基于人机工程学的长途客车座椅设计与分析

沈华林



基于人机工程学的长途客车座椅设计与分析

沈华林

（佛山市姆巴佩汽车配件有限公司，广东 佛山 528000）

论文利用PRO/E软件，充分考虑人机工程学，设计一种符合乘客要求的长途客车座椅。设计过程中，结合人机工程学和人体坐立时的体压分布特性，使设计的座椅靠背曲线符合人体脊柱曲线。根据国家汽车碰撞试验分析结果，对座椅进行了改进，改进后的座椅更好地符合人机工程学的要求。

长途客车座椅；人机工程；PRO/E

前言

随着我国经济的发展，人们生活水平的提高，汽车已经融入了人们的日常生活。作为对汽车人机交换性能起关键作用的汽车座椅，人们对其舒适性和安全性提出了较高的要求。过去，座椅在设计时没有考虑到符合人体舒适坐姿的生理特性，忽略了座椅的人机工程学，仅仅是从外观角度出发进行设计，结果往往难以满足人们的要求[1]。

本文利用PRO/E软件，设计一种基于人机工程学的长途客车座椅。在本设计中，充分考虑人机工程学和人体坐姿的体压分布特性进行座椅的建模，使座椅靠背曲线符合人体脊柱曲线，并对座椅骨架进行了动态特性的改进，使座椅更加舒适安全。

1 设计方案

长途客车座椅一般由座垫、靠背、扶手和骨架等四大部分构成，根据座椅的基本组成，可以有如下两个方案：

方案1：它的坐垫刚性连接在车厢上，坐垫前端平整，坐垫面水平，靠背为平面型支撑，表面透气性能不佳，多数设计成高靠背。

方案2：坐垫面具有一定的倾角，边缘过渡为圆弧曲面，背靠按人体脊柱曲线设计，配备颈枕，背靠面开了小孔，背靠内连接制冷系统，骨架由三坐标方位的弹簧弹性连接于车厢。

方案1造型简单，采用固定的座椅偶尔会受到重大冲击，对人体伤害很大，而方案2采用的弹性连接可有效减少对人体的伤害，故本题采用方案2进行设计。

2 PRO/E环境下基于人体工程学的座椅设计

2.1 座姿人体工程学

脊柱是人体的主要支柱，而脊柱中的腰椎尤为重要，实现人体承重的同时还要实现人体运动时弯腰、扭转等活动，非常容易造成损伤和腰曲变形[2]。除了人体站立时的腰曲接近于生理弧形外，其余姿势都使腰曲弧形受到拉伸变形。

乘坐姿势腰曲接近于生理弧形，说明这种姿势符合生理要求，是舒适的就坐姿势。它的特点是臀部离开靠背，背部向后倾斜，保持人体背部与大腿平面间夹角在90º至115º[3]。

2.2 长途客车座椅人机建模

本课题设计的客车座椅最终效果图1所示。采用曲线坐垫、圆形外边建模，更利于人体均匀受力。靠背根据人体脊柱的形状，利用PRO/E生成背靠曲线，轮廓完全吻合脊柱曲线，极大的减少对脊骨的压力。符合人体工学的扶手有利于人体重量的分散，有助于减少对坐垫和靠背的压力。采用头颈支撑结合的方式设计头枕，头枕结构可以上下调节，满座不同乘客的需求[4]。

图1 座椅设计总装配图

2.3 座椅动态性能的改进

如图2，把滑动支架弹性连接在座椅骨架上，滑动支架与座椅骨架靠汽车纵向螺旋拉伸弹簧和横向压缩弹簧固定。

图7 缓冲弹簧装置图

2.3.1拉伸弹簧的参数确定与计算

根据国家汽车碰撞试验C—NCAP的规定，汽车以50km／h正面、重叠率100％碰撞固定障碍物时，人体受到的平均冲力约为4000N。即拉簧承担此4000N的冲力，考虑活动骨架受力均匀性，设计由两个拉簧并联使用，每个拉簧承担冲力Fn=2000N。考虑汽车被后撞时拉簧受压，采用淬火间隙弹簧(B类，65Mn-75Mn)，切变模量G=79GPa、许用应力[τ]=0.44b，承受Ⅲ类载荷(循环次数≤103)[5][6]。

取旋绕比C=5.6，查曲度系数K=1.273。先设丝径d=8mm，查极限强度b=1324MPa，则[τ]=0.44b=0.44×1324=582.56（MPa）。

所设丝径d在此范围内，取标准系列d=8mm；则中径D=Cd=5.6×8=44.8(mm)，取标准系列D=45mm。

有效圈数n的确定

取变形量=30mm，极限变形量λ=1.12=1.12×30=33.6 (mm)，则：

取n=7圈。拉簧两端各压平半圈做圆钩，总圈数，t总=n+0.5+0.5=8(圈)

2.3.2压缩弹簧的参数确定与计算

活动骨架两侧各安装两个压缩弹簧，以缓冲汽车被偏撞或后撞时的冲击力。每个压簧设计承受冲击力1000N(每侧两压簧共承受2000N。国家C—NCAP规定侧冲力为正面冲力的一半)，采用与拉簧相同的材料，其主要参数经计算确定如下(计算过程略)：

丝径d=6mm，中径D=32mm，变形量=15mm。有效圈数n=6圈，自由长度54mm。

以上拉伸、压缩弹簧的额定轴向载荷分别为400kg和200kg，足以保证汽车正常行驶中驾乘人员及座椅的稳定性。

3 结论

本文利用PRO/E软件，结合人机工程学和人体体压分布特性对长途客车座椅进行重新造型设计。与传统客车座椅相比，本文使用PRO/E软件并考虑人机工程学设计的长途客车座椅更加符合人体舒适性要求。

[1] 郭伏,钱省三.人因工程学[M].北京:机械工业出版社,2006.

[2] 孙家广,陈玉健,黄汉文.计算机辅助设计技术基础[M].北京:清华大学出版社,1990.

[3] 丁玉兰.人机工程学[M].北京:北京理工大学出版, 2000.

[4] 孟清华,王保国,王瑞君,基于交通安全的人-车-环境系统的研究[J].车辆与动力工程, 2004,2: 60-64.

[5] 吴宗译.机械零件设计手册[M].北京:机械工业出版社,2004:546- 559.

[6] 中国汽车技术研究中心.新车评价规程(c—NCAP)[M].北京:人民交通出版社,2006: 20-24.

Design and analysis of coach seat based on ergonomics

Shen Hualin

（Foshan MBP Auto Parts Co., Ltd., Guangdong Foshan 528000）

This paper uses PRO/E software, fully consider ergonomics, design a coach seat in line with passenger require -ments. In the design process, combining ergonomics, human anatomy and body pressure distribution characteristics of human sitting position, the curve of seat back is designed in line with the curve of human spine. According to the analysis results of national automobile crash test, the improved seats better meet the requirements of ergonomics.

coach seats; Ergonomics; PRO/E

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.029

U462.1

A

1671-7988(2019)10-82-02

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沈华林，男（1980.8-）湖南武冈人，工程硕士，机电中级工程师，就职于佛山市姆巴佩汽车配件有限公司。研究方向：机械设计制造。