摘 要

汽车座椅作为现代汽车工业的一个重要的产品，设计水平的高低将决定了整车的使用体验。本文将依托与现有的实际案例，先确定大体的设计参数外形尺寸。同时配合以目标人群的外形尺寸参数，在行业标准符合的框架内设置各个零部件的尺寸参数。选择目标人群时充分考虑到实际情况，经设计余量提前做好。并利用CATIA软件进行建模。建立了模型之后，通过使用ANSYS进行有限元分析，并将有限元的的分析结果与数学计算的结果相比较，测试其是否符合强度要求。对于座椅舒适性，重点放在了静态舒适性上面，通过对人体的具体形态进行分析，对驾驶员座椅的详细参数进行确定。最后达成一个相对而言比较完善的图纸设计。完成的设计成果能够实现健胃舒适的驾驶姿势并大体符合人机工程学。参考车型：斯柯达明锐1.6紧凑型轿车。

关键词：汽车座椅；人机工程；舒适性；三维模型

Abstract

As an important product of the modern automobile industry, the design level of the car seat will determine the experience of the vehicle. Based on the existing practical cases, this paper first determines the overall design parameters. At the same time, the dimension parameters of each part are set in the frame of the industry standard. When selecting the target group, the actual situation should be fully taken into consideration, and the design balance should be completed in advance. CATIA software is used for modeling. After the model was established, the finite element analysis was carried out by using ANSYS, and the results of the finite element analysis were compared with the results of the mathematical calculation to test whether it met the strength requirements. For seat comfort, the emphasis is on static comfort, and the detailed parameters of the driver's seat are determined by analyzing the specific form of the human body. Finally, a relatively perfect drawing design is achieved. The completed design results can achieve the comfortable driving posture of the stomach. It is generally ergonomic. Reference model: Skoda Octavia 1.6 compact car.

Key Words: Car seat;Ergonomics;Comfort;3D model

目录

第一章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 驾驶员座椅设计的大致思路与业内的研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 本次毕业设计的主要研究内容 4

第二章 基于目标人群身体参数的基础计算 4

2.1 人体静态尺寸 5

2.2 座椅尺寸技术要求设计 6

2.2.1 椅面高度 6

2.2.2 座椅H点确定 7

2.2.3 驾驶员座椅调节行程计算 8

2.3 座椅基本参数的初步确定 9

2.4 参考车型的实测数据 9

第三章 座椅强度设计 10

3.1 座椅靠背强度设计 10

3.1.1 靠背受力分析和计算 10

3.1.2 驾驶员座椅靠背强度设计 10

3.1.3 驾驶员座椅靠背anysy应力分析 11

3.2 调角器强度设计： 12

3.2.1 头枕受力分析和弯矩计算 13

3.2.2 头枕骨架应力计算 13

3.2.3 座椅头枕强度ansys验证 14

第四章 座椅舒适性 15

4.1 人体坐姿生理特性 15

4.2 座椅轮廓及尺寸 16

4.2.1 坐垫长度 16

4.2.2 坐垫宽度和景中宽度 16

4.2.3 坐垫角 17

4.2.4 坐垫厚度和坐垫压陷量 17

4.2.5 坐垫离去点 18

4.2.6 座靠咬合线位置 18

4.2.7 人体与骨架的距离 18

4.3 座椅靠背 19

4.3.1 靠背高度 19

4.3.2 腰部支撑 19

4.3.3 靠背旋转点位置 19

4.3.4 腰部支撑轮廓 20

4.3.5 人与靠背骨架的距离 20

4.4 座椅头枕位置 20

4.5 动态舒适性 22

第五章 总结 24

参考文献 25

致谢 26

绪论

1.1 选题背景及意义

目前，我国已经正式步入了汽车文明的时代，机动车年产量与保有量均居世界前列，汽车市场蓬勃发展，拥有一台家用中型轿车已经成为了现代中国家庭的常见配置。但是随之而来的一系列的问题，比如事故中因座椅的性能缺陷导致损失过大等，也逐渐开始让人不得不重视产品的精细化设计与制造。驾驶员座椅的深化设计与改良就此提上了日程。

人机工程学的应用在汽车座椅的领域有着重要的意义，人体的心理和生理具有其独特的特点，依照此来设计和完善相关的作业环境和工作系统，可以有效地改善驾驶环境，以及安全性，相关的工作效率也会有一个明显的提升，这样一来不仅能够使所设计的驾驶员座椅满足驾驶员在驾驶功能上的硬性需求，而且能让驾驶的过程标的更加有乐趣，驾驶的舒适性会有一个明显的提升。基于以上的原因，人机工程学的在汽车座椅设计领域的应用不断扩大已经是可观的事实，在汽车设计方面起着提纲挈领的作用，汽车座椅作为汽车的重要部件，设计人员在座椅舒适性方面的设计水平直接决定了整车安全性与司乘人员的使用体验。

近年以来，在历次的重大交通事故中，驾驶员座椅的设计水平以及性能指标将直接影响到事故的损失以及人员伤亡程度。据统计，每天有超过三千人死于交通事故，其中，驾驶员的驾驶疲劳，以及驾驶环境视野不佳等原因是造成交通事故发生的重要原因。驾驶员座椅的设计就是应当兼顾驾驶的舒适性。驾驶的方便性，以及符合人机工程，让驾驶员能够保持一个比较舒适的驾驶姿势等。通过对驾驶员座椅的合理设计，可以在很大程度上减少有关的事故的发生。这是人们在对过去的事故进行的反思总结后得到的客观真理。

驾驶员座椅相比起其他的乘员座椅，除了最基本的要保障乘坐的舒适性以及在事故发生时的碰撞防护性能，还要兼顾驾驶的舒适性，比如驾驶的最佳驾驶姿势应尽量予以保证。因此驾驶员座椅的设计看似比较简单，但是实际上是一个复杂的系统工程，在正规的汽车厂商的开发流程中，一个合格的驾驶员座椅的开发流程需要二十四到三十六个月，足见其工作的复杂。对于设计人员的要求，零件厂的制造水平均提出了很高的要求。

在具体的驾驶员座椅的开发过程中，利用CAE软件进行绘制分析工作是一个基本的操作，这其中CATIA软件是一个十分实用的设计工具。这个软件不仅仅可以进行三维的立体零件设计，图纸还可以通过三维倒二维的方法得到平面图纸。同时CATIA软件内置有人机工程模块，可以方便的制作出合适的假人来完成分析。通过网上公开文献资料中的人体尺寸参数，比如国内的人体外形尺寸参数普查等公开数据，选择合适的百分位，就可以得到想要的人体模型。并以此为依托，进行二次开发，提高开发的效率。结合目前已经整理完善的相关的设计理论，对现有的框架下的驾驶员座椅进行不断地优化改良。

1.2 驾驶员座椅设计的大致思路与业内的研究现状

1.2.1 国外研究现状

国外对汽车座椅舒适性等方面的的研究也不是一蹴而就的，而是诞与整个汽车工业的发展历程相匹配，伴随着汽车的诞生以及相关的理论的完善而逐步发展的到今天的状态。从实际情况上来看，国外在汽车座椅的舒适性上面的技术设计水平很发达。，从长久以来的实际经验中总结出的数据是基础，国外的相关汽车制造厂从反馈的数据中发现驾驶座椅可以对对与汽车车辆驾驶效率相当大的影响，因此国外的研究人员就开始将人机工程学理论作为处理驾驶员座椅设计问题的一个有效快捷的工具。目前的研究状态已经从对座椅静态寸和外形轮廓等方面的静态研究上升到了动态的驾驶舒适性的研究上了。

一个合适的人体模型以及与之相对应的人体参数是进行座椅设计的基础所在。因此人体模型的重要性是毋庸置疑的。对于静态设计来说，人体的外形尺寸以及舒适驾驶姿势的身体角度是决定座椅设计参数核心参考，对于动态设计来说，有了符合人机工程的假人模型才能进行动态分析比如座椅的体压云图，共振测试等等。

目前国外的人体各种可利用模型还是比较多的，主要有以下的几个大类：四自由度模型（设计人Y.wang）；六自由度非线性振动人体模型（设计人M.Robert通过正选激励定位研究得到）；apparement人体垂直振动模型（设计人Tae-Hyeong，Kim等韩国相关研究人员所设计）；国际标准化组织模型（分别于1981年以及2001年所推出的二自由度与三自由度模型，通过实际的运用后发现，三自由度模型更加优秀）

除了人体模型之外，日本以及丹麦等国也开发了相应的一些辅助分析软件来进行处理，比如丹麦奥尔堡大学所开发的人体骨肌模型的计算机仿真软件等。

1.2.2 国内研究现状

随着发展，家用中型轿车座椅的销量与产量均在不断増加，但坦而言之国内的相关的拘束水平相对较低。目前存在着较为明显的对外过度依赖的问题，相关的核心设备比如假人测试设备等大量依赖于进口，甚至于人体数据也是借鉴于国外现成的数据。产品的本土化有所欠缺，市场的占有比例也存在着不足之处。相关的制度也有可以进一步完善的地方。比如说对于汽车座椅的强制检测制度还有待完善。相应的测试方法也有所欠缺，很多仍然采用测试人员实测的方式，一方面是存在安全性的隐患，另一方面对于测试的结果也存在一些量化不清，难以形成系统化的实验语言，这一点对于舒适性上来说尤为重要，人的主观感受相较来说准确性是不足的。这也造成了我国的汽车座椅虽然说在外形上与国外的产品相差无几，但是舒适性却大打折扣的困局。

在人机工程方面，我国的有关研究起步相对晚，上世纪末期才有了成系统的法律法规来进行规范。早期的人体模型大多是直接引进的世界通用模型，今年以来才逐渐有了根据国民普查数据开发的相关产品。目前这方面的落后程度比单纯的硬件技术落后的还要大。

从发表文献上来看，国内的研究呈现出了鲜明的特点，研究能力比较强的院校机构所发表的文献占据了绝对的优势。这在某个程度上也说明了我们的相关研究尚属于比较不均衡的状态，还没有形成良性的竞争环境。

图1-1 发表文献关键词归纳

而从文献内容上来看，可以认为是中规中矩，大多数是倾向于传统的设计，对于相对而言比较专业的子系统以及工程，比如儿童安全座椅，安全带等，相对的探索要少一些图1-2 发表文献机构归纳分析

以上这些实质上都说明了，我国在汽车座椅方面的研究，与国际的差距是客观存在的。

1.3 本次毕业设计的主要研究内容

本次的毕业设计旨在通过将家用中型轿车的驾驶员座椅进行的设计，利用现有的数据，比如说中国人人体外形参数的普查报告，确定核实的驾驶员座椅使用对象，第一步就是进行基本的外形尺寸计算，目的在于满足相关的舒适驾驶姿势的需求。之后就是进行三维建模，CATIA是一款十分常用且使用的设计工具，内置的知识模块以及人机工程组件可以比较方便的辅助设计。建模设计的工作已座椅的骨架为重点，通过对座椅的骨架进行设计，使之满足强度以及刚度的需求，保证驾驶的安全性。同时针对静态的舒适性进行优化。对于动态的分析，侧重于对共振以及座椅承受人体的体压的分布上进行优化设计。并将设计的结果转化为平面的图纸。最终的设计目的在于完成一个可以做到逻辑自洽的设计方案，并对于家用中型轿车的驾驶员座椅所应当重视的问题提出相应解决对策。

基于目标人群身体参数的基础计算

驾驶员座椅的设计目标是实现或尽可能的贴近于理论的最佳舒适驾驶姿势。在常规的坐姿中，支撑着身体的从上至下为脊柱、骨盆、腿和脚。其中脊柱由椎骨、骸骨、尾骨组成，是最重要也是车祸中最容易受到严重损伤的。如下图2-1所示，可见其基本的结构，胸腔由肋椎和肋骨构成，头部的负荷由颈椎支撑，人体在坐姿装下的主要负荷由椎间盘，腰椎和骸骨承担。

图2-2为人体处在不同姿势下的时候，腰椎所呈现出的弯曲形状，其中曲线B是脊柱在侧卧时所呈现的自然弯曲，曲线C是脊椎在自然状态下呈现出的弯曲状态时的坐姿，曲线G则是当大腿和人体的躯干角为90 度时，因为脊椎的严重变形导致了压力分布的不正常。综上所述，可以发现，只有坐姿下，人体的脊柱才能呈现相对比较自然的一种状态，这也是舒适驾驶姿势所追求的。故此，躯干角当为135度。

图2-1 人体脊椎模型 图2-2 人体脊椎的几种弯曲情况

2.1 人体静态尺寸

所谓的人体静态尺寸，也就是指的比如人体的身高、体重、腿臂长度等外尺寸参数，完善的外尺寸数据库是建立人体模型的基础。在我国曾经进行了一次大范围的中国当代国民人体外尺寸数据的普查，最终形成了国家标准GB 10000-88《中国成年人人体尺寸》。该国标包含了当时我国成年人人体尺寸的基础数据，具有参考意义，对于本科的人机工程学的设计工作具有很高的价值。现将其中涉及到驾驶员座椅以及最佳驾驶姿势的有关参数摘录出来，作为设计的依据。

本次座椅设计人体依据以95百分位的中国男性身体外形数据为依据，取身高1797.25mm 肩高 1457.05mm 坐高971.20mm 体85.93kg 膝高540.43mm。选择这个百分位的原因，主要是考虑到，我们所采用的源自1988年的国民人体外尺寸参数的普查结果数据，可能，或者说必然存在时间滞后带来的系统误差，四十年间，中国人体格趋于高大强壮已经是不争的事实，故而选择了较为宽松的一个百分位。

图2-3 人体外尺寸数据节选

2.2 座椅尺寸技术要求设计

驾驶员座椅的基础尺寸设计可以理解为几个要点：坐垫的高度、宽度和深度等尺寸设计；靠背的高度宽度和倾角等尺寸设计；头枕大小和高度等。

根据国标GB 15083、GB 11550和GB7258标准，对座椅和头枕的外形尺寸要求

表2-1 座椅设计标准节选

2.2.1 椅面高度

椅面高度应该保持乘员大腿几乎水平（理论上应该呈现出些微的前低后高的倾斜），小腿自然竖直，脚掌平的放在地面上，座椅面与地板面低点高度：

461.3*sin42.5-503.07*cos77.5=311.65-108.884=202.766（最大值）

461.3*sin47.5-503.07*cos52.5=33.8564（最小值）

座椅面与地板面高点高度

461.3*cos42.5=340.106035（最大值）

461.3*cos47.5=311.649763（最小值）

2.2.2 座椅H点确定

乘员坐在座椅上，人体躯干与大腿的连接点即胯点（Hip point）和座椅纵向垂直面的交点。同时在理论上H点与R点一致，区别在于H点一般是通过实验测试取得，而R点为计算取得，因此。在HPM（即假人模型）中，H点是躯干和大腿的旋转中心，用来模拟人体躯干和大腿的铰接中心通过对R点的计算来确定H点的位置。

R点是指制造厂规定的设计H点，也有称之为“乘坐基准点”。座椅R点是座椅设计基础而重要的一个参数，对于整车安全性、乘员乘坐舒适性和操作方便性是一个最基本的参数。此外，驾驶员的R点设定将直接据定了驾驶室的布置，如：仪表板的位置，方向盘的位置和角度等。想要计算可以得到R点位置，首先要建立整车三维坐标系确定油门踏板的位置。在已经确定油门踏板位置后，即跖球坐标和油门踏板平面角（SPA）以及H点高度（H30）的情况下，计算R点坐标。

定义跖球（BOF）点的X、Y、Z向坐标分别为L1、W1、H1，踵点（APH）是脚踵与地板接触的点。APH点的X,Y,Z向坐标分别为L8,W8,H8，APH点和BOF点在X向的偏移量为0，R点的X、Y、Z向坐标分别为SgRPx、SgRPy、SgRPz。假设跖球（BOF）的X坐标L1=0，在L1,W1,H1和H30为已知量的情况下，计算SgRPx、SgRPy、SgRPz。

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