高乘坐舒适性的汽车座椅不仅可以减缓长途旅途带给驾驶员和乘员的身心疲劳,保证驾驶员更为安全的驾驶,也能潜在地提高消费者选择购买汽车时的心理接受性。所以汽车座椅的乘坐舒适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,如何能够更好的改进和完善汽车座椅的乘坐舒适性就是目前最重要的人机交互部件研究课题之一。本文的研究将从人体骨肌力学特性出发,利用国际主流的人体骨肌力学特性分析软件Any Body根据中国成年男性的身材尺寸搭建成年男性驾驶员操纵坐姿和乘员自然坐姿的模型,模拟仿真驾乘人员的主要工作肌肉(肌群)的激活程度状况和脊柱承力骨骼受力情况并进行分析,建立一个基于主要工作肌群肌肉激活程度的客观评价驾驶员乘坐不舒适度的函数,并利用先进的临床医学手段核磁共振图像判断其机理,然后进行了多人多车的实车试验测量驾驶员主要工作肌肉(肌群)肌电信号和体压数据,综合试验中主观评价的结果,为汽车座椅舒适性设计提供骨肌力学方面的定量化的设计依据。具体研究内容如下:首先,建立了汽车驾驶员在驾驶座位上处于操纵坐姿状态的人体骨肌力学模型。通过介绍人体肌肉系统中骨骼肌的结构和组成,根据肌肉收缩的机制和肌力产生的原理搭建肌肉的力学模型。基于Hill肌肉力学模型利用目前国际上广为应用的人体骨肌力学特性分析软件Any Body,在基础人体骨肌模型上面向车辆驾驶员的工作坐姿特点进行了二次开发,重点调整设置了人体各体节坐标点、运动部位、运动方式、路径及时间历程等人体运动参数,包括添加了方向盘和踏板的模型,在人体与每个人机交互部件之间建立连接使其能够进行力的传递,并解决了过约束的问题。其次,在与中国第一汽车集团公司技术中心合作的项目中抽样选取了8名职业商用车司机,利用临床医学中影像学研究分析其腰椎间盘的核磁共振图像,对商用车司机容易发生的职业病机理进行分析。在MRI图像中进行腰椎间盘核磁退变分级,通过脊柱矢状位参数数字化分析法发现驾驶员人群中人体脊柱最容易发生退行性病变的部位就是人体脊柱L4-5腰椎间盘和L5-S1腰椎间盘,这一结论与临床结论相吻合。然后利用搭建的驾驶员人体骨肌力学模型调整成符合商用车车身内部布置状态的驾驶员模型,在改变座椅椅面倾角和靠背的倾角的情况下,分析驾驶员各个腰椎间盘的受力变化。结果表明,驾驶员L4-5腰椎间盘和L5-S1腰椎间盘的承力最大,与核磁共振图像和临床结论相一致,承力最大的关节正是最容易发生退行性病变的部位;并且由模拟仿真结果得知,驾驶座椅倾角的改变有利于减小腰椎间盘的受力;在满足驾驶安全的条件下,当驾驶座椅靠背为15°,椅面倾角为3°时,驾驶员腰椎间盘的受力最小,对驾驶员的健康更有利。然后,基于人体骨肌生物力学特性针对不同乘坐姿态下的驾乘人员人体模型评价汽车座椅乘坐舒适性。通过调整座椅靠背角度和椅面倾角的大小,利用和调整搭建的驾驶员人体骨肌力学模型分析不同百分位的中国成年男性乘用车驾乘人员的腰部肌肉的肌肉激活程度变化、胸椎部分骨骼受力变化以及腿部肌肉的肌肉激活程度变化,利用相关性分析的方法筛选出人体主要工作肌群并建立驾驶员乘坐不舒适度函数。并通过真实驾驶员在实车上进行了试验,测量真实驾驶员处于驾驶姿态时不同座椅倾角状态下的腰部竖脊肌、多裂肌和腿部肌肉股直肌、腘绳肌、胫骨前肌和腓肠肌的肌电信息变化,用小波域阈值滤波算法进行去噪处理,通过对比真人实车试验的结果与模拟仿真分析出来的腰部和腿部肌肉激活程度的结果,从而验证仿真结果的真实性与可靠性。结果表明,竖脊肌的肌肉激活程度最大;人体腰椎是支撑驾乘人员保持坐姿状态的主要承力部分,腰椎第四和第五关节承力最大;人体胸椎部分受力较大的关节主要是胸椎T9、T10和T12关节;驾乘人员虽然所处的位置和姿势不同,但人体主要工作的肌群肌肉激活程度和主要承力骨骼受力的变化整体趋势相似,只在局部有所区别;腰腹部肌肉和脊柱内受力大部分都是随着靠背倾角的增加而逐渐放松的,绝大多数的腿部受力肌肉都是随着椅面倾斜角度的增加而逐渐放松的,但当椅面倾角大于7.5°时,腰腹部肌肉激活程度和脊柱内受力突然增大,故椅面倾斜角度不可以过大,不应大于7.5°;且实车试验结果与仿真分析结果具有较好的一致性的;利用相关性分析筛选出主要的工作肌群,建立了一个基于主要工作肌群的肌肉激活程度的客观评价驾驶员乘坐不舒适度的函数。最后,基于以上人体骨肌力学特性分析和临床医学核磁共振结果,在中国第一汽车集团公司技术中心配给的4台商用车上进行静态体压分布测试实验分析。考虑到驾驶座椅本身的材料、外形轮廓、倾角等因素对驾驶员乘坐舒适性产生影响,抽样选取了5名职业的商用车驾驶员分别在4辆商用车的驾驶座位上进行静态体压分布实验测试,得到真实驾驶员在其认为最舒适的驾驶状态下的体压的分布情况,并对每辆车所有实验员的体压接触面积、接触压强和峰值接触压强数据分别计算统计量画出箱形图进行分析。同时进行主观评价打分的试验,通过主观赋权法和客观赋权法综合分析计算各个评价指标的权重对主观评价的数据进行处理,对主客观数据进行一致性分析。结果表明,沃尔沃商用车和奔驰商用车的驾驶座椅坐垫部分软硬程度、外形轮廓和设计都较其他三辆车的更贴合驾驶员人体臀部的形状,包裹性也更好一些;理想的背部中部的支撑应该符合人体脊柱的生理曲线分布,奔驰商用车的驾驶座椅靠背的外形轮廓更符合人体脊柱的弯曲曲线,能给予人体背部以更好的支撑,贴合性较好;综合主观与客观评价结果分析可知奔驰商用车的驾驶座椅的骨架轮廓和坐垫软硬程度较为理想,故整体舒适度较高。