基于人机工程学的抗疲劳汽车座椅设计的探讨

王芳

摘 要：汽车的出现和广泛普及在为人们的日常出行提供巨大便利的同时，也随之产生了大量的汽车安全事故。其中有相当一部分汽车安全事故是由于驾驶员疲劳驾驶而导致的，而汽车座椅作为直接接触驾驶员的工具之一，其设计的科学与否与驾驶员的疲劳程度有着直接的影响关系，甚至对汽车安全事故发生率也有着相应的影响作用。因此本文将通过立足人机工程学，对抗疲劳汽车座椅设计进行简要分析研究，希望能够为驾驶员的平安驾驶提供必要帮助。

关键词：人机工程学；抗疲劳；舒适性；汽车座椅

中图分类号：U463.836 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）12-0046-02

驾驶员在长时间的驾驶过程中，因受到自身坐姿、周围温度和湿度以及振動等各方面因素的影响，极有可能导致驾驶员出现驾驶疲劳的情况，并且随着驾驶时间的不断延长，驾驶员的疲劳程度还将进一步加剧，并对驾驶安全产生直接影响，极有可能诱发汽车安全事故。

1 基于人机工程学下影响汽车座椅抗疲劳性的因素分析

1.1 人体坐姿

根据人机工程学可知，在不同坐姿状态下人的脊柱形态也不尽相同，如果汽车座椅结构与尺寸设计无法使得驾驶员脊柱形态保持几近正常自然状态，则会明显增加人体腰椎以及腰背部肌肉负荷，在长时间驾驶下比较容易出现疲劳驾驶的问题。此外人在座椅上处于坐姿状态时，通常身体重量会同时向汽车座椅靠背以及座垫方向分布，也就是坐姿体压分布[1]。而从人体组织解剖学的角度出发，可知人体耐受压力最强的部位便是坐骨结节，该部位比较适合承重，相比之下，大腿下靠近表面处因分布着下肢主动脉，因此该部位应当尽可能避免承重。在这一人体原理下，应当根据人体臀部各部位的实际承受压力情况进行汽车座椅的座垫压力分布，即以坐骨处压力最大并逐渐向四周减少，到大腿部位时压力应当降至最低。需要注意的是，人在处于坐姿状态下，向汽车座椅靠背分布的压力并不均匀，其中肩胛骨与腰椎两大部位处承受的压力相对集中，以肩胛骨和腰椎部位为中心压力越向外应当越弱，否则也有可能因座椅不舒适而影响驾驶员的疲劳度。

1.2 振动因素

从人机工程学的角度看待汽车座椅设计，需要将驾驶员以及座椅视为一个完整的人机系统，而其中振动因素也是影响驾驶员疲劳程度的一大重要因素。驾驶员所承受的振动为一种全身振动，而根据吕国敏（2016）的相关研究可知，在纵向和横向振动分别为4到8赫兹以及1到2赫兹时，人体对这一频率范围的敏感度最大。一旦外界产生的振动同人体器官共振频率相接近时，振幅将会在短时间迅速增大，此时将会引起人体出现明显的器官生理反应。受此影响，驾驶员的反应能力、判断能力以及视觉作业效率等均将出现明显变弱的情况，当达到一定限度时，人体的皮质细胞将难以继续保持较高的工作强度，使人产生明显的疲惫感，进而容易导致出现疲劳驾驶的问题[2]。

1.3 温度湿度

国内外学者通过反复多次开展人体实验，发现在温度和湿度均相对较高的环境下，人体比较容易出现包括四肢乏力等在内的众多不适感，难以继续保持良好的工作状态。欧阳丹（2012）通过从动态舒适性的角度对汽车座椅设计进行分析研究，其在经过多次实验之后指出，当环境温度在18℃到23℃之间，且环境湿度在40%到60%之间时，驾驶员能够处于最佳的驾驶状态，此时其代谢量在1到2met之间，驾驶员不易产生疲劳问题。但如果环境温度和环境湿度超出这一范围，将直接影响驾驶员的代谢量，并由此影响到驾驶员的疲劳程度。其在将驾驶员人体热环境同汽车座椅进行相互整合下，提出座椅表面的温度和湿度也会对驾驶员的疲劳性产生相应影响[3]。座椅表面的温度和湿度特性对与汽车座椅直接接触的人体部位如背部、臀部等自身的散热性能、皮肤的呼吸功能等有着直接的影响作用，如果汽车座椅表面的温度和湿度特性无法和人体生理机能相适应，则极有可能导致人体与座椅相接触的部位产生不适感，从而加速出现驾驶员疲劳的情况。

2 传统汽车座椅对驾驶员疲劳的影响分析

2.1 座椅高度与前后距离不当

笔者在对部分老款汽车座椅设计进行调查分析的过程中，发现有部分汽车座椅存在设计高度过高的情况，导致汽车在遇到高低不平的路况时，经常容易出现上下颠簸的情况，使得驾驶员头部经常与车顶发生碰触、磕碰，其一方面对驾驶员人身安全产生极为不利的影响，另一方面也直接影响着汽车的行车安全。此外，在其他部分老款的汽车座椅设计当中，由于汽车座椅高度相对较低，因此对于身高较高的驾驶员来说，其难以在驾驶过程中保持腿部的正常弯曲，因此比较容易增加驾驶员的身体不适感和疲劳感，进而影响汽车行驶安全。

除此之外，汽车座椅前后位置距离同样也会对驾驶员的疲劳程度产生相应影响。根据相关研究可知，当汽车座椅位置相对靠后的情况下，需要驾驶员“竭尽全力”伸脚才能完成刹车或加油提速等操作，而这也将会在很大程度上影响驾驶安全。反之，如果汽车座椅位置过于靠前，驾驶员双腿将始终处于不自然的弯曲状态，同样也会影响驾驶员的驾驶操作，对最终的驾驶效果产生相应不良影响。

2.2 汽车座椅结构尺寸不合理

在对不合理的传统汽车座椅设计进行分析的过程中，因汽车座椅结构与尺寸设计合理程度不足而导致驾驶员在短途驾驶过程中出现疲劳和不适的情况相对较多。由于汽车座椅的结构和尺寸设计并未对驾驶员自身正常自然状态下的脊柱形态予以充分考虑，因此导致驾驶员在长时间坐在此种汽车座椅上，会使得自身腰椎与背部肌肉群等位置处的负担增大，进而加速驾驶员出现疲劳情况。另外值得注意的是，由于汽车座椅结构和尺寸缺乏足够的合理性，因此其也很难对汽车座椅靠背以及座垫上的人体体压分布进行科学承受，同样也比较容易加大驾驶员的驾驶疲劳感。在设计汽车座椅座垫时，由于未能对人体臀部各部位的受压情况进行深入分析，因此其设计的汽车座椅几乎无法实现压力的均匀分布。导致靠背无法同时分担人体肩胛部位以及腰椎部位的压力，也会增加驾驶员的疲劳感。

2.3 汽车座椅材料选择不科学

为了追求一种高档的效果，设计人员在对汽车座椅进行设计的过程中通常习惯使用真皮、皮革等材质，虽然此种材质本身可以增强汽车座椅的“高级感”，但由于其缺乏良好的透气性，因此人体在长时间与此类材质的汽车座椅进行接触下，容易导致汽车座椅表面温度和湿度不断增加，对人体皮肤自身的散热性与呼吸功能产生相应影响。比如在夏季等温度较高的天气环境下，皮质汽车座椅在长时间吸收太阳辐射热量后表面温度会迅速升高，甚至出现“发烫”的情况，加之人体正常排汗使得周围湿度变大，进而在汽车座椅范围出现了一种高温、高湿度的环境，对驾驶员的正常生理机能产生极大影响，容易导致其出现疲劳感和不适感，在长时间的驾驶下极有可能出现疲劳驾驶甚至引发交通安全事故。

3 基于人机工程学下的抗疲劳汽车座椅设计

3.1 座椅设计参数

通常情况下汽车座椅尺寸设计包括座椅的高度和宽度、座椅的倾角、椅面深度等等。由于汽车座椅过高或是过低会导致驾驶员大腿肌肉受压或增加其背部肌肉负荷，影响其舒适度以及疲劳度。因此在设计汽车座椅椅面时应当适当降低高度。而在设计椅面宽度时则需要在空间允许范围内尽可能增大其宽度值。使得驾驶员即便变换各种驾驶姿势，也可以拥有足够的宽度空间。设计汽车座椅椅面深度的过程中，则需要确保座椅靠背能够有效为驾驶员的腰部提供相应支撑，椅面前缘和驾驶员的小腿间留有适当距离，从而使得其大腿肌肉和腿弯部分能够免受挤压与阻碍。在进行汽车座椅靠背宽度与高度的设计过程中，受人机工程学的影响，则需要保障座椅靠背的宽度与高度同驾驶员坐姿的肩高与肩宽基本一致，并且可以适当加高座椅靠背、增设靠枕以此有效提高驾驶员的舒适感。

3.2 基于静态角度

3.2.1 合理设计座椅尺寸

为了能够有效减轻驾驶员的疲劳感，使其可以长时间地维持良好驾驶状态，需要在设计汽车座椅的过程中通过灵活运用人机工程学的相关内容，并对汽车座椅的抗疲劳性予以高度关注。在此过程中，设计人员需要通过采用实际测量等方式获得大量与人体有关的真实的测量学数据，并在此基础上进行汽车座椅的尺寸设计，注意保障座椅的可调节性，从而有效满足不同驾驶坐姿的需要。根据坐姿生物力学的分析结果可知，人体感觉最为舒适的坐姿便是臀部稍离靠背向前移，上体朝上后方向略微倾斜，其与大腿间角需要保持在90°到115°的范围内。与此同时，驾驶员的小腿在向前伸时，大腿和小腿以及小腿和脚掌之间的角度则需要分别控制在100°到120°以及85°到95°之间，进而使得汽车座椅能够始终贴合驾驶员坐姿需要，尽可能减少驾驶员的疲劳感和不适感。

3.2.2 座椅选用发泡材料

目前汽车座椅中的发泡主要是通过将聚醚、异氰酸酯等同水和一定量的添加剂放入模具中进行一系列的化学反应后制造而成，并将其放置在自由状态下进行大约24到72小时的静置进行熟化，使之具有良好的硬度及相应性能的稳定性。再将面套包覆其上，形成座椅靠背或座垫，进而组装成座椅。随着工艺技术的不断进步，为了能够将汽车座椅发泡的实用性和审美性进行有机整合，目前已有汽车公司研发出了一种面套发泡一体式的发泡工艺（PIP工艺），即将座椅外面的面套同座椅的发泡进行互相整合。在结合人机工程学设计完成座椅面套的外观和功能设计之后，制作面套的裁片并对其进行缝制且放入生成发泡的模具中，而后将发泡材料注入其中，使得发泡材料能够同面套之间实现紧密贴合，以此有效对传统的先生成发泡再加工座椅面套最后包覆在发泡上的制作工艺的优化和改进。在这一工艺技术下，汽车座椅面套同发泡基本能够实现无缝贴合，从而实现符合人体背部凹面曲线的造型（驾驶员的驾车状态），使得驾驶员的乘坐舒适性能够得到极大提高。特别是在同汽车内部的空调以及安全气囊等功能部件进行相互配合下，可以同时保障驾驶员的驾驶舒适性和安全性，尽可能减少因汽车座椅不适而导致的驾驶疲劳情况[4]。

以丰田公司旗下的LEXUS IS F Sport车型为例，该款车型在抗疲劳汽车座椅设计当中便通过采用了表皮一体发泡工艺，设计人员通过结合车型的运动特性，将座椅肩部设计成凹面支撑，并贴合人体曲线的侧面支撑，进而可以在驾驶转弯时使得汽车座椅可以为驾驶员身体提供有力支撑，保障驾驶的安全稳定性。在汽车座椅的背部设计当中，其采用了薄型设计的方式并融入了凹面设计，最大程度地增加了后排空间，对提高后排乘客的舒适性也起到了积极的帮助作用。我国部分汽车座椅设计和生产企业，也通过立足人机工程学，运用分泡沫区域设计硬度支撑的方式，设计出一系列双硬度和多硬度的汽车座椅产品。比方说其针对驾驶员的腰椎部位，通过运用R-Comfort，DHH泡沫使得质地轻便也具有一定硬度的泡沫能够在满足配合人体轮廓的基础上有效防止驾驶员在乘坐时出现“坐塌陷”的情况，均匀分布腰椎受压，提高驾驶员乘坐舒适感并尽量延缓长途驾驶所带来的疲劳感。

3.3 基于动态角度

3.3.1 需降低座椅共振率

从动态角度来看，汽车座椅的抗疲劳性和舒适性与振动特性之间有着紧密的关联。一般在有悬架的汽车座椅系统当中，座椅和悬挂系统的刚度与阻尼系数、座椅系统连接件摩擦等均影响座椅系统的抗疲劳性。而在非悬架汽车座椅系统当中，座椅座垫的刚度和阻尼结构以及刚架结构动态性能等也会直接影响着汽车座椅的抗疲劳性。汽车座椅的振动衰减特性和共振频率则直接受到刚度与阻尼系数的影响，而汽车行使在高低不平的道路上所产生的车辆随机振动，以及汽车本身机械振动则共同组成了影响驾驶疲劳的振动。在这一过程中，驾驶员通常会同时受到来自横向以及垂直方向的直线振动等，从而经由座椅的振动传递带动人体臀部、后背等部位的振动。从而比较容易增加驾驶员的疲劳感，因此本文建议立足人机工程学设计抗疲劳性汽车座椅时，可以通过尽量隔离人体敏感度相对较大的振动，将弹簧以下和汽车座椅靠背振动降至最低，严格控制10赫兹附近的振动传递率。

3.3.2 確定座椅最优结构

此外，设计人员也需要通过将路面和轮胎以及汽车座椅与驾驶员看做是一个完整的动力学系统，通过结合座椅的动态特性，合理运用汽车发泡等保障座椅靠背在具有一定硬度的同时还可以兼具良好的柔软度。通过将汽车座椅设计成靠背两端稍隆起的方式，可以为驾驶员横向移动起到缓冲作用的同时，将车辆振动对驾驶员造成的不适感降至最低。另外，通过尽量选择具有良好透气性、散热性和亲肤性的材料、材质，对座椅椅面的温度和湿度进行有效控制，通过维护驾驶员的正常生理机能，从而达到延缓其疲劳感的效果。

4 结语

通过本文的分析研究可知，在运用人机工程学下，驾驶员的坐姿、汽车座椅振动以及温湿度等均会在不同程度上影响着驾驶员的疲劳度以及汽车座椅的抗疲劳性。尤其是传统汽车座椅设计因未能充分考虑人机工程学方面的内容，设计的汽车座椅尺寸与位置等合理性不足，也使得驾驶员在驾驶过程中极易感到疲劳。因此本文通过分别从静态和动态两个角度出发，指出需要通过结合人体特性与人体原理，合理设计座椅尺寸，并积极运用座椅发泡性能等方式从而有效提高汽车座椅的舒适性和抗疲劳性，以此有效保障驾驶安全。

参考文献

[1]孙环.汽车座椅抗疲劳设计研究[J].山东工业技术，2017，（04）：212.

[2]吕国敏.基于AnyBody的汽车驾驶员坐姿力学特性建模及坐姿支撑设计[D].山东大学，2016.

[3]欧阳丹.基于动态舒适性的汽车座椅系统的研究[D].湘潭大学，2012.

[4]马国忠，张学尽.汽车驾驶用座椅的抗疲劳人机工程设计[J].人类工效学，2004，（03）：34-36.