课题设计-汽车座椅设计

课题设计-汽车座椅设计 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 目 录 摘 要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 ABSTRACT„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 第1章 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 第2章 汽车座椅的相关介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.1 汽车座椅的作用、性能及设计要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.1.1 汽车座椅的作用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.1.2 汽车座椅的性能„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.1.3 汽车座椅的设计要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 2.2 汽车座椅的结构和分类„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 2.2.1 汽车座椅的结构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 2.2.2 汽车座椅的分类„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 2.3 汽车座椅的研究现状及发展趋势„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 9 第3章 汽车座椅的理论研究与设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 3.1 汽车座椅设计的基本原则及依据„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 3.1.1 汽车座椅设计的基本原则„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 3.1.2 汽车座椅设计的基本依据„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 3. 2 汽车座椅与人体生理学和解剖学相关研究„„„„„„„„„„„„„„„„14 3.2.1 坐姿与座椅„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 3.2.2舒适坐姿的生理特征„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15 3.2.3体压分布与坐姿疲劳„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 3.3 汽车座椅系统强度特性研究 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 17 3.3.1座椅的静强度„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3.3.2座椅的冲击强度„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19 .3.3座椅的疲劳强度 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„203 第4章CATIA制图软件的介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21 第5章 长安CM9中排座椅的实际设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 22 5.1 汽车座椅用户需求分析 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 22 5.2 用户人体尺寸研究„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22 5.2.1 人体静态尺寸„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22 5.2.2 人体测量尺寸„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23 5.3 人体坐姿功能尺寸„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 5.4 中排座椅的设计参数„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 5.4.1 决定座椅参数的基准 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 26 5.4.2 中排座椅设计的主要参数„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 5.5汽车座椅的结构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29 5.6 汽车座椅的造型设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„31 1 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 第6章 座椅总成相关试验„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 41 6.1汽车座椅系统强度要求及试验方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 41 6.1.1主题内容与适用范围„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 41 6.1.2引用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 41 6.1.3相关术语„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 41 6.1.4强度要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 42 6.1.5试验方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 42 6.2汽车座椅头枕性能要求和试验方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 43 6.2.1主要内容与通用范围„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 43 6.2.2引用标准„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 43 6.2.3相关术语„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 43 6.2.4性能要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 44 6.2.5试验方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 44 第7章 主要结论和未来展望 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„46 致 谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„47 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„48 附录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„49 附录A 插图清单„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 49 附录 B 表格清单„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 50 2 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 摘 要 众所周知，我国的汽车工业起步较晚，技术落后和缺乏自主研发能力等长期存在的问题仍未得到根本解决。而汽车座椅是人与汽车直接接触的界面，人们驾乘汽车的舒适性主要与座椅有关。随着科学技术的发展和生产力的提高，人们对工作、生活、休息质量的要求也不断提高，以前的那种从产品到人的设计模式己不能满足日益丰富的工业产品的生产以及广大消费者对工业品的期望。这就要求产品设计者在设计产品的时候能充分将人的因素、产品使用的环境因素合理地、科学地运用其中。在设计中必须将人的因素贯穿在整个设计的始终。 技术的发展要围绕人的需求来展开，产品和环境的设计要更好地适应和满足人类的各种需求，这种观点已逐渐在产品的设计生产者和消费者中形成共识。现代的工业设计师已经意识到产品是否能够被用户接受及被接受的程度不仅仅取决于产品的市场因素，而且越来越多地取决于产品的外观造型和人机工程学设计。 汽车是二十世纪最显著的人文标志之一，它改变了人们的生活方式以及对时空和价值的观念，为丰富人类社会的物质生活和精神文明做出了巨大贡献。本文研究了人的坐姿舒适度及生理特性，研究了人与座椅的人机关系，在这一基础上，进行了座椅设计研究的实习，结合我国汽车座椅的设计和使用现状，找出现有汽车座椅的不足，以人机工程学、人体测量学、统计学、生理学和汽车设计等学科的理论为依据，对汽车座椅进行了综合研究，重点对人机工程和座椅强度进行了研究。 个人研究的重点:1、座椅存在的问题;2、用户人体尺寸研究;3、坐姿相关的人体生理学研究;4、从满足乘员的需求出发，确定中排座椅的各个参数并突出座椅尺寸设计与人体尺寸的相关性。 关键词:人机工程学 座椅 坐姿 舒适度 3 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 ABSTRACT As everyone knows, auto industry of our country starts relatively late, at present there are still some Long-existing problems are not solved yet, such as backward in technique and lack ability to develop independently etc. Seat of automobile is the interface people contact with the automobile, people's driving comfortableness by car relates to seat mainly. With development and improvement of productivity of science and technology, people's request for quality of working, living, and relaxation raise constantly, Former product design mode that from products to people that already can't satisfied the manufacture of abundant industry production and the masses of consumer of industrial products day by day expectation. This requires products designer can take the human factor when design the products, environmental factor that the products being used, the civilization culture of the even w hole society into a count rationally, scientifically. Must is it design human factor entirely to run through all the time in design. Development of technology launch to come around demands of people, design of products and environment is it adapt to and satisfy human characteristic of physiology and psychology, this forms the common understanding between design producer and consumer of the products gradually. The modern industry designer realizes: Whether the products can be accepted or not depends on not only the factor of products such as technological characteristic, price, service, etc. but also the appearance and man-machine engineering of the products are considered more and more. Automobile, one of the 20th century most remarkable humane signs, it change life style of people with spatio-temporal conception and the values conception in time, have made enormous contribution for material wealth and spiritual civilization of the human society. This text has studied people's physiology of position of sitting and psychological characteristic, the man-machine relation between people and seat, on the basis of this, carry on user's needs investigation, and seat design to survey and study on the spot factory, Accord with the design of the automobile seat of our country and use, find out the deficiency that the existing car drives the seat, as the basis with the theory in disciplines, such as man-machine engineering, human surveying, statistics，physiology，anatomy and industry design ,etc., have carried on comprehensive research in driving the seat. The priority research in man-machine engineering and strength test. Focal point of individual research: 1, Existing problem of the seat; 2,the study of user's human size; 3,the study of human physiology, anatomy that the position of sitting is correlated with. It set out to meet driver's demands, is it confirm each parameter of seat and stress seat size design with human dependence of size. Key s : Ergonomics Car seat Position of sitting Comfortable degree. 4 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 第1章 绪论 汽车座椅属于汽车的基本装置，是汽车的重要安全部件。在汽车中它将人体和车身联系在一起，直接关系到乘员的驾乘舒适性和安全性。1886年德国人戴姆勒制成了最早的汽车座椅，其座垫是以棉花等软填料作为芯子，靠背是用木板和木条围成。一百多年来，随着汽车的发展和人们要求的不断提高，汽车座椅已不再是单纯满足乘坐和美观需要的车身部件，而是关系到汽车的驾乘舒适性和安全性，集人机工程学、机械振动、控制工程等为一体的系统工程产品。 随着我国汽车工业的迅猛发展，人们对汽车的乘坐舒适性及安全性等方面的要求越来越高。其中，作为影响汽车舒适性和安全性的重要内饰部件——汽车座椅的设计、研发，已越来越引起汽车业界的重视。我国汽车工业产业部已将汽车座椅列为四十种优先发展的关键零部件之一。汽车座椅是用来支撑成员的质量，缓和和衰减由车身传来的冲击和振动，从而为乘员提供良好的工作条件，并为乘员创造舒适和安全的乘坐条件。因此，座椅设计的好坏，对汽车的平顺性、乘坐舒适性、安全性及操纵方便性等有很大的影响，必需要全面综合的考虑，才能设计生产出满足各方面要求的产品。 作为连接部件的汽车座椅，对其性能要求越来越高，设计与研究领域十分广阔。本课题的主要任务是根据乘员的安全性、舒适性与座椅的动静态特性分析，对长安一款微车的中排座椅进行结构设计，运用绘图软件绘制出中排座椅的三维实体造型。通过查阅相关资料，对汽车座椅相关知识有了较深入的理解，并掌握了汽车座椅的设计思路;选取长安一款微车，确定以其中排座椅为设计对象;了解并掌握了中排座椅的靠背骨架总成结构与坐垫骨架总成结构，根据人机工程学原理，结合乘员的安全性与舒适性，确定了汽车座椅的结构尺寸;学习三维制图软件，并绘制所设计座椅的三维实体造型。 本课题的内容可以归纳为以下几个方面: 第一，在阅读大量文献的基础上，要求对汽车座椅材料有全面的了解; 第二，对座椅各方面的性能进行研究与分析; 第三，参考我国对座椅系统强度的法规要求，对座椅骨架的静态强度进行分析; 第四，对长安微车的座椅骨架总成进行设计; 第五，绘制汽车座椅的三维实体模型。 第六，相关总成试验。 本课题研究的意义: 从社会的角度:汽车走进千家万户，人们对汽车的情感也有所转变，从以前的遥远、到现在的拥有，将来必将转变为挑剔。因此汽车的发展也要跟上时代的步伐。座椅是汽车与人接触的界面，人们在选择汽车时，往往首先接触到的就是它的座椅。 从人的角度:现代人越来越多地会与汽车接触，座椅的安全与舒适直接影响到人们的健康与安全。尤其是对人们脊椎的伤害。 从经济和技术的角度:汽车制造业正在迅速地向数字化设计、制造和测试这种新方式转化。在汽车产品开发CAC/CAM/CAE/PDM环境下，传统的实物模型被数字模型所取代。这使得汽车产品可以直接从设计阶段进入生产阶段，实现了汽车开发过程中多学科、多领域的集成化、并行化和协同化，缩短了产品设计开发周期，获得了更短的产品上市时间。从这个角度来看，我们在技术上也必然要脱离以前的那种反复的设计实验周期，使得汽车座椅的设计走向数字化和虚拟化的道路。 本文的研究设计工作对于提高汽车座椅的安全性和舒适性有重要的意义。 5 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 第2章 汽车座椅的相关介绍 2.1 汽车座椅的作用、性能及设计要求 2.1.1 汽车座椅的作用 座椅是汽车中将乘员与车身联系在一起的重要部件，其主要的作用是: 1.为人体提供良好的支撑。座椅通过对人体提供合理的体压分布，在重要的人体结构点上支撑人体，可以有效的保证人体在车辆行驶过程中的平稳。 2.为驾驶员提供良好的定位。通过座椅对驾驶员的定位，可以使驾驶员获得良好的视野，并实现了驾驶员对汽车方便的操纵。 3.为乘员提供舒适的驾乘环境。座椅中各种人性化的附属设备以及豪华配置，减少了路面对乘员的影响，缓和和衰减由车身传来的冲击和振动，能为乘员提供优越的驾乘环境。 4.在汽车受到撞击时最大限度的保护乘员的安全。合理的配置头枕和靠背的软垫，能有效的防止乘员的头颈部在汽车发生碰撞时受到伤害。 简而言之，汽车座椅的功能为:在规定的条件下，能够为乘员提供舒适的环境并保证乘员的安全。可见，座椅的安全性及舒适性是其最重要的功能，也是汽车座椅在设计、研发过程中必须着重解决的问题。 2.1.2 汽车座椅的性能 1.汽车座椅的舒适性 汽车乘坐的舒适性是汽车研发的重要课题之一，座椅的舒适性是汽车乘坐舒适性的重要组成部分，包括静态舒适性，动态舒适性以及操作舒适性三方面内容: 座椅的静态舒适性是指座椅在静止状下提供给人体的舒适特性，主要与座椅尺寸参数、表面质量、调节特性等关;动态舒适性是指汽车在运动状态下通过座椅骨架以及软垫将振动传递给人体的舒适特性;操作舒适性是乘员在车内正常活动(如操纵向盘)的舒适程度，主要与座椅和车内其他部件的布置有关。 (1)汽车座椅的静态舒适性 人机工程学是根据人体解剖学、生理学、心理学等特征，了解并掌握其活动能力及其极限，使生产器具、生活用具、工作环境等和人体功能相适应的科学。座椅静态舒适性是人机工程学在座椅设计中的具体应用，它通过人体舒适坐姿、合理的体压分布、人体测量的基本数据和视觉美学等方面使设计的座椅满足人的生理和心理要求，为乘员提供舒适、安全的驾驶和乘车环境。 (2)汽车座椅的动态舒适性 一般认为，人体对振动的反应可分为两个过程:一个是振动传递到人后引起的人体各部位的振动响应;另一个是由于人体的振动响应而引起的生理反应。汽车座椅的动态舒适性与座椅以及人体的振动特性密切相关。 (3)汽车座椅的操作舒适性 从座椅的操作舒适性角度考虑，座椅设计应该更趋于人性化，尽量为驾驶员和乘员 6 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 在整个过程中提供最舒适的工作和乘坐环境。一方面，就座椅的各种调节装置而言，应该是使操作更容易实现，并且更容易达到;另一方面，在保证静态舒适性的前提下，为驾驶员提供更为广阔的操作空间也将成为座椅操作舒适性研究的主要方向。 2.汽车座椅的安全性 汽车座椅的安全性是指座椅能有效的预防事故的发生，并在事故发生时有效的减轻乘员所受伤害的能力。根据座椅在碰撞事故发生时和发生后对减轻乘员伤害程度的不同作用，可以将座椅的安全性分为主动安全性和被动安全性两个方面。 (1)汽车座椅的主动安全性 座椅的主动安全性是指座椅能够有效地防止事故发生的能力。座椅系统的设计与驾驶员视野、驾驶员定位以及其它汽车控制系统功能的发挥息息相关，这些系统之间配合的好坏也不同程度的影响座椅的主动安全性。应当指出的是，座椅的舒适性与主动安全性有关，舒适的座椅可以为驾驶员提供一个良好的工作环境，使其心情愉快、精力集中，从而有效地防交通事故的发生，提高汽车的主动安全性。 (2)汽车座椅的被动安全性 座椅的被动安全性是指汽车发生了不可避免的交通事故后，能够对车内员进行保护，避免其发生伤害或使伤害降到至最低程度的性能。一个好的汽车座椅要能够减轻驾驶员及乘员的疲劳来满足主动安全性要求，更要有足够高的结构强度和刚度，以便与安全带和安全气囊一起对乘员定位的同时缓和碰撞的强度，使乘员的损伤达到最小。在加强座椅结构本身吸能性的同时，人们开始研究把安全气囊安装在座椅靠背侧面(如图2,1所示)，为乘员提供安全保护。这种带有安全气囊的座椅已经开始应用在各种高档轿车中。 图2-1 带侧碰气囊的座椅 2.1.3 汽车座椅的设计要求 根据汽车座椅的功用及性能，有如下的设计要求: 1、座椅的尺寸和形状应使人体具有合适的坐姿并符合国家标准，并能调整其尺寸与位置来保证驾乘的舒适性。 7 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 2、座椅应有良好的动态舒适性，以缓和与衰减车身传给人体的冲击和振动，使驾驶员在各种道路条件下长期工作不感到疲劳或减轻疲劳，使乘员在行驶中感到舒适。 3、座椅应有足够的强度和刚度，寿命长。并能在发生事故时尽量减少乘员的受伤程度，即具有足够的座椅安全性。 4、制造工艺简单，质量小，成本低。 5、能保证视野良好，驾驶员工作时操作方便，座椅调节轻便。 6、外形及色彩美观大方，与车身内饰及整车外观协调。 7、座椅布置及性能应符合车辆用途及总体设计要求。 2.2 汽车座椅的结构和分类 2.2.1 汽车座椅的结构 汽车座椅伴随着汽车的诞生而出现，一百多年来，随着汽车的发展和人们要求的不断提高，汽车座椅已不是单纯满足乘坐和美观需要的车身部件，而是关系到汽车的乘坐舒适性和安全性，集人机工程学、机械振动、控制工程等为一体的系统工程产品。 汽车座椅一般由头枕、靠背、调节装置、座垫和座椅连接件等组成，汽车座椅骨架是汽车座椅的基础结构，可分为靠背骨架和座垫骨架两部分。如下图2,2所示: 图2,2汽车座椅结构示意图 座椅骨架常用轧制型材(钢管、型钢)制成或用钢板冲压焊接而成，并用螺钉直接固定或通过座椅调节机构固定在车身上。座椅行程调节装置、靠背角度调节装置、限位装置等是与座椅相关的一些机械装置。其中座椅行程调节装置是安装在座垫骨架和地板之间，调节座椅与地板的前后和上下位置的机械装置。靠背角度调节装置安装在座垫骨架和靠背骨架之间，是用来调节座椅靠背角度的机械装置。 8 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 2.2.2 汽车座椅的分类 座椅的分类方法很多，按功用可分为:驾驶员座椅、乘员座椅、儿童安全座椅;按形状可分为:分离式、戽斗式、半分离式、长凳式;按性能可分为:固定式、可拆式、调节式;按乘坐人数可分为:单人、双人、多人等。近年来，随着汽车工业的发展，陆续开发出许多具有特殊功能的座椅，如冷热可调式座椅、防下滑式座椅、带按摩功能的座椅、带电子记忆调节装置座椅、空气悬挂式座椅等，使乘坐的舒适性、安全性及方便性得到了提高。 2.3 汽车座椅的研究现状及发展趋势 国外的座椅研究是伴随着汽车的诞生而开始的，经历了百余年的历史，发展非常成熟，与座椅相关的安全标准和法规已经十分完善。早在20世纪60年代，国外许多国家就已经制定出国家或行业内关于保证汽车座椅安全性能的各种法规和标准，如美国强制执行的联邦机动车安全法规(FMVSS)和工商设备制造协会(BIFMA)的非强制性法规等，并且研制出多种专用试验设备。我国的座椅安全性法规标准就是参考国外的法规制定而成的。比较国外汽车座椅的研究状况，由于我国的汽车工业起步较晚，座椅的设计研究也比较落后。从严格意义上讲，我国的座椅研究是从20世纪80年代开始的。经历了20多年的发展，目前国内已经有了很多座椅生产厂家。借助合资的优势，他们掌握了部分设计和生产技术，但核心技术还是只有国外少数几家生产商掌握，国内的自主设计和研发仍停留在起步阶段。 落后的设计方法是阻碍我国座椅发展的重要因素。目前国内许多的座椅生产厂商还在继续沿用传统的串连生产方式，致使设计成本高，开发周期长。而一旦出现产品质量不合格的情况，往往采取盲目加大管径、壁厚或板厚的办法。这种做法虽然能使座椅薄弱部分的性能有所改变，但会使座椅强度和刚度余量偏大，造成不必要的材料浪费，无形中提高了产品的成本。设计方法的落后还体现在座椅设计的辅助研究手段上。目前仍有很多座椅设计和生产厂家不具备高水准的计算机辅助设计和辅助分析能力，只能沿用传统的设计方法和流程，而且对座椅安全性的认识还只是停留在国家法规要求上，阻碍了座椅设计的发展。我国的座椅安全性标准虽然是参考国外座椅标准制定的，但内容相对简单，要求也偏低。以座椅总成静强度为例，我国标准中要求座椅总成能承受20倍总成重力的载荷，而德国的企业标准中有的则要求其能够承受24倍甚至更高的总成重力的载荷。针对承受冲击时的座椅安全性，国外已经开展了相关的研究，而我国的一些企业由于对座椅研发重视不够，尚未开展专门的研究，这不仅给座椅的安全带来隐患，而且制约了座椅的发展。随着现代汽车设计对安全、环保和节能的要求，在保证汽车座椅安全性的基础上，国外座椅结构设计也开始向轻量化、低成本的方向发展，越来越多的新制造技术和轻质材料开始广泛的应用于现代汽车座椅设计。因此，我国的座椅安全性研究急需大量技术和资金的投入，才能缩小与先进水平的差距，开发出适合我国生产现状的安全、轻量、低成本的座椅。 9 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 图2-3整体约束式汽车座椅 目前汽车座椅在国际上的发展趋势 1、电动座椅—电动座椅实际上是将座椅的各种调节机构由手动操纵改变为电动操纵的座椅。电动座椅中布置有多台电机、电机带动传动机构，使座椅相应的部位产生位移，实现座椅位置的前后、上下、倾斜调整。电动座椅用按钮代替手柄，因而极大的提高了轻便性和方便性，应用日益广泛。 2、悬挂座椅—悬挂座椅是在座椅与地板之间增设一悬挂装置，悬挂装置用以缓解座椅的振动。悬挂装置由缓冲元件、减振元件及定位元件组成。缓冲元件有钢板弹簧及螺旋弹簧等。 3、记忆座椅—电动座椅与微机相结合，实现了座椅的记忆功能。由微机实现对座椅的控制反馈功能。当乘员乘坐时将调整好的座椅位置存储入微机，当再次乘坐时，可以自动调节到所需要的状态而不必进行重新调整。 4、轻量型座椅—轻量型座椅去除了座椅的一些传统零件，利用积压成型的铝件和高强度的刚件保证了座椅的轻量化和结构的坚固性。座椅表面采用开式网状材料，替代了传统的聚氨脂泡沫塑料、装饰物和悬架零件。轻量型座椅的重量可以控制在10kg以内。使用轻量型座椅，不但可以节省车内空间来安装其他功能件，而且其安全性也优于传统座椅，并提高了汽车的燃油经济性。 5、安全座椅—安全座椅可以称之为动态座椅。普通座椅一般只考虑了舒适性，对于撞车时的动态状况不能做出任何反应。而安全座椅则可以在撞车时设法使乘员随座椅主动运动。如瑞典沃尔沃公司研究开发的可以保护乘员头颈的座椅。汽车追尾时，该种座椅靠背和靠枕向后平行运动，使乘员头部和上身处于平衡状态，并减少身体向后倾斜出现的向前回弹。在整个过程中，座椅传递的力都相当柔和。 随着汽车工业的高速发展，人们对汽车座椅的要求也会越来越高。为了进一步提高座椅的舒适性及安全性，全球各大汽车公司以及汽车零部件商也在持续不断地加大对座椅的研发力度，在座椅的新结构、新工艺、新材料的研发及应用上狠下工夫，研制出了各类悬架座椅、电动座椅、电脑记忆座椅等新型座椅，按摩装置、辅助冷热智能空调座椅等各类辅助装置也不断诞生。此外，采用环保织物作为座椅面料，也将成为一种新趋势。 10 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 第3章 汽车座椅的理论研究与设计 3.1 汽车座椅设计的基本原则及依据 汽车座椅设计是一项复杂的系统工程，它涉及机械、化工、纺织、喷涂、热处理、美学、力学、人机工程学等多门学科，设计时应依据人机工程学原理综合考虑座椅的舒适性、减振性、安全性以及座椅的合理布置，此外，还要考虑人体生理特征及尺寸，进行量身定做，以提高座椅的乘坐舒适性。 3.1.1 汽车座椅设计的基本原则 (1)安全性 座椅设计时首先要绝对保证驾乘者的安全，这就要求座椅要有足够的强度，在发生碰撞时，座椅就能够减轻事故对乘坐者造成的伤害，并能起到一定的保护作用。 (2)操纵方便 设计的座椅还需操纵方便，调整手柄和按钮的布置必须在驾乘者伸手能及的位置，并符合常人的习惯且操纵力量适中。 (3)乘坐舒适 设计的座椅必须能使乘客保持良好的坐姿，使其脊柱自然弯曲，保证合理的体压分布并使其肌肉松弛，血液循环正常;并具有腰椎依托感、腰背部贴和感和侧向稳定感。能有效隔离或衰减路面产生的振动，满足大多数驾乘者坐姿舒适性的要求。 座椅的尺寸须参照人体测量学数据，与就座者的人体测量尺寸相适宜;座椅的靠背结构和尺寸应给予腰部以充分的支撑，使脊柱接近于自然弯曲状态;椅面需有足够的垫料和适当的硬度，保证身体的主要重量由臀部坐骨承担，并使其有助于体重压力均匀地分布于坐骨附近区域;座椅前缘处，大腿与椅子之间压力应尽量减少;座椅应能使就坐者方便地变换坐姿，灵活平稳地进行体态自动调节，但必须防止滑脱，座椅的形状和尺度与其功用有关。 汽车座椅部件主要包括座垫、靠背、头枕、骨架、蒙皮、减振机构、调整机构等。设计原则的依据是:座垫、靠背的造形和曲线应与人体放松状态下的背部曲线和臀部曲线相吻合，能支撑到腰椎部位，不会因血液循环不良而引起肢体麻木，长时间乘坐不易感到疲劳;骨架及各机构应能满足强度(安全)要求和使用要求，通过对座椅靠背的前后、上下倾斜角度、头枕前后上下等位置的有限调节，使大部分人处于舒适状态。 3.1.2 汽车座椅设计的基本依据 (1)靠背 靠背的设计主要指强度设计和造型设计，设计时应使靠背的高度、形状符合人体曲线，使背部肌肉处于放松状态，并能给背部、肩部有效可靠的支撑，使驾乘人员保持稳定的坐姿，还要有足够的侧背支撑，从而避免高速转弯时的横向滑动。设计时，靠背的高度和宽度一般分别为600 mm和480 mm。不同的靠背倾角会导致不同的椎间盘压力及背部肌肉负荷。当靠背倾角超过110?时，椎间盘压力显著减小，所以设计时应考虑合 11 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 理的靠背倾角。为了提高舒适性，满足驾乘人员在休息时的需求，靠背倾角应为可调式，并且调整范围尽可能大。一般载重汽车为100?,115?，大客车为95?,135?，轿车为80?,170?。此外，腰部支撑和扶手也可以减少椎间盘的压力。设计时，腰部支撑要有一定的厚度、硬度和透气性，确保乘坐人员的体重能够均匀地分布于座盆区域。腰部支撑的位置应处于第3至第5腰椎部位，且支撑厚度以5 cm左右为宜。腰部支撑分机械支撑和空气支撑。机械支撑是通过机械装置支撑人体，支撑部位为刚性，舒适性差。空气支撑是用空气气囊来支撑人体，通过气囊控制阀控制气囊的充放气，使腰部得到良好的保护和有效支撑。腰支撑气囊一般采用0.4,0.8mm厚的聚氨酯板经高频焊接而成具有工艺简单、成本低、耐磨性好、耐老化、使用寿命长等特点，目前已得到广泛推广。腰支撑气囊控制阀除可以控制气囊的进排气外，还能起溢流保护的作用，即当气囊内压力超过气囊的额定压力时，气囊控制阀溢流卸压，保证气囊的安全使用。目前我国新开发出一种新型空气腰支撑装置，该装置可以按一定的顺序和频率有规律地对颈部、肩部、腰部等气囊进行充气、放气，利用气囊有规律的瘪或胀，实现对腰肩、颈等部位的挤压，达到局部按摩的目的，大大提高了舒适性座椅扶手的安装位置应符合人体坐姿时肘部的高度尺寸，一般安装在距座垫水平面高250 mm处。座椅扶手有固定式、角度可调式和可翻转式，可翻转式又有横向翻转式和纵向翻转式。 (2)座垫 座垫设计主要是座垫深度和坐垫倾角的确定。座垫深度的设计原则是在充分利用靠背的情况下，使臀部得到合理支撑。人体在坐姿状态下，坐骨与小腿足部构成稳定的人体支撑。座垫深度过大时，造成人体躯干相对前移，腰部得不到良好的支撑，引起疲劳;座垫深度过小时，会因大腿得不到良好的支撑而感到不舒适:因此，座垫的深度应按臀部至大腿表面全长的3/4设计，一般取400,480mm。座垫的倾角应兼顾安全性和舒适性，一般为2?,10?。 (3)头枕 头枕是为提高汽车乘坐舒适性和安全性而设置的一种辅助装置。头枕的主要作用是保障安全，一旦汽车发生追尾碰撞，颈椎会承受到很大的加速度而容易伤害。有了头枕的承托，可以减少头部自由移动的空间，降低对颈椎的冲击力，起到避免或减轻乘员颈部受伤的作用。按照国家标准，汽车座椅头枕属汽车整车强制认证检测项目之一，汽车前排座椅应装有头枕。头枕要起到保护颈椎的作用，正确的安装位置十分重要。头枕应该安装在至少与耳朵上缘平齐的地方，后脑与头枕之间的距离最好不要超过10 cm。目前VOLVO公司首先在S80型车上推出了一种称为WHIPS颈椎保护系统(图3-1)，由一个安全头枕和一个设计合理可有效而均匀地承受乘员身体运动的椅背支撑结构，以及位于椅背和坐垫连接处的内置式能量吸收机构组成，具有均匀的支撑功能。一旦发生追尾撞车事故，椅背与乘员一起向后移动，在稍微向后倾斜之前首先做平行运动。由于在椅背和坐垫之间的连接件上安装了可变形部件，从头枕、椅背到座垫连接成一体，给乘员的躯体有效支撑，从而进一步减轻碰撞力对乘员背部的冲击。 (4)座椅蒙皮 座椅蒙皮是包裹在座椅总成表面的一层材料，它直接与乘员接触，一方面对座椅泡沫有保护作用，同时又可直接体现设计者的设计意图。座椅蒙皮必须阻燃，其燃烧特性必须符合GB 8410-1994《汽车内饰材料的燃烧特性》要求。 12 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 图3-1 WHIPS颈椎保护系统 (5) 泡沫软垫 目前座垫、靠背缓冲用软垫基本上是由软质聚氨酯泡沫塑料发泡而成，在汽车上应用较多的是高回弹软质聚氨酯泡沫塑料。考虑到座椅的舒适性和人体坐姿时的体压分布，需将泡沫软垫的密度设计为不同，即“软硬兼施”。主要生产方法有2种，一是拼接法，将座垫前端与大腿接触的部分用低硬度泡沫塑料，与坐骨处接触的部分用中硬度泡沫塑料，下部及两侧用高硬度泡沫塑料。这种方法工艺繁杂且效率低，一般极少采用。二是嵌件法(图3-2)，在浇注软垫时，在模具中相应部位放入高密度泡沫塑料嵌件，然后在周围浇注低密度泡沫塑料。这种方法可以解决体压分布和横向支撑问题，并且工艺适合批量生产。 图3-2 嵌件法座垫横截面 (6)座椅骨架 座椅骨架必须能够承受一定的载荷，通常所指的座椅强度其实就是座椅骨架的强度，它属于汽车整车强制认证检测项目之一，应符合GB15083-1994《汽车座椅系统强度要求及实验方法》的规定。靠背及座垫骨架的形状，应以能满足人体生理特征、给驾驶人员提供安全和有效支撑为目的进行设计(图2-3) 。例如:为了避免因靠背型芯偏软而造成的侧背支撑在急转弯时减小或失效，在靠背骨架两侧加焊凸起的侧支撑板或支撑筋，将泡沫型芯加以支撑衬垫，保证支撑的有效性。为了保证驾驶员腰部、肩部有良好的支撑而在靠背骨架上设计出符合背部曲线的弧度。对于高靠背，为使腰部、背部及肩部同时紧贴靠背，更好地起到支撑和安全保护作用，设计师把靠背设计成上下2部分，并且角度可分别调整等。 座椅骨架一般由钢质材料焊接而成，但在轻量化成为现代化汽车设计的新趋势下，汽车座椅薄型化显得非常重要。其中骨架是座椅薄型化的关键，骨架的材料也有所不同，热塑性塑料成型的座椅骨架和镁制座椅骨架正在推广应用。 (7) 减振机构 座椅减振机构主要包括弹性元件和减振元件。弹性元件在机械悬架座椅中一般指弹簧，在空气悬架座椅中指空气气囊，它能产生使座椅恢复到初始位置的回复力。减振元件一般是指减振器，它设计有固有的阻尼值，阻尼值越大，阻尼力越大。对于座椅的振 13 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 动来说，外力使座椅减振系统发生振动，弹性元件使座椅恢复到初始位置，阻尼力使振动衰减或消亡。在座椅设计时，必须对座椅的刚度阻尼进行优化设计。在设计座椅刚度和阻尼时，要根据整车的振动特性充分考虑人体生理特点综合选择最佳值，使车身振动得到衰减。为了使设计的座椅阻尼和刚度能更合理地搭配，工程师们一般将座椅刚度和阻尼均设计为可调节式。例如:机械悬架座椅通过调整弹簧的预紧力来调整座椅的刚度，而空气悬架座椅则设计有高度控制阀，可以根据不同人的体重，自动调节空气气囊内的压力，达到调整座椅刚度的目的。格拉默公司生产的新型Kingman空气悬架座椅除刚度可调外，阻尼也为无级可调，以适应不同的路况。 (8)调节机构 调节机构主要包括座椅高度调整机构、前后位移调整机构(即座椅滑道)、靠背仰角调整机构(即调角器)及座垫前倾角调整机构等。高度调整机构是调整座椅在车厢内垂直位置上下移动的机构，有机械调整机构、可控空气弹簧调整机构、气动调整机构和电动调整机构等。高度调整的范围应根据人机工程学原理，以能满足大部分人群的使用要求为目标进行确定，一般调整范围为0,100 mm。滑道是调整座椅在车厢纵向水平位置前后位移的机构，有单锁止滑道和双锁止滑道之分，滑道的选用一般根据锁止强度确定。例如:当安全带当安全带固定点不在座椅上时，一般选用单锁止滑道;当安全带固定点在座椅上时，选用双锁止滑道或加强双锁止滑道。滑道位移的尺寸即座椅前后调整的距离需根据相应人体尺寸和人机工程学原理确定，一般前后调整距离为0,?100 mm。调角器是对靠背、座垫夹角进行调整和锁止的机构。锁止强度必须能满足GB 15083-1994《汽车座椅系统强度要求及实验方法》的规定。调角器分为机械调角器和电动调角器，机械调角器又包括机械板式调角器、机械杆式调角器、双联动调角器等。机械板式调角器一般是采用棘轮棘爪或齿条齿板工作原理及板簧式复位结构，最大能够实现180?范围有级调节及折叠，适用于各类汽车驾驶员座椅。机械杆式调角器由可控气弹簧和连接件组成，适用于大客车乘客座椅。双联动调角器是指左右两套调整锁止机构在一套调整机构控制下同时动作，同时锁止，具有锁止强度高等优点，适用于各类载重汽车驾驶员座椅。电动调角器一般采用齿差行星齿轮传动原理或齿差双联摆线针轮行星齿轮传动原理，具有传动平稳、强度高、调解范围大等优点，适用于高档汽车驾驶员座椅。座垫前倾角调整机构一般是机械调整机构，多采用安全可靠、结构简单的多杆机构。 3. 2 汽车座椅与人体生理学和解剖学相关研究 3.2.1 坐姿与座椅 坐姿是人体较自然的姿势，也是进行各种操作经常采用的姿势。座椅与人们的生活息息相关，无论是工作、学习、出门旅行、在家休息都离不开座椅。人的坐姿是个相当复杂的问题，虽然座椅伴随人类的生活己经有几千年的历史了，但是关于座椅的设计问题至今仍然是值得研究的课题。 在生物学中，当我们坐着时，人的身体由脊椎、胯骨、腿和脚支撑。主要用来支撑人体重量的关节为胯骨和腰椎，腰椎的第三、第四腰椎为整个脊椎骨中受力最大的部位。所以腰椎也就比上方的椎骨大而且硬得多。坐姿时，尾椎将受到压力而往前弯，有缓冲震荡的作用。坐骨构成了胯骨最下方的部位，其后下方的坐骨结节为L字母形状，当我们坐着的时候，此处往下顶住来支撑身体的重量。长期的姿势不良、受伤或者疾病，伤害就会发生在脊椎弯曲的地方，如胸弯过分弯曲就会造成圆肩或驼背;腰部脊椎过分弯 14 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 曲，会造成脊椎的侧弯或是脊椎的前凸症、后凸症。 当我们坐在椅子上时，若坐姿不良，骨盆很容易下陷，仔细摸骨盆两侧，发现整个骨盆往后倾，整个人会感到胸廓与腰杆交界处造成腰酸背疼、驼背。长期使用电脑的上班族而言，坐姿不良通常是造成腰酸背疼得最主要的凶手。我们的脊椎在坐姿情况下就像是一根杠杆，如果头部向前倾，为了支撑前倾的头部，骨头的韧带就会产生一个拉力，当力量超过韧带所能负荷的范围，这个力量就会转移到背后的肌肉上，于是肌肉便持续暴露在张力之下。久而久之，就会出现颈部、背部、腰部肌肉酸痛的症状。 .2.2舒适坐姿的生理特征 3 坐姿状态下，支撑身体的是脊柱、骨盆、腿和脚。脊柱是人体的主要支柱，由24节椎骨以及5块骸骨和4块尾骨连结组成，如图3-3所示，其中椎骨自上而下又分为颈椎(共7节)、胸椎(共12节)、腰椎(共5节)三部分，每两节椎骨之间由软骨组织和韧带相联系，使人体得以进行屈伸、侧曲和扭转动作等有限度的活动。颈椎支撑头部，肋椎与肋骨构成胸腔，腰椎、骸骨和椎间盘承担人体坐姿的主要负荷。 图3-3 人体脊椎构造 图3-4 人体在各种不同状态下腰椎弯曲形状 由于各节椎骨所承受的重量自上到下逐节增加，因而椎骨由上往下逐渐变粗变大。腰椎部分承担体重最大，所以腰椎也最粗大。这就是脊柱的基本生理形态。由于腰椎几乎承受着人的上体的全部重量，并且要实现弯腰、侧曲、扭转等人体运动，所以最容易损伤或腰曲变形。 从侧面观察脊柱，可看到脊柱呈现颈、胸、腰、骸四个弯曲部位，其中颈曲和腰曲凸向前，胸曲和骸曲凸向后。成年人脊柱的自然弯曲弧形应如图3-4所示，在此情况下，椎骨的支承表面相互位置正常，椎间盘没有错位的趋势。一旦人体改变这种自然弯曲状态，就会引起惟间盘压力改变，致使腰部疼痛。 图3-2所示为人体在各种不同姿势下的腰椎弯曲形状。曲线B表示人体松弛侧卧时，脊柱呈自然弯曲状态;曲线C是最接近人体脊柱自然弯曲状态的坐姿;曲线万是当人体的躯干与大腿的夹角呈900时情形，此时脊柱严重变形，椎间盘上的压力不能正常分布。因此，欲使坐姿能形成接近正常的脊柱自然弯曲形态，躯干与大腿之间必须有大约135”的夹角，并且座椅的设计应使坐者的腰部有适当的支撑，以便腰曲弧形自然弯曲，腰背肌肉处于放松状态。 人坐着时，大腿和上身的重量必须由座椅来支承。人体结构在骨盆下面有两块圆骨，称为坐骨结节，如图2-5所示。这两块小面积能够支持大部分上身的重量。覆盖在它们外面的皮肤能获得丰富的动脉血液供应，就象脚底一样;而在臀部的边缘部分，血液循环则大不一样，在这部分静脉较多(包含较少的氧);当人坐着的时候，覆盖着坐骨结节的皮 15 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 肤能够更好地经受住持久的压力。因此，座面上的臀部压力分布是在坐骨结节处最大，由此向外压力逐渐减小，直至与座而前缘接触的大腿下部，压力为最小。座垫的柔软程度要适当，坐骨部分的座垫应当是支承性的，它要承受加在座位上的大约60%的重量，而其余部分则应当比它更柔软些，以便能够把重量分布在更大约面积上。座椅靠背上的压力分布，应当是肩脚骨和腰椎骨两个部位最高，此即靠背设计中所谓的“两点支承”准则。靠背的两点支承中，上支承点为肩脚骨提供凭靠，称为肩靠，其位置相当于第5~6节胸椎之间的高度;下支承点为腰曲部分提供凭靠，称为腰靠，其位置相当于第4~5节腰椎之间的高度。不同用途的座椅，两点支承的作用是不一样的。休息用的座椅，体、腿夹角较大(舒适角度约为115度)，坐着时身体向后倾斜，只要肩部分支承稳靠，没有腰靠也能得到舒适的坐姿，因此是以肩靠起主要作用;而一般操作用座椅，由于操作的要求，身体需要略向前倾，肩胖骨部分几乎接触不到靠背，因此只有腰靠起支撑作用，一般无需设置肩靠。腰靠支承是使背疼和疲劳减到最轻的主要措施，否则，将只靠肌肉来维持腰曲弧形，势必引起腰部肌肉疲劳和损伤。考虑到人的身材高矮不同，腰部的位置差别较大，对某些重要的操作座椅，应当具有能调节腰靠位置的装置，有条件的话，最好还要有能调节腰靠凸起形状的装置。 腿的主动脉紧靠着大腿下表面和膝盖的后面，在这个部位上，任何持续的压力都会给人造成极端的不好适和肿胀感觉需要借助于适当减短座深、把座垫前缘修圆和采用较软的泡沫塑料座垫等措施来防止发生这种情况。同时，还要使座面离地板的高度足够低，以便使脚能踩着地板，让人的这个重要部位感觉不到有任何压力。坐骨下面的座面应当近似是水平的。图3-5表示带有股骨的骨盆部位的前视图，股骨在股节中从连接骨盆的球孔向外伸去。用平的座位，股骨的这一部分在坐骨平面之上，因此不承受过分的压迫。但是，如果座面是斗形的，则弯曲的座面会使股骨趋于向上转动(箭头所示)而受载，造成盟邦肌肉承受反常的压迫，从而引起不舒适感。故需注意避免采用斗形座面。应当注意，斗形的座面不论从什么观点看，都是不适用的，因为它不能适应人体大小的整个系列，它还把身体重量平均地分配在整个臀部，而不是让较多的重量集中在坐骨下面。当人长时间坐在一个位置不动而出现肌肉紧张时，稍稍转换身体位置可以促进生物电的活动。 图3-5股骨正常位置 座椅的设计必须能让人经常地改变自己的姿势和位置，以便减轻压力和活动伸展 16 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 各部分肌肉。 .2.3体压分布与坐姿疲劳 3 人在坐姿状态下，体重作用在座面和靠背上的压力分布称为坐态体压分布，它与坐姿及座椅的结构密切相关，对于体压的研究是目前人们对座椅进行研究的主要方法和参数。体压分布的测量一般采用等高线的形式反映压力分布状况。 (a)靠背 (b)座垫 图3-6人体在靠背和座垫上最适宜的体压分布 就座者的骨盆可以比喻为倒立的锥体，与椅面接触的主要是臀部两块薄肌肉层下的 2坐骨。人体大约75%的重量需由骨盆下两块面积为25cm左右的坐骨支点 (薄肌肉层支承)承受。由坐骨向外，压力逐渐减少。为了减少臀部下部的压力，座面一般应设计成软垫，其柔软程度以使坐骨出支承人体的60%左右的重量为宜，采用软性坐垫，增大臀部与座面的接触面积，就改善了这种压力集中的现象，使整个臀部均承担体重的压力，减缓坐骨下支点处的疲劳，从而可以延长就座时间。但是，不论什么座面，保持一种固定的坐姿时间过长，臀部细血管内参加循环的血液量就会减少，控制身体下部生理机能的功能将会下降，这种持续的复合作用在肌肉上会引起挤压疲劳。只有不断地活动身体才能使身体的各个部分延迟疲劳的到来，对于腰肌也是这样，尽管不同的坐姿对腰椎弯曲形状的影响不同，有的小些有的大些，但是不论哪种姿势，长时间采取一种坐姿总会产生静力疲劳。因此，任何一种座椅在设计时都应考虑变换坐姿的可能性。 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。 人就坐时，身体重量的大部分(约80% )经过臀部、 背部隆起部分及其附着的肌肉压在坐椅面上。图3-7 为座椅各部位的受力分布。 图3-7座椅各部位的受力分布 17 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 3.3 汽车座椅系统强度特性研究 汽车座椅的强度特性是影响座椅安全性的主要因素。汽车座椅强度直接关系到座椅的安全性，是座椅安全性设计的首要内容。汽车行驶中，座椅要承受复杂的载荷，汽车座椅必须有足够的强度，以确保座椅上的人所受的伤害最小;座椅的寿命应该足够长，不至于过早变形或损坏;受冲击载荷作用时，座椅不应发生断裂、严重变形等损坏现象。从座椅所受载荷的形式上分，汽车座椅的强度可分为座椅的静强度，冲击强度和疲劳强度。座椅静强度特性直接影响座椅的安全性和乘坐舒适性，是座椅设计中的重要问题。在静态载荷作用下，座椅软垫对强度特性的影响很小，因此座椅的静强度特性主要是针对座椅骨架而言的。 3.3.1座椅的静强度 汽车座椅承受的载荷在实际工况中非常复杂，很难在试验室中再现，于是人们以静态加载的方式将各种工况折算为一种极限载荷来研究座椅的承载能力。各国的座椅强度标准中都规定了座椅必须达到的静强度要求来作为衡量承载能力的统一标准。由于在静态载荷作用下软垫的影响很小，所以座椅静强度问题的研究主要集中于座椅骨架结构形式和材料两个方面。在传统的整体式座椅结构中，靠背骨架通过座垫骨架与滑道相连接，当靠背承受载荷时，力的传递路径过于复杂;八十年代末期出现的分离式座椅骨架结构将靠背骨架直接与滑道相连，不但可以简化载荷的传递路径，可以有效地提高座椅静强度，尤其适合于整体约束式座椅的设计。根据座椅骨架结构的应力分布情况，设计人员可以采用合理的截面形式，在保证强度的前提下降低座椅的重量。为了达到这一目的，现代汽车座椅中除了采用异型截面薄壁杆件外，越来越多的使用了复合材料。例如用镁合金作为座椅骨架的主要材料，在满足强度要求的条件下，总重量可以降低40%(约5.5kg)。 1、座椅系统静强度法规 汽车座椅的静强度是指座椅承受静态载荷的能力，它是对座椅结构提出的基本强度要求。作为联系人与车的一个重要部件，座椅承受着复杂的载荷。一方面，由于路面的凸凹不平，汽车行驶时车体产生的随机振动对汽车座椅产生随机动载荷;另一方面，汽车行驶中要经历起步、加速、制动等复杂工况，汽车座椅因此承受着很大的冲击载荷。由于在试验室中很难再现这些复杂工况，研究人员将各种工况的极限情况折算为等效的静态载荷，作为评定座椅承载性能的标准。 (1) 座椅总成静强度标准 欧洲从20世纪、60年代后期开始制定被动安全性法规(ECE ) o ECE法规是参照美国法规并根据欧洲人自身的特点加以修正，也是目前世界上比较完善的被动安全法规体系。在ECE法规中，除ECER17(汽车座椅、头枕和固定装置规定)外，还有一些关于客车座椅系统ECER80等与汽车座椅相关法规。 美国是最早研究汽车被动安全性的国家。迄今为止，在联邦机动车安全法规(FMVSS)中，有关被动安全的法规有26项，其中与座椅相关的法规有两项，分别为FMVSS207座椅系统标准和FMVSS202头部约束标准。对于座椅总成静强度，FMVSS 207中规定在座椅总成质心处水平向前、向后对其施加20倍座椅总质量的载荷时，座椅应能承受以上载荷。对于座椅总成，GB15083一1994中规定:通过座椅质心(如图3-8),分别沿水平向前和向后各施加相当于座椅总成重量20倍的力，座椅总成与车身本体不得分离。 18 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 对于可调式座椅，调节装置在试验中能使座椅保持原调节位置，在试验后允许失去调节能力。 图3-8座椅总成静强度法规规定加载示意图 (2)座椅靠背静强度标准 对于座椅靠背，在FMVSS207中规定，当对座椅靠背施加372Nm的载荷，座椅应能承受以上载荷。ECER17中规定:对座椅靠背施加530Nm的载荷;座椅应能承受以上载荷;试验后及试验中，座椅骨架、座椅固定点及位移系统、调节系统或锁止系统不得失效。 在我国标准GB15083一1994中规定:当座椅总成承受一个相对于座椅R点为373Nm力矩的力时(如图3-9所示)，座椅骨架不应损坏并座椅总成与车身本体不应分离。对于可调式座椅，调节装置在试验中应能保持原调节位置，在试验后允许失去调节能力。 图3-9座椅靠背静强度法规规定加载示意图 (3)座椅头枕静强度标准 座椅头枕是汽车座椅重要的安全部件，因此各国对座椅总成强度制定相关法规的同时，对座椅头枕的后移量和静强度做了单独详细的规定。对于座椅头枕后移量，FMVSS202中规定:头枕在承受相对于座椅参考点R点，大小为372N.m的力矩时，头枕的最大后移量不应超过102mm。 ECER25中规定:对座椅头枕施加相对于座椅参考点R点，大小为373N.m的力矩的 19 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 同时，座椅的靠背也应同时承受相对于座椅参考点R点，大小为373N.m的力矩，此时座椅头枕的后移量不应超过102 mm o我国GB 11550-1995中规定:用假背对座椅加载，使得绕H点的后翻力矩为373N.m，在此基础上，头枕在承受相对于座椅参考点R点，大小为372N.m的力矩时，头枕的最大后移量不应超过102mm。 对头枕静强度，FMVS 5202中规定:座椅头枕应能承受890N的载荷，允许座椅或座椅靠背损坏。 我国GB 11550-1995中规定:座椅头枕应能承受890N的载荷，允许座椅或座椅靠背损坏。 .3.2座椅的冲击强度 3 座椅的冲击强度是随着安全性研究的开展而逐渐受到人们重视的，它的主要内容是通过实验和仿真分析相结合的方法，研究座椅在冲击载荷作用下的强度特性，使其在碰撞事故中为乘员提供良好的保护作用。汽车座椅安全性研究始于上世纪五十年代，美国南加州大学最早使用志愿者进行了低速追尾碰撞试验，发现当时的低靠背座椅在碰撞事故中不能提供良好的支持，容易导致乘员的颈部损伤。研究人员还发现，座椅靠背向后的屈服变形有助于保持头、颈和躯干的对齐，可以降低乘员受伤害的程度;在中等或者高强度的追尾碰撞事故中，柔性靠背不足以为乘员提供有效的保护，可能会导致靠背破坏，驾驶员与后排乘客之间发生碰撞，因此需要提高座椅靠背的强度。在过去的二十年里，汽车座椅的安全性研究主要集中在汽车尾部碰撞的乘员保护上，并逐渐形成了座椅设计中的柔性设计和刚性设计两种概念。按照上述两种方法设训一的各种座椅结构形式，在可控的试验条件下都得到了肯定性的结论。但是，这两种强度设计概念是针对不同强度的碰撞条件形成的，如何做到各种在条件下保护作用都能够兼顾仍然是座椅强度设计中的重要课题。 3.3.3座椅的疲劳强度 座椅的疲劳强度分为座垫的疲劳寿命和骨架的疲劳强度两个部分。对于软垫的疲劳寿命问题，一般采用大变形、非线性有限元方法进行研究，PatrickGlance于1986年提出了座椅软垫的简化模型，把座垫分成许多个高度与座垫等厚的柱体单元，柱体在承受压力是不产生横向变形，柱体之间靠剪应力相互作用。这个模型不但可以用于座垫的强度分析，还可以应用于体压力分布计算。此外，在工程实践中，人们也尝试着通过疲劳试验的方法研究座垫材料的性能，骨架的疲劳强度问题则涉及到可靠性设计、金属材料的累积损伤理论等方面的内容，一般采取以试验为主的方法进行研究。对于一个由许多零件构成的机械产品(如飞机、坦克、汽车等)，单凭理论分析所进行的设计难以防止它在服役中的失效。虽然失效的形式很多，但多数是疲劳失效。有的资料报导，在整个机械零、部件的失效总数中，疲劳失效占50%一90%。 20 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 第4章CATIA制图软件的介绍 CATIA是一款主流的CAD/CAM/CAE/PDM应用软件，CATIA具有一个独特的装配草图生成工具，支持欠约束的装配草图绘制以及装配图中各零件之间的连接定义，可以进行快速的概念设计。它支持参数化造型和布尔操作等造型手段，支持绘图与数控加工的双向数据关联。CATIA的外形设计和风格设计为零件设计提供了集成工具，而且该软件具有很强的曲面造型功能，集成开发环境也别具一格，同样，CATIA也可进行有限元分析，特别的是，一般的三维造型软件都是在三维空间内观察零件，但是CATIA能够进行四维空间的观察，也就是说该软件能够模拟观察者的视野进入到零件的内部去观察零件，并且它还能够模拟真人进行装配，比如使用者只要输入人的性别、身高等特征，就会出现一个虚拟装配的工人。 CATIA大量用于航空航天、汽车及摩托车行业、机械、电子、家电产业、NC加工等各方面。法国的幻影2000系列战斗机就是使用CATIA设计的一个典范，而波音777客机使用CATIA完成无图纸设计，更CAD领域内的一个奇迹。在国内，几乎半数以上的汽车厂商都在使用CATIA。 CATIA的内容涵盖了产品从概念设计、工业设计、三维建模、分动态模拟与仿真、工程图的生成到生产加工成产品的全过程，其中还有大量的电缆和管道布线、各种模具设计与分析、人机交互等实用模块。下面简单介绍本文中主要用到的几个模块 1，草图设计:CATIA制图模块是线框和标注产品的一个扩图模块，使用户可以方便地建立工程图样，添加文本、尺寸标注、客户以及建立用户所需的剖视图，局部视图等。自由外形设计:该模块提供给设计师一系功能来实施产品外形定义及复杂的曲线和曲面定义。装配设计:装配设计可以使设计师建立并管理机械零件的装配。装配件可以由多个主动或被动模型中的零件组成。零件触自动地对连接进行定义，方便了CATIA运动机构产品进行早期分析。 CATIA 的工业应用极为广泛，包括航空航天、汽车制造、工业机械，以及电子工业、船舶制造、厂房设计和消费品。如今，CATIA 被用于设计各种产品，从飞机直至珠宝首饰和服装。 CATIA 不仅强大而且功能性强，能够覆盖全部产品开发流程。CATIA 以一体化的方式支持产品的工程设计， 从初始规范直至产品的运行。它有利于缩短开发周期，提高企业对市场需求的反应速度。 在2006年，美国汽车巨头福特汽车公司在全球范围内将CATIA V5作为其新车型设计和工程的标准，更加强化了CATIA产品在这一市场上稳固的地位。 21 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 第5章 长安CM9中排座椅的实际设计 5.1 汽车座椅用户需求分析 任何一件现实产品的设计都不是设计师凭空臆造出来的，因为每一件设计都会涉及到需求、经济、文化、技术、材料等一系列的问题。不同的设计不仅所涉及的问题的领域不同，而且深入程度也各不相同。因此，怎样科学有效地去掌握信息、收集材料是设计者必须认真对待的问题。 本文中作者为了得到用户对产品的需求和要求，采用询问法，通过与被调查者的面谈、电话询问、书面询问以及网上询问等方式，向被调查者询问问题已获得所需的材料。调查对象主要集中在购买并使用微车一年以上的用户、长期进行驾驶工作的司机、预购车的消费者和汽车座椅的设计生产者。 问题多集中在对腰靠和头枕的不舒适和不符合人体外形尺寸方面。普遍反映头枕在驾车过程中无实际的作用，用户因为驾驶座椅设计不合理带来的腰酸背疼的情况很严重。 据报道，目前我国各种车辆累计已达上亿辆，患上驾驶员腰痛职业病的人数也在1亿以上。中国中医研究院一位骨科专家在电话中承认，目前大多数长时间开车的司机均有不同程度的腰背部疾病。本次调查主要针对长安CM9的中排座椅。 5.2 用户人体尺寸研究 各种设备和工具等设计对象在适合于人的使用方面，首先涉及的问题是适合人的形态和功能范围的限度。例如，一切操纵设备都应设在人的肢体活动所能及的范围之内，其高低位置必须与人体相应部位的高低位置相适应，而且岂不知应尽可能设在人操作方面、反应最灵活的范围之内。所以研究人体尺寸模型—用人体模型描述人体尺度是非常有必要的。人机工程学范围内的人体形态测量数据主要有两类，即人体构造尺寸和功能尺寸，也就是人体静态尺寸和人体动态尺寸。而针对于座椅设计的人体尺寸相关的主要有人体立姿尺寸和人体水平尺寸。 5.2.1 人体静态尺寸 人体静态尺寸，着眼于人体天然结构，比如身高、体重、腿臂长度等，是建立人体尺寸模型的基础。国家标准GB 10000-88《中国成年人人体尺寸》按照人机工程学的要求提供了我国成年人人体尺寸的基础数据。标准中共给出了7类47项人体尺寸基本数据。人体的主要尺寸包括身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长等6项。根据有关统计数据，我国人体基本尺寸见表5-1。一般人体尺寸都是在立正或正坐的姿势状态下测量的，因为在人体自然状态下测量很容易出现差别。在设计时，通常也要按立正或正坐时的人体尺寸来考虑。 表5.1我国人体基本尺寸 单位:mm 22 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 尺寸名尺寸数值 尺寸名称 尺寸数值 称 男 女 男 女 身长 1688 1586 肩窄宽 426 392 眼高 1585 1480 臀宽 334 395 肩高 1421 1320 下肢前伸长 1016 977 坐姿身高 897 849 大腿长 422 409 坐姿眼高 794 743 小腿长 401 369 肘到坐平245 239 足高 71 66 距 离 上肢前伸731 689 膝臀间距 551 525 长 大臂长 269 261 大腿平长 433 432 小臂长 247 226 膝上到足底515 480 距 离 手长 193 179 膝弯到足底406 383 距 离 前伸长 731 689 5.2.2 人体测量尺寸 人体是一个复杂的生理体系，影响人体尺寸特征的因素很多，如国家、地区、民族、生活环境和风俗习惯等。经多年研究，我国成年人人体尺寸的国家标准GB 10000-88已经于1987年7月开始实施，它为我国人机工程设计提供了基础数据。该标准提供了代表从事工业生产的法定中国成年人(男子18~66岁，女子18~55岁的人体结构尺寸数据，共七个类别47项人体尺寸数据，包括人体主要尺寸、立姿人体尺寸、坐姿人体尺寸、人体水平尺寸、人体手部和足部尺寸，并分别按性别、年龄段为数列表，其中主要人体结构尺寸如表5.2所示。 表5.2人体尺寸表 测量项目分类 主要测量项目 人体主要尺寸 身高、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长、体重 立姿人体尺寸 眼高、肩高、肘高、手功能高、会阴高、胫骨点高 坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿人体尺寸 坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐 姿下肢长 人体水平尺寸 胸宽、胸厚、肩宽、最大肩宽、臀宽、胸围、腰围、臀围、 系宽、坐姿臀宽、坐姿两肘间宽 经过对于我国人体数据的统计分析表明，人体尺寸服从正态分布，其所列人体尺寸数据的年龄段划分跨度大，而且没有18岁以下未成年男女的人体统计结构尺寸。但是由于男女在成年人后人体的主要结构尺寸变化较少，且在工业产品的人机设计过程中，绝大部分情况下仅需要成年人的结构尺寸数据。另外，我国不同地区人体尺寸有一定的差异，不同国家间人体尺寸的差异也颇为明显，可根据我国不同地区、我国与其它国家 23 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 的人体结构尺寸的比例差异推算出来。 5.2.2.1 人体尺寸数据统计规律 H点的确定:根据法规规定，首先利用GB11559-89所规定的三维H点测量装置(如图5-1所示)按GB11563-89中规定的H点确定程序确定座椅H点，并利用调角器调节靠背倾角，与竖直方向近似25度，同时，调节座垫倾角为50度此时座椅H点位置。根据前面GB 10000-88的人体结构尺寸数据表可知，身高数据是不连续的。例如:18~66岁的男子在百分数为99时身高为1814mm，在百分数为50时身高为1678mm。若想为身高1700mm的人进行产品设计时，就必须对大量身高为1700mm的被测量者身体各部分的尺寸进行测量统计平均。人体结构尺寸相当多，单独为某种身体尺寸的人进行产品设计显然是非常有限的。如果可以找到测量的人体尺寸的计算，当输入身高时，就可以直接计算出所需的其它尺寸数值。统计资料表明:这种公式是存在的，也就是说人体测量尺寸符合统计规律。这种规律就是:人体的结构测量数据与身高、体重存在一定的关系，这种关系可以用经验公式表达。表5.3列出了以身高为基本参数的主要的人体尺寸经验公式。 图5-1三维H点测量装置 人体活动空间尺寸(动态尺寸)是相对于人体静态尺寸而言的。人体静态尺寸，着眼于人体自然结构，而不考虑人的姿态与活动。人体活动空间尺寸，指人体肢体末端能够达到的三维空间范围，着眼于人的日常姿态与活动需要。人体静态尺寸参数虽然可以解决不少工业产品造型设计中有关人体尺寸的问题，但是人在操纵设备或从事某种作业时并不是静止不动的。因此，人们更关心的是以不同姿态工作时人体的手、脚能活动的范围。可及度是指在空间特定位置，通过改变手臂或腿部的方向及伸展长度，手或脚是否能够触及空间内某一物体的评价指标。常用活动尺度表的绘制，是检验可及度的主要手段，是产品设计不可或缺的重要依据之一。在日常生活和工作中，人的动作是十分丰富的，而且会由此产生许许多多活动空间尺度。比如，人的手臂可以上举、平举、侧平举、斜举，可以推、拉、伸、屈、拿、送，沿着不同的方向或角度转动;可以单臂动作、双臂动作、上臂动作、下臂动作、双臂同时动作、上下臂协调动作等等。人的手腕也可以有不少动作方向，人的手指则更为灵活。人的腿脚动作同样多不胜举。如果把人的头部、躯干与四肢协调配合起来，同时动作，其动作方向、动作幅度、动作数量，几乎可以多到无法统计，故多关节的真实人体空间尺度难以描述。 24 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 表5.3人体各部分和身高的比例(H指身高) 代号 项目 男 女 亚洲人 欧美人 亚洲人 欧美人 1 眼高 0.933H 0.93 7H 0.933H 0.937H 2 肩高 0.844H 0.833H 0.844H 0.833H 3 肘高 0.600H 0.625H 0.600H 0.625H 4 臀高 0.467H 0.458H 0.467H 0.458H 5 胫骨点高 0.267H 0.313H 0.267H 0.313H 6 肩宽 0.222H 0.250H 0.213H 0.200H 7 前臂长 0.267H 0.250H 0.267H 0.250H 8 手臂长 0.467H 0.438H 0.467H 0.438H 9 坐高 0.533H 0.531H 0.533H 0.531H 10 坐姿眼高 0.467H 0.458H 0.467H 0.458H 11 坐姿膝高 0.267H 0.292H 0.267H 0.292H 12 坐姿肩高 0.334H 0.333H 0.334H 0.333H 13 坐姿肘高 0.123H 0.125H 0.123H 0.150H 14 坐深 0.267H 0.275H 0.267H 0.275H 15 小腿加足高 0.233H 0.250H 0.233H 0.250H 16 坐姿大腿厚 0.080H 0.086H 0.080H 0.086H 17 臀膝距 0.320H 0.342H 0.320H 0.342H 5.3 人体坐姿功能尺寸 所谓产品功能尺寸是指以人体尺寸参量为基础，考虑该产品的某项功能相对人体尺寸参量做修改的产品尺寸。 国家标准规定了不同身高等级的成年人坐姿功能尺寸设计的基本条件、功能尺寸、关节功能活动角度、设计图和使用要求。主要用人体模版来设计和确定坐姿条件下的座椅、工作面、支撑面、调节配件配置是的功效学要求。进行座椅设计，不能不考虑室内特定的范围和环境。人体关节的舒适性是进行座椅设计的主要考虑因素。图5-2表示的是人体各关节之间的关系。 25 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 图5-2 舒适的坐姿关节角度 5.4座椅的设计参数 5.4.1. 决定座椅参数的基准 (1)踏脚平面:无论是什么类型的座具，踏脚平面部是确定参数最基本的起点。座面与踏脚平面的尺寸关系，决定了腿的姿态。但踏脚平面只能决定座具的部分参数，因此我们把它当作初始基准。 (2)股骨大转子:又称H点，是股骨围绕锁骨转动的轴心(人体躯干和大腿的铰接点)。具有足蹬式操纵器的坐姿设计，如汽车驾驶姿态设计，一般以H点作为设计基准。 (3)坐骨结节:一般座具通常采用坐骨结节作为设计基准。 (4)座具参考点:又叫SRP点，是人取坐姿时大腿下侧和后背两条包络切线的交点。以上三个基准点，可以通过一定的尺寸相互换算。 座椅的设计要求:有良好的静态特性，即:座椅的尺寸和形状应使人体具有合适的坐姿，良好的体压分布，触感良好，并能调整尺寸与位置，以保证乘坐稳定、舒适，操作方便;有良好的动态特性，以缓和与衰减有车身传来的冲击和振动，保证乘员能较长时间保持坐姿而不感到疲劳。结构紧凑，外形与色彩应美观、大方，与车身内饰相协调，并尽可能减轻房量，降低成本，有良好的结构工艺性。 5.4. 2. 中排座椅主要参数的确定 中排座椅设计的主要参数有:座垫深度、座垫宽度、座垫高度、座垫角度、座垫与靠背的夹角、靠背宽度、靠背高度。 中排座椅静态参数的选取原则:正常姿势下人体尺寸是座椅几何尺寸确定的基准，以下是座椅主要参数的选取方法: 1、椅面高度:椅面高度应使乘员员大腿接近水平、小腿自然放置，即保证不因椅面过高而使大腿肌肉受压，又保证不因椅面过低而增加背部肌肉负荷，根据经验取高度为350mm。 26 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 2、座宽:座宽指的是通过R点且与座椅中心平面垂直的垂面上坐垫的最大宽度。座宽必须能容纳身材粗壮的人。参考尺寸为臀宽，以女性群体尺寸上限为设计依据;为使乘员能调整坐姿，座宽取适当大于臀宽。座宽亦不能太大，否则肘部必须向两侧伸展以寻取支承，这样会引起肩部疲劳。一般轿车的驾驶员及前排座椅宽度取480-520mm，由于CM9微车中排座椅为双人座，根据竞争车型和以往开发经验并根据车内空间尺寸取座宽为860mm。 3、座深:指在座椅中心平面上，坐垫前缘的垂直切线至坐垫最后端线的距离。该尺寸不能太大。正确的座深应使靠背方便地支持腰椎部位。如座深大于身材矮小者的大腿长(臀部至膝窝距)，座面前缘将压迫膝窝处压力敏感部位，这样若要得到靠背的支持，则必须改变腰部正常曲线;否则坐者必须向前缘处移动以避免压迫膝窝，却得不到靠背的支持，这两种坐姿都是不舒适的。为适应绝大多数驾驶员，座深应当按照较小百分位的群体设计，这样身材矮小者坐着舒适，身材高大的人只要小腿能得到稳定的支持，也不会在大腿部位引起压力疲劳一般轿车驾驶员及前排座椅深度取400-420mm，对于微车，只需满足一般正常的需求并考虑到成本取300mm即可。 4、座面倾角:指座面与水平面所夹角度。座面后倾的作用有两点:一是由于重力，驱干后移，使背部抵靠靠背，获得支持，可以降低背肌静压;二是防止乘坐者从坐缘滑出座面，这对于经常处于震动颠簸环境中的驾驶员座椅非常重要。但是如果座面过分后倾，进行驾驶操作时，脊椎因身体前屈而会被拉直，破坏正常的腰椎曲线，形成一种费力的姿势，同时还会压迫腹部，长期驾驶会造成生理上的伤害。因此倾角不能太大，一般为5?~15?，综合以往经验取倾角为10?。 5、坐垫:坐垫设计首选需确定坐垫深度和坐垫倾角。坐垫深度的设计原则是充分在充分利用靠背的情况下，使臀部得到合理的支撑。人体在坐姿状态下，坐骨与小腿足部构成稳定的支撑。坐垫深度过大时，造成人体躯干相对前移，腰部得不到良好的支撑，引起疲劳;坐垫深度过小时，会因大腿得不到良好的支撑而感到不舒适:因此，坐垫的深度应按臀部至大腿表面全长的3/4设计，一般取400—480mm。坐垫的倾角应兼顾安全性和舒适性，一般为2—10?，此处取5?。 6、靠背:靠背的设计主要指强度设计和造型设计，设计时应使靠背的高度、形状 符合人体曲线，使背部肌肉处于放松状态，并能给背部、肩部有效可靠的支撑，使驾乘人员保持稳定的坐姿，还要有足够的侧背支撑，从而避免高速转弯时的横向滑动。设计时，靠背的高度和宽度一般分别为600 mm和480 mm。但此课题为微车且是双排座椅，易取高度为490mm，宽度为790 mm。不同的靠背倾角会导致不同的椎间盘压力及背部肌肉负荷。当靠背倾角超过110?时，椎间盘压力显著减小，所以设计时应考虑合理的靠背倾角。为了提高舒适性，满足驾乘人员在休息时的需求，靠背倾角应为可调式，并且调整范围尽可能大。一般载重汽车为100?,115?，大客车为95?,135?，轿车为80?,170?。根据经验和标杆车数据确定倾角为80?~110?。 7、头枕:头枕主要对乘员的颈椎起依托作用，缓解乘员的疲劳，同时，在紧急制动时，其吸能性对乘员起保护作用，防止紧急制动造成乘员受伤。设计时，根据人机布置确定头枕的设计高度及调节范围。头枕型面应符合舒适性要求。 头枕安装在至少与耳朵上缘平齐的地方，后脑与头枕之间的距离?20cm。垂直方向拔出力?250N，头枕杆解锁力?20N，头枕杆滑动力?35N，头枕杆插入力?70N,且升降调节灵活，锁止可靠，应符合GB 11550-1995《汽车座椅头枕性能要求和试验方法》中的规定。 8、座椅骨架:座椅骨架主要包括靠背骨架和坐垫骨架两部分，通常采用直径为 27 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 20-25mm，壁厚为1-2mm的电焊钢管或无缝钢管弯曲成型方法制造;也可采用1-3mm厚的钢板冲压或滚扎成型的方法制造。出于成本的考虑，本课题采用直径22mm，壁厚为1mm的钢管焊接而成。 9、调角器:调角器安装在坐垫骨架和靠背骨架之间，不仅起靠背翻转作用，而且还是靠背与坐垫的连接件，所以它也是影响乘车安全的功能件。常见的形式为调角器采用向心齿板调节机构限位，用平面涡卷弹簧自动回位式。根据前面的要求和GB 15083-1994的强度要求，确定靠背设计角为20?，齿距为2，前调角度为30?，后调角度为90?，操作形式为手柄式。 外观造型从抽象到具体的思路展开: 第一阶段:满足座椅的基本要求的座椅设计; 第二阶段:满足人体外形尺寸的座椅设计方案; 第三阶段:满足人体生理特性和生理曲线，满足不同人体的尺寸变化的可调座椅设计方案。 图5-3座椅的简单功能模型 图5-4坐椅的尺寸模型 图5-5座椅的完整模型 表5-4 汽车驾驶员座椅外观尺寸与设计依据 28 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 尺寸项目 设计依据 靠背与座垫之间的夹角105º 人体躯干与大腿夹角95º~120º 座垫与水平面夹角10º 防止身体滑动的不稳定因素 座垫深度300mm 人体坐姿座深(臀部至膝盖内侧) 座垫高度350mm 人体坐姿小腿加足高，同时考虑膝关节舒 适角度带来的尺寸变化(安装时考虑) 靠背高度490mm 坐姿肩高，同时考虑坐姿眼高 座垫宽度860mm 坐姿臀宽以及座垫侧面支撑不能压迫人体 股骨 靠背宽度790mm 与座垫宽度相同 头枕高度650mm 人体坐姿颈椎点高 5.5汽车座椅的结构设计 通常来说座椅的结构模型为简化模型，在座椅结构简化模型中，座椅结构被简化成 理想的桁架结构，再将其分解为细化的单元。 图5-6 汽车座椅结构简化模型 整个中排座椅骨架结构件(靠背骨架总成与座垫骨架总成)以钢管为主，各部分通过焊接、螺栓和销钉相互连接。座椅骨架中主要有三种连接方式:焊接、螺栓连接和销连接。 5.6 汽车座椅的造型设计 汽车座椅骨架总成及零部件的设计 1、座垫支撑管件的设计:进入草图平台画草图，再进入零件设计平台进行【肋】 操作。 29 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 30 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 靠背连接板的设计:绘图过程:草图---【凸台】---【抽壳】---【凹槽】---草图---【凸台】---【凹槽】。 31 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 32 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 33 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 连接板的设计: 靠背的设计: 调角器的设计: 34 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 底座支架的设计: (1)进入草图平台 (2)换一平面继续绘制草图 (3)进入零件设计平台，点击【肋】 35 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 (4)绘制草图，并【凹槽】 (5)绘制草图，并【凸台】 (6)镜像得到例外一个凸台 36 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 (7)绘制草图，并【凸台】 (8)绘制草图，并【凹槽】 (9)绘制草图，并【凸台】，倒圆角 37 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 (10)绘制草图，并【旋转槽】 (11)镜像 38 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 (12)得到最后总图 底座总成的设计: 在完成以上座椅各零部件的绘制与装配的基础上，得到以下两个不同视角的整体效果图: 39 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 40 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 第6章 座椅总成相关试验 由于本课题座椅相关尺寸的确定和零件的选取多是凭经验和参考标杆车而定的，主要的工作就是绘制座椅3D图，可能导致工作量的不足，所以现将座椅总成相关的试验进行一定的阐述。 6.1汽车座椅系统强度要求及试验方法 由于座椅是驾乘人员与车辆直接接触的界面，也是对人员进行必要保护的安全件。所以就要求座椅必需要满足在强度上的要求，以便能在发生碰撞时能给乘员提供足够的保护。座椅的系统强度也是国家的强检项目，目前实行的标准是GB 15083—94。 6.1.1主题内容与适用范围 该标准规定了汽车座椅系统(以下简称座椅)的强度要求及试验方法。该标准适用于M、N类汽车的座椅及其固定装置。该标准不适用于折叠式的附加座椅、侧向座椅。 6.1.2引用标准 GB 14167 汽车安全带安装固定点。 6.1.3相关术语 1、调节装置 指调节座椅与车身的相对位置并使座椅锁止在调节位置的装置。这种装置一般包括纵向位置调节、垂直位置调节和角度调节功能。 2、限位装置 在折叠座椅，铰接式可翻转座椅上限制或调节座椅或靠背向前翻转的装置。 3、座椅质心 备有头枕装置的座椅，是指将头枕调到最高位置，座椅高度和角度处于设计基准位置时的座椅总成的质心;对座垫和靠背分开安装在车身上的座椅，则分别确定处于设计基准位置的座垫和靠背的质心。 4、折叠座椅 靠背、座垫铰接并可折叠在一起的座椅。 5、铰接式可翻转座椅 靠背和座垫总成相对车身可翻转的座椅。 6.1.4强度要求 类车的乘客座椅外，每个乘员座椅必须满足下列要求: 除M、M23 1、 铰接式可翻转座椅、折叠座椅(包括靠背可调节座椅)必须装有自锁装置。调节装置和限位装置应便于操纵。 2、 通过座椅质心，分别沿水平向前和向后各施加相当于座椅总成重力20倍的力。座椅总成与车身本体不得分离。对可调式座椅，调节装置在试验中应能使座椅保持原调节位置，在试验后允许失去调节功能。座椅背面如果有防止座椅后退的结构件时，仅向前加载。另外，对于前向座椅，当汽车安全带安装固定点装在座椅上时，施加上述向前负荷时必须同时按GB 14167中的规定对安全带的安装固定点施加相应的力。 对铰接式可翻转座椅，通过座椅总成质心，沿水平方向向前施加相当于座椅总成重力20倍的力;对折叠座椅(包括靠背可调节座椅)，通过靠背的质心，沿水平方向向前施加相当于靠背重力20倍的力，限制装置不得自动松脱和损坏。 3、 当座椅总成承受一个相对于座椅R点为373N?m力矩的力时，对前向座椅，该力水平向后，对后向座椅，该力水平向前，座椅骨架不应损坏并且座椅总成与车身本体不应 41 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 分离。对可调式座椅，调节装置在试验中应能使座椅保持原调节位置，在试验后允许失去调节功能。 4、折叠座椅(包括靠背可调座椅)，铰接式可翻转座椅承受以下的力，其限位装置不得自动松脱和损坏。对前向座椅，通过座椅铰接或折叠部分的质心，沿水平方向向前施加相当于座椅铰接或折叠部分重力20倍的力;对后向座椅，通过座椅铰接或折叠部分的质心，沿水平方向向后施加相当于座椅铰接或折叠部分重力8倍的力。 6.1.5试验方法 1、将座椅按设计要求安装在车身上或模拟车身的试验台上。如果座椅上无适当着力点，允许在试验项目不涉及的部位局部加强，加强杆的上端固定在同一根水平梁上，另一端固定在座椅调节机构连接件上尽可能靠前的部位，水平梁高度应与座椅质心高度相同(见图1)。 2、 座椅的座垫与靠背为分开式且分别安装在车身上时，应分别通过各自的质心沿水平向前和向后施加相当于各自重力20倍的力(见图2)。 3、进行第6.1.4-3要求的试验时，对可调式座椅，应分别将座椅调到最后位置，并将靠背锁止在设计角度的位置或者与此相当的设计角度位置(见图4)。 4、进行第6.1.4-4要求的试验时，其限位装置应预先固定好(见图3)。 5、分别按第6.1.4-2(见图1、2、3)、6.1.4-3(见图3)、6.1.4-4(见图4)的要求逐渐加载到规定值，并在该值上保持0.2s以上。加载速度不超过5mm,min。 42 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 6.2汽车座椅头枕性能要求和试验方法 .2.1主要内容与通用范围 6 本标准规定了汽车座椅头枕的性能要求和试验方法。本标准适用于M类车辆的前排1外侧座椅头枕。 6.2.2引用标准 GB,T ll559 汽车室内尺寸测量用三维H点装置。 GB,T 11563 汽车H点确定程序。 6.2.3相关术语 1、头枕 指用以限制乘员头部相对躯干向后移位的弹性装置，其作用是发生撞车事故时，减轻乘员颈椎可能受到的损伤。 2、头部模型(头型) 指直径为165mm的球状或半球状的刚性模型，动态试验时其作用于撞击点的有效质量为6.8kg。 43 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 3、假背(靠背加载板) 根据GB,T 11559规定的人体模型躯干背部形状制作的曲面加载板。 4、座椅中心面 GB/T 11559规定的成人男子50百分位的三维H点装置按GB,T 11563的程序着坐在座椅上，由三维H点装置左右对称中心面来确定的座椅基准面。 6.2.4性能要求 1、位置及尺寸 头枕的位置及尺寸应满足下述要求，但是位置可以调节的头枕应能固定在同时满足6.2.4-1(1)及6.2.4-1(2)要求的位置上。 (1)沿平行于躯干基准线测量头枕的顶端到R点的长度，驾驶员座椅为700mm以上，其他座椅为650mm以上。 (2)由头枕顶端沿平行于躯干基准线方向向下65mm处或者由R点沿平行于躯干基准线向上635mm处，头枕的外形宽度以座椅中心面为对称面，左右各应宽85mm以上。 (3)位置可以调节的头枕的外形高度沿平行于躯干基准线方向测量为100mm以上。 2、强度和吸能 (1)头枕按6.2.5-2的方法试验时头型移动量必须小于102 mm，将载荷加至890 N时头枕及其安装部件在座椅及靠背等损破前不能破损或脱落。 (2)头枕按6.2.5-3的方法试验时，加给摆锤(头型)的减速度连续超过80 g的时间必须小于3m/s。 6.2.5试验方法 1、座椅及头枕在试验机上的安装 座椅及头枕按实车的安装条件安装在试验机上。具有调节机构的座椅及头枕的位置按下述要求来调节，其他的调节机构调节到设计标准位置。 (1)座椅前后方向调节到设计的最后位置。 (2)座椅上下高度调节到设计的标准位置。 (3)座椅靠背的角度调节到设计标准位置，或者选择50百分位人体模型的躯干基准线偏离铅垂方向尽量接近25?角。 (4)头枕的高度及前后方向的调整。 1? 静态试验时，在高度方向将头枕调节到设计上的最高位置后，在前后方向再调节到最后位置。 2? 动态试验时，在高度方向将头枕调节到设计上的最低位置后，在前后方向再按下述要求调节。 a(做前方撞击试验时，调到设计上的最后位置。 b(做后方撞击试验时，调到设计上的最前位置。 2、静态试验 (1)假背的H点与座椅R点重合，用假背对座椅加载，使得绕H点的后翻力矩为373 N?m，确定此时的移位躯干基准线的位置。 (2)在坐椅中心面上用头型绕R点对头枕施加373 N?m的力矩，载荷作用点为从头枕的顶端沿着平行于座椅移位前的躯干基准线向下65 mm处,如图1所示;载荷作用方向与移位躯干基准线垂直，如图1(a)所示，或者如图1(b)所示位于以R点为中心的圆周上。 (3)测量加载时的头型移位的最前端和移位躯干基准线之间的距离(简称头型的移动量)，同时检查头枕有无破损。 44 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 (4)进一步将载荷加载至890 N，检查头枕、座椅及骨架等有无破损或脱落。 3、前方撞击试验 (1)撞击点在座椅中心面上距头枕顶端，平行于躯干基准线向下65 mm处，沿水平方向将头型以25?1 km,h的速度向头枕的前面撞击。 (2)记录撞击时作用在头型上的时间和加速度曲线。 4、后方撞击试验 (1)撞击点位于座椅中心面上，且在与水平面成45?角的直线与头枕后面相切的切点上，沿与水平面成45?角，将头型以25?1 km,h的速度向头枕的后面撞击(见图2)。 (2)记录撞击时作用在头型上的时间和加速度曲线。 45 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 第7章 主要结论和未来展望 伴随着汽车工业的进步和经济的高速发展，汽车已经越来越多的进入了寻常百姓家，汽车座椅作为直接与人体接触的部件，对汽车的安全性有着重要的影响。良好的座椅结构不仅能够提高驾乘舒适性，而且直接关系着乘员的安全。本文对长安CM9微车的中排座椅结构做出了大胆设计，对座椅进行了人机工程学的分析研究，从满足人体脊椎正常生理弯曲的这一要求出发，考虑人体的健康、舒适及相关的坐姿特性，将座椅的设计重点主要放在影响座椅静态舒适性方面的因素即座椅与人体的尺寸和生理特征的匹配。经过人机工程评价，表明设计结果合理，有一定的价值。 由于本人自身水平和时间的限制，文章中还存在着不尽人意的地方，在以后的工作和学习中还应当对座椅进行更加深入的研究。主要有这些方面:1,驾驶座椅的坐压分析及相关实验研究;2、人体特性部位曲线与座椅外形曲面的相关性研究;3、座椅调节机构的创新研究;4、座椅色彩和汽车外部色彩以及乘员心理学的研究。 以上是作者对本课题研究成果的概括。针对自己的研究结果对未来的座椅设计研究提出了几点建议和展望。 座椅的研究对于人体和驾驶安全都有着重要和关键的作用。虽然人们对于座椅的研究己经有很长的历史，但是设计的方法仍存在争议。目前计算机的使用深入到各行各业，汽车的车身实现了计算机的设计和加工，对于人体模型的研究也从以前的二维人体模型、三维模型逐渐转变为计算机三维数字模型。由计算机可以自动生成人体的几何模型。我提出几点展望: 1、CAD\CAM技术和人体三维数据库相结合，实现汽车座椅的数字化设计。 2、虚拟环境中实现乘员—座椅—汽车环境的协同设计。 3、快速成型技术和CAE结合，实现座椅的个性化设计，解决人机沟通关系问题。 总之，汽车驾驶座椅人机工程学研究是一个系统的工程，需要应用到目前各种先进的技术和方法。未来的汽车必将走进每个人的家庭，“以人为本的设计”将引导产品设计的潮流。 总之，本文的研究工作对于提高汽车座椅的安全性和舒适性，实现座椅的计算机辅助分析和设计打下了基础。对于采用的新型材料的可发展性打下了基础。 汽车驾驶座椅的舒适性研究，是日前汽车产品人机工程设计中值得深入探讨的问题，在今后的研究中，应对以下几方面加以重视: (1)中国人的体群反映特性研究。日前，我国的评价标准是建立在国际标准的基础上的。由于人群存在着差异，建立中国人的人体模型，尤其是动态模型，研究人体承受多方向振动情况下的反映及评价方法是十分迫切的。 (2)采用系统的设计思想和研究方法。一般研究方法只是把汽车地板以上的座椅系统作为研究对象，并未考虑到人体的动态性能，忽视了座椅动态舒适性对整个汽车系统平顺性的作用。虽然现在人们己经开始认识到这个问题，并将座椅系统与路面等级、轮胎形式、汽车底盘架的动态性能匹配是否合理结合起来研究，但是建立的座椅模型较为简单，不能准确地反映实际。因此建立一个详尽的、操作性强的分析方法有着非常重要的现实意义。近几年我国汽车工业进人了迅速发展的时期，同时随着高速公路的日益发展，人们对汽车安全性提出了越来越高的要求。而座椅作为汽车的重要安全部件，其安全性已越来越受到汽车业界的重视。因此我国有必要加大投人开发安全座椅，这是汽车座椅未来的发展方向。 46 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 致 谢 本课题的研究工作是在李志立老师和陈莹莹老师以及长安彭新华老师的悉心指导和严格要求下完成的，他们从课程学习、论文选题、课题研究到论文撰写都给予学生精心的指导与孜孜不倦的教诲。几位老师高度的敬业精神、渊博的知识、严谨的治学态度以及丰富的经验，使我受益匪浅。课题每前进一步都得到了老师的悉心指导与鼓励，尤其是用周末休息时间来进行辅导和帮助，做出了巨大的牺牲。籍此论文完成之际，谨对恩师致以最诚挚的谢意! 在大学四年时间里，我有幸在自己喜爱的专业中聆听各位老师的谆谆教诲，感到十分幸运。汽车学院的老师们给予我的无私关怀和帮助，将会指引我一生的学习和工作。再次向他们表示诚挚的敬意和衷心的感谢! 最后，向所有关心、支持和帮助我的老师、同学、各位亲人朋友，表示最诚挚的谢意，在未来的人生中，自己一定会努力工作，脚踏实地，绝不会辜负大家的期望～ 47 重庆理工大学毕业论文 汽车中排座椅设计 参考文献 [1]陈家瑞等，汽车构造(下册)[M]，机械工业出版社，2005年，第一版，p209-210, p384 [2]黄天泽、黄金陵，车身结构与设计[M]，机械工业出版社，1999年，第1版，p245-266 [3]刘建中、铃木近等，汽车乘坐舒适性主观评价模型的构筑，汽车技术[N]，1994.9 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