座椅设计参数及其对舒适性的影响 - 图文

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上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响

第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响

1986年Grieco提出了一个新概念“Postural fixity”,这是指驾驶员在较长的一段车辆行驶过程中，肢体很少移动。这种情况的确可以想象，在驾驶席开车的人仅仅需要脚踩一下踏板，把握一下方向盘，操纵一下档位而已。此时轿车座椅设计时需要更多考虑人体生理结构，避免使人体受到静态载荷，否则肌肉长期受载会对人体生理机能产生不良的影响。在受迫情况下血液循环将受影响从而涉及到正常新陈代谢过程中营养物质的交换，严重的更会形成硬化区域。为了防止这种现象的产生，一个设计合理的座椅系统首先应当考虑人体生理结构，其次需要考虑结合人体工程学原理，最后需要优化座椅本身的设计参数。

[2]

2.1人体生理结构与乘坐舒适性的关系

2.1.1舒适坐姿时人体的解剖学原理

人体直立时，脊柱呈S型，一般成年人的脊柱具有四个生理弯曲，即颈曲、腰曲、胸曲和骶尾曲，这称为脊柱的正常生理弯曲。就座时，身体的负担主要施加在躯干上。脊柱总长约70cm，有26块独立游离的骨块，详细分布见图2-1。

研究资料表明，凡是符合人体生理要求的乘坐姿势，就是最舒适的乘坐姿势。从图2-1中分析在自然状态下脊柱呈现S型曲线，腰椎构成前弯，也就是向前突起的形状。当人体以正常姿势入座后，靠背腰椎部分承受的负荷最大，腰曲最易于变形，即腰曲部位向前倾。形成诸如猫背姿势，腰椎会变得笔直或向后弯的不自然状态，使人体感觉不舒适，脊柱处于非正常生理弯曲状态，使腰曲弧度减小，椎间盘的前缘受压、后缘受拉，从而导致韧带受压迫绷紧，容易引起腰酸等不适的感觉。

[4]

[3]

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cervical vertebra 7块颈骨 sternum 12块胸骨椎间盘 breastbone

pelvis

centrum 5块腰骨 waistbone crura pelvis

1sacrum 块骶骨 1块尾骨 crura

coccyx

图2-1人体脊椎的基本组成 Fig.2-1 Humanbeing acantha’s configuration

因此，汽车乘员，尤其是驾驶员首先感到疲劳的部位就是腰部。由此可见，最舒适的乘坐姿势要求：

(1).腰曲弧形应保持正常的生理弯曲而不受载变形，腰部的肌肉应处于松弛休息状态。

(2).腹部通向大腿的血管和神经不受压迫，保持血液循环畅通。

[5]

考虑到人体生理结构的影响，座椅设计应使乘员脊柱处于正常生理弯曲状态，各部分肌肉处于放松状态，身体屈伸部位的角度以及受压都要有利于人体保持正常的血液循环。由于下体的腰椎承重最大，弯曲度也最大。据医学统计，几乎95%的病变均发生于第4和第5腰椎的椎间盘，所以一般座椅设计需要在这个位置设置腰托装置，同时它还能够为胸曲部分的肩胛骨提供凭靠，减轻胸曲变形。当然身体某一部分受力也不能够过大，否则人体同样会产生不适感。

[6]

2.1.2座椅合理体压分布

所谓体压分布是指人坐在座椅上，人体与座椅之间的接触压力分布。

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座椅的体压分布分座垫压力分布与靠背压力分布，体压分布和乘坐姿势互相影响。显然，这里所讲的合理体压分布是指舒适乘坐姿势状态下的体压分布, 合理的体压分布以保证全身肌肉放松及血液正常循环。

为了使座椅具有合理的体压分布，应考虑采用下列座椅设计参数： 1.适当提高坐垫与水平方向的夹角，约5°～10°为宜

这样的话可以使压力集中于大腿后部的坐骨结节周围，同时还能够防止行车过程中乘客臀部向前滑动的趋势，避免造成生理和心理上的疲劳感。根据人体臀部的组织结构特点可以看出，臀部不同部位在产生不适感之前所承受的压力不同，构成骨盆的粗壮坐骨所承受的压力比周围大腿的肌肉承受的压力大，是人体重量的主要支承部位，另外，分布于大腿下面肌肉中的血管和神经极容易受压而使两腿发麻造成腿部疲劳。因此，合理的座椅体压分布并不是一种平均分配的分布，而是按照臀部的不同部位的在产生不适感之前所能承受的压力大小的合理分布，即从坐骨的最大压力部位逐渐向外扩展减弱，大腿下面的压力最小。但也要注意坐垫的后倾角不宜过大，否则容易增大大腿前缘的压力，并减少双脚着地的负荷，这样反而会防碍血液循环而引起的双腿发麻。

2. 体腿夹角，一般在105°～115°左右为舒适

躯干和大腿之间的角度称为体腿夹角。在体腿夹角为105°～115°左右时，能够保证人体腹部与大腿之间的血管不受压迫且血液通畅，这一生理需求同样要求座椅靠背稍微向后倾。靠背倾斜能使躯干的部分体压分布在座椅靠背上，可以对人体腰背部进行支撑，使得腰背部肌肉得以放松，减少肌肉做功，从而减缓疲劳的发生。但靠背角度不宜过大，否则会使乘员起坐不便，会造成人体颈部上抬有沉重的感觉，并产生颈部疲劳以及心理上的不适和疲劳感。同时坐垫不宜过高，应该比小腿长度短，这样使双腿能够踩到地面以支撑大腿的部分重量。

3.小腿与大腿之间达到105°～115°左右为舒适

这样的话，小腿可以向前伸，保持人体血液流畅。此外，坐位时大腿稍微倾斜并向后下、小腿稍微向前的位置也使得静脉血易于回流，可以减少疲劳的发生。

4.可考虑增加座椅前排扶手

有了扶手能够起到促进上肢静脉血回流及减轻疲劳的作用，但其高度要配合适当，应该不能使得人体的肌肉为凑合扶手高低而产生屈曲或伸张的感觉。

[7]

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5.可考虑增加靠背腰托装置

对于靠背，为保持人体脊柱的自然生理弯曲，乘坐时，人体靠背的主要受力点就是由肩胛骨提供凭靠的支承和腰曲部位的支承。这就是我们通常所说的肩靠和腰垫的两点支撑。这两点是乘坐舒适的凭靠点，而且其承受的压力最大，并沿着两点向外逐渐减小。合理的体压分布，例如图2-2所示。增加靠背腰托装置后会明显增加对于人体腰部区域的支撑，避免腰部区域受载过大变形而造成人体疲劳。

体压分布的数据处理结果最终通过一系列量化的指标体现出来，他们应当分别从不同角度体现座椅的特性，尤其应体现那些与乘坐舒适性关系密切的几何物理参数的影响，如座垫形状、座垫的刚度以及刚度的分布等。

[8]

The lumbar region pressure 腰部区域压力值

图2-2典型靠背与座垫的体压分布图

Fig.2-2 Pressure support map of seating back and cushion

在已有的文献中，不同的研究者分别采用了一些指标来表征体压分布，即使是相同的指标，计算方法也有差异，以下8个具有较高价值、能够较好的体现前述原则的指标。

? 最大压力 ? 平均压力 ? 最大压力梯度 ? 平均压力梯度 ? 不对称系数

[9]

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? 纵向压力分布曲线 ? 纵向力矩分布曲线 ? 侧倾稳定性系数

2.2人体测量学与乘坐舒适性的关系

在座椅开发初期，座椅技术部门一般会从汽车主机厂得到整个车身的三维模型。因此在一开始便需要从人机工程角度来考虑问题，进而在车身环境中布置整个座椅系统，从而满足座椅舒适性的要求

[10]

。座椅系统设计时在CAD环境中布置SAE J826中规定的假人模型，该模型勾勒出了

重要的H点、靠背角度以及脚跟点等等的信息。以此模型作为布置时的基准，从而保证乘坐者有足够的可视性、合理的驾驶操作性等等。除了SAE假人模型以外，SAE还负责管理另外一个项目简称为CAESAR

[11]

即Civilian American and European Surface Anthropometry Resource。该

项目的目的是为了更新与补充现代人体测量学方面的数据，该数据库采样了将近２５００北美公民与２５００左右的欧洲公民（男性与女性）的尺寸，如图2-3，他们年龄跨度从１８到６５周岁，CAESAR代表了当今最完整的成年公民人体测量学方面的研究数据，这些数据来自于不同的国家与不同的行业，其中当然包含了汽车工业，CAESAR能够反映人类长期发展趋势之中目前的阶段性变化，从而为我们更好的设计汽车座椅系统提供数据。

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图2-3 CAESAR采集人体测量学数据 Fig.2-3 Anthropometry data gathered by CAESAR

对于座椅系统而言,以下参数必须考虑到人体测量学。

? 坐垫宽度

为了满足绝大部分人体尺寸的要求，坐垫宽度应该能够承载较宽臀部区域且保留足够的间隙以方便人体活动

? 坐垫长度

为了满足绝大部分人体尺寸的要求，坐垫长度应该能够承载最小的乘坐者。坐垫的长度因人而异，高个的驾驶者一般喜欢坐垫的长度短一些，这样他们更能够踩上刹车板。而个子稍微小一点的驾驶者则喜欢稍微长一些的坐垫，这样才能便于他们踩到刹车板。

? 座椅高度

为了满足绝大部分人体尺寸的要求，座椅高度应能够承载最小的乘坐者。同时为了满足不同尺寸人群的需要，座椅的高度应该能够调节。

? 座椅靠背宽度

为了满足绝大部分人体尺寸的要求，靠背宽度应该能够承载最大人群的的肩部与腰部，同时为了避免人体手臂运动时与靠背区域干涉，靠背的肩部区域最好有足够的宽度。布置时，整个靠背的宽度还需要与轿车前排的中央控制盒以及外侧车门门板区域进行匹配，以防止干涉。

? 座椅靠背高度

为了满足绝大部分人体尺寸的要求，靠背高度应该能够承载最小的乘坐者。座椅靠背需要足够高度来支持人体的上背部以及肩部区域，当然为了不影响了后排乘客的视线，靠背不能太高。

[12]

。

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表2-1人体测量数据与座椅设计尺寸关系

Table 2-1The relationship between CAESAR and seating design parameters

座椅尺寸坐垫宽度人体测量学相应的部位 CAESAR数据推荐尺寸满足95%女性的人体 95%女性=480.3mm 500-525 mm左右臀部尺寸 99%女性=522.6mm 满足5%最小女性臀部 5%最小女性=440mm（指从 440mm左右到腿弯部的尺寸臀部区域到腿弯部区域）满足5%最小女性的腿 5%最小女性=340mm 弯部高度尺寸不超过363mm,推荐为346mm左右。坐垫长度坐垫高度靠背宽度满足95%男性的肩部 95%男性=384mm测量值 384mm 宽度尺寸取自H点以上220mm的数据（从 H点向上220mm的

数据,靠背Insert区域值）满足5%最小女性靠背 5%最小女性=414mm 高度尺寸 410-550mm从H点沿躯干线测量靠背高度 2.3人体工程学与乘坐舒适性的关系

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Head space

Front and rear space

Head space

Handle space

Knee space

Leg space

图2-4在车身里座椅的人机工程学尺寸 Fig.2-4 The Ergonomics in automobile enviroment

乘客在座椅里面的位置对于舒适及安全性相当重要。尤其是以下三点。 1.头，手部，腿部，以及膝部空间

如图2-4所示，头部空间不仅对于人体舒适性而且对于安全性也相当重要。足够的头部空间能够提供人们充足的视觉空间，防止头晕，同时避免车辆颠簸时造成头部受伤

[13]

。。

足够的手部空间对于驾驶员而言是相当重要的，这样能够保证手臂操纵自如同样道理，充足的腿部空间能够保证驾驶员踩上刹车。

[14]

膝部空间是指后排乘坐者的膝部与前排靠背后部之间的距离。足够的膝部空间，能够使得后排的乘坐者腿部伸展自由，没有压迫感。从而有效防止因为坐姿的一成不变引起腹部以及腰部区域受到压载而导致人体不适。

2.视觉空间

保证汽车安全运行需要驾驶员能够及时接受足够正确的信息。事实上80%以上的信息是驾驶员通过视觉获得的，汽车驾驶视野是汽车主动安全系统中的重要组成部分。汽车驾驶视野的宜人化程度直接决定车辆预防交通事故的性能。同时充足的视觉空间能够保证在车辆行驶过程中方向

上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响盘、汽车顶板、保险带、柱子等对驾驶员视线影响最小，使驾驶员能够清晰的通过反光镜来控制驾驶

[15]

。

3.操作的控制性

对于座椅设计而言，乘员的可操作性是另外一个严格的因素，控制又可分为主要控制与次要控制。

主要控制是指对车辆的控制。在系着保险带后乘员仍能够灵活的控制车辆。包括对方向盘、排档、信号灯、点火开关等等的控制。

次要控制是针对舒适与便利而言，诸如对收音机按钮、点烟器、座椅调节按钮的控制等等，见图2-5。

操纵装置又称为控制装置或调节装置，是指能够将操作者的响应输出转换为机器设备的输入信息，进而控制机器设备运行状态的机构。在操纵装置的设计中，必须充分考虑人体的体形、尺度、生理特点、运动特征和心理特征，以及人的体力和能力限度，才能够使所设计的操纵装置具有较高的宜人性，为操作者安全、准确、舒适持续操纵提供物质保障。

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图2-5操作的控制性 Fig.2-5 Handle control operation

上图便是座椅设计时，必须考虑到一定的手臂操作的空间，从而能够自如的控制座椅上的调节按钮。

Car body 43.2Electrical Button

图2-6 通用凯越座椅电动按钮操作空间

Fig.2-6 SGM Buick Excelle power button operation distance

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图2-7 通用景程座椅电动按钮操作空间 Fig.2-7 SGM EPICA power button operation distance

图 2-8东风日产风神四号座椅电动按钮之间间隙值

Fig.2-8 The clearance between power button in Dongfeng Nissan Aeolus IV

产品设计中需要严格按照人机工程的原理进行设计，诸如在通用景诚中电动按钮手部操作值为43.2，通用凯越中电动按钮手部操作值为43，这样基本满足人手部操纵按钮所需要的距离。同样道理，不同电动按钮之间操作间隙值也有严格的规定，一般大于16毫米，在东风日产风

Button

Fin

22 16

上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响神四号产品开发中电动按钮之间操作间隙值大于22毫米，这样可以保证乘员自如操作电动按扭，不会引起不适感。

Knee Room

图2-9 后排乘员膝部空间 Fig.2-9 Knee room in rear seat

Knee room L40=40 ≥25mm

图2-10 通用景程膝部空间 Fig.2-10 Knee room in SGM EPICA

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对于后排乘员而言，膝部空间也是影响舒适性的重要因素之一。局促的膝部空间会造成后排乘员舒适性的降低，而符合设计规范的膝部空间更能够提高后排乘员的舒适性。

2.4座椅设计参数影响

图2-11 SAE J1100中描述的座椅设计参数 Fig.2-11 Seating design parameters in SAE J1100

D Point H Point

2.4.1座椅布置参数影响

2.4.1.1座椅高度

[16]

即从H-点到脚跟点之间垂直高度,图上对应为H30,这个高度值需要满足5%最小女性的腿弯部高度尺寸，一般不能超过346mm。 2.4.1.2座椅前后位置

即从H-点到脚跟点之间水平距离，图上对应为L53.根据车型不同该值范围可进行调节。 2.4.1.3躯干角（靠背角）（Torso angle）

躯干角（靠背角）是由2根直线的夹角组成，一根直线为垂直线，另一根直线为靠背线。靠背线在SAE J1100 3.6.1中定义为连接座椅H点与假人胸膛最顶端支点的连线。如上图中L40所示。一般靠背角度为20°～25°之间。 2.4.1.4脚跟点(AHP point)

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从图2-11种能够看到人体脚部区域有一点定义为AHP点，即为脚跟点。 2.4.1.5座椅座垫角度(Cushion angle)

根据SAE座椅座垫角度定义为大腿线与水平线之间的夹角。而从座椅舒适性设计角度出发，坐垫角度应该是系统值，即SAE假人按照一定的H点坐标、躯干角以及脚跟点放置以后，假人大腿与座椅发泡相交以后形成的角度，显然两者之间有一定的区别。从舒适性角度出发，需要全面考虑整个座椅系统，不仅要考虑假人自然大腿角度，同时也要考虑此时发泡与人体大腿之间相交后Penetration值是否符合人体舒适性的要求。因此定义坐垫角度是由2根直线的夹角组成，一根直线为水平线，另外一根直线则通过座垫离去点与坐垫BITELINE离去点这2个点组成，见图2-12。这个角度一般是在10°～15°左右。

Cushion Exit Point

Cushion Biteline Exit point

Cushion Angle

图2-12 座椅座垫角度 Fig.2-12 Cushion Angle

2.4.1.6脚踝角(Ankle angle)

脚踝角可以是由2根直线的夹角组成，一根是小腿线，另外一根是人体脚跟线。如上图中L46所示，一般脚踝角大约是在87°～88°左右。 2.4.1.7体腿夹角(Hip angle)

体腿夹角如前所述，是躯干线与大腿线之间的夹角线，从人体生理角度分析，在体腿夹角为105°～115°左右时，人体最为舒适。

2.4.1.8大腿与小腿之间夹角(Knee angle)

大腿线与小腿线之间的夹角一般达到105°～115°左右为舒适。

在实际项目中，我们经常会使用LAYOUT 这种图纸形式来分析在整车中整个座椅基本参数。例如图2-13为通用景程项目所完成的PACKAGE LAYOUT。

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Ankle Angle

H-Point

图2-13通用景程部分座椅布置参数 Fig.2-13 Seating Layout parameters in SGM EPICA

Hip Angle Dummy

Knee Angle

2.4.2座椅外形轮廓参数及其影响

2.4.2.1 Meat to metal clearance (mm)

为了避免乘员坐上座椅坐垫以后，D点区域与座椅系统上的坚硬物体相碰，所以规定了在座椅之中结构物体与假人之间的最小距离，坐垫为50mm左右，见图2-14。

50mm Distance Dummy

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图2-14 座垫Meat to metal clearance Fig.2-14 Seating Cushion Meat to Metal Clearance

靠背为35mm左右，见图2-15。

图2-15靠背Meat to metal clearance Fig.2-15 Seating Back Meat to Metal Clearance

2.4.2.2座垫压陷深度（Cushion Penetration through H-点）

35mm Distanc

Dummy

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Seating STO Line

Dummy

图2-16 坐垫压陷深度 Fig.2-16 Seating Cushion Penetration

坐垫压陷深度是指一个压缩比，这个压缩比是通过截面得出的。通过H点且垂直于大腿线，切出一个截面，之后比较座椅A面压缩前后的压缩比，压缩比的公式：坐垫压陷深度%=A÷B

A代表了假人轮廓线最低点到坐垫面套轮廓线最高点之间的距离。 B代表了未压缩前泡沫的厚度

2.4.2.3靠背压陷深度（在H-点中心截面以上100mm处）

同坐垫压陷深度类似，靠背压陷深度也是指一个压缩比，同样可以通过截面得出。通过H点且垂直于躯干线，且向上100mm处切出一个截面，之后比较座椅A面压缩前后的压缩比，压缩比的公式：靠背压陷深度%=A÷B

A代表了假人轮廓线最低点到靠背面套轮廓线最高点之间的距离。 B代表了未压缩前泡沫的厚度

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Seating STO Line

B A Dummy

图2-17靠背压陷深度 Fig.2-17 Seating Back Penetration

2.4.2.4 D-点压陷深度

所谓D点是指假人轮廓线在座骨区域最低的一点，如下图所示，D点压陷深度，是指座垫发泡表面到人体D点之间的距离。通常乘用车的值为30mm-50mm。

Front of Cushion 380mm max From H-Point

图2-18 D-点压陷深度 Fig.2-18 D-Point Penetration

2.4.2.5大腿压陷深度（Thigh Penetration）

大腿压陷深度也是影响乘坐舒适性的指标之一。具体含义为：在D-点向前300mm处画一半径300mm圆弧与人体大腿轮廓下端交于第1点，从该点向上作一根垂线，与发泡交于第2点，这

H-Point(SgRP)

Thigh with lower leg attached

上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响两点之间的距离值便为大腿压陷深度，详见图2-19。通常乘用车的大腿压陷深度为23-42mm。

Occupant

Seat design contour

图2-19 大腿压陷深度 Fig.2-19 Thigh Penetration

2.4.2.6座垫离去点（大腿离去点）位置

可以通过图2-12中看到座垫离去点的位置，该尺寸通过测量座垫离去点与H点之间的距离得到，它描述了大腿对于人体支撑的量度。这个尺寸受限于5%女性臀部到腿部弯曲之间的尺寸。一般而言，大腿离去点不能超过305mm左右。 2.4.2.7腰托支撑高度

Front of Cushion 380mm max From H-Point

D-point Penetration

H-point

D-point

Thigh Penetration

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Lumbar support in/out position

Lumbar support’s vertical position of apex

图2-20腰托设计参数

Fig.2-20 Seating Lumbar Design Parameters

对于腰托系统而言，正如前面在人体解剖学与舒适性关系中描述的那样，只有符合人体舒适姿势下的座椅结构才能够使人体感到舒适，为了满足人体自然状态下的脊椎S型姿势，坐椅中增加了腰托装置。显而易见，腰托装置顶出的最高点到H点之间的距离是我们相当关心的。高度范围一般为从H点上去大约150mm左右。 2.4.2.8腰托顶出距离

腰托装置顶出量同样是影响人体乘坐舒适性的重要因素。如图所示，这个尺寸是测量腰托顶出时腰托最凸出一点到躯干点之间的距离。一般这个值选择为90~110mm之间。

2.4.3座椅几何轮廓参数及其影响

2.4.3.1座垫宽度

满足95%女性的人体臀部尺寸，一般尺寸为500-525mm。 2.4.3.2座垫INSERT区域宽度

推荐的坐垫INSERT区域宽度为中心对称280mm左右。

Cushion width Cushion Insert

Width

图2-21座垫宽度与INSERT区域宽度

Fig.2-21 Cushion Width and Cushion Insert Width

上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响 2.4.3.3座垫BOLSTER区域高度（经过H-点）

图2.15座垫BOLSTER区域高度

Cushion Bolster Height

图2-22座垫BOLSTER区域高度 Fig.2-22 Cushion Bolster Height

2.4.3.4靠背宽度（经过H-点）

Back Width Back Insert Width

图2-23靠背宽度与INSERT区域宽度 Fig.2-23 Back Width and Back insert width

2.4.3.5靠背INSERT区域宽度（经过H-点）

推荐的靠背INSERT区域宽度为中心对称384mm左右。 2.4.3.6靠背WING区域高度（经过H-点）

图2-24靠背WING区域高度 Fig.2-24 Back wing height

2.4.3.7靠背腰托区域泡沫轮廓

设计靠背腰托区域泡沫轮廓需要充分考虑人体生理曲线。这是一根能够代表人体生理脊椎外形的曲线，简称BSR曲线，英文全称为Back Spinal Reference Line。

Back Height

Back Spinal Reference

Line(BSR Curve)

Back Angle Line

Depressed Manikin Back

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图2-25 BSR 曲线

Fig.2-25 The Back Spinal Reference Line

根据整车定位的不同，汽车座椅系统也需要与之对应的整椅。据此分为运动型跑车以及一般用途的乘用车等。如图2-26所示，对于跑车而言靠背泡沫稍微要硬一点，这一类归为第一层次。一般用途的乘用车需要硬度适中的靠背发泡，此类归为第二层次。相应更软的发泡则归为第三层次。为了保证人体的舒适性，根据泡沫不同的层次采用对应的压陷量尺寸。具体压陷深度值参考见下图。Z点代表了腰托区域泡沫位置最高点。第一层次发泡z值最小，相应的压陷深度值最小，发泡最硬；第三层次发泡z值最大，相应的压陷深度值最大，发泡最软。

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MEASURED FORWARD OF BSR LINE

LEVEL I Z1=20mm LEVEL I Z2=35mm LEVEL I Z3=50mm

BSR LINE

图2-26 腰托区域泡沫轮廓设计

Fig.2-26Establishing Design Coutour For Lumbar Region

泡沫截面腰托区域轮廓曲线的中间区域与BSR曲线保持平行。曲线下端自然延伸到座垫与靠背的咬合线附近，从舒适性方面考虑，设计曲线最低位置应该在沿躯干线H点以上50mm处区域，保证人体骶骨以上区域与泡沫接触。同样道理，曲线上端自然延伸到靠背泡沫的上部区域，为了保证对人体提供合适的靠背支撑，需要根据不同的泡沫硬度调节曲线与靠背泡沫上端的交线数值，具体数值可以参见图2-27以及图2-28，这些数值测量时沿躯干线，并以H-点作为基准。

Back Angle Line Design Contour Design Contour

Point Z Point Z BSR Line BSR Line

Termination Termination of of Lumbar Lumbar Region Region

Contact 50mm Above H Point Contact 50mm Above H Point

Sacrum Area Sacrum Area Cushion to Back

Cushion to Back Bite Line

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图2-27 腰托区域泡沫轮廓下端设计 Fig.2-27Termination of the Lumbar Region

图2-28腰托区域泡沫轮廓上端设计 Fig.2-28Termination of Upper Back Contact

座椅几何轮廓参数与座椅外形轮廓参数都可以通过制作LAYOUT这种形式进行综合分析，LAYOUT 形式有座椅舒适性、环境、座椅PACKAGING、安全性、运动特性、紧固件、工艺制造性等等，与座椅几何与外形轮廓等有一定关系的是舒适性以及座椅PACKAGING LAYOUT,这些LAYOUT 根据不同的功能要求又可以分别制作几十张图纸，诸如舒适性LAYOUT根据不同的分析部分，可分为诸如CM1、CM2、CM3、CM4、CM5、CM6直到CM21等十几张图纸，这些LAYOUT反映的信息包

LEVEL I 450~470mm

LEVEL I 460~485mm LEVEL I 475~500mm

Thoracic Region

BSR Line Back Angle Line

上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响括靠背或坐垫最恶劣的Meat to Metal距离、后排扶手水平翻转以后H点到扶手顶面之间距离、坐垫与靠背宽度、INSERT宽度、坐垫bolster角度与高度、安装Iso-fix(儿童座椅固定支架)情况下最恶劣的Meat to Metal距离等等。同样座椅PACKAGING LAYOUT也可以分为十几张图纸按照这种思路，每个项目可以根据不同的要求，制作相应的LAYOUT。

H-Point

图2-29舒适性 LAYOUT截面图一

Fig.2-29 Comfort Layout

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图2-30舒适性LAYOUT截面图二 Fig.2-30 Comfort Layout Section 2

LAYOUT截面图一反映了通过座椅H点且垂直于人体躯干线的一个截面。截面图二反映了通过人体中心区域的一个截面。两个截面具体反映的信息见下图。

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95% Dummy

35mm Offset

Back Width H-点

Back Insert Width

Wing Height

Wing Angle

Back foam Back STO

Fin

Mear To Metal Clearance Back B-face Panel

图2-31舒适性LAYOUT一信息 Fig.2-31 Comfort Layout 1 Information

舒适性LAYOUT 一所反应的信息如上图所示，包括了在截面一的位置假人到STO的距离，最恶劣MEAT TO METAL 距离，假人中心泡沫厚度、靠背宽度与靠背INSERT 区域宽度、靠背WING角度与WING高度。通过这张截面以及后续截面即垂直于躯干线且距离H点以上一百毫米为单位的若干截面，可以得到类似的截面分析图。

舒适性LAYOUT截面图二分析的信息如下图所示，包括了在截面二的位置最大靠背与坐垫人体压陷深度、最大靠背与坐垫发泡厚度、腰托高度、躯干角、体腿夹角、坐垫角、大小腿夹角等相关信息。

通过以上2个截面包括后续的相关截面可以综合反映座椅本身以及人体与座椅之间的影响舒适性的相关参数，可有利于开发团队进行后续改进。

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Torso Angle Headrest STO Back Foam Hip Angle H/R Height Should Exit

Back STO Cushion STO Cushion Foam Cushion Angle

Cushion Length Lumbar Apex

Should Prominence Back Panel Max Mankina Penetration to Back STO Normal to Torsol Maxium Back Foam Thickness Mankin Penetration Intoback STO Thigh Exit point Knee Angle Foam Thickness From STO Measured Meet to metal Distance Back Bite Line Exit Point Normal To Torso

Manikin Penetration Along Torso Foam Thickness Foam Thickness From STO Along Below H-POINT From STO Torso Manikin Penetration Into Cushion STO Below H-POINT Cushion Bite Line Exit Point Normal To Torso 33

Fig.2-32 Comfort Layout2 Information

图2-32舒适性LAYOUT二信息

上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响

2.5座椅其他部件的影响 2.5.1座椅泡沫的影响

座椅系统里的发泡主要材料为聚氨酯。组成聚氨酯的原材料又分ISO(异氰酸酯)部分和聚醚组合料部分，其中ISO部分的主要原料为Pure TDI（纯甲苯二异氰酸酯），Pure MDI（纯二甲苯

二异氰酸酯）和TDI&MDI（两者混合物）。而聚醚组合料部分包含了聚醚、助剂、发泡剂、交联剂、

催化剂、泡沫稳定剂、开孔剂以及其他助剂。

为了给臀部提供合理的体压分布支撑，座垫弹性结构的刚度应该遵循上述的体压分布原则进行合理分配。在座垫长度的2/3区域处，即乘坐时人体坐骨接触部位的硬度应该比其他部分的硬度高，以此承受坐骨部位的较大压力。而座垫前缘的硬度应该较小，以减小座垫弹性体对大腿的支撑力，避免压迫大腿下面的血管和神经。中间的硬度过渡则采用厚度的变化而实现硬度的合理分配，对于聚氨脂泡沫塑料的弹性体，一般采用改变组分比例的方法来实现硬度变化。此外，为了使不同的密度区的界面不造成硬度突变，界面应该有一个密度共混区，这个共混区的存在，还可以大大的简化生产工艺。同样道理，靠背的弹性元件结构设计，也应该符合靠背体压分布要求。为了阻止乘员横向滑移，泡沫结构中在座垫与靠背两侧增加翼状结构，增加这种结构，能够明显提高两侧硬度，从而可以形成必要的横向稳定支承。

对于泡沫而言评价的项目也相当的多，不同的主机厂会有不同的测试评判标准，部分测试项目见下表。

表2-2座椅发泡部分测试项目 Table 2-2Seating foam some test items

1 2 3 4 5

1.装置

试验项目硬度密度拉神强度撕裂强度气味试验

单位 N g/cm3 kpa N/cm

主要部分 176.5±19.6 0.04 ≥6.9 ≥4.9 3以下

主要侧翼部分 196±19.6 0.04 ≥6.9 ≥4.9 3以下

上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响（1）强度试验机（INSTRON/SWICK设备）

（2）圆型加压板，（直径200mmx厚度5mm的铝制或铁制，见图2-33） 2.试样: 完整的发泡

图2-33圆型加压板

Fig.2-33 Round Pressure Testing Board

Foam Hardness Main testing Area

图2-30泡沫

Testing Direction

A-Suface

Testing Point

B-Suface

Testing Point

上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响

图2-34泡沫的主要测试区域以及测试方向

Fig2-34 Foam Hardness testing Main Area and testing Direction

3.测试区域: 见图2-34 4.试验条件：

（1）试验室的标准状态，原则上以JIS Z 8703中的标准温度状态（温度15～26℃）标准湿度状态（湿度45～85%）为基准。（2）压缩速度:10mm/sec以下（3）压缩率：25%

5.操作方法：

（1）将试样平放到测试机的台上，首先测定施加4.9N(约0.5Kgf）载荷时的厚度，将此厚度作为起始厚度。

（2）以规定的压缩速度采用圆型加压板挤压开始厚度25%的距离，静止后读取经过20秒钟时的载荷，将此作为硬度，见图2-35。

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图2-35泡沫硬度测试设备以及操作过程

Fig2-35 Foam Hardness testing Main Area and testing Direction

2.5.2座椅面套的影响

上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响

座椅面套对于消除长期坐姿下人体臀部闷热和出汗有重要作用。为此，要求座椅面料具有吸湿性和热量调节性。考虑到舒适性的原因，大部分中高端轿车座椅采用的是真皮座椅，同时为了调节热量从而保持一定的透气性，所以目前更为流行采用打孔真皮。

对乘员而言,座椅高压力区域更易使人敏感,诸如坐骨与腰部区域。所以面套设计时要避免在这些区域使人产生异物感。

2.5.3.腰托装置的影响

Lumbar 腰托系统 System 弹性元件 Suspension System

图2-36分别安装腰托系统与弹性元件的座椅

Fig2-36 Comparision Between Seating Equiped With Lumbar System And Suspension System 轿车靠背总成主要由泡沫、腰托装置或弹性元件等部件组成。图2-36显示为安装有腰托系统与只安装弹性元件的座椅系统，有经验表明腰托装置比弹性元件更能够改善人体腰部的支撑

[17]

，从而提高人体的乘坐舒适性。

J826

Manikin

Back

Height of Prominence

Reference Line Tangent to Thorax and Buttocks

H-point

Prominence

上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响

图2-37腰托安装尺寸图

Fig2-37 Lumbar Support Assembly Layout

腰托装置的使用并非是新生事物，早在1948年，Akerblom

[18]

在他的专著中便有关于腰托装

置的描述，他在深入研究了人体的脊柱生理结构以后，发现应该对座椅设计进行规范，尤其强调需要在座椅的腰部区域增加支撑。自那时开始，学术界在有关人机工程方面的论文中大部分都推荐使用腰托装置。

腰托装置对于乘员舒适性的提高，更多方面是体现在对于人体腰部给予一定的支撑，从而保持人体脊柱生理曲线，如图2-37所示通过几何的方法可以更加清楚地了解腰托给予人体腰部的支撑。在图上显示了SAE J826上定义的假人靠背轮廓线。腰托部位参考线与乘坐者臀部尾端曲线相切，同时又与人体胸部曲线相切，而腰托高度范围定义为离参考线最大的偏移量，典型腰托结构见图2-36。

回顾历史Akerblom、Keegan以及其他先驱都建议在人类靠背的腰部区域增加一定的支撑，Akerblom建议这个坚实的支撑物应该加在第四以及第五腰部脊柱区域，Keegan则建议座椅在设计位置的时候靠背部分能够形成一根支撑曲线，这根曲线应介于人类站立与入座时两种Lordosis自然脊柱曲线之间。因为通过长期的观察，他发现大部分腰部有障碍的患者更愿意斜着身子坐在座椅上。70年代的中期，Andersson测试了靠背伸肌以及腰部压力值，他发现了人体站立时的压力明显小于坐姿下的压力值。通过试验，Andersson发现了保持人体坐姿时腰椎部曲线的形状能够明显降低人体腰部的压力,这是座椅设计时应该遵守的法则。

Porter 与Norris也进行了相关的试验，挑选一组测试者进行腰托部位人体主观舒适度的评价。经过试验发现大部分的乘员更愿意接受20毫米的腰托顶出距离以及腰托在H点以上150mm甚至更高的高度位置。并发现40甚至50毫米的顶出距离在不同的试验状态下均不能产生令人满意的效果，而40～50毫米的距离最接近人体自然脊椎腰部区域的距离，从这点也间接验证了低于人体自然脊椎形状的顶出高度更容易使人产生舒适感。之后Porter 与Norris的研究工作更多的放在了腰托装置本身的研制过程。通过长期观察，Porter 与Norris发现大部分的乘员愿意接受的腰托最大顶出量一般是人体站立时自然脊椎腰部区域距离的一半。

为了验证使用腰托以后对于人体脊椎生理曲线产生的影响，porter进行了相应的试验。测

上海交通大学硕士学位论文第二章座椅设计参数及其对舒适性的影响试者分为中等女性、中等男性、较小女性、较大男性等四组。测试座椅分别为一个带腰托的座椅，一个不带腰托的座椅。试验小组采用了sonic digitizer的仪器装置用来记录人体landmarks的位置，乘坐者颈项的弯曲曲率等。每个测试阶段测试后的数据都会进行处理，之后形成躯干与姿势的轮廓，最后工程师对于投影到XZ平面的全部曲线进行汇总以及比较图2-38描述了该试验中所有测试点的位置以及需要测试的一些角度。

Head Angle

Throax Angle

Pubic Symphysis

图2-38试验中测试点的位置以及测试角度

Bottom Sternum Torso Angle

Top Sternum

Should

Occipu

Glabella

Tophead

[19]

。