汽车驾驶座椅的人机工程设计研究

《装备制造技术）２００９年第７期　

汽车驾驶座椅的人机工程设计研究　

廖梓龙　

（东莞理工学院机搬工程学院，广东东莞５２３８０８）　

摘要：阐述了汽车驾驶座椅舒适性对驾驶疲劳的影响，从座椅的静态特征和动态特征两方面对汽车驾驶座椅的人机工程设计进行了　详细分析，对我国今后在汽车驾驶座椅设计分析方面应注重的问题作了简要讨论。　关键词：驾驶疲劳；驾驶座椅；人机工程；动态舒适性　

中图分类号：Ｕ４６２．２　文献标识码：Ａ　

随着现代社会的不断发展，汽车已不再只是一种简单的　

代步工具。汽车在带给人们便利的同时，也带了不少的问题，　

尤其是交通安全问题。交通事故是当前世界各国所面临的严　重社会问题之一，已被公认为当今世界危害人类生命安全的　

第一大公害，每年由于交通事故死亡至少有６０万人。对欧美　

各国的交通事故统计数据分析表明，交通事故中８０％～９０％　是由人的因素造成的，对大量交通事故的原因分析也表明，　

４９％的责任事故缘于驾驶疲劳［Ｉ］。　本文运用人机工程学原理，从驾驶疲劳的成因、生物力学、　

作业空间等角度，论述了汽车驾驶座椅的人机工程设计，从而　

达到减轻驾驶员的驾驶疲劳、提高驾驶安全性的目的。　

１　汽车驾驶座椅对驾驶疲劳的影响分析　

１．１　驾驶疲劳的成因分析　

驾驶疲劳，是指驾驶员在连续行车后所产生的生理、心理　机能及驾驶操作效能下降的现象。一般认为驾驶疲劳是同时　

涉及脑力和体力的技术性疲劳。当出现驾驶疲劳时，除表面有　

循环机能、血液、呼吸机能、尿、神经机能及体温等变化外，在　

心理状态方面，也会引起各种各样的变化。这些变化主要通过　

驾驶员的自觉症状和他觉症状反映出来。　驾驶疲劳的心理表现主要有翻：　（１）对驾驶操作缺乏信心，主动性降低或无法按驾驶操作　

规程继续行车；　

（２）注意力分散，判断能力下降，注意力分配不均衡且转　

移速度降低，经常丢失重要的行车信息。　

（３）感觉器官的功能减退或紊乱，如视觉模糊、听力下降、　

判断迟缓等等　驾驶疲劳导致事故的形成过程为：大脑供氧不足一中枢　

神经疲劳一感觉下降、知觉迟钝一肌肉收缩的调节机能恶　

化一感觉刺激中断一认识迟缓、判断失误、操作失误一打瞌睡　

等一交通事故。　因疲劳驾驶所造成的交通事故，在交通事故总数中占有　

一定比例。国外统计资料表明，在乡村公路上所有单车事故的　

收稿日期：２００９—０４—２３　作者简介：廖梓龙（１９８１一），男，广东兴宁人，助教，研究方向：人因工程。　文章编号：１　６７２—５４５Ｘ（２００９）０７—００２１—０３　

１４％～２４％是由于疲劳所致；还有些学者给出了更高的估计，　

认为交通死亡事故的３５％～４５％可归因于驾驶疲劳。　

１．２　驾驶座椅对驾驶疲劳的影响　理想的座椅，应使就座者体重分布合理，大腿近似呈水平　

状态，两足自然着地，上臂不负担身体的重量，肌肉放松，操作　

时躯干稳定性好，变换坐姿方便，给人以舒适感［３１。驾驶座椅对　人体的刺激主要是肤觉刺激，驾驶员只是被动接收和反应，不　

需要进行处理。其对驾驶疲劳的影响分析如下：　

（１）对脊柱的影响。人坐着时，身体主要由脊柱、骨盘、腿　

和脚支承，脊柱承受的负荷及其分布，被认为是造成后背不适　及疼痛的决定因素，其与坐姿有很大关系。对坐姿的分析，主　

要是腰柱椎间盘的受力情况及竖直肌的肌腱活动。由于椎骨　

的定位是借助于肌腱的作用，一旦脊椎偏离自然状态，肌腱组　织就会受到相互压力（拉或压）的作用，使肌肉活动度增加，导　

致疲劳酸痛。　（２）对体压分布的影响。人体与座椅之间的压力分布，称　

为坐姿的体压分布，坐姿的体压分布是影响乘坐舒适性的重要　因素。人就座时，身体重量的大部分（约７５％）ｆＡ过臀部、背部隆　

起部分及其附着的肌肉压在坐椅表面上。因此，臀部的合理压　

力分布，应为人体一半以上的重量由骨盆下的两块面积为　

２５ｃｍ：的坐骨结节承受，由此向外，压力逐渐减小，直至椅面前　

缘与大腿接触处，压力为最小。图１为座椅各部位的受力分布　

情况。　

图１　座椅各部位的受力分布图　

２１

　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｍａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｏ．７，２００９　

１．３振动的影响　

振动对驾驶员的直接影响，涉及躯干和身体局部的生物　

动态反应行为、生理反应、性能减退和敏感度障碍。表】列出　

了人体各个主要部位的共振频率。　

表１　人体各个主要部位的共振频率（Ｈｚ）　

身体部位　全身　头部　眼部　胸部肩部　手臂　脊柱　胃都　共振频率ｆＨｚ）５—６　２０—３０　２０—２５　４～６　２—６　１０～２０　３～５　４—５　

人体在振动环境中，会加速疲劳过程，如果人体某区域或　

器官出现共振现象，将会引起相应的生理变化，这种变化涉及　

肌肉系统、呼吸系统、血液循环系统、植物神经系统和感官系　

统。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，这种刺激频繁传人大脑皮质，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　

劳，工作效率明显下降。　１．４温湿度的影响　研究表明，驾驶员在驾驶状态下的舒适温度为１８～２３℃，　

舒适湿度为４０％～６０％，代谢量为１．０～２．０　ｍｅｔ：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。座倚表面的　

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机能不适应时，　将引起人体局部不快感，从而加速人体疲劳的形成。　

２　汽车驾驶座椅的人机工程设计　

座椅的设计，应符合人的生理特征，以使人感到舒适为前　提，因此应遵循如下设计原则ｌ４】：　

（１）座椅的尺寸应与使用者的人体尺寸相适吐，并嘘使　

尺寸在一定的范围内可调；　（２）座椅的没计，应尽可能使就座者保持自然的或接近　

自然的姿势，并且要使座用者必须可以在座位上随时变换自　

己的坐姿；　

（３）座椅的设计，应符合人体生物力学的原　。座椅的结　

构与形态，要有利于人体重力的合理分布和有利于减轻背部　

与脊柱的疲劳变形；　

（４）座椅的设计要牢固稳定，并使就座者活动方便，操作　省力，体感舒适。　乘坐舒适性包括静态舒适性和动态舒适性，前者主要与尺　

寸参数、表面质量、调节特性等因素有关，而后者则主要与振　动特性有关。　

２．１座椅的静态设计　

由人体坐姿生物力学分析，人体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　大腿问厢在　９０。一ｌ１５。。同时＇／ｊ、腿向前伸，大腿与小腿、小腿　脚掌之问　

也应达到一定角度。如图２和表２所示［５］。　

表２　舒适驾驶坐姿角度　

序号　Ａ１　Ａ２　Ａ３　Ａ４　Ａ５　Ａ６　Ａ７　角度（。）１０—３０　１０　４５　８Ｏ～１２０　８５—１２０　９５—１３５　８５～１１０　１７０—１９０　

２２　图２　舒适驾驶坐姿的人体生理角度　

根据驾驶室的微气候环境，调整座椅表面的温湿度特性，　可以适当调节人体代谢，达到减轻疲劳的目的。如提高座椅材　

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，以及采用主动通风式座椅，减少驾　

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，提高乘坐舒适性，减轻驾驶疲劳。　２．２座椅的动态设计　

驾驶座椅的动态舒适性，主要与振动特性有关。影响驾驶　疲劳的振动，主要来源于汽车行驶中因道路凹凸不平而引起　

车辆随机振动和车辆本身的机械振动。驾驶员受到纵向、横向　

及垂直方向的直线振动，以及绕这３个方向的角振动ｆ６ｊ，其中　

垂直振动和绕纵、潢坐标轴的角振动，对人体的影响较大。振　

动通过座椅传递到人体的臀部、后背部而引起全身性振动。因　此，在设计汽车座椅时，应尽量隔离人体敏感的振动。在座椅　

设计中可采取如下措施：　

（１）减小座椅共振频率，降低对人体最有影响的高频区；　

（２）降低乘坐者１０Ｈｚ附近的振动传递率，以减轻弹簧以　下的共振的影响和减少来自座椅靠背的高频振动；　

（３）把“路面一一轮胎、悬架、座掎——人”三者看作是一　

整体动力学系统．寻求在各种路面随机输入的情况下，使乘　坐者不容易ｊ虔劳的最优解　

另外，对于驾驶座椅的动态特性，按照传人人体的能量最　

小、使人体在敏感频率区域动态响应最小、传给人体的加速度　

均方根值最小等曰际进行优化，与汽车的其他减振系统相匹　

配，使人体处于更合适的振动环境，这些都是减轻驾驶疲劳的　

重要措施。　

３　结束语　

汽车驾驶座椅的舒适性研究．是汽车产品人机工程设计中　

值得深入探讨的问题。目前，我国对汽车座椅舒适性的研究实　

用性不强，国内厂商在开发新车型时，对座倚动态舒适性考虑　

不多，而往往只注重座椅的外观、材料和加工质量等静态因　

素　。因此，在今后的研究中，我们应对以下方面加以重视：　

首先，建立一个操作性强的动态舒适性分析理论和方法，　

这对于实际生产：．［程的应用有着非常重要的现实意义；　

其次，采用系统的设计思想和研究方法。以前，研究人员　

只是重点地研究汽车轮胎、底盘悬架等系统，对汽车平顺性的　

影响，而忽视了座椅动态舒适性对整个汽车系统平顺性的作　

用。对汽车的平顺性的研究，

应将汽车的各个组成部件系统地　《装备制造技术）２００９年第７期　

加以研究。　最后，对汽车驾驶座倚的舒适性进行研究时，可以结合计　

算机等先进手段，进行模拟仿真试验，这样不但可以减低研究　

成本，又能缩短研究周期。　

参考文献：　１　黄雄健，谭国良．机动车驾驶员疲劳问题研究【ＪＪ．广西工学院学　报，２００５，（４）：８８—９１．　［２］赵立山，张朝刚．驾驶疲劳［Ｊ】．公路与汽运，２００２，（２）：１５—１６．　３］朱序璋．人机工程学【．ＭＪ．西安：西安电子科技大学出版社，１９９９．　４ｊ左春柽，杨斌宇等．人机工程与造型设计【Ｍ］．北京：化学工业出版　社，２００７．　［５］李增勇，王成焘．驾驶疲劳与汽车人机工程学初探【Ｊ】．机械设计　

与制造工程，２００１，（５）：１２—１４．　６］马国忠，张学尽．汽车驾驶用座椅的抗疲劳人机工程设计ｆＪ１．人类　工效学，２００４，（３）：３４—３６．　［７］黄斌，蒋祖华，严隽琪．汽车座椅系统动态舒适性的研究综述　『Ｊ１．汽车科技，２００１，（６）：１３—１６．　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｅｒｇｏｎｏｍｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｄｒｉｖｉｎｇ　Ｓｅａｔ　

ＬＩＡＯ　Ｚｉ－ｌｏｎｇ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄｏｎｇｇｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｂ，ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄｏｎｇｇｎａｎ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５２３８０８，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｓｅａｔ　ｃｏｍｆｏｒｔ　ｏｎ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｆａｔｉｇｎｅ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｅｒｇｏｎｏｍｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｓｅａｔ　ｉｓ　ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ　ｉｎ　ｄｅ－　

ｔａｉｌ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｓｅａｔ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｔｈａｔ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｐａｙ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｔｏ　ｉｎ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｄｒｉｖｉｎｇ