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汽車駕駛座椅提高人-機系統安全性設計
摘要:本文以人因分析為手段,以設計出合理的駕駛座椅來滿足駕駛員人體安全、舒適為設計目標,得到結論:駕駛座椅安全性設計應著重考慮人(駕駛員)坐姿生理特性及人體對車內振動、微氣候的反應等兩大方面。并從主動安全性設計、被動安全性設計兩個方面詳盡分析了駕駛座椅安全性設計的思路,以期達到對汽車駕駛座椅的安全性設計提供一定的指導作用。
 

  關鍵詞:駕駛座椅,人機系統,主動安全性,被動安全性

  引言

  汽車中的座椅是影響駕駛與乘坐舒適程度的重要設施,而駕駛員的座椅就更為重要。舒適而操作方便的駕駛座椅,可以減少駕駛員疲勞程度,降低故障的發生率[1]。汽車駕駛員座椅設計優劣與否直接關系到駕駛質量。

  本文以人因分析為手段,以設計出合理的駕駛座椅來滿足駕駛員人體安全、舒適為設計目標,得到結論:駕駛座椅安全性設計應著重考慮人(駕駛員)坐姿生理特性及人體對車內振動、微氣候的反應等兩大方面。并從主動安全性設計、被動安全性設計兩個方面詳盡分析了駕駛座椅安全性設計的思路。

  1. 人—座椅系統安全性設計中人的因素分析

  任何系統實際上都是人機系統,人機系統包括人、機、環境三個方面[2]。顯然駕駛員-座椅也屬于人機系統研究的范疇。人機系統的安全模式多以人的行為為主體,即以人為本。對人機系統的研究始于第二次世界大戰。在設計和使用高度復雜的軍事裝備中,人們逐步認識到必須把人和機器作為一個整體,在系統設計中必須考慮人的因素。

  1.1 人(駕駛員)坐姿生理特性分析

 ?。?)坐姿時脊柱形態

  人坐著時,身體主要由脊柱、骨盆、腿和腳支承。脊柱位于人體的背部中央,是構成人體的中軸。人處于不同的坐姿時,脊柱形態不同,只有座椅的結構和尺寸設計使駕駛員的脊柱形態接近于正常自然狀態,才會減少腰椎的負荷以及腰背部肌肉的負荷,防止駕駛疲勞發生。

 ?。?)坐姿體壓分布

  當座椅上的人處于坐姿狀態時,人的身體重量作用于座墊和靠背上的壓力分布稱作坐姿的體壓分布[3]??杉?,坐姿體壓分布包括座墊上的體壓分布和靠背上的體壓分布兩部分。

 ?、?座墊上的體壓分布

  根據人體組織的解剖學特性可知,坐骨結節處是人體最能耐受壓力的部位,適合于承重,而大腿下靠近表面處因有下肢主動脈分布,故不宜承受重壓。據此座墊上的壓力應按照臀部不同部位承受不同壓力的原則來分布,即在坐骨處壓力最大,向四周逐漸減少,自大腿部位時壓力降至最低值,這是座墊設計的壓力分布不均勻原則。圖1為坐姿時座墊上的體壓分布[4]。

 ?、?靠背上的體壓分布

  靠背上的體壓分布也以不均勻分布,壓力相對集中在肩胛骨和腰椎兩個部位。從這兩個部位向外,壓力應逐步降低。

  1.2 人體對車內振動、微氣候的反應

 ?。?)人體對振動的反應

  駕駛員坐在行使中的汽車上所承受的振動屬于全身振動的范疇。

  有關研究表明,人體最敏感的頻率范圍為縱向振動4~8Hz,橫向振動1~2Hz。當外界振動接近器官的共振頻率時,即產生共振,振幅迅速增大,此時引起器官的生理反應最大。外界振動傳入人體時所引起的增大或減弱效應與身體在振動系統中的姿勢有關,一般來說,坐姿工作時,由于人腿的減振作用大大降低,抗振性要比站姿工作時差,特別是脊柱和胃部受到振動的損害,因此坐姿作業者容易產生脊柱損傷和胃病這兩種職業病。

  振動對駕駛員操作的影響主要表現為視覺作業效率的下降和操作動作準確性變差。當振動頻率低于2Hz時,由于眼肌的調節補償作用,使視網膜上的映像相對穩定,因此對視覺的干擾作用不大,但當振動頻率大于4Hz時,視覺作業效率將受到嚴重的影響,振動頻率為10~30Hz時,對視覺的干擾最大,振動頻率為50Hz、加速度為2m/s2時,視覺下降約50%。振動對操作動作準確性的影響,主要是由于振動降低了手(或腳)的穩定性,從而使操縱動作的準確性變差,而且振幅越大,影響越大。另外人體在振動環境中會加速疲勞過程。當振動環境中的振動特性處于人體神經系統的敏感區域時,這種刺激頻繁傳入大腦皮質,引起大腦皮質細胞興奮。當達到一定限度時,皮質細胞的工作強度將減弱,人就會感到疲勞,工作效率明顯下降。

 ?。?)微氣候

  研究表明[5],駕駛員在駕駛狀態下的舒適溫度為18℃~23℃,舒適濕度為40%~60%,代謝量為1.0~2.0met。座椅對人體熱環境的主要影響因素有:座椅表面的溫度和濕度。座椅表面的溫濕度特性將影響人體背部、臀部、下體等部位的散熱性能及皮膚的呼吸功能,當其溫濕度特性與人體生理機能不適應時將引起人體局部不快感,從而加速人體疲勞的形成。

  2. 駕駛座椅安全性設計

  基于以上分析,以人體舒適性、安全性為目標進行駕駛座椅安全性設計。

  2.1 主動安全性

  主動安全性是指汽車駕駛座椅防止事故的能力。汽車駕駛座椅的主動安全性設計主要從減輕駕駛員的疲勞入手進行分析設計,以滿足主動安全性要求。如前論述,主動安全性主要考慮合理的座椅尺寸設計、座墊上合理的體壓分布、靠背上合理的體壓分布等為駕駛員提供一個舒適的作業環境,減輕駕駛員的疲勞,從而保證駕駛座椅主動安全性的設計要求。

 ?。?)座椅尺寸設計

  駕駛座椅尺寸結構設計的研究把注意力集中在人體生理結構特點對駕駛舒適程度的影響上,尋求最佳的座椅結構型式、尺寸、輪廓形狀及材料選擇。

  座椅尺寸設計[4][6]主要參數包括:椅面高度、寬度、深度、椅面傾角;靠背的高度、寬度和傾角。座椅尺寸設計涉及主要參數如圖2中所示。

  椅面高度A:椅面高度定義為椅面前緣至駕駛員踵點的垂直距離。在設計時主要考慮到兩點:椅面過高會使大腿肌肉受壓,椅面過低就會增加背部肌肉負荷。駕駛座椅的椅面高度應低些。

  椅面寬度B:在空間允許的條件下,以寬為好。但對于汽車駕駛座椅來講,駕駛員坐姿單一,不涉及變換姿勢,通常設計應以滿足最寬人體需要為準。

  椅面深度C:指椅面前緣至靠背前面水平距離。其尺寸應滿足:腰部得到靠背的支承;椅面前緣與小腿之間留有適當距離,以保證大腿肌肉不受擠壓,腿彎部分不受阻礙。

  靠背高度D及寬度:靠背的高度和寬度與坐姿肩高和肩寬有關,對于汽車駕駛座椅靠背的高度應采取高靠背,最好加靠枕。

  靠背傾角α:靠背傾角是指靠背與椅面水平方向的夾角。

  椅面傾角β:指椅面與水平之間的夾角。主要考慮到為了防止人體臀部向前滑動而是椅面前緣向后傾。此角不易過大,否則會增加大腿下平面與座墊前緣的壓力,從而減少雙腳著地的負荷,阻礙血液循環,引起身心疲勞。

  通過以上座椅尺寸參數的確定,以保證駕駛員人體脊柱曲線更接近于正常生理脊柱曲線。舒適坐姿的各關節的角度應該滿足圖3中所示的要求角度[7]。

  圖3 舒適坐姿的關節角度

 ?。?)座椅結構設計

  為了保證座墊上合理的體壓分布,座墊應堅實平坦。太軟的椅子容易令使用者曲起身子,全身肌肉和骨骼受力不均,從而導致腰酸背痛的現象的產生。研究表明[4]:過于松軟的椅面,使臀部與大腿的肌肉受壓面積增大,不僅增加了軀干的不穩定性,而且不易改變坐姿,容易差生疲勞。

  依據靠背上體壓分布不均勻原則,在座椅靠背設計時應保證有靠背兩點支承即就是人體背部和腰部的合理支承。汽車座椅設計時應提供形狀和位置適宜的兩點支承,第一支承部位位于人體第5~6胸椎之間的高度上,作為肩靠;第二支承設置在腰曲部位,作為腰靠。肩靠能減輕頸曲變形,腰靠能保證乘坐姿勢下的近似于正常的腰弧曲線。

 ?。?)座椅材料選擇

  座椅材料的選擇主要考慮到以下兩個方面:振動舒適性以及座椅對人體熱環境的主要影響。

  座椅材料是座椅的主要減振元件,要想使座椅獲得較低的振動傳遞率,使座椅有較高的振動舒適性,必須采用合適的座墊和靠背減振材料。

  根據駕駛室的微氣候環境,調整座椅表面的溫濕度特性,可以適當調節人體代謝,達到減輕疲勞的目的。如提高座椅材料的呼吸能力,增加材料的透氣性,在不同的季節條件、溫濕環境下使用不同的座椅面料,以及在中高檔汽車中采用主動通風式座椅,消除駕駛員在座墊表面和背部表面所產生的熱量,使人體與座椅接觸區保持適宜的溫濕度等措施均能改善座椅表面的溫濕度特性,減輕駕駛疲勞。

  2.2 駕駛座椅被動安全性設計

  被動安全性是指事故發生時,?;こ嗽鋇哪芰?。駕駛座椅作為安全部件,是汽車被動安全性設計的主要考慮部件之一??悸翹岣嘸菔輝鋇娜松戇踩?,汽車駕駛座椅被動安全性設計目標為:

 ?。?) 在事故中要保證駕駛員處在自身的生存空間之內,并防止其他車載體進入到這個空間;

 ?。?) 要保持駕駛員在事故發生時,保持一定的姿態,以使其他的約束系統能充分發揮其?;ば?;

 ?。?) 在事故中,使得事故后果對駕駛員的傷害降低到最小限度。

  目前采取的主要安全措施:提高座椅骨架強度,達到汽車駕駛座椅強度的要求值;設置座椅安全帶,使在緊急制動或正面撞車時不致將駕駛員碰傷;達到一定的阻燃要求,坐墊和靠背材料應達到汽車內飾材料燃燒特性技術要求的規定。

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