共振頻率，而阻尼系數(shù)決定座椅的振動衰減特性。 目前的研究和根據(jù)資料收集證明，座椅懸架系統(tǒng)的質(zhì)量較大時對人體動態(tài)舒適性有利，但需考慮到與座椅剛度的配合；座椅連接件的摩擦系數(shù)越小，對人體動態(tài)舒適性越有利；適當(dāng)降低座椅懸架的阻尼系數(shù)對舒適性有利。 座椅的舒適性 設(shè)計 通過以上對座椅靜態(tài)舒適性，動態(tài)舒適性的分析，對我們座椅 的設(shè)計提供了很多舒適性方面的要求，我們要得到乘坐舒適的座椅，應(yīng)該要從以下幾個方面去考慮： 1 確保座椅的實際 H 點在測量時，與其設(shè)計位置的偏差在規(guī)定的范圍內(nèi)。 2 座椅的各個外形尺寸必須設(shè)計 在合適的范圍內(nèi)，以滿足人機工程學(xué)的要求。 3通過調(diào)整泡綿，座椅面套等座椅零部件材料相關(guān)性能來獲得合理的體壓分布。 4 選用增加舒適性能的座椅結(jié)構(gòu)及部件，如座墊采用懸架系統(tǒng)，座墊和靠背用彈簧結(jié)構(gòu)及部件，如座墊采用懸架系統(tǒng)，座墊和靠背用彈簧結(jié)構(gòu)來吸收振動，增加腰部支撐機構(gòu)，選用透氣，透濕性能好的座椅面套材料等。 5 減小座椅的共振頻率，降低對人體最有影響的高頻區(qū)，降低共振時的振動傳遞率，與汽車的其它減振系統(tǒng)相匹配， 降低乘員 10Hz 近的振動傳動率。 6 在設(shè)計驗證時，對座椅舒適性進行主觀性評價試驗。表 72為 某 公司使用的座椅舒適性評價表，通過選取不同身高，體重人員來對表格中各項進行評分，以驗證座椅的舒適性。 黃石理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 表 72 座椅舒適性評價表 黃石理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 8 主 要計算及校核 座椅 設(shè)計 的 計 算 根據(jù)中國人人體關(guān)節(jié)尺寸數(shù)據(jù)庫 ， 計算中的人體關(guān)節(jié)的尺寸位于第 5 和第 95百分位之間，才能保證設(shè)計出的駕駛室的幾何尺寸滿足絕大多數(shù)人的要求。根據(jù)人體關(guān)節(jié)與駕駛室之間的幾何關(guān)系，推導(dǎo)出舒適角計算公式，以舒適角在舒適范圍內(nèi)和方向盤與身體不發(fā)生干涉為約束條件 ，確定合理的跨點高度、座椅水平調(diào)節(jié)量、靠背椅調(diào)節(jié)范圍和方向盤位置及傾角，然后利用計算結(jié)果繪制駕駛員上下視野極限，進行校正，找到合適點。用 c++語言編制計算程序流程圖，如圖 81 所示 圖 81 駛室座椅布置設(shè)計程序流程 SAE 適意線法的應(yīng)用 早在 1985 年， SAE 就推出了 SAEJl517 標(biāo)準(zhǔn)，用來確定滿足一定百分位的駕駛員 H 點的位置。在 SAEJl517 中推薦了不同百分位的一組適意駕駛位置時 H 點的位置線，其中每一條曲線都表征了 H點位置與定位參考點之間的水平和垂直方向的位黃石理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 置關(guān)系， A類車的適意 H點高度 z與 H點相對定位參考點水平方向的距離 x呈二次非線性關(guān)系：對于 B 類車， z與 x呈襲性關(guān)系。圖 82 出了 A類車的一組 SAE 適意H點位置線。 圖 82 A類車 SAE適意 H點位置線 給定不同百分位的 H點高度就能夠得到最后、最前以及其它百分位的設(shè)計 H點，座椅的行程和升程可根據(jù)最后和最前 H 點來確定。 SAE 適意線是 據(jù) 早先 的美國人體數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計分析之后得出的，對于不同時代、不同國家的人體統(tǒng)計數(shù)據(jù)不一定適用；求對應(yīng)某一百分位的 H點時只能得到一個點，靈活性較差。同時， SAE 適意線法沒有將目 標(biāo)駕駛員群體的統(tǒng)計特性，尤其是國別、身材、男女比例、百分位等作為參數(shù)，使得此方法不宜作為一個通用的方法，針對任意給定 的駕駛員目標(biāo)人群都適用 。 H 點高度的確定 為使駕駛員在駕駛汽車時感到舒適，根據(jù)汽車人體工程學(xué) ，將不同百分位中國人體關(guān)節(jié)尺寸代人，可得到座椅位置滿足的關(guān)系式： X95=913． 7+0． 672316z0． 00195530z178。 X90=885． 0+O． 735374z— O． 00202150z178。 X50=793． 7+O． 903387z 一 0． 00225518z178。 (1) X10=715． 9+0． 968793z 一 0． 00228674z178。 X5=692． 6 +O． 981427z+0． 00210494z178。 駕駛員在駕駛室中的坐姿幾何關(guān)系如圖 83 所示。 A 點為駕駛員的腳和地面的接觸點， B 點為人的膝關(guān)節(jié)點， C 點為人的肩關(guān)節(jié)點， H 點為人的胯關(guān)節(jié)點。 D 點為人的肘關(guān)節(jié)點， E 點為人的腕關(guān)節(jié)點， F 點為方向盤的中心， a1為小腿和腳的夾角， a2為太腿和小腿的夾角， a3為大腿和軀干的夾角， a4為軀干和鉛垂線的夾角． a5為大臂和小臂的夾角 ,ak為大臂和軀干的夾角， X 為踏板和胯關(guān)節(jié)點距離， Z 為胯關(guān)節(jié)點的高度， L 為轉(zhuǎn)桿的長度， XE和 ZE分別為腕關(guān)節(jié)到轉(zhuǎn)向器的水平和垂直距離，黃石理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 XF 和 ZF分別為方向盤中心到轉(zhuǎn)向器的水平和垂直距離， aF為轉(zhuǎn)向桿和水平線的夾角，人體尺寸對于特定的百分位是常量。由式 (1)和圖 10 可知 a1和 a2的值由 Z 的值唯一確定，記為： a1=f1(z)， a2=f2(Z)．對于滿足度為 90％ (第 5 一第 95 百分位 )的汽車。滿足 a1舒適度的 z 取值范圍為 270— 400mm，滿足 a2舒適度的取值范圍為 320— 600mm，單從滿足人體下肢人機工程學(xué)要求來 講， H 點高度的取值范圍是 320—400mm．具體 H 點高度，還要根據(jù)方向盤和整車設(shè)計的需要確定。 圖 83 駕駛室人員坐資幾何關(guān)系 H 點最前位置 與 最后位置 H 點高度確定之后，最前位置，對應(yīng)于最前設(shè)計 H 點，它是設(shè)計 H 點正常調(diào)節(jié)范圍的下限 Xmin，代表了第 5 百分位女子駕駛員的駕駛位置。最后位置，對應(yīng)于最后設(shè)計 H 點．它是設(shè)計 H 點正常調(diào)節(jié)范圍的上限 Xmax?代表了第 95 百分位男子駕駛員的駕駛位置，即座椅水平調(diào)節(jié)量為 xmin 一 xmax。 座椅靠背角 參數(shù)選擇 根據(jù)汽車人體工程學(xué)。駕駛員 靠背角的范圍應(yīng)當(dāng)位于 20— 30 之間。由圖 10 可知，人體關(guān)節(jié)角度與座椅靠背角存在確定性關(guān)系，記為 a3=f3(ak， z)，其數(shù)值可由計算程序得到。在本設(shè)計方法中，利用座椅靠背角的選取來協(xié)調(diào)方向盤設(shè)計和座椅位置設(shè)計。 上肢舒適度 計 算 由于汽車駕駛模擬器駕駛室采用的形式是座椅可調(diào)．方向盤固定和座椅靠背角可調(diào)，方向盤中心的位置可以表示為： XF=f03(L， aF)， ZF=f04(L， aF)。由 圖 10 的幾何關(guān)系及當(dāng)用手去抓握東西時，手掌與所握物之間的夾角不變，上肢人體關(guān)節(jié)坐標(biāo)：腕關(guān)節(jié)是 XE=F05(L， aF)， ZE=f06(L， aF)；肩關(guān)節(jié)是 Xe=f01(L， aF)， Zc=f06(L。 aF)，黃石理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 肘關(guān)節(jié)是 XD=f07(L， af． z． aK)， ZD=f08(L， af， z， ak)，所以上肢處的人體關(guān)節(jié)角度為： a4=f4(L， aF， Z， ak)， a5=f5(L， af， z， ak)， a6=f6(L， af， z， ak)，其具體數(shù)值由程序給出。 駕駛員 校核 計 算 采用 95%百分位眼橢圓作視野校核。眼橢圓是研究眼睛分布范圍的一種圖形。汽車駕駛員的眼橢圓用于研究駕駛員眼睛位置在車身中的分布范圍，對駕駛員的視野設(shè)計極為重要。具體參數(shù)見下表 81 所示 ： 表 81 駕駛視野參數(shù) 靠背角 15 H點水平行程 140 眼橢圓中心離 X、 X Y（左眼） Y（右眼） Z Y、 Z軸的距離 17 眼橢圓長軸 147 眼橢圓短軸 77（正視圖） / 82（俯視圖） 眼橢圓的定位 a、在側(cè)視圖上的定位 主要步驟： ①根據(jù)設(shè)計確定的 H 點行程（水平調(diào)節(jié)量）及眼橢圓百分位，在樣板組中選取相應(yīng)的樣板； ②在車身側(cè)視圖上，由最后 H 點向上作垂直工作線 ZZ； ③由 H 點向上在 635mm處作一水平工作線； ④將眼橢圓定位線放在兩工作線的交點上。該交點是座椅靠背角 為 10176。時 眼橢圓自身坐標(biāo)原點位置。自身坐標(biāo)相對于垂直工作線和水平工作線的偏距 由表查得。 ⑤將眼橢圓樣板置于眼橢圓定位線上的兩基線 XX、 ZZ 的交點上，該交點所對應(yīng)的靠背角值應(yīng)是所規(guī)定的前座椅靠背角的設(shè)計值。 b、在車身俯視圖上的位置 首先應(yīng)確定 W7 和 W30 的尺寸，于是眼橢圓樣板與汽車縱向中心線之間的定位距離 *（ W7） +（ W3）便可算出為 *650+*2021= ㎜，黃石理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)