高乘坐舒适性的汽车座椅不仅可以缓解长途行驶中车辆驾乘人员身心疲劳, 保证其更为安全的驾驶, 也能潜在地提高乘员购车心理接受性, 是车用座椅产品乃至整车产品形成市场竞争力的关键技术。

早期的车用座椅乘坐舒适性设计大多采用主观评价(通用舒适度尺度GCR、Kolich问卷、DannionR.Smith问卷^[1]、驾驶员自我记录表等)和体压分布技术(测试不同驾乘人员入座后在椅面上形成的压力分布)对试制后的实椅进行性能分析。伴随着计算机仿真设计手段在汽车产品设计中的广泛应用, 原有的基于实椅的舒适性设计方法无法满足整车厂和车用座椅生产厂在概念设计阶段对座椅乘坐舒适性的设计需求。为此, 国际车用座椅设计开始逐步导入CAE分析方法, 通过建立人体和座椅的有限元模型来分析不同类型乘员在不同结构座椅上的体压分布特性, 如JACK、SAMMIE、ERGO及Pam-Comfort等座椅舒适性商业化设计软件。

近年来, 研究人员开始尝试建立人体骨肌力学模型, 并从生物力学和人机工效学角度, 进行座椅舒适性的仿真分析^[2]。Grujicic等^[3]分析驾驶员人体骨肌系统模型中的不同部位肌肉活性, 对比分析了不同座椅属性对驾驶员舒适性的影响。Amer等^[4]则将驾驶员骨肌系统模型仿真结果与真人实验结果进行了对比分析。

以上研究很好地揭示了车用座椅对驾乘人员腰腹部骨骼和肌肉带来的力学影响。但前期研究大多是关注车辆驾乘人员处于自然坐姿下的骨肌力学特性, 而没有进一步细化考虑驾驶员和乘员在不同驾乘姿态下的骨肌力学特性的不同。由于人体骨骼肌肉的协同工作, 驾驶员在把握方向盘和踩踏油门踏板时的上肢和下肢发力势必引起腰椎部分的骨骼和肌肉力学特性的改变, 而以上改变也势必导致乘坐舒适性的变化。

为此, 本文利用国际主流的人体骨肌力学特性分析软件AnyBody^[5], 分别建立了描述驾驶员操纵坐姿和副驾驶位置乘员自然坐姿的人体骨肌力学模型, 并通过座椅靠背角度的调整, 分析了车辆驾乘人员的腰腹部肌肉激活程度及骨骼受力变化, 为驾驶员座椅和乘员座椅的精细化设计提供了人体骨肌力学变化规律和定量化设计依据。

人体运动系统包括骨骼、关节(骨连接)与骨骼肌三部分。人体各骨骼通过关节相连形成的全身骨骼构成了人体的支架, 赋予人体基本的运动形态; 骨骼肌则附着于骨, 在神经系统的调控下进行收缩与舒张, 牵引骨骼改变位置和角度从而产生运动^[6]。

由于人体肌肉数量的庞大, 且从人体生物力学角度分析, 人体运动控制就是由众多的肌肉相互协同控制下的主要工作肌群的力学响应, 所以在研究时一般都是对其中运动程度较大的部分肌肉进行分析。

当人体处于正常坐姿下时, 驾乘人员的主要受力部位是与座椅靠背接触的胸腰部和与座椅椅面接触的腿部。为此, 本文从人体生物力学理论和人体脊柱解剖学角度出发, 对人体的腰腹部肌肉和胸椎骨骼进行机理分析, 也为后续的仿真建模与数据分析提供理论支撑。

如图1所示, 人体脊椎分为4个主要部分:颈椎, 胸椎, 腰椎和骶, 直立时整个脊柱呈现S型, 称为脊柱的正常生理弯曲。由人体生物力学理论分析可知^[7]当人体处于正常坐姿时, 腰椎部分承受的负荷最大, 此时的腰椎曲线容易出现前倾变形, 使脊柱处于非正常的生理弯曲, 此时人体胸椎部分主要承受座椅靠背支撑力, 受力最大的是T9、T10和T12部分, 而腰椎L1~L5的受力随人体体重分布改变而发生变化。

图1

Fig.1

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	图1 人体直立时脊柱解剖学结构图Fig.1 Spinal anatomical structure in up-right position

同时, 人体肌腱组织会受到拉伸或者挤压的影响, 导致肌肉活动量增大, 长时间会造成腰腹部肌肉酸痛; 人体后仰靠在座椅靠背时, 人体背部肌肉和腹部肌肉同时被拉伸。从理论上分析, 主要涉及的肌肉将包括竖脊肌(脊柱后方的长肌, 下起骶骨背面, 上达枕骨后方, 竖脊肌两侧同时收缩可使脊柱后伸)、多裂肌(靠近腰椎中心)、腹外斜肌和腹横肌等主要工作肌群。

为此, 根据以上人体生物力学和骨肌力学特性理论分析, 本文在后续的仿真分析中重点分析了竖脊肌、多裂肌、腹外斜肌和腹横肌等肌肉和腰椎胸椎主要承力骨骼的骨肌力学特性变化。

本文建立的骨肌动力学模型是在丹麦奥尔堡大学开发的国际人体生物力学仿真软件AnyBody 5.0.0中提供的基础人体骨肌模型基础上, 面向驾驶员和乘员的不同坐姿特点进行了二次开发。

AnyBody软件提供的基本人体模型包括了刚性骨骼、关节以及具有生理学性质的肌肉和肌腱的组合, 可以仿真分析人体在各种特定工作环境下人体所有骨骼、肌肉、关节的受力、变形、肌腱的弹性性能、拮抗作用等^[8]。

为了分析人体处于驾驶位置和副驾驶位置的不同受力和姿态, 本文对以上基础人体模型进行了二次开发。其中重点调整设置了人体模型的几何参数与各体节坐标点、运动部位、运动方式、路径及时间历程等人体运动参数。具体步骤如下:

(1)根据中国成年人人体尺寸GB10000-88采用的第50百分位中国成年男性的人体尺寸(身高167.8 cm, 体重59 kg), 对原有人体模型进行了调整, 使其能够反映中国人基本体征特点。

(2)考虑到驾乘人员坐姿特点, 在头枕、座椅靠背、椅面及脚部支撑处均添加了支撑点, 使座椅与人体之间能够进行力的传递。其中在头枕处添加了1个支撑点; 座椅靠背处, 第二胸椎、第六胸椎、第九胸椎、第十胸椎、第十二胸椎处及五节腰椎处共计添加了10个支撑点; 椅面处, 左右大腿前后部对称分布4个支撑点, 左右坐骨处对称分布8个支撑点; 脚部支撑处, 脚面前后部共对称分布4个支撑点。

(3)在座椅模型与人体模型之间添加了运动学连接, 可以使人体坐姿随着座椅靠背角度参数的改变而改变。

(4)座椅模型由头枕、靠背、椅面、腿部支撑、脚部支撑5个部分组成。椅面与靠背、椅面与腿部支撑、头枕与靠背连接处均为转动副, 可使椅面与靠背、椅面与腿部支撑、头枕与靠背进行相对转动。脚部支撑与腿部支撑连接处为棱柱副, 可使脚部支撑沿与腿部支撑垂直的方向进行相对运动。

(5)按照乘用车车身内部布置的推荐尺寸, 座椅初始高度设置为0.38 m, 椅面倾斜的初始角度设置为7° , 座椅靠背与椅面间的初始夹角设置为98° 。座椅蒙面材料与人体摩擦因数为0.5。座椅模型各部分及其初始夹角如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 座椅模型示意图Fig.2 Schematic diagram of seat model

(6)考虑到驾驶员操纵坐姿特点, 添加了方向盘模型及油门踏板模型, 并在方向盘与人体左右手、油门踏板与右脚之间添加了相应的约束。修改肘关节及腕关节角度, 使得人体以合理的姿势握住方向盘和踩踏踏板。初始参数设置如图3和图4所示。

图3

Fig.3

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	图3 处于驾驶姿态的驾驶员人体模型Fig.3 Driver’ s model in driving posture

图4

Fig.4

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	图4 处于非驾驶姿态的乘员人体模型Fig.4 Passenger’ s model in sitting posture

(1)坐姿工况下, 人体腰部肌肉受到拉伸, 并起到支持腰椎动作稳定性作用。其中, 主要受力肌肉(按肌肉激活程度大小排序)是竖脊肌、腹横肌、腹外斜肌、半棘肌、腹内斜肌、棘肌、多裂肌。

(2)人体腰椎是支撑驾乘人员保持坐姿的主要承力骨骼。其中, 腰椎L4L5间的受力与L5S1间的受力较大; 人体胸椎主要承受座椅靠背支撑力, 受力最大的是T9、T10和T12关节。

(3)驾驶员坐姿和乘员自然坐姿引起的人体主要肌肉激活程度和主要骨骼承力的整体趋势相似但局部有所区别。其中乘员腰腹部肌肉和腰椎受力随倾角增加呈下降趋势, 胸椎呈上升趋势; 驾驶员由于上肢操纵方向盘形成的人体骨肌协同动作, 在座椅靠背倾角由0° ~15° 变化过程中, 腰腹部肌肉和腰椎受力在3° ~7° 存在一个小的局部上升过程(主要原因是倾角为7° 左右时对应人体上躯干与腿臀部呈90° 直角坐姿, 也是人体正常坐位姿态), 而胸椎受力的整体变化速率较大。

(4)在后续研究中将进一步引入座椅不同软硬发泡材料和不同骨架结构乃至车辆振动等影响因素, 并重点开展不同性别及身材驾乘人员的骨肌力学特性个性化分析。