基于人機(jī)工程學(xué)的汽車座椅舒適性研究

張谷雨

（軍事交通學(xué)院，天津 300161，中國）

基于人機(jī)工程學(xué)的汽車座椅舒適性研究

張谷雨

（軍事交通學(xué)院，天津 300161，中國）

隨著汽車的發(fā)展和人們要求的不斷提高，汽車座椅舒適性已成為重要的研究方向之一。座椅舒適性主要包括靜態(tài)舒適性、動態(tài)舒適性（又稱振動舒適性）以及操作舒適性三方面內(nèi)容。本文就座椅的靜態(tài)舒適性展開研究，以人機(jī)工程學(xué)、人體測量學(xué)等學(xué)科的理論為依據(jù)，從三個(gè)主要方面分析了人機(jī)工程學(xué)與汽車座椅舒適性的關(guān)系，以接近人機(jī)工程學(xué)要求來保證汽車座椅舒適性。

汽車座椅；舒適性；人機(jī)工程學(xué)；人體測量學(xué)

隨著工業(yè)化程度的提高和社會競爭的加劇，人們工作節(jié)奏加快，工作中保持坐姿的時(shí)間延長，座椅的工效學(xué)設(shè)計(jì)也越來越引起人們的關(guān)注。國外曾從許多方面進(jìn)行了比較細(xì)致的研究，有些國家已經(jīng)制定了工作座椅設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，為保護(hù)人體健康和促進(jìn)生產(chǎn)發(fā)展起到了積極作用。我國目前從事坐姿作業(yè)的人員也很多，但缺少對工作座椅的系統(tǒng)研究?，F(xiàn)代的工業(yè)設(shè)計(jì)師意識到：產(chǎn)品是否能夠被用戶接受及被接受的程度不但取決于產(chǎn)品的市場因素如技術(shù)特征、價(jià)格和服務(wù)，而且越來越多地取決于產(chǎn)品的外觀造型和人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)。汽車座椅是汽車與人接觸的界面，人們在選擇汽車時(shí)，往往首先接觸到的是它的座椅。因此對于汽車座椅舒適性的研究至關(guān)重要。

█ 1 舒適性影響因素分析

1.1 數(shù)據(jù)獲取

本分析開始于座椅舒適性調(diào)查問卷設(shè)計(jì)，該問卷主要包括用戶信息、車型信息、駕乘習(xí)慣、局部舒適性和整體舒適性評價(jià)等方面，共包含24個(gè)問題。受調(diào)查人員年齡分布在20至50歲之間，身高在中國人體尺寸5%到95%之間，呈正態(tài)分布，調(diào)查的座椅來自高檔車、中檔車和低檔車三種車型。共收集到120份問卷，其中有效問卷105份。

借鑒五階Likert量表的形式，將舒適性感覺的五個(gè)選項(xiàng)分別賦值，非常舒適用數(shù)值1表示，非常不舒適用數(shù)值5表示，中間的感覺為數(shù)值3。則舒適性的五個(gè)評價(jià)等級可轉(zhuǎn)化為具體數(shù)值進(jìn)行量化的統(tǒng)計(jì)分析。

在調(diào)查中，我們要求受調(diào)查者對舒適性影響因素排序，確認(rèn)對汽車座椅舒適性影響較大的因素，作為舒適性改進(jìn)的重點(diǎn)方向。同時(shí)找出消費(fèi)者認(rèn)為不太重要的因素，減少不必要的配置，降低座椅生產(chǎn)成本。

調(diào)查結(jié)果顯示（見圖1-1）：61.5%的受訪者認(rèn)為座椅可調(diào)節(jié)性是最重要的舒適性影響因素，24%的受訪者認(rèn)為腰托是最重要的因素。此外，分別有10.6%和3.8%的用戶將電動調(diào)節(jié)和頭枕作為最重要的影響因素。將受調(diào)查者做出的第一選擇賦值5分，第二選擇賦值3分，第三選擇賦值1分，圖1-2中給出各舒適性影響因素得分的加權(quán)總分。

可見，影響舒適性最重要的因素是座椅的可調(diào)節(jié)性和腰托支撐，而按摩功能和預(yù)熱功能對舒適性影響重要性較小。因此，汽車座椅舒適性設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注調(diào)節(jié)性能和腰托支撐性能。

1.2 其它因素對舒適性評價(jià)的影響分析

本次調(diào)查涉及具體車型包括奧迪、豐田、奔馳、三菱、別克、本田、大眾、馬自達(dá)、福特、中華、現(xiàn)代、日產(chǎn)、標(biāo)志等共20款主要轎車車型，其中A級低檔車8款，B級中檔車7款，C級高檔車5款。

如圖1-3所示，橫坐標(biāo)為三種車型，縱坐標(biāo)為座椅舒適性評價(jià)，方差分析的結(jié)果表明不同級別車型的座椅舒適性存在顯著差異，車型檔次越高，舒適性越高。

圖1 -4表示男女舒適性感覺差異，女性的整體舒適性滿意度更高。同時(shí)，對局部舒適性差異分析發(fā)現(xiàn)，男性對減振性能的滿意度高于女性。

圖1 -5表示駕乘人員的年齡越高，不舒適的程度越高，35歲以上和35歲以下差距較為明顯。圖1-6表示對局部舒適性的結(jié)果，年齡較大的人感到腰托硬度偏大，認(rèn)為柔軟的腰托更加舒適。同時(shí)，對局部舒適性的分析發(fā)現(xiàn)，調(diào)查對象在長時(shí)間駕駛后會覺得座墊和腰托過軟，需提高硬度適應(yīng)長時(shí)間駕駛的舒適性要求。

比較駕駛員和乘客、副駕駛和后排座的舒適性程度，雖然駕駛員不舒適性打分均值高于副駕駛和后排座，但方差分析的結(jié)果表明不同乘坐位置之間的舒適性差異不顯著。

本文通過調(diào)查分析，揭示出座椅舒適性的各種影響因素，主要結(jié)論如下：

1、從座椅的功能與結(jié)構(gòu)角度分析，影響舒適性的主要因素是座椅可調(diào)節(jié)性和腰托支撐，按摩功能和預(yù)熱功能對舒適性影響較小。

2、調(diào)查顯示：車型檔次越高，用戶給出的舒適性評價(jià)越高。

3、女性的整體舒適性滿意度更高，而男性對減振性能的滿意度高于女性。

4、年齡較大的人感到腰托硬度偏大，認(rèn)為柔軟的腰托更加舒適。然而，長時(shí)間駕駛后，用戶又認(rèn)為座墊和腰托硬度大的座椅比較舒適。

█ 2研究用人體模板介紹

由于人體各部位的尺寸比例因人而異，而且人體的工作姿勢隨著作業(yè)對象和工作情況的不同而不斷變化，因而要從理論上解決人機(jī)相關(guān)位置問題是比較困難的。

為了解決上述問題，在參考中國成年人人體尺寸的前提下，利用人體結(jié)構(gòu)和尺度關(guān)系，規(guī)定了三種身高等級成年人坐姿標(biāo)準(zhǔn)模板尺寸、關(guān)節(jié)功能活動角度、設(shè)計(jì)圖和使用條件；而規(guī)定了四個(gè)身高等級設(shè)計(jì)用立姿人體外形的尺寸數(shù)據(jù)。這樣，利用標(biāo)準(zhǔn)人體模板，通過“機(jī)”與人體模板的相對位置的分析便可直觀地求出人機(jī)相對位置的有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。

上面兩個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)中提到的人體模板，是代表中國成年人人體外形輪廓及運(yùn)動功能特點(diǎn)的模板。兩個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)中國成年人人體尺寸，科學(xué)地設(shè)計(jì)了代表不同身材的人體的各部分尺寸比例。在人體模板的設(shè)計(jì)尺寸中，還包含一些人體關(guān)節(jié)點(diǎn)尺寸和關(guān)節(jié)活動范圍，有利于取得人體功能尺寸。

2.1 需要參考的立姿人體模板的部分尺寸

立姿人體模板的身高等級分類是根據(jù)《中國成年人人體尺寸》所規(guī)定的人體身高分布的數(shù)值確定身高等級。男女身高百分位數(shù)分布見下表2-1。

表2-1 男女身高百分位數(shù)分布（單位：mm）

人體模板根據(jù)人體身高尺寸不同分為四個(gè)等級：一級采用第P5百分位的身高；二級采用第P50百分位身高與男子第P5百分位身高重疊值；三級采用女子第P95百分位身高與男子第P50百分位身高重疊值；四級采用男子第P95百分位身高。

2.2 需要參考的坐姿人體模板的部分尺寸

表2-2 坐姿人體模版人體尺寸設(shè)置（單位：mm）

坐姿人體模板的尺寸采用穿鞋裸體人體尺寸，與GB 10000-88中確定的人體尺寸一致，男子身高等級采用數(shù)據(jù)增加25mm鞋跟尺寸，女子身高等級采用數(shù)據(jù)增加20mm鞋跟尺寸。

坐姿人體模板的尺寸根據(jù)人體身高尺寸的分布將人群分為大身材、中等身材、小身材三個(gè)身高等級，其數(shù)據(jù)分組見表2-2。模板設(shè)計(jì)用男女各三個(gè)身高等級的人體尺寸見表2-3。

表2-3 男子、女子身高等級（單位：mm）

█ 3 坐姿的體壓分布分析

當(dāng)座椅上的人處于坐姿狀態(tài)時(shí)，人的身體重量作用于座椅和靠背上的壓力分布，稱作坐姿的體壓分布。它包括座墊上的和靠背上的兩種體壓分布。體壓分布是人車接觸界面最重要的生物力學(xué)特性指標(biāo)之一，它與人體坐姿和座椅的形面結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。從生物力學(xué)的角度看，人機(jī)接觸界面的乘坐舒適性問題主要由人椅間的體壓分布決定。

3.1 座椅乘坐舒適性的主觀評價(jià)

從生物力學(xué)的角度來看，汽車座椅的乘坐舒適性主要由人椅間的體壓分布決定。當(dāng)人坐著的時(shí)候，人體重量的65%是由座面承擔(dān)的，因此研究座椅的舒適度顯得尤為重要。為研究體壓分布特性與座椅乘坐舒適性間的關(guān)系，上海交通大學(xué)博士生導(dǎo)師喻凡對4種不同曲面形狀的座墊進(jìn)行了乘坐舒適性的主觀和客觀評價(jià)，在此參照其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容得出結(jié)論。其中，主觀評價(jià)主要采用人機(jī)工程學(xué)的研究方法之一——心理學(xué)研究中常用的尺度法在汽車乘駕體位生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行。4種實(shí)驗(yàn)曲面座墊分別為：①形面1座墊，即常規(guī)的汽車座椅墊，椅墊面具有前沿稍微翹起而整體平坦光滑的外形曲面；②形面2座墊，座墊面周圍凸起，中部凹陷；③形面3座墊，座墊面中部凸起，椅面形狀不平滑；④形面4座墊，椅面為平面。座墊形面生成后，參試人員進(jìn)行著坐舒適性的主觀評分。主觀評價(jià)流程見圖3-1。

進(jìn)行主觀評價(jià)時(shí)，參試人員共20名，他們具有不同的形體和身高特征，年齡在20至45歲之間。實(shí)驗(yàn)時(shí)，主觀評價(jià)指標(biāo)主要有3項(xiàng)：臀部舒適度、腿部舒適度和總舒適度。該評價(jià)實(shí)驗(yàn)的評分尺度為5級10分。具體見圖3-2。

參試人員對4種實(shí)驗(yàn)座墊著坐后的主觀評分統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3-1，表中各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”的形式給出。由表中可以看出：形面1座墊的總體舒適評分值最高，為很舒適；形面4座墊的總體舒適度次之，為較舒適；形面2座墊的總體舒適度為一般；形面3座墊的總體舒適度評分值最低，為不舒適。

表3-1 實(shí)驗(yàn)座墊著坐后的主觀評分統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 人機(jī)界面體壓分布特性的客觀評價(jià)

體壓分布特性的客觀評價(jià)針對上述4種實(shí)驗(yàn)座墊，通過分布式體壓測試系統(tǒng)來測量人椅接觸界面的體壓分布。當(dāng)駕乘員落座后，座椅壓力測量墊中均勻布置的256個(gè)微型片狀壓力傳感器將各點(diǎn)壓力的電壓信號經(jīng)多路信號放大器和A/D轉(zhuǎn)換器傳輸至計(jì)算機(jī)，然后由計(jì)算機(jī)中的專用軟件進(jìn)行信號的處理和分析，并將分析出的各種體壓分布的特性指標(biāo)顯示出來，內(nèi)容包括人椅接觸界面的平面等壓線圖和三維壓力分布圖等。

客觀評價(jià)過程與主觀評價(jià)基本相同。為了保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，要求參試人員落座后坐姿端正，先打開儀器，分布式體壓測量系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)記錄并存儲體壓分布實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，然后參試人員離座。實(shí)驗(yàn)研究先后完成了上述4種座墊的4組實(shí)驗(yàn)。

圖3-3為上述客觀評價(jià)所得出的平面等壓線圖和三維體壓分布圖，它們是經(jīng)計(jì)算機(jī)分析、處理而得出的。由圖可以看出：①形面1座墊的體壓分布特征為坐骨處力最大，向四周逐漸減小，至大腿部位和胭窩處時(shí)壓力降至最低值；②形面2座墊的體壓分布特征為坐骨處和大腿下部壓力都很大，且都有應(yīng)力集中；③形面3座墊的體壓分布特征則和預(yù)想的一樣很不規(guī)則，多處形成應(yīng)力集中，大腿下表面出現(xiàn)多個(gè)異常峰值；④形面4座墊的體壓分布特征與形面1座墊有些相似，只是在大腿下表面壓力較大一些。

對照主、客觀評價(jià)結(jié)果不難看出：①座墊l和座墊4人車接觸界面的體壓分布特征與本文提出的體壓分布準(zhǔn)則所描述的特征一致，而且主觀評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其具有較高的乘坐舒適度；②座墊2和3的體壓分布特征則與本文準(zhǔn)則相差甚大，即在人體大腿下表面處有應(yīng)力集中，主觀評價(jià)結(jié)果也顯示了較差的舒適度。

1.客觀評價(jià)結(jié)果證明，本文提出的人機(jī)界面體壓分布準(zhǔn)則是正確的。這一準(zhǔn)則能夠有效

地評價(jià)人機(jī)接觸界面中的乘坐舒適性問題，進(jìn)而可為人車接觸界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供分析基礎(chǔ)。

2.4 種形面實(shí)驗(yàn)座墊的主觀評價(jià)結(jié)果表明，座椅形面是影響乘坐舒適性的重要因素，不同形面特征的座椅具有不同的乘坐舒適性，因而汽車座椅設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)不同人群選用舒適度最佳的座椅形面。

█ 4 結(jié)語

從人機(jī)工程學(xué)的角度出發(fā)，進(jìn)行汽車駕駛座椅的研究，是使駕駛座椅具有良好坐姿舒適性的必要手段。人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用于汽車座椅設(shè)計(jì)，能使座椅符合人體需求，從而保證乘坐和駕駛的舒適性和行車安全性。

座椅的舒適性不僅和其形態(tài)有關(guān)，還和很多因素有關(guān)。通過對座椅舒適性影響因素問卷調(diào)查分析得出，從座椅的功能與結(jié)構(gòu)角度來看，座椅可調(diào)節(jié)性和腰托支撐是影響舒適性的主要因素；車型檔次越高，舒適性評價(jià)越高；女性對整體舒適性滿意度高于男性，而男性對減振性能的滿意度高于女性；年齡較大的人認(rèn)為柔軟的腰托更加舒適，但是長時(shí)間乘坐后，硬度較大的座墊和腰托更受大家的青睞。

汽車人機(jī)接觸面的體壓分布特性是影響座椅舒適性主要因素之一。它包括座墊上的和靠背上的兩種體壓分布。汽車座椅人機(jī)接觸界面的舒適體壓分布的一般準(zhǔn)則為：①坐骨附近壓力最高，向四周逐漸減小；②股后區(qū)壓力遞減，與座墊前緣接觸的大腿下表面壓力最低；③胭窩（膝部后面）處不受壓；④臀大肌中部位置壓力不能過大；⑤無明顯的異常峰值，即沒有使人有異物感的峰值壓力；⑥壓力分布應(yīng)左右對稱。

隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)應(yīng)用的不斷深入，人機(jī)工程應(yīng)用在汽車設(shè)計(jì)中的方法也更加精確，人機(jī)工程學(xué)將更注重人的信息處理能力，更注重人－機(jī)－環(huán)境的完整研究，并運(yùn)用系統(tǒng)論、信息論等新興科學(xué)來研究這個(gè)新的系統(tǒng)，以創(chuàng)造出更適合于人類使用的汽車，使人機(jī)系統(tǒng)的綜合效率達(dá)最佳水平。

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The research of comfort of automobile seat based on ergonomics

ZHANG Guyu
（Military Transportation University , Tianjin 300161, China）

With the development and people requirement car improvement of automobile seating, car seat comfort has become one of the important research directions. The Seating comfort mainly includes static comfort, comfort and operating comfort dynamic three aspects. In this paper, we mainly study the static comfort seats. Based on and human body measure to such disciplines as basis, the theory from three aspects analyzes the ergonomics and car seat comfort in relation to close to ergonomics requirements to ensure that car seat comfort.

Car seat; comfort; ergonomics; anthropometry