汽车座椅的设计解读.docx

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汽车座椅的设计解读

机械工程学院毕业设计（论文）

题目：

新概念汽车座椅的设计

专业：

车辆工程

班级：

车辆113

姓名：

刘双双

学号：

1608110313

指导教师：

董福龙

日期：

2015-5-3

新概念汽车座椅的设计

引言：

近年来，汽车行业发展十分迅速，汽车在全球范围内的普及率持续增高。

尤其是在我国，汽车销售量呈每年递增的趋势。

汽车座椅是汽车的重要组成部分，同时也是人和汽车接触最多的零部件，它不仅影响驾驶员驾驶的舒适性，而且也影响着车辆内饰的风格、等级和豪华程度。

因此，我国的汽车座椅行业作为汽车工业的重要配套行业，面临着巨大的机遇和挑战。

从目前情况上看，我国汽车座椅存在着很多的问题，首先是有透气性差，不能够及时将座椅上的潮气散发。

夏天的时候，汽车暴露在阳光下时，车内温度很高，空调调节需要好久才能达到制冷的效果，这就使乘员感到不舒适，消费者只能被动的接受，十分难受。

其次就是不能升降，同样高度的座椅，不同的人坐着的舒适度不同，这就意味着这样的座椅与部分人不协调。

对于上述问题，我提出的新概念汽车座椅的设计主要是在汽车座椅的内部添加制冷和制热双向调节装置和升降装置[1]。

这种装置可以把人机工程学与汽车座椅融汇到一起，为消费者提供更加舒适的乘坐环境。

关键词：

汽车座椅；调温器；升降机构；人机工程学；

引言：

Foreword:

近年来，汽车行业发展十分迅速，汽车在全球范围内的普及率持续增高。

尤其是在我国，汽车销售量呈每年递增的趋势。

汽车座椅是汽车的重要组成部分，同时也是人和汽车接触最多的零部件，它不仅影响驾驶员驾驶的舒适性，而且也影响着车辆内饰的风格、等级和豪华程度。

因此，我国的汽车座椅行业作为汽车工业的重要配套行业，面临着巨大的机遇和挑战。

Inrecentyears,theautomotiveindustryisdevelopingveryrapidly,thepopularityofcarsworldwideratecontinuedtoincrease.EspeciallyinChina'sautosales,atrendofincreasingeveryyear.Carseatisanimportantpartofthecar,alsoisthepeopleandcarsincontactwithmostoftheparts.Itnotonlyaffectsthecomfortofthedriver,butalsoaffectthestyleoftheinteriorofthevehicle,grades,andthedegreeofluxury.Therefore,thecarseatindustryinChinaasanimportantsupportingindustryoftheautomobileindustry,arefacedwithgreatopportunitiesandchallenges.

Fromthepointofviewofthecurrentsituation,China'sautomobileseatexistalotofproblems,firstofalliswithpoorairpermeability,cannotbetimelytodistributemoistureontheseat.Summer,autoexposureinthesun,thetemperatureinsidethecarisveryhigh,theairconditioningrequiresalongtimetoachievethecoolingeffect,whichmakespassengersfeeluncomfortable,consumerscanonlypassiveacceptance,veryafflictive.Secondisnotlifting,thesameseatheight,differentpeoplesittingcomfort.Thismeansthatthisseatanduncoordinated.Fortheseproblems,Iputforwardthenewconceptcarseatdesignismainlyintheinteriorofthecarseataddrefrigerationandheatingtwo-wayadjustmentdeviceandaliftingdevice[1].Thisdevicecanmaketheman-machineengineeringtogetherwithcarseatstogether,providingamorecomfortableridingenvironmentforconsumers.

Keywords:

automobileseat;thermostat;liftingmechanism;ergonomics;

第1章概况及现状分析

1.1汽车座椅的概况

从目前来看，我国在汽车配件行业比其他国家起步较晚，存在着很多不足，例如：

市场大、技术不足等现状。

虽然我国也存在着很多知名的汽车生产商，比如长城、比亚迪、奇瑞等，但是就汽车座椅配件生产商来看，知名的较少，在自主知识产权方面仍有欠缺，具有很大的研究空间[2,3]。

特别是人与座椅相互协调方面，由于我国汽车发展较晚，很多重要的技术、生产数据、工艺流程都是依据外国的座椅尺寸进行研制的。

由于东方人群与西方欧美人群在人体尺寸上存在着差异，如果只仅仅依靠外国的座椅尺寸来设计我国汽车座椅的尺寸，不善于把人机工程学应用于汽车座椅的设计，这就导致了目前许多国内消费者抱怨国外汽车的座椅不够舒适。

因此，设计人员需要把人机工程学应用于汽车座椅的设计过程中，使座椅尺寸与东方人群的尺寸相互协调，设计出符合东方人群的座椅，从而提高消费者的使用舒适度。

1.2汽车座椅发展现状

国内发展现状：

自从改革开放以来，政府对汽车行业的投资力度整体有了明显的提高，从国家“六五”期间的投资15.9亿元，到“九五”期间的260到300亿元之间。

这就使我国在汽车行业发展十分迅速，同时也促进了我国的汽车零部件工业的发展。

特别是近几年，我国的汽车零部件行业通过多种渠道努力使自己快速发展，比如：

引入并利用外资，多渠道筹集资金，加大了投资力度和生产集中度。

这就是使汽车零部件行业成为了我们新的朝阳行业。

在引入外资的同时，零部件厂商积吸收和消化外国的先进技术，掌握生产要领，调整了产品结构，加快了产品更新的步伐，使汽车零部件的质量有了显著的提高，并开始具有自己的知识产权。

到目前为止，我国在某些主要制造工艺和检测水平已经接近国际先进水平。

虽然我们取得了很大的进步，但是仍有很长的路要走。

在我国，就座椅企业而言，虽然有不少的生产汽车座椅的公司，但是大部分为合资企业，重要的核心技术还是由外商掌握，自我的设计能力和研发能力还是比较弱的。

国家对于汽车座椅的相关政策还需要调整。

就调温座椅而言，中国并没有专门的企业从事这样的研究，虽然在这方面也有一些相关专利，但是都还需要经过实践的检验。

国外发展现状：

在国外，汽车发展比较早，汽车的各个方面发展都比较完善，因此，就汽车座椅而言，我国与外国相差很远，世界上最早的汽车座椅是由德国人戴姆勒发明的，主要是用木板材质，设计理念是人去适应产品，随着科学技术的发展，社会的进步，旧有的设计理念逐渐被淘汰，逐步走向以人为核心的设计理念，全面的对座椅进行设计和分析。

欧美等发达的国家对于汽车座椅研究十分重视，他们大部分都拥有自己的设计中心和实验中心，广泛采用计算机辅助设计和制造，并且同时对消费者进行市场调研。

到目前为止，欧美等发达的国家在汽车座椅各个方面都很完善，汽车座椅价格占整个车价的5%到10%,而我国的座椅价格只占整车3%~4%。

美国在汽车调温座椅方面发展很成熟，美国GENTHERM公司其汽车座椅调温装置已被应用到许多中高档车型当中，如凯迪拉克STSSAE100。

而在国内，可任意调节汽车座椅的温度;同时其内部的温度传感器还会监控座椅的实时温度和乘客的体温的双向调温的汽车调温座椅还是一个空白。

第2章新概念汽车座椅的方案分析

2.1汽车座椅概述

汽车座椅是人与汽车接触最多的部件，也是为乘客提供驾驶舒适性的重要组成部分。

汽车为高速运动体，乘员是处在复杂的环境中，当长时间乘坐汽车时，由于不能自由活动，因而汽车座椅极大的影响着乘客的乘坐舒适性。

舒适性良好的汽车座椅可以增加乘客驾驶舒适性，降低事故率，提高安全性能。

一般的汽车座椅应当满足以下条件[4]：

（1）良好的静态特性，

（2）良好的减震动态特性。

（3）良好地造型形

态。

（4）多种调节功能，来满足不同性别、身材的人来乘坐。

2.2汽车座椅的分类及组成

目前汽车座椅有不同的分类方式：

按材质分为织物座椅、革质座椅、真皮座椅。

按乘坐人数分类，有单人座椅、双人座椅和多人座椅;按照功能分可分为普通座椅、电动座椅、悬挂座椅、记忆座椅、轻量型座椅和安全座椅。

[5]

随着社会的发展，人们对座椅的要求越来高，各大汽车公司以及零配件公司都在大力推进汽车座椅的研发，近年来，舒适度、轻量化、功能多样性及美观性成为了汽车座椅的发展方向。

一般座椅主要由座椅蒙皮、缓冲垫、弹性单元、靠背角度调节机构、调整机构、座椅骨架六部分组成，（如图2-1）。

1-座椅蒙皮2-缓冲垫3-座椅弹性单元4-靠背角度调节机构5-调整机构6-座椅骨架[5,7]

图2-1汽车座椅结构图图2-2座椅弹性单元图

座椅蒙皮主要是指座椅的表皮，是包在坐垫和靠背总成外表面的一层材料，座椅的表皮材料根据需求和档次的不同，大多使用：

织物、人造革、皮革、塑料和粘纤等（如图2-1中的编号1）。

在座椅弹簧和表皮之间或者座椅垫和表皮之间，以及整体座椅上的柔软物体称为垫体。

通常使用一到三层聚氨酯泡沫或棕榈等（如图2-1中的编号2）。

使用目的就是保持座椅的形状、隔断在弹簧式座椅上乘坐的成员直接接触弹簧的异物感，并起缓冲和减震的作用[8]

弹性单元是指放在座椅内部能够起到减震作用的弹性机构（如图2-2），多有1.2~4mm的弹簧以及塑料或粘纤材料构成，在座椅内所占的位置如图2-1中的编号3。

现代座椅通过匹配弹性单元的刚度和减震器阻尼，达到减震和避免共振的目的。

座椅的调节机构很多，可以前后、高度、角度等等调节。

前后与上下调节机构与车身底盘相连接，可以通过手动或电动等动力进行操作。

座椅的前后调节机构大多数为滑轨机构，滑轨如果在车身坐标内水平布置，则只起到前后调节作用;如果采用前高后低的布置方式，则在座椅向后移动时，也能起到座椅高低的调节。

汽车座椅的靠背角度调节机构一般装在坐垫骨架和靠背骨架之间，在起到靠背倾角调节作用的同时也起到坐垫骨架和靠背骨架的联接作用。

靠背角度调节机构的调节方式有无级调节和微调，可以调节的范围很大。

高度调节主要作用是调节座椅的上下、水平位置，在结构上，可分油缸式、螺旋弹簧式、丝杠式、和四连杆式。

在调节方式上，可分滑轨是单独升降机构和座椅上下平行升降机构[6,8,9]。

骨架固定在车身地板上，用以支撑整个座椅和人体质量。

骨架可分为座椅骨架和靠背骨架两个部分，用法各不相同，一般分类状况，分为管状结构、钣金结构、树脂结构、钢丝结构四类。

座椅框架通常所以的材料的外径为Φ20~Φ25。

2.3汽车座椅人机工程学分析

坐姿是人体使用的较多并且较为自然的姿势。

坐姿与站姿有所不同，坐姿是以臀部支撑全身的方式，而站姿是指以双脚支撑全身的方式。

相比较站姿而言，坐姿更有利于双脚作用的发挥，特别是对于汽车的座椅来说，采用坐姿能够使乘坐者利用靠背做支撑点来增大脚的蹬力进而更有利于驾驶。

驾车过程中，需要长时间维持坐姿基本不变，乘员由于重力作用于肌肉组织，长时间姿势不变会使血液循环不通畅，各种代谢物质积聚，引起不舒适感，因此汽车座椅的设计非常关键的一点应当尽量避免重力集中导致的局部受力过大[23]。

因此设计师要了解人究竟以怎样的坐姿才能获得舒适和不易疲劳的生理反应，只有了解这一点，才能够设计出舒适、安全的座椅。

那么了解人体脊柱的组织结构、腰曲变形及舒适坐态生理要求就十分必要了。

舒适的坐姿与人体躯干骨的组织结构密切相关。

人体躯干骨是由脊椎、肋骨和胸骨组成。

人采用坐姿时，身体主要由脊柱、盆骨、腿和脚支撑，脊柱位于人体的背部中央，是人体的主要支柱。

脊柱的S形弯曲状态，是保证人体脊椎骨间肌肉静态负荷水平，以及椎间盘之间具有最佳压力的前提。

因此，在正常的状态下脊柱的腰椎部分前凸，至骶骨时后凹。

当处于非自然姿势时，椎间盘内压力就会处于不正常状态，进而致腰部酸痛、疲劳等不适应感。

当坐姿能够保持腰曲弧线正常时，脊柱椎间盘所受的压力均匀而轻微，韧带几乎无推力作用，韧带不拉伸无不舒适感（见图2-3左）。

但是，当人体坐姿处于向前弯曲时，椎骨之间的间距发生改变，相邻两脊椎前段间隙缩小，后端间隙增大（见图2-3右）。

椎间盘前端在这期间不断地受到推挤和摩擦，迫使它向韧带作用以推力，从而引起腰部不舒适感，长期积累作用，可造成椎间盘病变。

因此座椅设计从坐姿生理学角度，应该保证腰曲弧线正常；从坐姿生物力学角度，应保证肢体免受异常力作用[7，8]。

图2-3 不同坐姿时椎间盘受力分析 

因此，在座椅设计过程中，应注意以下两点[25,26]：

1、座面柔软程度应以能够保持坐骨处承受人体的60%左右的重量为宜，过软或过硬都会给乘坐人员带来不舒适感，过软的座椅会让臀部与大腿的肌肉接触受压面积增大，增加乘坐的不稳定性，同时改变坐姿时的阻力变大，容易产生疲劳。

2、坐骨下面坐面高度要合理，并且要与地面平行，结构坚实平坦保证压力合理分布，不同坐姿会影响乘坐人员的体压分布。

坐骨结节下面的坐面呈近似水平时，可使两坐骨结节外侧的股骨处于正常的位置而不受过分的压迫，人体感到舒适，斗形座面会使股骨趋于向上转动而受力，从而引起不舒适感。

所以驾驶员座面应该避免斗形座面。

2.4汽车座椅的主要参数选取

汽车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。

汽车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，以下是汽车座椅主要参数的选取方法：

1、椅面高度：

椅面高度应使乘员大腿接近水平、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。

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。

一般汽车座椅宽度取480-520mm

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，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汽车座椅深度取400-420mm。

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600mm和480mm。

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GB11550-1995《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。

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GB15083-1994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。

第3章新概念汽车座椅的总体设计

3.1调温器的概述

在我国，生产调温座椅的厂商多是代工厂商，没有自己的自主知识产权，因此在中国市场没有座椅调温器的类似产品，但各地的研发人员对于座椅调温器有一些研究。

放在座椅内的调温装置主要分为两大类（如图3-1）。

单向座椅调温装置主要是指，只可以单向加热或者制冷的调温座椅，不可以实现加热或者制冷之间的切换，由于单向座椅调温装置具有一定的局限性，双向座椅调温装置主要是指，可以实现制冷制热之间的自由切换的调温座椅。

图3-1座椅调温装置的分类

由上图可知：

双向调温座椅按其实现方式又可分为内置座椅调温装置和外置座椅调温装置。

内置座椅调温装置是指在座椅内部安装的调温装置，同时在座椅内部完成气体的温度调节和将气体送入座椅的全过程。

外置座椅调温装置

是指，在座椅外部完成气体的温度调节并且通过输入管道将气体推入座椅内部的装置。

座椅调温装置的工作原理：

图3-2调温器原理

由以上分析可得，座椅调温装置原理如图3-2为：

当驾驶人员打开调温器，风扇将外界气体倒入调温装置，再通过风道将导入调温器内部的风分散均匀，使其均匀的通过温度调节装置将气体进行加热或者制冷，最后将加热或制冷后的气体吹入座椅内部分布的导管中，通过椅面传达给驾驶人员。

驾驶员可以在制冷、制热中随意调节，并可调节制冷制热的等级。

座椅调温装置主要的零部件：

座椅调温装置中有两个必不可少的电器元件：

风扇和温度调节装置调温装置。

1.风扇

风扇主要包括：

散热风扇、轴流风扇、离心风扇、混流风扇、贯流式风扇。

风扇的主要作用是将外界气体倒入调温装置，再通过风道将导入调温器内部的风分散均匀使其均匀的通过温度调节装置将气体进行加热或者制冷。

2.温度调节装置

座椅调温装置包括两个部分的内容，分别为半导体制冷/制热片以及散热片两个部分，半导体制冷/制热片又称珀尔贴，是一种热泵，是利用半导体的珀尔贴效应，通电后半导体制冷/制热片一面制冷与其对应的一面制热，半导体制冷/制热片的一面为需要面另一面为废弃面。

它没有滑动部件、应用部首空间限制、可靠性高、安全无污染等优点。

（1）半导体制冷/制热片原理[21,22]

珀尔贴的具体原理如下：

图3-3为是一个单片的制冷片，它由两片陶瓷片组成，其中间有N型和P型的半导体材料（碲化铋），半导体元件用串联形式在电路上连结组成当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对。

电路接通直流电流后，随即产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。

吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。

A陶瓷片

半导体

导体

B陶瓷片

图3-3珀尔贴原理图

根据前面的分析，汽车调温座椅应当有两部分构成：

调温器和座椅，调温器置于座椅靠垫和座椅内部，调温器将空气进行制冷或制热，制冷或制热过的空气通过管道送入座椅内部。

该调温装置如图3-4包括有：

301入口、302-上层散热片、303-气流出口、305-废气出口、310-风道、311-风扇、312-隔热片、313导风片。

图3-4调温器设计方案1俯视图

3.2座椅调节机构的设计

（1）高度调整机构

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0～100mm。

高度调节机构主要由一套铰接杆件和调整螺杆组成，当高度调节机构下端和上端分别固定在底座侧板与轨道上时，铰接的杆件便与底座侧板、轨道呵调整螺杆组成了上下两个等腰梯形，具有稳定的整体性，防止其自由变形。

如图3.4降机构

图3.4高度调节示意图

其中，铰接杆件2与调整螺杆连接部分为光滑通孔，与调整螺杆无螺纹一端相接合，在调整螺杆有螺纹部分与连接杆件2的接触处，焊有有固定螺母，将铰接杆件2固定在调整螺杆有螺纹处和无螺纹处的中间，限制其沿调整螺杆轴向的自由度。

铰接杆件1与调整螺杆连接部分为内螺纹结构，与调整螺杆的外螺纹相连接，当调整螺杆转动时，铰接杆件1会沿调整螺杆轴向移动，