基于标杆车的汽车座椅人体压力研究

温泉，鞠伟男，刘丽萍，石攀，李岳



基于标杆车的汽车座椅人体压力研究

温泉，鞠伟男，刘丽萍，石攀，李岳

（中国汽车技术研究中心，天津 300393）

驾驶舒适性是汽车空间设计不可忽视的因素，人体压力数据是汽车座椅设计的依据。文章设计试验对驾驶员背部与臀部的平均压力、峰值压力、平均压强、峰值压强和接触面积等体压数据进行了采集，利用单因素方差分析、回归分析等方法对不同类型驾驶员的体压数据进行了统计分析，探究不同类型驾驶员各体压数据的变化规律。该研究为汽车的空间设计提供基础数据与理论指导，对提高人-车-环境系统的效率具有重要意义。

汽车座椅；体压数据；单因素方差分析；回归分析；汽车空间设计

前言

随着汽车的广泛普及，舒适性逐渐成为人们购车时不可忽视的因素，汽车座椅作为人机交互的重要界面，其设计的合理性难免会对整车舒适性产生影响。研究表明，乘车人员对座椅的体压数据是汽车座椅设计过程中必须要考虑的因素[1]，目前关于体压数据的研究主要集中在体压分布指导汽车座椅设计与体压分布仿真计算等方面。

陈俊豪等[2]对不同身材驾驶员体压分布的特点和腰部支撑对乘坐舒适性的影响进行了研究，建立了体压分布与乘坐舒适性的关系，证实了腰部支撑对提高座椅舒适性的作用。刘鹏等[3]通过汽车座椅体压分布检测，对影响体压分布的若干汽车座椅结构因素进行了研究，并将这些因素考虑在汽车座椅结构设计过程中，优化结构使人与座椅接触界面的压力分布变化均匀平缓，对提高乘坐舒适性具有重要意义。贾丰源等[4]通过设计驾驶人静态体压分布试验，建立了座垫舒适度主观评价逻辑回归模型，并对座垫软硬度主观评价结果与踝关节角度、坐高、座垫平均载荷之间的关系进行了深入分析。张志飞等[5]通过体压分布测试和振动舒适性试验对汽车座椅舒适性进行了研究，研究结果表明，动态工况下除最大压强以外的其它体压指标均大于静态工况，且随车速增加而增加，且平均压强与振动加权加速度有很强的相关性。侯件件等[6]利用MADYMO进行座椅参考点R点坐标的预测，并分析了不同百分位假人模型的体压分布情况，探寻50百分位多体假人模型最理想的体压分布图，研究结果可作为轿车座椅设计、座椅舒适性评价的参考和依据。

由此可见，专家学者对汽车座椅体压分布进行了较为广泛且深入的研究，但大多数研究并未对所研究的群体进行分类，由于不同性别、不同体质驾驶员的体压数据存在明显差异，因此，本文根据驾驶员的性别、体质对其进行分类，分别研究了不同驾驶员各体压数据的数据特征与变化规律，为汽车空间设计提供数据支撑。

1 人体座椅压力试验研究

1.1 试验对象

试验样本容量为205，其中男性87名，女性118名；年龄分布在17~70岁之间，平均年龄45.9周岁；实验对象职业涵盖学生、党政机关事业单位工作者、企业/公司员工、自由职业者、退休、失业人员等。

1.2 试验内容

此次试验选用高尔夫、途观L两辆样车，采用pliance-x压力垫与配套软件采集被试的背部与臀部体压数据，包括：平均压力、峰值压力、平均压强、峰值压强和接触面积。每位被试者单独进行试验，具体步骤如下：

（1）向被试者介绍试验目的、流程和试验要求，统计被试者性别、年龄、体重、身高、职业等基本信息。

（2）将pliance-x压力垫铺放在汽车副驾驶座椅的座面和靠背上，调整座椅使靠背倾角为25°（靠背倾角指靠背与垂线夹角），座椅高度为最低高度，如图1所示。

图1 实验测试场景图

（3）被试人员按要求统一身穿紧身内衣，并按照规定姿势坐在座椅上，臀部和背部要求贴合压力垫，保持自然姿态并双腿并拢。待被试坐姿平稳后，试验测试人员操作压力垫进行体压测试，并连续记录一段10s左右的压力数据。

1.3 试验数据

应用pliance-x配套软件对数据进行处理，得到臀部与背部体压数据统计表，如表1、表2所示（表示方式为：平均值±标准差），部分被试体压分布图如图2所示。

图2 部分被试体压分布图

表1 被试臀部压力数据统计表

表2 被试背部压力数据统计表

2 体压数据分析

驾驶员的性别、体质等物理因素是影响体压数据的重要因素，本文利用单因素方差分析探索不同性别驾驶员体压数据的差异，并对不同体质的驾驶员体压数据进行了回归分析，对其变化规律与变化区间进行了研究。

2.1 基于单因素方差分析的不同性别驾驶员体压数据分析

方差分析（Analysis of Variance, ANOVA）是指通过对实验数据的分析，检验方差相同的多个（多于两个）正态总体的均值是否相等，并以此来判断各因素对试验指标的影响是否显著，其中单因素方差分析只考虑一个因素A对实验指标的影响[7]。

何为美，每个人自有不同判断、不同视角，而中国石化正是要传递如此理念：美来自各个岗位，不分大小，不分高低，不分性别，只要付出、努力、坚持，你就能散发出无尽光彩。

设因素A有r个水平，记为A1，A2，…，Ar。在水平Ai下观察ni个样本单位，可获得实验指标的ni个数据：xi1，xi2，xi3，…，（i=1，2，…，r）。第Ai（i=1，2，…，r）水平之下各观察值可视为来自总体Xi（i=1，2，…，r），且Xi服从正态分布，Xi与Xj（）相互独立，即。Xi1，Xi2，Xi3，…，Xin表示从总体Xi中抽取的样本，xi1，xi2，xi3，…，xin表示相应的观察值，对实验指标进行单因素方差分析的基本步骤如下：

1）建立检验假设

H0：

来了外地人，从巷子里经过，老人会问：谁家的亲戚啊?有时也不问，笑眯眯地看着你，仿佛你原本就是这村里的人。

H1：各不等或不全相等

2）计算离差平方和

组内离差平方和，它是每个观测数据与其组内平均值的离差平方和，是所有随机误差造成试验指标变化的总度量，计算方法为：

（1）

组间离差平方和，它是组内样本均值与总平均值的离差加权平方和，是反映因子的不同水平造成实验指标变化的总度量，因此也称为系统误差，计算方法为：

微信服务目前在起步阶段，大部分已经开通了微信服务的中学图书馆，也只是仅仅开通了而已，并没有提供实质性的服务内容。究其原因，首先中学图书馆的师生都以高考和会考为主要目标，并不十分重视图书馆的相关工作；其次中学图书馆服务人员和管理人员的水平有限，在提升服务层次，优化服务技术方面力不从心；再次许多中学在管理过程中，以学习为第一要务，禁止学生携带手机，微信服务又离不开手机运营，造成该服务的受众不明朗；最后开发运营图书馆微信服务客户端，还需要投入资金支持和技术支持，需要校领导的重视和支持。中学图书馆要升级理念，改善服务还有很长的路要走。

（2）

总离差平方和，它是所有数据到总样本均值的距离平方和，是实验指标对中心位置的变化的总度量，计算方法为：

式中：Vc为泥石流流速，m/s；Ic为泥位纵坡率，以沟道纵坡率代替；1/n为泥石流沟床糙率系数，查水文手册；Φ为泥石流泥沙修正系数，取1.919-1=0.919；γH为泥石流固体物质重度，t/m3；φ为泥石流泥沙修正系数，取1.919-1=0.919；Hc为平均泥深，m；

（3）

记为均方差：

（4）

（5）

其中，称r-1与n-r分别为组间自由度与组内自由度。

3）计算检验统计量F：

在与急救中心联系时，要向医生告知孩子误食了什么，误食了多少，多久之前误食的。在送往医院时，要带上剩余物品及其包装，如果确实不知道孩子误食了什么，在家中有呕吐或者催吐的话，应将孩子的呕吐物一起带往医院，以便医生了解情况及时采取有效的救护措施。

组间离差平方和组内离差平方和分别除以各自的自由度之后的比值将服从F分布：

（6）

在给定显著性α水平的情况下，查F分布表值有，若统计量F超过这一临界点，则拒绝原假设，认为样本均值之间不完全相同（存在显著差异），否则不能够拒绝原假设H0。

本文利用单因素方差分析对不同性别驾驶员的体压数据进行差异性检测，结果如表3所示，可以看出，所有体压数据的p值均小于0.05，因此，可认为不同性别驾驶员各体压值均有显著差异。利用直方图更直观地展示不同性别驾驶员的体压数据，如图3所示，可以看出，男性体压数据数值明显大于女性，且臀部的体压数据数值远大于背部。

图3 不同性别驾驶员体压数据对比图

表3 不同性别驾驶员体压数据单因素方差分析表

2.2 基于回归分析的不同BMI驾驶员体压数据分析

回归分析（regression analysis)是确定两种或两种以上变量间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法[8]。体质指数（Body Mass Index, BMI）是目前国际上衡量人体胖瘦程度的常用指标，其计算公式为：体质指数（BMI）=体重（kg）÷身高^2（m）。利用回归分析寻找各体压数据（背部与臀部平均压力、平均压强、接触面积）与BMI之间的关系，得到各体压数据与BMI关系如图4~图9所示。

图4 背部平均压力与BMI关系图

图5 臀部平均压力与BMI关系图

由图4~图9可知，除背部平均压强随BMI指数的增大而略有下降外，其余体压数据均随BMI指数的增大而增大。对比不同部位的体压数据可以看出，臀部体压数据随BMI指数增大而增大的趋势明显，背部体压数据随BMI指数增大而增大的趋势相对平缓。对比不同类型的体压数据可以看出，接触面积随BMI指数增大而增大的趋势最明显，平均压力次之，平均压强增幅最为平缓。

IT设备耗电的测量可选取在M3点：UPS系统的输出电量可很容易地获取。根据PUE的定义，IT设备耗电量的测量应当选取在M5点更为准确，但在实际工程中，IT设备的数往往相当庞大，且设备类型众多，要把他们的耗电量全部准确测出成本太高。

图6 背部平均压强与BMI关系图

图7 臀部平均压强与BMI关系图 图8 背部接触面积与BMI关系图

图9 臀部接触面积与BMI关系图

进一步分析不同体压数据的分布区间，可以得到：背部平均压力主要集中在0-150N，臀部平均压力主要集中在200-500N；背部平均压强主要集中在1.5-3kpa，臀部平均压强主要集中在3-5kpa；背部接触面积主要集中在150-700cm2，臀部接触面积主要集中在700-1250cm2。

3 结论

汽车座椅体压数据是指导汽车设计的基础，本文对不同性别、不同体质驾驶员的背部与臀部体压数据进行了分析，研究结果表明，不同性别、不同体质驾驶员的体压数据具有明显差异。进一步分析发现，男性体压数据数值明显大于女性，臀部的体压数据数值远大于背部，且多数体压数据均随BMI指数的增大而增大。该研究可为汽车座椅设计提供参考，对提高汽车空间的有效利用率具有重要意义。

参考文献

[1] Zenk R, Mergl C, Hartung J, et al. Objectifying the comfort of car seats[R]. SAE Technical Paper, 2006.

[2] 陈俊豪,任金东,刘涛.基于不同身材驾驶员体压分布的座椅舒适性研究[J].汽车工程,2017, 39(03): 351-356+342.

[3] 刘鹏,雷明星,段小刚.汽车座椅体压分布研究[J].汽车科技,2015 (02):23-27.

[4] 贾丰源,陈君毅,吴海波,于翔.基于静态体压分布的座垫舒适度影响因素分析[J].同济大学学报(自然科学版),2015,43(04):611-616.

[5] 张志飞,袁琼,徐中明,黄深荣,贺岩松.基于体压分布的汽车座椅舒适性研究[J].汽车工程,2014,36(11):1399-1404.

[6] 侯件件,张学荣,任利惠.轿车座椅R点及体压分布仿真计算[J].现代交通技术,2011,8(04):65-67.

[7] 舒华,张学民,韩在柱.实验心理学的理论,方法与技术[M].北京:人民教育出版社,2006.

[8] 孙文生.统计学.北京:中国农业出版社,2014.

Research on Human Body Pressure Based on Benchmarking Car

Wen Quan, Ju Weinan, Liu Liping, Shi Pan, Li Yue

( China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300393 )

Abstract:Driving comfort is a factor that cannot be ignored in the design of car space. The body pressure data is the basis of car seat design. In this paper, the body pressure data such as average pressure, peak pressure, average pressure, peak pressure and contact area of the driver's back and buttocks were collected. The body pressure of different types of drivers was measured by one-way analysis of variance and regression analysis. The data was statistically analyzed to explore the changes in the body pressure data of different types of drivers. This research provides basic data and theoretical guidance for the space design of automobiles, and is of great significance for improving the efficiency of the human-vehicle-environment system.

Keywords: Car seat; Body pressure data; One-way Analysis of Variance; Regression analysis; Car space design

CLC NO.: U461.4

Document Code: A

Article ID: 1671-7988(2018)21-148-04

中图分类号：U461.4

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2018)21-148-04

作者简介：温泉，男，汉族，1984年生，天津人，天津大学研究生，高级工程师职称，目前担任中国汽车技术研究中心有限公司数据资源中心工程数据部部长一职。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.051