基于安全人机工程学的汽车座椅系统设计与优化.doc
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1、目录绪论1第一章 座椅系统的安全性功能分析3第二章 座椅设计与驾驶疲劳的关系分析42。1 人体坐姿生理特性分析42。2 人体坐姿的压力分布52.3 人体对车内振动的反应52。4 人体对微天气的反应6第三章 座椅的安全性设计73.1 靠背设计对安全性的影响73。1。1 靠背形状73.1。2 靠背倾角73.1.3 靠背高度73。2 安全性对座垫的要求83。2。1 座垫高度83.2。2 座垫宽度83.2。1 座垫深度83.2。2 座垫倾角83.3 头枕的安全性设计93。4 座椅总成强度设计9第四章 结论10参考文献118绪论随着汽车日益普及以及购买者对汽车安全的意识的增强,国内外汽车厂商也把汽车安全
2、性设计列入了重中之重。汽车整车的安全性的好坏不仅取决于汽车底盘和车身,内部其他部件也起着主导作用。汽车座椅作为汽车部件之一不仅为乘员提供了舒适而且还在汽车受到意外碰撞过程中提供了安全保障。现代汽车座椅的机械结构主要由头枕、靠背、座垫、滑道等总成组成如图1所示。座椅的主要功能是支撑驾驶员及乘坐人员的身体,减缓路面不平传给人体的冲击并减 弱由此而引起的振动.给驾乘提供舒适、安全的乘坐条件和便于驾驶操作的良好的工作条件 。人是人机系统中最重要、最活跃的环节,同时也是最难控制的环节.从人的方面入手设计机械系统才能达到更加合理的效果,设计出的产品才能有使用的价值。人类一天的姿势主要有坐、躺、站三个动作。
3、无论是居家、工作、交通还是休闲,坐着的时间占其中的相当大的比率。在当今社会中,汽车在人的生活中有着相当大的作用,工作、休闲、外出都离不开乘坐或是驾驶汽车.随着经济水平的提高,汽车价格相对于一般的家庭来说亦不是遥不可及.许多家庭都拥有私家车,这在大大方便了人们生活的同时,一些由于乘坐和驾驶的引发的健康问题也相继出现。究其原因,汽车座椅难逃干系.作者通过查阅资料发现目前市场上的汽车座椅缺乏设计,有的是根据以往的经验值来进行座椅的尺寸调整和实际进行的反复的大量的“路试最终得到一个比较合理的尺寸;有的是将国外引进的汽车座椅的尺寸照搬进行“仿制”设计。而实际中对于座椅设计的相关研究和设计方法没有特别的标
4、准和规范。本研究从对座椅的使用者的调查以及亲身进行的市场调查得来的结果进行分析总结,得出设计的关键所在是“为人设计”,根据对用户的分析得出设计目标并进行实际的设计工作。第一章 座椅系统的安全性功能分析 汽车座椅作为安全部件是在被动保护中起决定性作用的组成部件。首先,在事故中它要保证乘员处在自身的生存空间之内,并防止其他车载体进入到这个空间。其次,要使乘员在事故发生过程中保持一定的姿态,以使其他的约束系统能充分发挥其保护效能.除了防止事故发生的功能,座椅还应具有在乘员与其发生碰撞时(在事故中乘员与车内部发生的碰撞称为 二次碰撞”),使对乘员的伤害减轻到最低的性能,即能吸收乘员与之碰撞的能量。座椅
5、安全功能失效时可引起以下几种形式的乘员伤害:a.在正面碰撞中,座椅与车身连接强度不够,座椅脱离车体,使乘员逸出其生存空间。如果后排乘员未受约束,前排座椅靠背强度不足,后排乘员的惯性力击溃前排座椅,使前排乘员受到伤害;前排座椅强度太高,又会对后排乘员在与之相撞时产生伤害;座椅的乘坐外廓设计不当,在前方碰撞时会使乘员沿座椅下滑,使腰部安全带移到浮肋以上(即所谓的 潜水现象),这是极为不利的约束姿态。b.在后部碰撞中,如果头枕设计过低或与靠背的相对位置设置不当会引起胸部与头部的加速度差,作用在颈部上的这个差值超过一定程度后会对乘员造成致命伤害。前排座椅靠背的强度不足,会在其本身质量及乘员质量的惯性力
6、作用下向后发生较大的弹性变形以至塑性变形,失去对乘员的支撑作用,使前排乘员射向后排座椅或后窗,并伤及后排乘员。汽车座椅的安全性设计目标就是避免上述诸种不利情况的发生。第二章 座椅设计与驾驶疲劳的关系分析交通事故统计分析表明,疲劳驾驶是造成交通事故的主要原因之一。驾驶座椅是影响驾驶与乘坐舒适程度的重要设施,对于减少驾驶员疲劳程度,降低事故发生率有重要作用,汽车驾驶员座椅设计优劣与否直接关系到驾驶质量与安全1。人机工程学是一门综合性较强的新兴交叉学科,它是从人的生理和心理特点出发,研究人、机、环境相互关系和相互作用的规律;其目的是让人在使用机械的过程中,感到“安全、健康、舒适、高效”。汽车设计是否
7、符合人机工程要求,不仅关系到有效利用车内空间及提高乘用舒适性,而且影响整车内外造型和尺寸参数,进而影响整车性能和市场竞争力。2.1 人体坐姿生理特性分析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及腰背部肌肉的负荷,防止驾驶疲劳发生.在坐姿状态下,支持人体的主要结构是脊柱、骨盆、腿和脚等。最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移,使上体略向上后倾斜,保持上体与大腿间角在90115,同时,小腿向前伸, 大腿与小腿、小腿与脚掌之间也应达到一定角度,如图2所示,否则会造成腰部酸痛、疲劳等不舒适的感觉.此时,腰椎、骶骨和椎间盘及软组织承受坐
8、姿时上身大部分负荷,还要实现弯腰扭转等动作( 图3),对设计而言,这两部分最重要。 图 2 舒适的坐姿关节角度 图 3 脊柱的形状及组成 2。2 人体坐姿的压力分布人体的质量在靠背和坐垫上的压力分布叫坐姿的体压分布。根据人机工程学的研究,最舒适的坐姿分布应保证:人体的大部分质量应以较大的支承面积、较小的单位压力合理地分布到坐垫和靠背上;压力分布应从小到大平滑地过渡,避免突然变化。图4所示为人体的靠背和坐垫上最适宜的体压分布。由图可见,人体质量作用在座椅上的压力并非均布,由前面分析可知,舒适的坐姿是肩部和臀部同时支撑身体质量,因而应根据各部位在产生不舒适感觉之前所能承受压力的大小予以合理的分布。
9、坐垫上的体压分布应使坐骨部分承受的压力最高,由坐骨周围扩展到臀部外围,压力逐渐降低,直到与坐垫前缘接触的大腿下平面趋于最低值.靠背上的体压分布则应以肩胛骨和腰椎骨两个部位的压力最高。这就是靠背设计中所强调的“两点支撑”。 图 4 座椅各部位的受力图2。3 人体对车内振动的反应有关研究表明,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
10、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
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