汽车驾驶座椅安全人机设计.doc

汽车驾驶座椅安全人机设计摘要：本文以人因分析为手段，以设计出公道的驾驶座椅来满足驾驶员人体安全、舒适为设计目标，得到结论：驾驶座椅安全性设计应着重考虑人（驾驶员）坐姿生理特性及人体对车内振动、微天气的反应等两大方面。并从主动安全性设计、被动安全性设计两个方面详尽分析了驾驶座椅安全性设计的思路，以期达到对汽车驾驶座椅的安全性设计提供一定的指导作用。引言 汽车中的座椅是影响驾驶与乘坐舒适程度的重要设施，而驾驶员的座椅就更为重要。舒适而操纵方便的驾驶座椅，可以减少驾驶员疲惫程度，降低故障的发生率1。汽车驾驶员座椅设计优劣与否直接关系到驾驶质量。 本文以人因分析为手段，以设计出公道的驾驶座椅来满足驾驶员人体安全、舒适为设计目标，得到结论：驾驶座椅安全性设计应着重考虑人（驾驶员）坐姿生理特性及人体对车内振动、微天气的反应等两大方面。并从主动安全性设计、被动安全性设计两个方面详尽分析了驾驶座椅安全性设计的思路。1. 人座椅系统安全性设计中人的因素分析 任何系统实际上都是人机系统，人机系统包括人、机、环境三个方面2。显然驾驶员-座椅也属于人机系统研究的范畴。人机系统的安全模式多以人的行为为主体，即以人为本。对人机系统的研究始于第二次世界大战。在设计和使用高度复杂的军事装备中，人们逐步熟悉到必须把人和机器作为一个整体，在系统设计中必须考虑人的因素。1.1 人（驾驶员）坐姿生理特性分析（1）坐姿时脊柱形态 人坐着时，身体主要由脊柱、骨盆、腿和脚支承。脊柱位于人体的背部中心，是构成人体的中轴。人处于不同的坐姿时，脊柱形态不同，只有座椅的结构和尺寸设计使驾驶员的脊柱形态接近于正常自然状态，才会减少腰椎的负荷以及腰背部肌肉的负荷，防止驾驶疲惫发生。（2）坐姿体压分布 当座椅上的人处于坐姿状态时，人的身体重量作用于座垫和靠背上的压力分布称作坐姿的体压分布3。可见，坐姿体压分布包括座垫上的体压分布和靠背上的体压分布两部分。 座垫上的体压分布 根据人体组织的解剖学特性可知，坐骨结节处是人体最能耐受压力的部位，适合于承重，而大腿下靠近表面处因有下肢主动脉分布，故不宜承受重压。据此座垫上的压力应按照臀部不同部位承受不同压力的原则来分布，即在坐骨处压力最大，向四周逐渐减少，自大腿部位时压力降至最低值，这是座垫设计的压力分布不均匀原则。图1为坐姿时座垫上的体压分布4。图 1坐姿时座垫上的体压分布 靠背上的体压分布 靠背上的体压分布也以不均匀分布，压力相对集中在肩胛骨和腰椎两个部位。从这两个部位向外，压力应逐步降低。1.2 人体对车内振动、微天气的反应（1）人体对振动的反应 驾驶员坐在行使中的汽车上所承受的振动属于全身振动的范畴。 有关研究表明，人体最敏感的频率范围为纵向振动48Hz，横向振动12Hz。当外界振动接近器官的共振频率时，即产生共振，振幅迅速增大，此时引起器官的生理反应最大。外界振动传进人体时所引起的增大或减弱效应与身体在振动系统中的姿势有关，一般来说，坐姿工作时，由于人腿的减振作用大大降低，抗振性要比站姿工作时差，特别是脊柱和胃部受到振动的损害，因此坐姿作业者轻易产生脊柱损伤和胃病这两种职业病。 振动对驾驶员操纵的影响主要表现为视觉作业效率的下降和操纵动作正确性变差。当振动频率低于2Hz时，由于眼肌的调节补偿作用，使视网膜上的映像相对稳定，因此对视觉的干扰作用不大，但当振动频率大于4Hz时，视觉作业效率将受到严重的影响，振动频率为1030Hz时，对视觉的干扰最大，振动频率为50Hz、加速度为2m/s2时，视觉下降约50%。振动对操纵动作正确性的影响，主要是由于振动降低了手（或脚）的稳定性，从而使操纵动作的正确性变差，而且振幅越大，影响越大。另外人体在振动环境中会加速疲惫过程。当振动环境中的振动特性处于人体神经系统的敏感区域时，这种刺激频繁传进大脑皮质，引起大脑皮质细胞兴奋。当达到一定限度时，皮质细胞的工作强度将减弱，人就会感到疲惫，工作效率明显下降。（2）微天气 研究表明5,驾驶员在驾驶状态下的舒适温度为1823，舒适湿度为40%60%，代谢量为1.02.0met。座椅对人体热环境的主要影响因素有：座椅表面的温度和湿度。座椅表面的温湿度特性将影响人体背部、臀部、下体等部位的散热性能及皮肤的呼吸功能，当其温湿度特性与人体生理性能不适应时将引起人体局部不快感，从而加速人体疲惫的形成。2. 驾驶座椅安全性设计基于以上分析，以人体舒适性、安全性为目标进行驾驶座椅安全性设计。2.1 主动安全性 主动安全性是指汽车驾驶座椅防止事故的能力。汽车驾驶座椅的主动安全性设计主要从减轻驾驶员的疲惫进手进行分析设计，以满足主动安全性要求。如前论述，主动安全性主要考虑公道的座椅尺寸设计、座垫上公道的体压分布、靠背上公道的体压分布等为驾驶员提供一个舒适的作业环境，减轻驾驶员的疲惫，从而保证驾驶座椅主动安全性的设计要求。（1）座椅尺寸设计 驾驶座椅尺寸结构设计的研究把留意力集中在人体生理结构特点对驾驶舒适程度的影响上，寻求最佳的座椅结构型式、尺寸、轮廓外形及材料选择。座椅尺寸设计46主要参数包括：椅面高度、宽度、深度、椅面倾角；靠背的高度、宽度和倾角。座椅尺寸设计涉及主要参数如图2中所示。A.持面高度B.持面宽度C.持面深度 D.金背高度Q.余背倾角尽持面倾角图 2 座椅尺寸设计主要参数椅面高度A：椅面高度定义为椅眼前缘至驾驶员踵点的垂直间隔。在设计时主要考虑到两点：椅面过高会使大腿肌肉受压，椅面过低就会增加背部肌肉负荷。驾驶座椅的椅面高度应低些。椅面宽度B：在空间答应的条件下，以宽为好。但对于汽车驾驶座椅来讲，驾驶员坐姿单一，不涉及变换姿势，通常设计应以满足最宽人体需要为准。椅面深度C：指椅眼前缘至靠背前面水平间隔。其尺寸应满足：腰部得到靠背的支承；椅眼前缘与小腿之间留有适当间隔，以保证大腿肌肉不受挤压，腿弯部分不受阻碍。靠背高度D及宽度：靠背的高度和宽度与坐姿肩高和肩宽有关，对于汽车驾驶座椅靠背的高度应采取高靠背，最好加靠枕。靠背倾角：靠背倾角是指靠背与椅面水平方向的夹角。椅面倾角：指椅面与水平之间的夹角。主要考虑到为了防止人体臀部向前滑动而是椅眼前缘向后倾。此角不易过大，否则会增加大腿下平面与座垫前缘的压力，从而减少双脚着地的负荷，阻碍血液循环，引起身心疲惫。 通过以上座椅尺寸参数的确定，以保证驾驶员人体脊柱曲线更接近于正常生理脊柱曲线。舒适坐姿的各关节的角度应该满足图3中所示的要求角度7。图3舒适坐姿的关节角度（2）座椅结构设计 为了保证座垫上公道的体压分布，座垫应坚实平坦。太软的椅子轻易令使用者曲起身子，全身肌肉和骨骼受力不均，从而导致腰酸背痛的现象的产生。研究表明4：过于松软的椅面，使臀部与大腿的肌肉受压面积增大，不仅增加了躯干的不稳定性，而且不易改变坐姿，轻易差生疲惫。 依据靠背上体压分布不均匀原则，在座椅靠背设计时应保证有靠背两点支承即就是人体背部和腰部的公道支承。汽车座椅设计时应提供外形和位置适宜的两点支承，第一支承部位位于人体第56胸椎之间的高度上，作为肩靠；第二支承设置在腰曲部位，作为腰靠。肩靠能减轻颈曲变形，腰靠能保证乘坐姿势下的近似于正常的腰弧曲线。（3）座椅材料选择 座椅材料的选择主要考虑到以下两个方面：振动舒适性以及座椅对人体热环境的主要影响。座椅材料是座椅的主要减振元件，要想使座椅获得较低的振动传递率，使座椅有较高的振动舒适性，必须采用合适的座垫和靠背减振材料。 根据驾驶室的微天气环境，调整座椅表面的温湿度特性，可以适当调节人体代谢，达到减轻疲惫的目的。如进步座椅材料的呼吸能力，增加材料的透气性,在不同的季节条件、温湿环境下使用不同的座椅面料，以及在中高档汽车中采用主动透风式座椅,消除驾驶员在座垫表面和背部表面所产生的热量，使人体与座椅接触区保持适宜的温湿度等措施均能改善座椅表面的温湿度特性，减轻驾驶疲惫。2.2座椅振动舒适性设计 座椅材料是座椅的主要减振元件，那么在座椅振动舒适性设计时首先要考虑的就是从座椅材料的选择上下功夫来保证座椅振动舒适性。座椅的结构外形也不同程度的影响其振动舒适性。由于椎间盘有较大的压缩潜力和很好的弹性，所以脊柱具有忍受较强的纵向振动的能力。在横向上，脊柱只有前纵韧带分别附在腰间盘的前缘和后缘并起一定的作用。因此，人体脊柱忍受横向力的能力很低。在设计座椅时必须使其具有抵抗横向振动的能力。座椅靠背后倾斜使腰部背部得到依靠，加之靠背衬垫的适度柔软性，致使摩擦力增大，可缓冲横向振动对人体的冲击，同时靠背两侧稍隆起、椅面的外形(如图2)两边向上隆起，也能减轻人体的横向移动趋势，使人感觉乘坐舒适。2.3 座椅空间位置设计 座椅空间位置设计就是为了达到操纵舒适性的目标，而进行驾驶座椅空间位置设计以确保驾驶员有良好的视野，同时对汽车转向盘、脚踏板等操纵部件有恰当的操纵要求间隔，以达到操纵舒适性的终极目的。图4列出了驾驶作业空间设计的主要指标。图4驾驶作业空间设计的主要指标2.4 驾驶座椅被动安全性设计 被动安全性是指事故发生时，保护乘员的能力。驾驶座椅作为安全部件，是汽车被动安全性设计的主要考虑部件之一。考虑进步驾驶员的人身安全性，汽车驾驶座椅被动安全性设计目标为：（1） 在事故中要保证驾驶员处在自身的生存空间之内，并防止其他车载体进进到这个空间；（2） 要保持驾驶员在事故发生时，保持一定的姿态，以使其他的约束系统能充分发挥其保护效能；（3） 在事故中，使得事故后果对驾驶员的伤害降低到最小限度。 目前采取的主要安全措施：进步座椅骨架强度，达到汽车驾驶座椅强度的要求值；设置座椅安全带，使在紧急制动或正面撞车时不致将驾驶员碰伤；达到一定的阻燃要求，坐垫和靠背材料应达到汽车内饰材料燃烧特性技术要求的规定。3 结束语 从人机工程学的角度出发，进行汽车驾驶座椅的设计，使驾驶座椅具有良好坐姿舒适性、振动舒适性、操纵舒适性和安全性的必要手段。 目前，固然已有企业在利用人机工程学的研究成果来设计驾驶员座椅了，但对设计出来的驾驶座椅还不够完善，因此建立一个从分析一设计的系列开发过程有着非常重要的现实意义。人机工程学超市手推车案例分析人机工程学超市手推车设计案例分析人机工程学超市手推车设计案例分析人一手推车系统：手推组成超市手推车的功能是供人超市购物时运载货物，方便顾客购物。就发挥超市手推车的功能作用而言，把人和超市手推车看成是一个系统整体是完全合理的。1 人与手推车部件的关系 车把人-车界面关系：车筐、车架、车轮、车架、车筐和车把是手推车的基本组成构架。车轮和车架将车筐、车把固定在相互间正确的位置上，保证手推车的整体性，实现手推车的功能。从人机关系来看，车架、车筐和车把的位置和大小，与推车人的身高，推车手臂位置以及身体舒适度有关。2. 人与车把关系 手推车把手的作用是承受人推车时的推力，使得手推车前进。为了使人省力和有舒适感，必须在推车人的体格与手推车元件的尺寸关系上下功夫，即研究人体上肢手臂与手推车把手之间的相互位置关系。保证人在购物推车时的舒适度，才能使人购物时候心情放松愉悦。3. 人与车筐关系 车筐是用来载放选好的商品的。人在购物时选好商品以后将商品从货架上取下放到手推车的车筐中，购物结束后再将买到的东西从手推车中取出带走。车筐的设计关键是要有合适的大小和能让人感到舒适的位置。对于一些带孩子购物的购物群体，还要满足能够保证孩子安全的需要。4. 人与车架关系 车架是用来安装车轮和支撑车筐的部件。车架下面装上车轮能够让人轻松自然地推动手推车前进；同时车架上面安装上车筐使人在选取商品时能够有一个好的舒适感。在设计手推车各部件的时候，应该着眼于推车人推车时身体能够处于轻松、自然、舒适的状态，这样才可能设计出同推车人身体体格相适应的手推车，才不会出现推车时推车人很累的现象。二、影响手推车性能的人体因素影响手推车性能的人体因素手推车1人的体格因素。以身高为基本因素，手臂、腿、步幅等的长度与身高成比例，从而手推车的把手高度、车筐高度、车架与人体间的距离就取决于身高。2人的平衡机能推车人本身的平衡机能也是影响手推车性能的重要因素，如果缺少平衡机能，哪怕是运动性能很好的手推车也不能平稳前进；若人有很好的平衡机能，也可以掩盖手推车设计上的某些缺陷。3人的手和握力人的手和握力，男性和女性，成年人和儿童，手的大小和握力都不相同。为了长时间握住把手推车而不致使手有酸痛麻木的感觉，希望把手的设计能够使人很轻松自然地就能推动车子。4人的疲劳人体疲劳和疼痛是对推车出力性能的不利因素，其产生原因有人体因素，也有手推车结构因素。疲劳和疼痛一般是由于推车姿势不合适，身体某些部位负担过大等引起的。三、手推车设计结构要素分析手推车设计结构要素分析 影响手推车性能的因素除了上述人的因素外，还有许多机械因素。为了获得手推车较佳的性能，必须把人的因素与机械因素有机地结合起来，以使人一车协调。1手把位置高度手推车车把位置高度设计，要按人的身高或肢体长度来考虑高度问题，则可使人省力和舒适。通常车把高度一般到人体腰部左右，这样人推车时手臂会处于很轻松舒适的的状态。2车筐位置合适的车筐位置是由推车人选购货物时往车里放选好的商品和从车筐里往外取商品的姿势舒适度来决定的。3车架位置如果车架安装的过于接近身体，则会使人在推车过程中两腿不能自然前伸，步幅小于正常长度，容易使人产生疲劳；如果车架安装的过于远离身体，则会增加手推车把手长度，减弱手推车平稳性。车架装的过高会影响到车筐的大小和高度。四、人一手推车动态特性分析人一手推车动态特性分析手推1动态稳定性 手推车的动态稳定是推动车的过程中的稳定，是一种动态平衡的稳定性。动态稳定性影响到推车行走中的动作，包括直进稳定性和左右转向的稳定性。显然，稳定性对手推车的使用是必不可少的特性。2 转向特性 手推车的车轮与车架安装时采用的方式可以使车轮在前后左右方向上任意转动，转向时只要内侧手臂施加拉力外侧手臂施加推力就可使手推车转向。 文：trolley购物车是指超市等大型自选商场中，顾客用于暂时存放所选商品的一种手推车。购物车可分为：人字购物车，美式购物车，澳式购物车，日式购物车，平板购物车，塑料购物车等。人字购物车是现下中小型超市使用最广泛的超市购物车，它相对于美式购物车来说更灵活小巧，适合于穿梭在狭小的货架之间，但承重量的偏小与单一的存储容积是其不足之处。美式购物车具有大容积，大承重量的特点。适合于超大型购物市场。不足之处在于无法进行物品分类，如果消费者购物种类繁多、物品之间又无法共存，将遇到麻烦。日式购物车巧妙得解决了物品分类的问题，为消费者购买繁杂物品时提供了方便；但不足之处也显而易见，购物车承重量较小，容积较小。平板购物车同样也解决了物品分类的问题，其承重量也尚可，但容积太小，同时没有可折叠的婴儿椅，所以无法满足部分大采购量和携带婴儿的消费者。现下大型卖场，超市等对于购物车的需求非常旺盛，购物车相对于环境及用户的需求也在不断的变化，发展。通过对不同类别的购物车的分析，我们可以发现时下的购物车虽然各有特点及优势，但并没有一个功能较齐全，能真正满足不同消费者要求的产品。经过比较分析，我们决定以美式购物车、人字购物车为基础框架，通过改进、完善来创造出一个功能更齐全，更能满足消费者的购物车产品。黄金购物车自行购物两用车该产品的特点一目了然，贵重的金属材质配以奢华的钻石水晶镶嵌，给购物者极大的视觉冲击和心理满足感，对于促进消费有别样的作用新颖的创作，将自行车和购物车巧妙地结合在一起。精巧的折叠设计令人称赞，将购物的分类问题也解决，缺点在于承重力不足。功能强大的购物车，可以携带很多小筐子以及袋子，并且在需要的时候可以再延长，而且它有电力装置，可以驾驶我国复原辽阔，不同地区人群的人体各部位尺寸有较大的差异。其中身材较高的地区有黑龙江、吉林、辽宁、河北、山东、山西、内蒙、宁夏、青海等地；中等身材的地区包括新疆、甘肃、陕西、江西、湖北、安徽、江苏、浙江等地；身材较矮的地区有四川、云南、贵州、广东、广西等地；河南等介于较高与中等身材地区之间，湖南、福建则介于中等与较矮身材地区之间。成人男子伸直手臂右手在不同的水平角度的铅垂平面内所能达到的范围。不同的工作姿势，舒适的工作面高度不同手的操作力一般成年男子的瞬时最大拉力约为700N，女子约为380N，男子瞬时的最大握力约为560N，女子约为310N。手的运动手的运动速度变化很大，一般在5800mm/s范围内，手的运动速度与运动习惯有密切关系，一般运动的习惯方向，也就是手运动速度快的方向。结构主体以绿色为主：绿色在可见光谱中波长居中，是令人感到舒服的休息色，人在绿色的环境中，皮肤的温度可以降低12?C，呼吸均匀有宁静、清新的感觉，可以给消费者一个轻松的购物氛围。通过人机数据测量，我们把购物车的整体尺寸定格在840570970（mm）以美式购物车为框架，增加滑动板，以满足使用者购物分类的需要以醒目的颜色为主色调，刺激人的兴奋，增加购物车的色彩情感。 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