汽车电动座椅的设计与优化
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德州学院汽车工程学院 宁 丹
【摘要】根据人坐姿的形态，以及对汽车正面碰撞时乘员头部前倾速度快于身体而导致颈椎受伤害这一问题，采用了人机工程学的方法进行分析，使汽车座椅具有自动测量最大位置、手动调节、位置记忆以及自动恢复功能，使汽车可以达到车辆正面碰撞过程中减轻乘员受伤程度的目的。
【关键词】电动座椅;优化设计;人机工程
1.引言
现如今人们生活水平不断提高，对汽车座椅的舒适性要求也越来越高，要求汽车座椅地调节能够更加简单、方便、快捷。目前，汽车座椅位置的调节多采用手动调节方式的机械和电动控制两种方式。汽车座椅位置的调节主要有三个方向，即高度、水平位置调节及座椅靠背角度的调节。对于家庭使用的汽车，往往由多个人员驾驶同一辆汽车;所以不同的人坐在同一个座椅时，由于个人的身体差异，需要的汽车座椅的位置也不相同，需经常调节座椅位置;而目前的大部分汽车座椅没有记忆功能，使同一个人在不同的时间驾驶汽车时，汽车座椅的位置可能被其他人员改变，而需重新调节座椅各个方向位置，比较繁琐。座椅在汽车内安装时，由于不同汽车内部空间不同，座椅在各方向所能移动的最大位置也不同;汽车电动座椅在电动机牵引下移动，而目前汽车电动座椅不能自动测量安装的最大位置，座椅很容易在到达最大位置时仍继续移动，从而使电动机因长时间工作在高负荷状态而烧毁。
2.座椅的人机工程分析及工作原理
2.1 坐姿的生理形态
坐姿状态下，支持人体的主要结构是背部、臀部、腿和脚等。最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移，使上体略向上后倾斜，保持上体与大腿间角在85o～120o，同时小腿向前伸大腿、小腿、脚掌之间达到一定角度。
2.2 人体坐姿的体压分布
人的体重在靠背和坐垫上的重力分布叫体压分布，根据人机工程学，最舒适的坐姿分布应保证人体的大部分重量应以较大的支承面积、较小的单位压力合理地分布到坐垫和靠背上。图1所示为人体的靠背和坐垫上最适宜的体压分布。
图1 坐椅各部位的受力图
由图1可知，人体重量在座椅上的压力分布并不均匀，由于舒适的姿势是肩部和臀部同时支撑身体重量，所以应根据各部位在产生不舒适感觉之前所能承受压力的大小予以合理的分布，坐垫上的体压分布应使臀部承受的压力最高，由臀部周围扩展到压力逐渐降低，直到与坐垫前缘接触的大腿下平面趋于最小值，靠背上的体压分布则应以肩部和腰椎部两个部位的压力最高。
2.3 系统基本工作原理
汽车电动座椅结构原理如图2所示，座椅装4个直流电机，其中负责高度调节的电机有2个，负责水平调节和靠背调节的电机各有1个;直流电动机电枢电压为12V，电源从汽车电瓶上获得。
图2 座椅结构原理图
高度调节电机 2.高度调节电机 3.水平调节电机 4.靠背调节电机 霍尔传感器 6.涡轮机构 7.传动轴 8.座垫 9.靠背 10.水平调节机构 11.高度调节机构 12.靠背调节方向
汽车座椅自动控制系统由内部带有非易失性数据存储器的C8051F311单片机、驱动模块、传动机构以及操作手柄构成。电动机的转速和座椅的位置信息由安装在电机上的霍尔传感器检测，经修正和放大后装入单片机，构成系统的速度反馈。汽车电动座椅是在传统的汽车座椅上安装直流电动机、蜗轮结构、传动轴，一起组成传动机构，拉动座椅移动;在汽车座椅的下面垂直安装两个直流电动机，以支撑驾驶者在垂直方向做上下移动;在座椅的靠背方向安装一个直流电动机，用来实现座椅靠背的角度变化;在座椅的水平方向安装一个直流电动机，用来控制汽车座椅在水平方向前后移动。操作手柄上设有3个手动调节按键，通过手动调节控制直流电动机，改变传动轴的行程和方向，从而调节汽车座椅的位置，如座椅上下位置，前后位置以及靠背的角度变化;同时设有多个存储按键，用来记忆或恢复座椅的位置信息。在控制系统上安装有一个自学习按键，用来自动测量座椅在汽车内部所能移动极限位置，防止座椅在到达极限位置后使电动机长时间工作在堵转状态而烧毁。
3.电动座椅的设计
3.1 靠背参数的设计
当人体脊柱处于放松时感觉舒适，要达到这一目的需要通过座椅的坐面与靠背之间的夹角、靠背的形状和适当的腰椎支持来实现。由于每个人的脊柱长度不同，身材也不相同，因此每个人的脊柱曲度变化存在一定差异，这就使的靠背高度与形状之间出现了复杂的关系。
座椅的形状应与脊椎自然弯曲相适应，主要是提供腰椎与肩胛骨两个支承点，特别是腰椎支承，因坐姿主要的疲劳形式是腰肌疲劳，为能保证腰部支承，在骶骨一带最好留有空隙，以便就坐者自己向后调整时，不会因为臀部抵着靠背使腰部不能按自然弯曲状态使用靠背。
根据人体结构得到背椅的参数：靠背角度取为105o～115o高靠背座椅的高度应达到肩部可取为535～555mm，宽度为485mm，坐垫倾斜角为6.5o～7.5o。
3.2 汽车碰撞时造成的危害以及改进设计
汽车受到正面撞击时，车上人员的身体迅速向前，由于头部的前倾幅度和速度大于身体的前倾幅度和速度，这样对颈椎的伤害也是相当严重的，由此减小颈椎受伤的方法可以理解为让身体和头部的前倾速度一样。这样就不至于使头部前倾的速度和身体前倾的速度相差太大，从而造成颈椎受伤。针对实际情况而言，不可能在头部加一个安全带将其与座椅固定强迫两者前倾速度，所以只能使身体的前倾速度加快跟上头部的前倾速度，减小颈椎所受到的冲击力。因此对座椅的改进是相当有必要的，增加座椅电动控制装置，使座椅在正碰过程中靠背前倾移动提高身体部分的前倾速度，同时座椅下方也要适度旋转，以减小座椅靠背前倾给腹部带来的冲击。
3.3 座椅的整体外观及手动调节功能
操作手柄设有3个手动调节按键，分别用来控制座椅上各电动机在各方向的转动，手动调节采用点动控制方式。通过操作手柄的手动按键，控制座椅各电动机，经传动机构拉动座椅滑动，调节座椅的移动方向和移动距离，从而调节座椅的位置。
图3 座椅的整体外观图
3.4 座椅操作手柄流程图
座椅操作手柄流程图如图4所示。
图4 座椅操作手柄流程图如图
4.结论
由于座椅增加了电动控制装置可以提高正碰过程中身体的前倾速度从而减少颈椎的受力达到保护颈椎的目的。座椅电动控制装置与安全气囊配合使用，减少了安全气囊的使用次数，在保护驾驶员安全的同时降低了制造成本。座椅电动控制装置在碰撞时产生的冲击力没有达到安全气囊开启的情况下，为驾驶员提供了安全的保护。座椅的前倾和旋转角度需通过试验数据计算。新设计使得座椅具有记忆功能可以适应不同体型的驾驶者驾驶。
参考文献
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