汽車駕駛用座椅的抗疲勞人機(jī)工程設(shè)計(jì)

張更

摘要：運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)原理，針對(duì)汽車駕駛座椅，從人體測(cè)量、生物力學(xué)、心理學(xué)、機(jī)械振動(dòng)、作業(yè)空間等角度分析了駕駛疲勞的成因，并從座椅的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩方面論述了汽車駕駛用座椅的人機(jī)工程設(shè)計(jì)以及今后的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：駕駛座椅；駕駛疲勞；人機(jī)工程

1 駕駛疲勞成因

駕駛工作是一項(xiàng)腦力與體力并重的勞動(dòng)，具有耗時(shí)長(zhǎng)、能量消耗不大的特點(diǎn)。對(duì)于駕駛員來(lái)說，疲勞是以神經(jīng)系統(tǒng)相當(dāng)緊張的勞動(dòng)而引起的復(fù)合性疲勞為主，主要表象為全身乏力。當(dāng)疲勞達(dá)到一定程度以后，駕駛員的意志減弱，注意力分散，反應(yīng)遲鈍，對(duì)信息輸入方向性的選擇能力降低，信息處理緩慢，信息輸出形式混亂，動(dòng)作缺乏準(zhǔn)確性，甚至出現(xiàn)失誤，難以確保交通安全。

2 駕駛座椅對(duì)疲勞的影響分析

駕駛座椅對(duì)人體的刺激主要是膚覺刺激，駕駛員只是被動(dòng)接收和反應(yīng)，不需要進(jìn)行處理。其對(duì)駕駛疲勞的影響分析如下：

2.1 坐姿

2.1.1 對(duì)脊椎及肌肉活動(dòng)的影響

對(duì)坐姿的分析主要是腰柱椎間盤的受力情況及豎直肌的肌腱活動(dòng)。由于椎骨的定位是借助于肌腱的作用，一旦脊椎偏離自然狀態(tài)，肌腱組織就會(huì)受到相互壓力（拉或壓）的作用，使肌肉活動(dòng)度增加，招致疲勞酸痛。

2.1.2 體壓分布

人體與座椅之間的壓力分布稱為坐姿的體壓分布，坐姿的體壓分布是影響乘坐舒適性的重要因素。人就坐時(shí)，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坐椅面上。圖1為座椅各部位的受力分布。

2.2 振動(dòng)

振動(dòng)對(duì)駕駛員的直接影響涉及軀干和身體局部的生物動(dòng)態(tài)反應(yīng)行為、生理反應(yīng)、性能減退和敏感度障礙。表1列出了人體各個(gè)主要部位的共振頻率[2，3]

人體在振動(dòng)環(huán)境中會(huì)加速疲勞過程。當(dāng)振動(dòng)環(huán)境中的振動(dòng)特性處于人體神經(jīng)系統(tǒng)的敏感區(qū)域時(shí)，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(shí)，皮質(zhì)細(xì)胞的工作強(qiáng)度將減弱，人就會(huì)感到疲勞，工作效率明顯下降。

3.3 溫濕度

研究表明，駕駛員在駕駛狀態(tài)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(duì)人體熱環(huán)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(dāng)其溫濕度特性與人體生理機(jī)能不適應(yīng)時(shí)將引起人體局部不快感，從而加速人體疲勞的形成。

4 座椅的人機(jī)工程設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，駕駛員長(zhǎng)期保持坐姿工作，疲勞很大程度上受座椅影響，乘坐舒適性是汽車座椅系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)中的重要問題。乘坐舒適性包括靜態(tài)舒適性和動(dòng)態(tài)舒適性，前者主要與尺寸參數(shù)、表面質(zhì)量、調(diào)節(jié)特性等有關(guān)，后者則主要與振動(dòng)特性有關(guān)。

4.1 座椅的靜態(tài)舒適性設(shè)計(jì)

座椅的靜態(tài)舒適性設(shè)計(jì)須考慮的因素很多，可以概括為以下基本原則：

（1）座椅的形式和尺度與其功用有關(guān)；

（2）座椅的尺度必須參照人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)確定；

（3）座椅可適當(dāng)調(diào)節(jié)，以滿足坐姿變換；

（4）座椅所使用的材料應(yīng)適應(yīng)人體的舒適性；

由坐姿生物力學(xué)分析，最舒適的坐姿是臀部稍離靠背向前移，使上體略向上后傾斜，保持上體與大腿間角在90°～115°。同時(shí)，小腿向前伸，大腿與小腿、小腿與腳掌之間也應(yīng)達(dá)到一定角度，如

由于汽車駕駛的特點(diǎn)，在駕駛座椅設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮座椅與空間的協(xié)調(diào)問題，駕駛空間以坐姿活動(dòng)空間為依據(jù)。圖6列出了駕駛作業(yè)空間設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)[6]。

4.2 座椅的動(dòng)態(tài)舒適性設(shè)計(jì)

駕駛用座椅動(dòng)態(tài)舒適性主要與振動(dòng)特性有關(guān)。影響駕駛疲勞的振動(dòng)主要是行駛中因道路凹凸不平而引起車輛隨機(jī)振動(dòng)和車輛本身的機(jī)械振動(dòng)。駕駛員受到縱向、橫向及垂直方向的直線振動(dòng)，以及繞這3個(gè)方向的角振動(dòng)。其中垂直振動(dòng)和繞縱、橫坐標(biāo)軸的角振動(dòng)對(duì)人體的影響較大。在設(shè)計(jì)汽車座椅時(shí)應(yīng)盡量隔離人體敏感的振動(dòng)。

在座椅設(shè)計(jì)中可采取如下措施[7]：減小座椅共振頻率，降低對(duì)人體最有影響的高頻區(qū)；降低共振時(shí)的振動(dòng)傳遞率；降低乘員10Hz附近的振動(dòng)傳遞率，以減輕彈簧以下的共振的影響和減少來(lái)自座椅靠背的高頻振動(dòng)；把路面—輪胎、懸架、座椅—人三者看作一個(gè)整體大動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，尋求在各種路面隨機(jī)輸入情況下使乘員不易疲勞的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。另外，對(duì)于座椅的動(dòng)態(tài)特性按照傳入人體的能量最小、使人體在敏感頻率區(qū)域動(dòng)態(tài)響應(yīng)最小、傳給人體的加速度均方根值最小等目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化[3]，與汽車的其他減振系統(tǒng)相匹配，使人體處于更合適的振動(dòng)環(huán)境，這些都是減輕駕駛疲勞的重要措施。

5 結(jié)束語(yǔ)

汽車駕駛座椅的舒適性研究，是目前汽車產(chǎn)品人機(jī)工程設(shè)計(jì)中值得深入探討的問題，在今后的研究中，應(yīng)對(duì)以下幾方面加以重視：

（1）中國(guó)人的體群反映特性研究。目前，我國(guó)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上的。由于人群存在著差異，建立中國(guó)人的人體模型，尤其是動(dòng)態(tài)模型，研究人體承受多方向振動(dòng)情況下的反映及評(píng)價(jià)方法是十分迫切的。

（2）采用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和研究方法。一般研究方法只是把汽車地板以上的座椅系統(tǒng)作為研究對(duì)象，并未考慮到人體的動(dòng)態(tài)性能，建立的座椅模型較為簡(jiǎn)單，不能準(zhǔn)確地反映實(shí)際。因此建立一個(gè)詳盡的、操作性強(qiáng)的分析方法有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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