内饰设计驾驶员座椅设计毕业设计说明书

毕业设计说明书题 目: 内饰设计驾驶员座椅设计 学院(直属系): 交通与汽车工程学院 年级、 专业: 姓 名: 学 号: 指 导 教 师: 完 成 时 间: 目 录 摘要.1Abstract1第1章 绪论.11.1 研究的意义和内容.1 1.1.1 课题研究的意义.1 1.1.2 课题研究的内容.11.2 轿车座椅的功能和设计要求11.2.1 轿车座椅的作用11.2.2 轿车座椅的舒适性21.2.3 轿车座椅的安全性31.2.4 轿车座椅的设计要求31.3 轿车座椅的结构41.4 本章小结5第2章 轿车座椅的设计基础62.1 座椅的人机工程学要求62.2 人机工程学在轿车座椅设计中的应用62.2.1 坐姿与座椅62.2.2 舒适坐姿的生理特性72.2.3 体压分布与坐姿疲劳82.3 座椅主要部件的功能及结构要求92.4 座椅布置122.5 座椅的静态舒适性设计122.6 座椅的动态舒适性设计122.7 本章小结13第3章 轿车座椅外形尺寸参数的确定143.1 人体尺寸的研究143.1.1 人体静态尺寸143.1.2 人体H点的确定143.2 轿车座椅外形尺寸主要参数153.2.1 轿车座椅外型尺寸主要参数153.2.2 轿车座椅R点的确定173.3 本章小结17第4章 轿车驾驶员座椅骨架结构设计184.1 轿车驾驶员座椅骨架主要结构尺寸184.2 轿车驾驶员座椅调节机构的结构设计和计算194.2.1 前后调节机构的工作原理和相关计算194.2.2 高度调节机构的工作原理和相关计算204.2.3 角度调节机构的工作原理21 4.3 本章小结23第5章 座椅部件的设计及校核245.1 板簧的设计245.2 角度调节内板的设计245.3 高度调节支撑杆的设计255.4 滑轨的设计255.5 座椅强度校核法规275.6 座椅骨架强度校核285.7 滑轨强度计算295.8 辅助装置安全带的设计295.9 本章小结31结论32参考文献33致谢35附录A36附录B40第 2 页摘 要汽车座椅是汽车车身的重要组成部件，其结构设计对汽车驾乘人员的舒适感和安全感都有着直接的影响。其中，汽车座椅的舒适性主要受到座椅整体的外观尺寸及主要组成部分结构形式的影响。另外，汽车座椅能够实现的可调节形式和调节行程也会很大程度上影响到汽车驾乘者的操作便利性和乘坐舒适性。在进行座椅设计的过程中要充分将人的因素、产品使用的环境因素等科学的运用在一起。同时，汽车座椅的设计关系到车辆的整体安全性能，汽车座椅骨架的结构形式和座椅骨架材料应用的合理性及其质量都将会直接影响到驾乘人员的安全。因此，座椅的设计要充分符合安全性与舒适性的要求。本设计主要依据丰田花冠轿车现有的结构尺寸完成驾驶员座椅的结构设计并实现既定的功能，运用国家相关标准及技术要求，在一定分析的基础上，对座椅的动、静态特性参数进行了优选，并对主要结构如骨架及滑轨部分进行了校核。关键词：轿车；驾驶员座椅；静态特性；动态特性 ；舒适性；安全性；ABSTRACTCar seat is an important component parts of automobile body ,the structure design of the seat has direct influence to the car rides comfort and safety. Among them, the car seat comfort mainly affected by the seat of the whole of the size and the structureof the main component . In addition, what the adjustable form and adjustment of the trip the car seat will be able to realize will greatly influence to the car ride of the operation convenience and comfort. In the process of seat design ,we should apply with the persons factor, environment factor of the product using together sciencely. At the same time, the design of the car seat related to the whole vehicle safety performance, car seats skeleton structure form and seat skeleton materials and the rationality of the application of quality will directly affect the safety of personnel rides. Therefore, the design of the seat should be accordance with safety and comfort requirements fully.This design mainly basis on the Toyota corolla car existing structure size to complete the drivers seat structure design and realize the set function.It uses the relevant national standards and technical requirements, in a certain, on the basis of the analysis of the dynamic and static characteristics seat with the optimum parameters, and check the main structure such as the skeleton and slide . Key words: cars；driver seat；static characteristic；dynamic；characteristics；amenity；safety；1 绪 论1.1研究的意义和内容1.1.1课题研究的意义从人的安全、健康的角度，现代人越来越多地时间在汽车中度过，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占有，将来必将转变为挑剔。因此汽车座椅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，往往首先接触到的是座椅。从经济和技术的角度，汽车制造业正在迅速地向全面数字化设计、制造和测试这种新方式转化。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，缩短了产品设计开发周期。从这个角度来看，在技术上能够脱离那种反复的设计实验周期。1.1.2.课题研究的内容本课题的内容可以归纳为一下几个方面：（1）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；（2）结合国家相关设计标准，对座椅各方面的性能、参数进行研究与分析；（3）对轿车座椅骨架总成进行设计；（4）参考我国和国际对座椅系统强度的法规要求，对座椅骨架靠背部分结构的静强度进行分析、校核。1.2 轿车座椅的功能和设计要求1.2.1 轿车座椅的作用轿车座椅是汽车中将乘员及驾驶员与轿车车身联系在一起的重要部件。在现代汽车中，座椅的主要作用是： 1.为驾车者提供良好的支撑。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衡与平稳。2.驾乘人员的定位系统。通过座椅对驾乘者的定位，可以使驾乘者获得良好的视野，并实现驾驶员对汽车操纵系统的控制。3.为乘员提供舒适的驾乘环境。为驾乘者提供一定的舒适性，重点在于长时间驾乘。轿车空间狭小密闭，座椅就在长途驾驶的舒适性上起到尤为重要的作用。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，防止驾驶员或乘员的颈部以及头部在汽车发生碰撞时受到意外伤害。简而言之，汽车座椅的功能为：在规定的条件下，能够为驾驶员和乘员提供舒适的位置并保证乘员的安全。可见，座椅的安全性及舒适性是其重要的功能，也是汽车座椅的设计、研发中必须作着重解决的问题。1.2.2 轿车座椅的舒适性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、人体工程学等多门学科，设计时应依据人体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。汽车乘坐的舒适性包括静态舒适性，动态舒适性（又称作振动舒适性）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态下提供给人体的舒适特性，主要与座椅尺寸参数、表面质量、调节特性等有关；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到人体的舒适特性；操作舒适性是驾驶员和乘员在车内正常活动（如操纵方向盘）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，座椅不会或可以减轻对乘坐者造成伤害，并能起到一定的保护作用。座椅静态舒适性是人体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使座椅的设计满足人的生理和心理要求，为乘员提供舒适、安全的驾驶和乘车条件。2汽车座椅的动态舒适性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，上体通向大腿的血管不受压迫，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不平产生的振动，满足大多数驾乘者坐姿舒适性的要求。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。来自路面的振动（或激励）通过轮胎、汽车悬架和座椅三个减振环节传递到人体，每一部分的传递特性都影响到乘员的舒适程度。研究表明：座椅动态参数的改变对汽车其它使用性能没有影响，而且制造方便易行，周期短、见效快。因此，研究和改善座椅动态性能，对提高驾乘舒适性有着十分重要的意义。3汽车座椅的操作舒适性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可及的位置，并符合常人的习惯且操纵力量适中。座椅的操作舒适性主要包括以下两方面：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。1.2.3 轿车座椅的安全性有汽车座椅的安全性是指座椅能有效的防止事故的发生，并在事故发生时有效的减轻驾驶员及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轿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更好发挥息息相关，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。另外，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，从而有效地防止交通事故的发生，提高汽车的主动安全性。2轿车座椅的被动安全性座椅的被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员进行保护，避免发生伤害或使伤害降低至最低程度的性能。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解碰撞的强度，力图使乘员的损伤指标达到最小。 在各种事故中，座椅作为减少损伤的安全部件起着重要的保护作用。首先，在事故中它要保证乘员处在自身的生存空间之内，并防止其它车载体（如其它乘员、货物等）进入到这个空间。其次，要使乘员在事故发生过程中保持一定的姿态，以保证其它的约束系统能充分发挥其保护效能。1.2.4 轿车座椅的设计要求作为人和汽车之间连接部件，对其性能要求越来越高，轿车座椅设计应满足一下各点：1安全座椅是支撑和保护人体的构件，必须十分安全可靠，应具有充分的强度、刚度与耐久性。对可调的座椅，要有可靠的锁止机构，以保证安全。设计的座椅应满足国家标准和法规（形状、尺寸、强度等）的要求。2操作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可及的位置，并符合常人的习惯且操纵力量适中，便于驾乘者对座椅的前后上下、靠背的倾斜角度、头枕的前后上下等进行调节。 3乘坐舒适按人机工程学的要求，座椅必须具有良好的静态与动态舒适性。外形必须符合人机生理功能，而且在不影响舒适性的前提下，力求美观大方。 4结构成本座椅设计应采用最经济的结构，尽可能地减少质量。1.3 轿车座椅的结构汽车座椅伴随着汽车的诞生而出现，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、汽车设计等为一体的系统工程产品。汽车座椅(图1.1)一般由座垫及其骨架、靠背及其骨架、头枕及其骨架，以及相应的导向、调节机构等基本部分组成。轿车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，用螺钉直接固定或通过座椅调节机构固定在车身上。座椅前后调节装置、靠背角度调节装置、高度调节装置等是与座椅相关的一些装置。座椅前后调节装置就是座椅底座滑轨，用于调节座椅与地板的前后位置。靠背角度调节装置安装在座垫骨架和靠背骨架之间，用于调节座椅靠背角度。高度调节装置是安装在底座滑轨和座垫骨架之间的装置，用于调节座椅与地板间上下位置。图1.1 驾驶员座椅整体结构简图1.4 本章小结本设计力求在驾驶员座椅传统设计的基础上，在满足上述座椅作用和功能的前提下，对座椅材料和结构加以改进，以达到减轻座椅质量，降低座椅生产成本的目标。2 轿车座椅的设计基础2.1 座椅的人机工程学要求1各部贴合感：要求座椅靠背和坐垫的形状与人体背部、臀部及大腿底面的形状相贴合。贴合感强的座椅将有利于改进接触面积和部位。2横向稳定性：汽车转弯时，人体承受横向加速度，为了提高乘员的身体保持性，要求座椅的侧面稍加高，以便两跨和大腿部能轻轻支承身体。3背部和腰部的合理支承：汽车座椅设计时应提供形状和位置适宜的两点支承，第一支承位于人体第56胸椎之间的高度上，作为肩靠能减轻颈曲变形；第二支承设置在腰曲部位，作为腰靠，能保证乘坐姿势下近似于正常的腰曲弧线。4各部合适的软硬感：座椅最重要的作用是支撑乘员的身体，不能只是一把安乐椅，表面硬一些的座椅不易使人疲劳，但与身体不是特别贴合的硬座椅会压迫身体的某一部分，使疲劳感倍增。5振动舒适性：需要设计好座椅的静态刚度、共振频率及衰减特性。2.2 人机工程学在轿车座椅设计中的应用2.2.1 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，当坐立时，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，当人们坐着的时候，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;腰部脊椎过分弯曲，会造成脊椎的侧弯或是脊椎的前凸症、后凸症。 当人们在椅子上时，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。人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。2.2.2 舒适坐姿的生理特性坐姿状态下，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(已连成一体)和4块尾骨(己连成一体)连结组成如图2.1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。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。脊柱的自然弯曲弧形应如图2.1所示，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，会引起惟间盘压力改变，使腰部疼痛。 图2.1 人体脊椎构造图 图2.2 人体在不同状态下腰椎弯曲形状图2.2所示为人体在各种不同姿势下的腰椎弯曲形状。曲线c是最接近人体脊柱自然弯曲状态的坐姿，椎间盘上的压力可较正常分布。因此，欲使坐姿能形成接近正常的脊柱自然弯曲形态，躯干与大腿之间须有大约135的夹角，且座椅应使坐者的腰部有适当支撑，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 2.3所示。这两块小面积能够支持大部分上身的重量。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节腰椎之问的高度。不同用途的座椅，两点支承的作用不一样，休息用的座椅，体、腿夹角较大(舒适角度约为115)，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，对某些座椅应当具有能调节腰靠位置的装置。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。座椅的设计必须有可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各部分肌肉。2.2.3 体压分布与坐姿疲劳人在坐姿状态下，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，图2.3为人体在靠背和座垫上最适宜的体压分布，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。图2.3 人体在靠背和座垫上最事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坐骨。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，可以延长就座时间。但不论什么座面，不论l刃陌卜姿势，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2.4为座椅各部位的受力分布示意图。图2.4 座椅各个部位的受力分布2.3 座椅主要部件的功能及结构要求 2.3.1 靠背 靠背的设计主要指强度设计和造型设计，靠背造型设计时应使靠背的高度、形状符合人体曲线，给背部、肩部有效可靠的支撑和足够的侧背支撑，使驾驶员保持稳定的坐姿，避免横向滑动。靠背骨架(图2.5)，是一个关键的结构件，在前撞、侧撞尤其是后撞情况下，靠背骨架在撞击能量处理方面起关键的保护作用。图2.5 靠背骨架根据普遍轿车座椅靠背机构分析，本设计靠背选用左、右侧板，上、下横梁结构形式。2.3.2 座垫轿车座垫设计主要是座垫深度和座垫倾角。座垫深度过大时，躯干相对前移，腰部得不到良好支撑:过小时，大腿得不到良好支撑。因此，深度应按臀部至大腿表面全长的3/4设计，一般取400到480mm。座垫的倾角应兼顾安全性和舒适性，一般为2到10。座垫骨架通过调角器与靠背连接，靠背受到的载荷通过调角器传至座垫再到地板。此外，座垫骨架还承受乘客的静载荷、乘客下潜载荷(轿车高速制动时乘客向前的载荷)、乘客在座垫上运动产生的疲劳载荷。根据调节方向分，轿车座垫骨架大致有2向(前、后)、4向(前、后、上、下)和6向(前、后、上、下、前后倾斜或前、后、前部上下、后部上下)等形式，座垫骨架上装有座盆，有整体式和局部式两种。局部式座盆需安装弹簧钢丝以支撑发泡，整体式则不需要。为保证轿车日常使用需求及产经济性，本设计采用4向调节、整体式座盆的座垫骨架。2.3.3 头枕头枕(图2.6)是为提高汽车乘坐安全性和舒适性而设置的一种辅助装置。首先，头枕主要作用是保障安全。日常生活中，轿车经常发生追尾碰撞，颈椎承受到很大的加速度，头枕可以减少头部自由移动，避免或减轻乘员颈部受伤。按国家标准GB11550-1995汽车座椅头枕性能要求和试验方法头枕属汽车整车强制认证检测项目之一，轿车前排座椅应装有头枕。图2.6 头枕结构其次，正常行驶下，当脊椎与垂直面夹角超过300时，使用头枕可以避免头颈疲劳。轿车座椅中，头枕一般为一个单体，用单柱或双柱插杆，通过导套插入靠背的插座中。头枕调节机构可以对头枕进行上下和前后的调节。为同时保证轿车日常使用的安全性、舒适性和经济性，选用双柱式上下可调头枕。2.3.4 调节机构座椅调节方向主要有高度调整(图2.7-a)、前后调整(图2.7-6) .靠背仰角调整(图2.7-c) 。图2.7 座椅调节方向高度调整机构，用于调整座椅垂直位置，分机械调整、可控空气弹簧调整和电动调整等。调整范围按人机工程学原理，以满足大部分人使用要求确定。根据大多数乘员对轿车的使用需求，同时为了保证生产成本，选定机械调整机构，高度调整范围为060mm。滑道是纵向水平位置的调整机构，分单锁止滑道和双锁止滑道，一般根据锁止强度确定。安全带固定点不在座椅上时，一般选用单锁止滑道:安全带固定点在座椅上时，选用双锁止滑道。滑道位移尺寸根据相应人体尺寸和人机工程学原理确定。根据轿车使用强度以及轿车常用的安全带安装形式结合轿车实际使用空间选用双锁止滑道，前后调整距离为0100 mm。调角器主要有常啮合式和棘轮棘爪式两种类型，用于对靠背角度进行调整和锁止，必须满足GB15083-1994汽车座椅系统强度要求及实验方法规定。常啮合式调角器始终保持啮合状态，有手动和电动两种。手动常啮合调角器要连续转动旋钮座椅靠背才能调整到理想位置。电动常啮合调角器通过电机驱动齿轮进行调节，有传动平稳、强度高、调解范围大等优点，适于高档汽车座椅。棘轮棘爪式通过操作手柄进行解锁，没有电动形式。采用棘轮棘爪工作原理及板簧式复位结构，容易调整到理想位置，最大能够实现180范围有级调节，适于各类汽车座椅。为了满足轿车驾驶员日常操作的操作便利性的要求，同时控制产品成本，选用棘轮棘爪式调角器，调节范围为80到170。2.4 座椅布置根据人体的舒适坐姿和汽车设计对人体的布置要求，对座椅进行布置并确定座椅与操纵装置的相对位置；按舒适坐姿选择座椅的座面高度、座宽、座深、座面倾角、靠背的高、靠背与座面夹角；按汽车中利用人体样板进行人体布置的原则，来确定座椅与操纵装置的相对位置，确定出座椅与方向盘和加速踏板的相对位置，同时确定座椅的水平调节量和垂直调节量。2.5 座椅的静态舒适性设计座椅的静态舒适性设计须考虑的因素很多，可以概括为以下基本原则：1座椅的形式和尺度与其功用无关；2座椅的尺度必须参照人体测量学数据确定；3座椅可适当调节，以满足坐姿变换；4座椅所使用的材料应适应人体的舒适性；5座椅的位置要与其作业空间相协调，便于人员作业。由坐姿生物力学分析，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，保持上体和大腿间角在90115。同时，小腿向前伸，大腿与小腿、小腿与脚掌间也应达到一定角度。另外，根据驾驶室的微气候环境，调整座椅表面的温湿度特性，可以适当调节人体代谢，达到减轻疲劳的目的。2.6 座椅的动态舒适性设计驾驶员座椅动态舒适性主要与震动特性有关。对于有悬架的座椅系统，影响其动态特性因素有：座垫的刚度和阻尼系数，悬挂系统的质量、刚度和阻尼系数以及座椅系统连接件的摩擦；对于非悬架座椅系统主要考虑座垫的刚度、阻尼以及座椅钢架结构的动态性能。刚度决定座椅的共振频率，二阻尼系数决定座椅的振动衰减特性。虽然座椅系统的质量和结构连接件的摩擦会影响整个座椅系统的动态性能，但由于质量和摩擦受其他因素限制而不会变化太大，所以刚度参数和阻尼系数就成了影响整个座椅系统动态性能的主要因素。影响驾驶疲劳的震动主要是行驶中因道路凹凸不平而引起车辆书记振动和车辆本身的机械振动。驾驶员受到纵向、横向及垂直方向的直线振动，以及绕着3个方向的角振动。其中垂直振动和绕纵、横坐标轴的角振动对人体的影响较大。振动通过座椅传递到人体的臀部、后背部而引起全身性振动。因此，在设计汽车座椅时应尽量隔离人体敏感的振动。在座椅设计中可采取如下措施：减小座椅共振频率，降低对人体最有影响的高频区；降低共振时的振动传递率；降低乘员10 Hz附近的振动传递率，以减轻弹簧以下的共振的影响和减少来自座椅靠背的高频振动；把路面一轮胎、悬架、座椅一人三者看作一个整体大动力学系统，寻求在各种路面随机输入情况下使乘员不易疲劳的最优结构。另外，对于座椅的动态特性按照传入人体的能量最小、使人体在感频率区域动态响应最小、传给人体的加速度均方根值最小等目标进行优化，与汽车的其他减振系统相匹配，使人体处于更合适的振动环境，这些都是减轻驾驶疲劳的重要措施。2.7 本章小结综上所述，人机工程学应用于汽车座椅设计，能使座椅符合人体需求，从而保证乘坐和驾驶的舒适性和行车安全性。能提高人车接口的设计水平。随着数字化设计应用的不断深入，人机工程应用在汽车设计中的方法也更加精确，人机工程学将更注重人的信息处理能力，更注重人一机一环境的完整研究，并运用系统论、信息论等新兴科学来研究这个新的系统，以创造出更适合于人类使用的汽车，使人机系统的综合效能达到最佳水平。第 15 页3 轿车座椅外形尺寸参数的确定3.1 人体尺寸的研究各种设备和工具等设计对象在适合于人的使用方面，首先沙及的问题是适合人的形态和功能范围的限度口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坐姿尺寸等。3.1.1 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GB10000-88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。根据有关统计数据，结合本毕业设计的需要，列举如下我国人体基本尺寸男(18-60岁)第95百分位以及女(18-55岁)第5百分位相关数值，见表 3.1。表3.1 我国人体基本尺寸尺寸名称尺寸数值（mm）尺寸名称尺寸数值（mm）男女男女坐高958809最大肩宽469363坐姿颈椎点高641518坐姿臀宽355310坐深494401小腿加足高4483423.1.2 人体H点的确定H点指人体身躯与大腿的铰接点，即胯点。根据相关的法规规定，首先利用GB11559-1989汽车室内尺寸测量用三维H点装置所规定的三维H点测量装置，即H点三维人体模型(图3.1)，再按照GB11563-1995汽车H点确定程序中规定的H点确定程序确定三维人体模型的H点。H点三维人体模型由背板、座板、大腿杆及头部空间探测杆等构件组成。座板模仿人体臀部及大腿，是二者的合一。背板模仿人体的背部。H点三维人体模型的各构件尺寸、质量及质心位置均以人体测量数据为依据。模型的背板与座板在相当于人体胯关节处通过转动副相铰接。转动副的转动中心点即H点。图3.1 三围H点测量装置3.2 轿车座椅外形尺寸主要参数3.2.1 轿车座椅外型尺寸主要参数1椅面高度：椅面高度定义为椅面前缘至驾驶员踵点的垂直距离。参数数值测量要点座高（mm）360-480在座面上压以60kg,直径350mm的半球重物时测量座宽（mm）370-420在座椅转动轴与座面的交点处或座面深度方向二分之一处测量座深（mm）360-390在腰靠g=210mm处测量，测量时为非受力状态腰靠长（mm）320-340腰靠宽（mm）200-300腰靠厚（mm）30-50腰靠上通过直径400mm的半球状物施以250N的力时测量腰靠高（mm）165-210腰靠圆弧半径（mm）400-700座面倾角（）0-5腰靠倾角（）95-115表3.2 工作座椅的主要参数根据表3.1相关尺寸，人体小腿加足高为342-448mm。根据表3.2工程座椅设计的尺寸推荐值，座高为360-480mm。2椅面宽度：座椅座垫两侧宽度。根据表3.1相关尺寸，坐姿臀宽310-365。根据表3.2工程座椅设计的尺寸推荐值，座宽为370-420。结合轿车座椅座面需要对驾乘者进行横向支撑，以防止驾乘者在出现离心力时臀部产生横向滑动，要在座椅椅面两边附加额外防滑凸起设计，所以椅面总宽度选定500mm。3椅面深度：指椅面前缘至靠背前面水平距离.深度过大时，躯干相对前移，腰部得不到良好支撑，引起疲劳；过小时，大腿得不到良好支撑。根据表3.1相关尺寸，坐深401-494mm。根据表3.2工程座椅设计的尺寸推荐值，座深为360-390mm。考虑到轿车座椅与一般工程用座椅不同，小腿向前倾斜角度大，所以为了保障驾乘者的臀部和大腿部被充分支撑和包裹，椅面深度选定505mm。4靠背高度：靠背最下端到最顶端的距离。根据表3.1相关尺寸，坐姿颈椎点高579-701mm。根据表3.2工程座椅设计的尺寸推荐值，腰靠长为320-340mm。考虑到轿车座椅须为驾乘者腰背部提供完全的支撑和定位，与一般工程座椅不同，同时为保证座椅靠背在具有角度倾斜时同样可以保证对驾乘者的支撑，所以靠背高度选定600mm。5靠背宽度：靠背两侧最宽的距离。根据表3.1相关尺寸，最大肩宽368-469mm。根据表3.2工程座椅设计的尺寸推荐值，腰靠宽320-340mm。与椅面宽度的选定原因相同，为避免和减少驾乘者腰背部在座椅上产生横向滑移，靠背宽度选定465mm。6靠背倾角：靠背倾角是指靠背与椅面水平方向的夹角。根据表3.2工程座椅设计的尺寸推荐值，腰靠倾角为95115。根据轿车驾乘者的实际使用需求，同时满足驾驶舒适、安全性以及休息时的便利性，靠背倾角调节范围为80170。7椅面倾角：指椅面与水平之间的夹角。根据表3.2工程座椅设计的尺寸推荐值，座面倾角为05。轿车座椅的椅面的倾角应兼顾安全性和舒适性，一般为210。8头枕尺寸根据GB11550-1995汽车座椅头枕性能要求和试验方法，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。确定头枕高度为208mm,宽度为240mm,厚度为l00mm、头枕可调节范围为0-100mm，见图3.2。图3.2 头枕尺寸轿车座椅中，头枕一般为一个单体，用单柱或双柱插杆，通过导套插入靠背的插座中。头枕调节机构可以对头枕进行上下和前后的调节。为同时保证轿车日常使用的安全性、舒适性和经济性，选用双柱式上下可调头枕。3.2.2 轿车座椅R点的确定R点”即“乘坐基准点”指制造厂规定的设计H点，该点：1确定了由制造厂规定的座椅每个设计乘座位置的最后面的正常驾驶和乘座位置，它考虑了所有的座椅可能调节状态(水平、垂直及倾斜)。2具有相对于所设计的车辆的结构建立的座标。 3模拟人体躯干和大腿铰接中心位置。4做为安放二维人体样板的参考点。根据轿车座椅R点确定的经验和推荐值，轿车驾驶员座椅R点为距离靠背基准面135mm、距离座位基准面97mm的一点。3.3 本章小结本章根据人体尺寸、H点及工作座椅主要参数确定轿车座椅主要外形参数及R点4 轿车驾驶员座椅骨架结构设计座椅骨架不但要承受人体质量，同时还要经受汽车启动、停止等重复动作和冲撞事故的冲击。骨架的结构主要分为钢质冲压骨架、管式骨架和合金铸造骨架三种。管式骨架成本最低，但难增加更多的功能。钢质冲压骨架功能配置灵活，很多功能能够被直接加在骨架上。合金铸造骨架特点是质量轻、强度高，但造价较高。根据汽车的设备能力、生产成本等情况，本设计选用钢质冲压骨架。4.1 轿车驾驶员座椅骨架主要结构尺寸1靠背骨架结构设计和尺寸确定靠背骨架的设计主要指强度设计和造型设计，靠背造型设计时应使靠背的高度、形状符合人体曲线，给背部、肩部有效可靠的支撑和足够的侧背支撑，使驾驶员保持稳定的坐姿避免横向滑动。靠背骨架是一个关键的结构件在前撞、侧撞尤其是后撞时，在撞击能量处理方面起关键的保护作用。参考3.3.1中关于座椅靠背部分的外形参数，除去座椅蒙皮后的座椅靠背骨架参数和结构如图4.1所示。图4.1 靠背骨架主要尺寸和结构形式靠背两侧板、上下横梁均为Q215-A冲压薄板。2座椅底座侧板结构和尺寸确定座椅底座侧板结构(图4.2)通过调角器与靠背连接，一般左右两侧底座的前部和后部均由钢管或钢杆相互连接，以保证底座两侧板的整体性和连动性。图4.2 底座侧板结构椅底座两侧板均为Q275钢板。底座侧板结构中，前杆和后杆隶属于座椅的高低调节总成(详见高度调节机构部分)。4.2 轿车驾驶员座椅调节机构的结构设计和计算4.2.1 前后调节机构的工作原理和相关计算1结构形式及工作原理前后调节机构(图4.3)即座椅滑道，是纵向水平位置的调整机构，在本毕业设计中左右两侧均选用内外导轨式结构，两侧用前后调节操纵杆连接和控制，其中内导轨中间安有内外导轨锁止机构，当用前后调节操纵杆调整到合适位置是，松开操作杆，锁止机构将内外导轨连接并锁止，达到调节并锁止的目的。前后调节机构调内外导轨材料均为ST12。图4.3 前后调节机构2调节范围的计算如图4.4在与锁止机构相连接的外导轨下端，开有8mm等距分布的小孔，用于与所及机构相扣合。每个等距分布17个均为7X7mm的小方孔，锁止机构每次均占用3个小方孔，则最大调节距离为（17-3）（8+7）=210mm。因此，前后调节机构调节范围为0210mm，即0105mm。图4.4 外导轨等距孔4.2.2 高度调节机构的工作原理和相关计算1结构形式及工作原理高度调节机构(图4.5)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、轨道和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。图4.5 高度调节机构其中，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，改变铰接杆件上下杆与调整螺杆的角度，从而使底座得到垂直方向的的位移改变。调整过程中，如图4.6，高度调节机构调整一侧的垂直方向位移改变会通过座椅左右两侧铰接杆件间的前后杆，带动另一侧的铰接机构产生垂直位移，达到底座在垂直方向位移整体改变的目的。图4.6 高度调节左右连动杆高度调节机构铰接杆件部分材料为45钢。2调节范围的计算在本毕业设计中，铰接杆件1在调整螺杆轴向位移范围为54mm，如图4.7,当铰接杆件1被调整到如图最左端时,则，座椅在垂直方向上共调节，因此，高度调节机构调节范围为。图4.7 高度调节简图4.2.3 角度调节机构的工作原理本毕业设计中，角度调节机构为棘轮棘爪结构形式，是对靠背、座垫夹角进行调整和锁止的机构。角度调节机构(图4.8)主要由外侧上板、外侧下板、内板、板簧、锁止机构、角度调节操纵杆和连动杆等部件组成。其中，外侧上板焊接于靠背侧板下端，内板用螺栓螺母固定于底座侧板后端。其工作原理为，当角度调节操纵杆进行转动时，连动杆同时随着转动，连接在连动杆上的板簧2会逐渐卷缩，而带动锁止机构下移，从而解除内板和外侧上板间的锁止，此时当操作者对靠背施以向后的力或者依靠板簧l的恢复力，就可以对靠背的角度进行调节，当调整到合适角度位置时，松开角度调节操纵杆，在板簧2的恢复力作用下，角度调节操纵杆会回到初始位置，而锁止机构也会重新弹回外侧上板的齿牙内，对内板和外侧上板进行锁定。图4.8 角度调节机构在整个调整过程中，通过连动杆的连接，座椅两侧的角度调节机构会同步对靠背角度进行调节。角度调节机构角度调节范围由内板上的弧形开槽确定，位于外侧上板的突出销，只能在圆弧开槽范围内活动，即80170,如图4.9。图4.9 角度调节机构内板角度调节机构外侧上、下板及内板均为08F钢板。 （4.2）4.3 本章小结确定座椅骨架尺寸及根据各个调节机构工作原理确定前后、上下、角度调节机构的尺寸，并进行相关计算。5 座椅部件设计及校核5.1 板簧的设计板簧是控制座椅靠背自动回位的重要部件。座椅调角器板簧，由板条绕制而成，板条的横截面呈圆弧形，如图5.1。65Mn弹簧钢，锰提高淬透性，12mm的钢材油中可以淬透，表面脱碳倾向比硅钢小，经热处理后的综合力学性能优于碳钢，但有过热敏感性和回火脆性。用作小尺寸各种扁、圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条，也可制作弹簧环、气门簧、离合器簧片、刹车弹簧及冷拔钢丝冷卷螺旋弹簧。65mn 强度、硬度、弹性和淬透性均比65号钢高，具有过热敏感性和回火脆性倾向，水淬有形成裂纹倾向。退火态可切削性尚可，冷变形塑性低，焊接性差。 受中等载荷的板弹簧，直径达7-20mm的螺旋弹簧及弹簧垫圈.弹簧环。因此，板簧的材料选用65Mn弹簧钢。抗拉强度 b (MPa)：980(100) 屈服强度 s (MPa)：784(80) 伸长率 10 ()：8 断面收缩率 ()：30 硬度 ：热轧,302HB;冷拉+热处理,321HB图5.1 板簧5.2 角度调节内板的设计角度调节内板(图5.2)主要加工表面有弧形通孔、两个对称长条通孔、三个圆通孔，两个直径15通孔粗糙度为3.2，板的材料选用08F钢。零件大批大量生产，为降低成本，在满足使用的条件下，采用模锻毛坯。图5.2 角度调节内板5.3 高度调节支撑杆的设计高度调节支撑杆(图5.3)是高度调节铰接杆件中的一部分，其通孔部分要分别与销和底座前杆或后杆进行转动配合。图5.3 高度调节支撑杆杆的主要加工表面有上下两个平面、两个通孔、两端半圆，两通孔内粗糙度为0.8，其余均为3.2，杆的材料选用45钢，经调质处理HB230。零件大批大量生产，为降低成本，在使用性能满足的条件下，采用模锻毛坯。5.4 滑轨的设计滑轨的材料选择ST12， ST12是普通冷轧刚，ST13冲压级冷作刚，ST14是深拉伸级的。 滑轨分为内滑轨和外滑轨两部分。ST12：表示为最普通的钢号，与q195、SPCC、DC01牌号材质基本相同 ST12力学性能：屈服强度a MPa280;抗拉强度 MPa270410;断后伸长率（L0=80mm，b=20mm）28 冷轧钢是我们最常见和最常用的冷轧产品。其牌号一般可分为：ST12，ST13，ST14，ST25，ST16等；机械性能：其是最普通的，最基础的钢号，原则上（钢厂规定）只能折弯，成形，不允许冲压。 冷轧板带用途很广，如汽车制造、电气产品、机车车辆、航空、精密仪表、食品罐头等。 ST12成分：碳(C)0.10,锰(Mn)0.50,磷(P)0.035,硫(S)0.0355.5 座椅强度校核法规在FMVSS-207法规中对靠背静强度规定，对座椅靠背施加相对于座椅参考点R点，大小为372Nm的载荷时，座椅应能承受以上载荷。其它法规规定虽然与之有所差别，但中心思想是一致的；在ECE-R17中对靠背静强度的规定是对座椅靠背施加相对于座椅参考点R点，大小为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、调节系统或锁止统不得失效，其加载示意图如5.4所示。我国也根据本国实际情况，制定了座椅靠背静强度法规，在GB15083-1994中作了如下规定，对座椅靠背施加相对于座椅参考点R点，大小为372Nm的载荷时，座椅应能承受以上载荷。座椅及座椅固定点应能承受以上载荷；锁止机构不得打开；位移及角调节机构不得松脱。图5.4 ECE-R17对靠背静强度加载规定的示意图5.6 座椅骨架强度校核设人体体重150kg,则靠背承受通过其质心约1470N的载荷时，应力分布基本对称，最大应力出现在调角器内板和靠背的连接处。下面将对靠背和调角器连接轴进行强度校核。1.靠背质心上的载荷为1470N连接轴长为L=576mm，直径D=10mm 材料为ST12。M1 M2 M3图5.5 连接轴力矩示意图则连接杆受力为 受力分析得，连接轴只受人体切应力。根据静力学关系有切应力公式： (5-1)切应力值与材料性质无关，只取决于内力和横截面形状。当时，切应力最大，得出上式。式中 Wt抗扭截面系数，截面扭矩，最大切应力。对于圆杆，有实心圆截面可得 (5-2)带入数据整理得，。综上所得，连接杆上的应力小于ST12钢的拉伸极限340MPa,满足强度条件。2.靠背下横梁受力分析横梁中心受力垂直纸面向里为F,焊接点受力垂直纸面向外为图5.6 连接轴力矩示意图下横梁材料为Q215-A（普通碳素钢）抗剪强度为270340，抗拉强度为340420，伸长率为2631，屈服强度为220 图5.7 下横梁剪力示意图设F为1000N，根据公式5-1得到，得到则该横梁符合强度要求。5.7 滑轨强度计算1.与锁止机构相连接的是内导轨，锁止块截面积 根据公式 (5-3)式中剪切力，Q所受冲力，A截面面积有， 根据材料ST12钢的极限值计算锁止块所能承受的冲力为：