автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Разработка методики расчета и выбор рациональной формы поверхностей автомобильных сидений

На правах рукописи

ШИШКИН МИХАИЛ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОЙ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ СИДЕНИЙ

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2004

Диссертация выполнена на кафедре "Автомобили и тракторы" Нижегородского государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Барахтанов Л.В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Палутин Ю.И.

кандидат технических наук Колтунов В.А.

Ведущее предприятие - Нижегородский филиал

Института машиноведения РАН (г. Нижний Новгород)

Защита диссертации состоится " 10" февраля 2004 года в _14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.04 в Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, г.Нижний Новгород, ГСП-41, ул.Минина, д.24, ауд. 1258.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат диссертации с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан января 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Сиденье автомобиля является элементом, которое непосредственно связывает человека с автомобилем, создает психологический и физиологический комфорт. Оно обеспечивает длительное поддержание работоспособности водителя, сказывающееся опосредованно на безопасности движения. Сиденье также участвует в обеспечении защиты человека от вредного воздействия длительной сидячей позы на здоровье. В ряде автомобилей оно интегрировано в систему вторичной виброзащиты. На скоростных автомобилях и внедорожниках оно выступает в качестве фиксатора положения тела при значительных боковых и вертикальных ускорениях, В рамках обеспечения требований безопасности сиденье как элемент конструкции должно соответствовать заданным требованиям прочности. Подобное множество функций, наложенных на него, указывает на то, что этому элементу уделяется существенное внимание. В условиях жесткой конкуренции производителей оно стало дополнительным фактором, который вносит свой значимый вклад в обеспечение конкурентоспособности марки производителя.

Вместе с этим отсутствует научное обоснование выбора формы поверхности сиденья. В 80-90 годах ушедшего века в условиях интенсивного движения на автомагистралях отмечалось множество аварийных ситуаций с человеческими жертвами. Статистически обосновано увеличенное число заболеваний среди водителей по отношению к другим группам промышленных рабочих такими болезнями, как радикулиты и дегенеративные изменения в позвоночнике. Происходит выбытие из среды водителей профессионалов по причинам выше указанных заболеваний. Одной из причин этих процессов является неэффективная форма подушки и спинки сиденья, которая вызывает быструю утомляемость водителя, снижает его внимание, способствует увеличению числа ошибок в управлении автомобилем и в оценке ситуации на дороге.

На российских автозаводах в условиях недостаточного финансирования и отсутствия современных измерительных систем наблюдаются объективные ограничения в обеспечении качества новых разработок (с упреждением на 10-15 лет вперед). Если при проектирования рабочих мест и пространства кабин и кузовов автомобилей используется научный подход с учетом известных достижений в области эргономики, то в отношении проектирования формы поверхности автомобильного сиденья доминирующим фактором остается субъективный взгляд художника-дизайнера. Для конструктора остаются неизвестными зависимости комфорта посадки от жесткости конструкционного материала и формы подушек, от расположения сиденья по высоте и углу наклона За исключением субъективного суждения практически не существует измеряемых численных критериев комфортности посадки. В связи с этим является актуальным аналитическое обоснование выбора формы поверхности автомобильного сиденья и. оценки влияния на нее конструктивных параметров и особенностей телосложения людей.

Цель работы. Разработка методики расчета и выбор рациональной формы поверхности автомобильного сиденья на основе математической взаимодействия его с человеком, которая учитывает субъективные ощущения особенности физиологии человека.

Объекты исследований. Сиденья автомобилей ГАЗ-3110

Научная новизна работы.' . :

1. Предложен критерий• объективной, .количественной, оценки комфортности сиденья, учитывающий распределение контактных давлений на подушке и спинке сиденья и. 1фивизну линии позвоночного столба. \ ,„''

2. Получены зависимости показателей комфортности от различных параметров.

3. Разработаны алгоритм, и методика расчета-рациональных форм поверхности •'■..- подушки и спинки сиденья, учитывающие нелинейности в параметрах ".. жесткости поверхностей сиденья и тканей тела человека. . ,.,. .. ........

4.. • Разработан комплекс программ для реализации предложенной методики..'." Практическая значимость г ; ^ / „ ,

1. Разработана методика, расчета рациональных форм поверхностей подушки и спинки сиденья. ."........:".;. .,• ■. ! ,

2. Показаны возможности улучшения комфортности посадки на существующем - сиденье автомобиля ГАЗ-3110 за счет изменений в конструкции сиденья.

3.: • Предложены рекомендации по диапазонам регулировок величин, относящихся к

сиденью автомобиля. Реализация? работы.7--.

1. Разработана:и.и?г.отрвлено. экспериментальное сиденье с эффективными характеристиками дла автомобиля ГАЗ-ЗПО. Сиденье прошло апробацию в условиях опытной эксплуатации.

2. Результаты экспериментально-теоретических исследований, рекомендации ло проецированию рациональных форм поверхности сидений и методика расчета форм поверхностей используются на промышленном предприятии по выпуску

. автомобилей малых серий ООО "Техносервис-Н" и в ООО НПФ "ТОР". 3.. Методика, алгоритмы и комплекс, программ используются в учебном процессе •. на кафедре "Автомобили и тракторы" Нижегородского государственного, технического университета. Положения, выносимые на защиту... ]. Критерий объективной количественной оценки комфортности сиденья.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований зависимости комфортности автомобильных сидений от.различных параметров. : . / , ..

3. Методика расчета рациональной формы поверхностей подушки, и спинки сиденья. . .. .„ ..... Апрпйапия работы. Основные положения работы.докладывались на

региональном молодежном научно-техническом форуме "Будущее технической науки нижегородского; региона". (Н.Новгород, НГТУ, 14 мая .2002 "г,); ХХ\;Х Международной научцр-теш^чесщэй конференции А/Ш "Приоритеты, развития отечественного автогракгоростроения и подготовки.инженерньге и научных кадров" (Москва, МГТУ .'^'М АМН",•: 25—2.6-рентября'Л 002. п.)^.между народной научно-технической конференции: "Проблемы- транспортных .« технологических комплексов" (Н.Новгород, НГТУ, 4-6 декабря 2002. г.); 8-й Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки): (Дзержинск; .10--М февраля 2003 г.); И Региональной научно-технической "конференции "Будущее технической науки нижегородского региона" (Н.Новгород, НРТУ, .1-6 мая. 2003г.); Всероссийской, научно-технической конференции "Современные тенденции развития, автомобилестроения в России* • :'■'

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 12 печатных работах.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, общих выводов, приложения и содержит 185 страниц машинописного текста, в том числе 97 иллюстраций, 52 таблицы, список литературы из 146 наименований и приложение на 63 страницах.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулировны цель исследования и положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается анализ состояния исследований в области, связанной с проектированием сидений в автостроении.

Проблемы статической и динамической комфортабельности автомобиля, рационального размещения органов управления и рабочих усилий на них рассматривались в работах Р.А. Акопяна, Г. Бранкова, С.И.Горшкова, А.И. Гришкевича, В.П.Зинченко, В.А. Иларионова, Б. Ф. Ломова, А.А. Мельникова, И.Г. Пархиловского, Я. Рознера, Р.В. Ротенберга, А.А. Силаева, Б.С. Фалькевича, А.А. Хачатурова, В.Б. Цимбалина, Е.А. Чудакова, В. Akeiblom, H. Bubb, D. Conover, G. Burger, J. Faverge, D. Menoud, K. Murrell, H. Schobeth, R. Veneruso, W. Woodson ч др. Предпринимались усилия по оценке внутренних физиологических процессоз в организме человека в условиях его пребывания в автомобиле. Этому посвящены работы А.С.Аруина, Е.М.Баранова, А.И.Вайсмана, М.И.Виноградова

B.М.Зациорского, З.М.Золина, Н.Н.Малинской, И.П.Павлова, В.Е.Райхинштейна, А.А.Ухтомского, Я.Л.Цивьяна и др. Активно применяются экспериментальные методы по субъективной оценке комфортности человека в позе "сидя" на автомобильном сиденье (H.Bubb, K.Kamijo, B.Trott, H.Umehara, R.Veneruso и др.). В частности, были установлены предельные допустимые контактные давления, при которых человек не испытывает субъективного ощущения дискомфорта. Предпринимались исследования с целью построения математических моделей взаимодействия человека с автомобилем (Б.А. Потемкин, Г.Я.Пановко, Г.Бранков,

C.М.Кудрявцев, А.В.Шатилов и др.).

Анализ опубликованных работ показал недостатки эмпирического подхода к построению упругой объемной поверхности контакта человека с автомобильным сиденьем. Отсутствует аналитический критерий комфортности контактного взаимодействия. Не определены параметры тела человека, которые необходимы для конструирования сидений на основе математического моделирования. Отсутствует методика аналитического построения свободной формы поверхностей подушки и спинки сиденья.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Разработка количественного не зависящего от субъекта критерия комфортности сидений.-

2. Разработка математической модели взаимодействия тела человека с сиденьем и вычислительных алгоритмов для исследования взаимодействия.

3. Создание алгоритма и методики расчета рациональных форм поверхностей подушки и спинки сидения для автомобилей.

4. Определение зависимостей комфортности сидений от различных параметров.

5. Исследование характерных параметров человека и конструкций сиденья с целью их последующего использования в аналитических исследованиях.

6. Разработка измерительных средств и методов проверки сходимости результатов аналитических и экспериментальных (на опытных образцах) исследований.

7. Разработка практических рекомендаций для улучшения эргономических

показателей серийных автомобильных сидений.

Во второй главе излагается аналитическое описание критерия комфортности, модель взаимодействия человека с сиденьем, формулируются задача оптимизации и методика расчета рациональной формы сиденья.

В настоящей работе комфортность, а точнее, дискомфорт, сиденья количественно оценивается с учетом двух факторов - формы распределения контактных давлений на подушке и спинке и кривизны линии позвоночника сидящего на сиденье человека. На основании этих факторов сформулированы соответственно два критерия дискомфорта сиденья.

В качестве критерия дискомфорта сиденья с точки зрения формы распределения контактных давлений взято среднеквадратическое отклонение по поверхности нормированных контактных давлений сидящего человека от эталонного оптимального нормированного распределения, выражаемое соотношением (1)

где Р(х,2) иР^Х.г) - реально действующее и принятое за оптимальное давления в точке контакта тела человека и сиденья с координатами (х,г), Р и Р0 - среднее давление и среднее давление, принятое за оптимальное, по поверхности контакта, Хц, х,, г^(х), г, (х) - координаты границ зоны контакта д ля человека с массой Л/0; 5"- площадь контакта с сиденьем для человека с массой Мь,к„кг - коэффициенты пересчета координат х и I Наилучшим значением критерия является величина "О", за наихудшее для подушки принята величина "0,4" (соответствует сиденью с жесткой плоской горизонтальной поверхностью).

Предельные контактные давления между телом человека и сиденьем, при которых человек не испытывает субъективных ощущений неудобства, были определены ранее в исследованиях (В.ТгоИ и др).

Для описания взаимодействия между человеком и подушкой (или спинкой) сиденья при помощи матрицы упругих элементов, расположенных через равные расстояния, введены эквивалентные (1) критерии и О^,, определяемые формулой

(2)

^Ш^Ш^^/Р, , (2)

где И, М - число рядов упругих элементов по каждой из координат, Ру, Р? контактные силы взаимодействия упругих элементов и сумма их; -

оптимальные контактные силы и сумма их.

В качестве критерия дискомфорта сиденья с точки зрения формы позвоночника использовано среднеквадратическое отклонение кривизны линии оцениваемого позвоночного столба от эталонной оптимальной кривизны (соответствующей позе "стоя") по длине позвоночника:

2

Лх . (3)

Здесь р(х) - радиус кривизны позвоночного столба; р0(х) - оптимальный радиус кривизны позвоночного столба; Дад - константа, равная минимально возможному среднеквадратическому отклонению кривизны в позе "сидя" от кривизны в оптимальной позе "стоя".

При описании позвоночника с помощью звеньевой модели со звеньями равной длины и небольших по величине углов между звеньями введены эквивалентные (3) критерии Зси1 и определяемые формулой (4).

где N - число звеньев, I - длина звеньев, Да, и Доц,, - углы в шарнирах ломаной и оптимальные углы соответственно.

Для спинки сиденья введены два показателя дискомфорта: Ост и Для комплексной оценки спинки в работе также используется комплексный критерий дискомфорта спинки, выражаемый формулой (5):

Аяо = -¡¡кс/ыРех, + ^О^Ака >

где - коэффициенты.

В диссертации описывается модель взаимодействия человека с сиденьем, состоящая из двух частей - моделей взаимодействия человека с подушкой и со спинкой сиденья.

Модель подушки сиденья представляет собой конструкцию с основанием, на котором установлены через равные расстояния упругие элементы. Каждый из них имеет свою жесткость к*(Ах) и длину в свободном состоянии. Модель бедра человека также представляется жесткой пластиной с закрепленными на ней равномерно расположенными упругими элементами. Каждый из них также имеет свою жесткость А^(Аг) и длину в свободном состоянии Ь". Концы элементов бедра либо свободны, либо контактируют с концами упругих элементов сиденья. Положение бедра задается высотой расположения сиденья, точкой опоры ступни, длиной голени, длиной бедра, а также весовыми характеристиками частей тела.

Силы упругости элементов бедра р" определяются выражением

¡кЦШ, (6)

где Д>£ =у£ - у^ - удлинение упругого элемента; к" (у) - коэффициент упругости

Силы упругости элементов сиденья определяются по аналогичной формуле.

(7)

Должно соблюдаться равенство моментов сил нулю относительно шарниров колена и туловища А и Нсоответственно:

- ^ )р„ со«Р=а (8)

-r(P,cosß-Ä0i)-it =0,

(9)

где Rol - проекция R0 на перпендикуляр к бедру (если нога не касается пола, это слагаемое равно нулю), ß - угол наклона бедра к оси ОХ, Lh -длина бедра.

Расчет производится итерационным методом. В цикле идет подбор величин ун и ул> чтобы выполнились уравнения (8) и (9).

Модель спинки сиденья также представляет собой основание с установленными через равные расстояния упругими элементами. Спина человека описывается набором из N поверхностей (звенья), соединенных друг с другом горизонтально расположенными шарнирами (рис. 1). /, - длина звена I. Форма позвоночника однозначно определяется углами наклона звеньев к

оси ОХ (спинке сиденья)

Соединения звеньев шарнирно-упругие В местах сочленения звеньев создается момент

,_„ ¿=2,N, Ла,0- угол между

/

где Да, =а, -а

звеньями в свободном состоянии.

Со стороны сиденья действуют силы Т*";^, Г11Р, ..., ..., направленные

перпендикулярно спинке сиденья. Величина сипы Р'¡¡ф определяется по формуле

Рис. 1. Звеньевая модель _

взаимодействия человека со ««Л*

Ь(х,х) - форма спины человека в свободном

спинкой сиденья

состоянии, щх,х) - форма спинки сиденья также в свободном состоянии, 1 = 1, Л^, к = \,М, р=\,Р. В настоящей работе предполагается, что к каждому звену прикреплено по одной массе, а также д лины звеньев позвоночника одинаковые

Уравнения статики для звена I в системе координат О, Е, Н, Ъ, следующие

ОД: -т^анСа,-М-Ао.1)1(1=0, (12,

О.Н,

ш

,=1 t=l

Fb,+m>g anfa.-ß)-^,,,. =0

Момент относительно левого шарнира равен

+ mJg[d]cos(a, -ß) + «ysin(a, -ßiJ+^.-nm'' =0

1=1 p-i

(13)

(14)

Расчет деформированных длин упругих элементов, сил с их стороны и деформированной формы спины человека производится итерационным методом.

Возникает вопрос: а каким должно быть сиденье, чтобы с точки зрения вышеприведенных критериев оно было наилучшим?

Задача расчета рациональной формы подушки сиденья формулируется следующим образом. Заданы форма и жесткость тела человека, жесткость материала сиденья, силы Рл, Рн и углы наклона сиденья. Необходимо найти такую форму подушки, чтобы контактные давления были наилучшими с точки зрения критерия (2).

Введем обозначения: ^оъ = В начале вычисляется угол наклона бедра (3 из уравнения (15):

~{Ун +£»япр)2 -(*„ -£ьсозр)2 =0, (15)

гдеХ4 - длина бедра, Ьг - длина голени.

Задача оптимизации решается в два этапа. На первом этапе определяются оптимальные значения ^ из решения задачи квадратичного программирования (16).

Значения сил находятся по формуле На втором этапе

определяются длины упругих элементов сиденья, которые давали бы распределение контактных давлений, путем решения Л/х/У систем двух уравнении относительно переменных у^ и ^ (17):

Сами длины определяются по формуле = у9 ~у$ -(л5 )соъа. Форма подушки находится путем интерполирования величин

На основании данного алгоритма разработана методика расчета рациональной формы подушки сиденья для конкретного человека, приведенная на рис. 2.

Задача расчета рациональной формы спинки формулируется аналогично задаче расчета формы подушки. Задана жесткость спинки сиденья, ее угол наклона к вертикали и все параметры математической модели, описывающей спину человека (длины сегментов позвоночника, величины масс, длины плеч, жесткости шарниров). Требуется найти форму спинки, чтобы она была наилучшей с точки зрения критериев изгиба позвоночника и распределения контактных давлений. При этом в качестве целевой функции используется комплексный критерий дискомфорта спинки (5)

Рис. 2. Методика расчета рациональной формы подушки сиденья

Данная задача решается в два этапа. Введем обозначения: Рл = ¿-'",^1

Да, = а, -а^.Да,,, =а0, — с*.0(.т—!>• На первом этапе отыскиваюгся значения величин путем решения задачи математического программирования относительно неизвестных и

(17)

+ 2,2Л -р)-Л(,+|)!п, =0,1 = 1,//,

,у »

1=1

М, =-К1(&а^ -Да|0),ге[2;А/],

М 1»!

ДхДг + Л0ь,2^[Да, - Да(0]" => тт.

Оптимальные с точки зрения критерия Ос1г1 силы определяются по формуле Р^ На втором этапе вычисляются длины упругих элементов

которые создадут требуемые силы, путем решения серии уравнений (18).

Форма спинки в точках, в которых находятся упругие элементы, вычисляется по формуле В остальных точках она достраивается

путем интерполяции.

На основании данного алгоритма разработана методика расчета рациональной формы спинки сиденья для конкретного человека.

Проведенные в диссертации аналитические исследования показали, что рациональные формы поверхностей сидений, рассчитанные для конкретного субъекта, не являются комфортными для субъектов, принадлежащих другим ростовым группам. В связи с этим возникает необходимость расчета рациональных компромиссных форм поверхностей подушки и спинки, которые были бы достаточно комфортными для субъектов разных ростовых групп.

Задача расчета таких форм подушки и спинки формулируется следующим образом. Заданы группа людей, для которых необходимо произвести расчет, форма, жесткость тела, массы голени и бедра и количественная вероятность для каждого субъекта из этой группы, жесткость материала и расположение сиденья. Необходимо найти такую форму подушки (спинки), чтобы контактные давления были наилучшими с точки зрения критериев (19) для подушки и (20) для спинки.

где N - число субъектов в группе, pt - количественная вероятность субъекта и D^ - значения критериев дискомфорта при посадке /-ГО субъекта.

В диссертации предложен способ описания формы поверхносги подушки и спинки при помощи вектора параметров, являющихся геометрическими размерами и высотами сегментов, на которые разбиваются поверхности.

Расчет рациональной компромиссной формы подушки и спинки сводится к решению задачи поиска минимума критериев (19) и (20) соответственно в пространстве параметров, описывающих форму поверхности, с использованием генетического алгоритма. На основании данного алгоритма разработана методика расчета рациональных компромиссных форм подушки и спинки сиденья.

Для расчета характеристик посадки человека на сиденье, значений критериев дискомфорта и расчета рациональных форм подушек и спинок был разработан комплекс программ, состоящий из модуля расчета (написанною на Borland C++ Builder 5.0 с использованием MATLAB 6.1) и модуля обработки форм поверхностей (MS Access). Визуализация поверхностей осуществляется при помощи AutoCAD

В третьей главе списываются результаты аналитического исследования комфортности сиденья. С использованием математической модели и комплекса программ выполнены исследования зависимостей показателя комфорта сиденья от ряда параметров конструкции автомобиля и размеров тела человека. В качестве объекта для исследований были взяты серийное сиденье автомобиля ГАЗ-3110, сиденья с рассчитанными рациональными формами подушки и спинки и сиденье с рассчитанными рациональными компромиссными формами.

Среди параметров рассматривались: положение сиденья над уровнем опоры ног (пола), высота точки Н, расстояние от опоры ног до точки Нпо горизонтали, угол

(19)

(20)

2002.

наклона основания подушки сиденья относительно горизонтали, угол наклона основания спинки сиденья от вертикали, жесткость упругого элемента сиденья, отношение жесткостей подушки сиденья, измеренное в центре и на периферии (центральная зона шириной 150 мм, периферия с обеих боковин и сзади шириной 100 мм). Характерные параметры человека - его рост, масса, длина бедра (как параметр, зависящий от роста). Компоновочные размеры кузовов (кабин) укладываются в диапазон вариаций параметров автомобиля.

Анализ зависимостей показателя комфортности от угла наклона подушки сиденья показывает, что угол наклона в определенных диапазонах оказывает влияние на комфорт посадки. Это связано с изменением характера распределения контактных давлений, которое в той или иной степени отклоняется от наилучшего. То же самое выявлено и для зависимости от продольной регулировки. В частности, увеличение расстояния от точки опоры ног до точки Н благоприятно сказывается на показателе комфорта, т.к. на переднюю часть бедра перераспределяется часть давления от веса человека. Высота положения подушки сказывается на величине показателя комфорта меньше (0,28...0,30). На зависимости показателя комфорта от длины бедра человека (роста) выделяется характерный минимум, который для сиденья ГАЗ-3110 находитса в точке, соответствующей среднему росту человека. Увеличение массы и связанного с этим прогиба поверхности сиденья улучшает показатель комфорта. Из этого можно сделать вывод, что жесткость сиденья несколько превышает требуемую. Та же тенденция наблюдается на зависимости показателя от жесткости (рис. 3) С уменьшением жесткости комфорт улучшается. Вместе с тем выявлено, что

некоторого порога при увеличении жесткости изменение показателя комфорта становится незначительным. Если его сравнивать со значением жесткости, отнесенной к площади 1 см2, серийного образца сиденья (2650 Н/м см2), то можно Д.1Я улучшения комфорта рекомендовать ее уменьшение. Перераспределение жесткости подушки показывает, что уменьшение жесткости в центральной части подушки и ее одновременное увеличение на боковинах улучшает комфортность посадки человека.

Математическая модель позволяет сделать представление, какой должна быгь форма подушки сиденья, характеризующаяся лучшим показателем комфорта. На рис. 7 показано распределение контактных давлений для подушки сиденья, оптимальной для человека, обладающего ростом 188 см и массой 75 кг. Показатель комфортности для такого сиденья равен D =0,01 в сравнении с показателем 0,28 для сиденья ГАЗ-3110, и распределение контактных давлений близко к наилучшему. Однако следует отметить, что если сиденье с подобной формой подушки использовать для человека иного телосложения, то его комфортность резко ухудшается. В показаны значения показателя комфортности для наилучших форм сидений, рассчитанных для субъектов трех ростовых групп, при условии посадки на них людей иного роста. Данные указывают на то, что для универсального сиденья необходимо выбирать компромиссную форму.

На основании разработанной методики была рассчитана рациональная компромиссная форма подушки для сиденья ГАЗ-3110 (рис. 5). Она отражает особенности индивидуальных форм. На рис. 4 показаны зависимости показателя комфортности для такой подушки и для трех субъектов из разных ростовых групп от угла наклона подушки сиденья. Зависимости показывают, что в сравнении со стандартным сиденьем показатель комфортности улучшается на 30%. Для вссх случаев регулировка наклона подушки сиденья необходима для подгонки комфортности Продольная регулировка прежде всего необходима для

Рис. 3. Зависимость величины критерия распределения контактных давлений на подушке сиденья ГАЗ-3110 от жесткости сиденья для человека ростом 188 см, массой 75 кг

Рис. 4. Зависимость величины критерия комфортности от угла наклона подушки сиденья для субъектов разного роста: 1 - рост 188 см, масса 75 кг; 2 - рост 175 см, масса 72 кг; 3 - рост 164 см, масса 54 кг .

Рис. 5. Рассчитанная рациональная Рис. 6. Рассчитанная рациональная компромиссная форма подушки сиденья компромиссная форма спинки сиденья

Рис. 7. Рассчитанное распределение контактных давлений на подушке

- Рис. 8. Рассчитанное распределение. , контактных давлений на подушке

сиденья ГАЗ-3110 рациональной формы серийного сиденья ГАЗ-3110 при посадке для человека ростом 188 см и массой человека ростом 188 см и массой 75 кг

Таблица 1 - Оценка распределения контактных давлений на подушках сиденья с формой, рассчитанной для субъектов одних ростовых групп, при посадке на них субьектов, принадлежащих другим ростовым группам

Параметры субъекта, для которого была рассчитана форма подушки (рост, см / масса, кг) Параметры субъекта, при посадке которого оценивается распределение контактных давлений (рост / масса)

164/54 175/72 188/75

164/54 0,031 0Д38 0,259

175/72 0,267 0,003 0,336

188/75 0,269 0,234 0,010

досягаемости органов управления. Сравнение эпюр распределения контактных давлений на подушке сиденья компромиссной формы с эпюрами для индивидуальной подушки указывает на то, что компромиссная форма подушки снижает возможности адаптации сиденья к человеку. Из выводов необходимо отметить, что целесообразно дополнительно вводить регулировку формы сиденья.

Аналитические исследования влияния формы спинки сиденья на показатель комфортности по комплексному критерию (5) позволили получить зависимости от величины регулировки поясничного подпора по глубине и по высоте. Установлено, что для каждого конкретного человека существует наклон спинки, обладающий наибольшей комфортностью. То же выявлено и для величины поясничного подпора. Отклонение последней в положительную или отрицательную сторону ухудшает комфортность. Обнаружено, что форма стандартной спинки сиденья ГАЗ-3110 более комфортна для людей меньшего роста, чем для высоких. Это связано с выгибом вперед верхней части спинки, которая, упираясь в спину, заставляет ее прогибаться назад в своей средней части, в связи с чем комфортность падает.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям и обоснованию адекватности использованных математических моделей.

С целью выполнения точных измерений форм поверхностей сидений и тела человека было разработано и изготовлено специальное устройство (рис. 9). Оно представляло собой прямоугольную ячеистую конструкцию из двух сочлененных поверхностей с отверстиями, через которые в координатной сетке 5x5 см были вставлены стержни из алюминия. Усилия на их смещение в отверстиях составляли 0,2 Н. Матрица имеет размерность 9x10. Если стержни предварительно выдвинуть из отверстий, тогда после наложения устройства на измеряемую поверхность и прижатия к ней с силой примерно 20 Н они вдвигались, и сохранялся отпечаток формы в виде торчащих из поверхности устройства стержней. Их выступающая длина измерялась с погрешностью не более 1 мм.

Для измерения формы недеформированной поверхности бедер и ягодиц человека было исследовано несколько характерных поз человека и выбрана такая, при которой форма максимально приближалась к форме сидящего субъекта. Измерение свободной формы спины выполнялось в позах стоя прямо, сипя прямо и сидя расслабленно. По измерениям восстанавливалась форма позвоночного столба.

Для измерения жесткости подушек сиденья и тканей человека было изгоговлено устройство, показанное на рис. 10. С его помощью оперативно были выполнены 14

Рис 9. Устройство для измерения формы поверхности сиденья и тела человека, а также способ его фиксирования над фольгой при измерении деформированной формы поверхности сиденья

Рис. 10. Устройство для измерения

жесткости сиденья: 1 - нажимной стакан; 2 - корпус; 3 -опора устройства; 4 - измерительный шток; 5 - плунжер; 6 - пружина; 7 -измеряемый параметр

Рис. 11. Жесткость подушек сидений автомобилей различных моделей:

ГАЗ-3110 1 - передний край, 2 - центр. ВАЗ-2110 3 - передний край, 4 - центр,

5-ГАЗ-3111, центр, VOLVO 6 - передний край, 7 - центр, Honda ClMC 4D 8 - передний край, 9 - центр, 10 - кресло офисное, центр

Рис. 12. Сравнение рассчитанной и измеренной деформированной формы поверхности подушки сиденья ГАЗ-3110 для человека ростом 188 см и массой 75 кг: 1 - расчет; 2 - измерение

измерения жесткости характерных конструкций и тел, в том числе получены данные по изменению жесткости в зависимости от начального сжатия упругой поверхности. На рис. 11 показана зависимость жесткости опытных образцов сидений от сжатия.

Измерения форм деформированных поверхностей в зоне контакта были выполнены с помощью двухслойной фольги из алюминия толщиной 0,03 мм. Два слоя сводили к нулю упругую составляющую деформации тонкой пленки металла.

Оценка распределения контактных давлений была выполнена с применением эластичной прокладки из пенополипропилена, в которую были интегрированы стальные шарики. При контактном сдавливании прокладка сжималась, уменьшалась ее толщина, и шарики выступали над поверхностью. Величина превышения размера шарика относительно сдавленной толщины прокладки регистрировалась в виде отпечатка на алюминиевой фольге толщиной 0,012 мм, размещаемой с обеих сторон прокладки.

Проверка адекватности математической модели производилась методом сравнения рассчитанных форм деформированных поверхностей подушки и спинки сиденья с экспериментальными данными, полученными на сиденьях автомобилей ГАЗ-3110, ВАЗ-2110, а также на изготовленном сиденье с рациональными компромиссными формами поверхности подушки и спинки для автомобиля ГАЗ-3110.

На рис. 12 для сравнения показаны две деформированные поверхности для подушки сиденья ГАЗ-3110 (рассчитанная и экспериментально измеренная). Расхождение между формами деформированной поверхности не превышает 12% для подушки и 16% для спинки для указанных выше образцов сидений. На основании этого можно утверждать, что математическая модель достаточно точно имитирует контактное взаимодействие человека с подушкой и спинкой сиденья. Таким образом, подтверждена удовлетворительная для целей исследования сходимость данных, полученных расчетами, с экспериментальными данными.

Экспериментально апробирована методика оценки комфортности сидений с применением числового критерия. Измерениями и моделированием получены параметры математической модели человека, необходимые для аналитических расчетов.

Для увеличения диапазона регулировки величины поясничного подпора был разработан механизм, заменяющий стандартный. Его конструкция защищена двумя свидетельствами на полезную модель (СПМ 29506 и СПМ 29507). Было разработано устройство регулировки угла наклона подушки во время движения автомобиля.

Изготовлено и прошло тестирование экспериментальное сиденье для автомобиля ГАЗ-3110 с улучшенными показателями комфортности. Основные отличия его ог серийного: в качестве формы поверхностей подушки и спинки взяты рассчитанные рациональные компромиссные формы; жесткость, отнесенная к 1 см2, в центральной части и на переднем крае подушки уменьшена, а на боковых краях - увеличена; вместо стандартного встроен механизм регулировки поясничного подпора, увеличивающий диапазон регулировки величины подпора до 5 см, встроен механизм регулировки угла наклона подушки во время движения автомобиля.

В заключении приводятся основные результаты диссертационной работы, формулируются выводы и рекомендации.

Основные результаты и выводы

1. Разработан количестренный критерий объективной оценки комфортности

сиденья и математическая модель взаимодействия тела человека с

, реформируемыми подушкрй и спинкой. Критерий и модели,.црзволякп оценивать влияние параметров конструкции сиденья на комфортность' посадки на этапе проектирования сиденья.

2. Разработана методика расчета форм поверхностей подушки и спинки сиденья, отвечающих аналитическому критерию качества. Предложен алгоритм расчета наилучшей формы раденья на основе решения, задач математического

„ программирования. Разработан пакет пррграмм^оторый применяется при проектировании форм сидений. , - . ,

3. Экспериментальная проверка адекватности расчетных методик показала достаточную сходимость вычислений, с экспериментом и возможность ее

* практического использования. Средняя оценка расхождений расчетных и экспериментальных данных не превышает 16%

4. Получены данные о влиянии параметров сиденья на комфортность. Выявленные зависимости позволяют на практике создавать представление о сиденье с наилучшими характеристиками и „разрабатывать конструкции, отвечающие современным требованиям к качеству и с лучшей комфортностью Предложены рекомендации по диапазонам регулировок параметров сиденья автомобиля (диапазоны: величины поясничного подпора спинки - 20-35 мм, угла наклона подушки - 7°, высоты установки подушки - 60 мм)

5. Предложены конструкции устройств для регулировки во время движения угла наклона подушки сиденья ГАЗ-3110 и для расширения диапазона регулировки поясничного подпора спинки (СПМ 29506 и СПМ 29507) Изготовлены опытные образцы.

6 На основе результатов аналитических исследований разработано и изготовлено экспериментальное сиденье С эффективными характеристиками для автомобиля ГАЗ-3110. Параметры комфортности спроектированного сиденья показывают существенный резерв в улучшении качества серийной продукции автозаводов Предложенное рациональное сиденье показывает возможность повысить комфортность посадки на 30%. Отличие экспериментального сиденья от стандартного прежде всего заложено в форме поверхностей подушки и спинки, а также в наличии дополнительной регулировки угла наклона подушки и расширенной регулировки йоясничного подпора. Подготовлены практические рекомендации по улучшению форм сидений серийных автомобилей

7. Рекомендации по проектированию рациональных форм поверхности сидеьий приняты к использований на Предприятии по выпуску автомобилей малых серий ООО "Техносервис-Н" и в ООО НПФ "ТОР' (г. Н. Новгород) Теоретические положения работы, результаты исследований й методики {5аёчётов используются в учебном процессе на кафедре "Автомобили и тракторы" НГТУ в курсовом и дипломном проектировании.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах '

1. Шишкин,В. И., Шишкин М. В К вопрору о синтезе формы подушкк комфрртнргр, сиденья //, проблемы трацрпортных и технологических комплексов. Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 30-летию кафедры "Строительные и дорожные машины" - Н Новгород Изд. НГТУ, 2002. С. 205-209.

2. Шишкин В. И., Шишкин М. В. Критерии объективной оценки комфортности сиденья // Проблемы транспортных и технологических комплексов: Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 30-летию кафедры "Строительные и дорожные машины". - Н. Новгород: Изд. НГТУ, 2002. С. 210-215.

3. Шишкин В. И., Шишкин М. В. Расчетная модель для проектирования формы спинки упругого сиденья // Проблемы транспортных и технологических комплексов: Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 30-летию кафедры "Строительные и дорожные машины". - Н. Новгород: Изд. НГТУ, 2002. С. 216-220.

4. Шатилов А.В., Шишкин В. И., Шишкин М. В. Модель взаимодействия человека с подушкой упругого сиденья // Будущее технической науки нижегородского региона: Тезисы докладов регионального молодежно-технического форума, - Н. Новгород: Изд. НГТУ, 2002. С. 254.

5. Шишкин В. И, Шишкин М. В. Модель взаимодействия человека со спинкой сиденья // XXXIX Международная научно-техническая конференция АА И "Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров": Тезисы докладов. - М: Изд. МГТУ "МАМИ", 2002. С. 45.

6. Шишкин В.И., Шишкин М.В. Теоретические основы проектирования комфортного сиденья // Восьмая нижегородская сессия молодых ученых. (Технические науки): Тезисы докладов. - Н,Новгород: Изд. Гладкова О.В., 2002. С. 27-29.

7. Барахтанов Л.В., Шишкин В.И., Шишкин М.В. Методика проектирования рациональной формы спинки сиденья // Будущее технической науки нижегородского региона: Тезисы докладов И регионального молодежно-технического форума. - Н.Новгород: Изд. НГТУ, 2003. С. 105.

8. Барахтанов Л.В., Шишкин М.В. Использование генетических алгоритмов при проектировании рациональной формы спинки сиденья // Будущее технической науки нижегородского региона: Тезисы докладов II регионального молодежно-технического форума. - Н.Новгород: Изд. НГТУ, 2003. С. 105—106.

9. Шишкин М.В. Сравнительная оценка комфортности сидений отечественных ч зарубежных фирм // Будущее технической науки нижегородского региона: Тезисы докладов II регионального молодежно-технического форума. -Н.Новгород: Изд. НГТУ, 2003. С. 137-138.

10. Барахтанов Л.В., Шишкин В.И., Шишкин М.В. Исследования комфортности посадки человека на подушку сиденья автомобиля с применением математической модели // Сборник трудов Всероссийской научно-1ехнической конференции "Современные тенденции развития автомобилестроения в России". -Тольятти: Изд. ТГУ, 2003. С. 100-103.

11. СПМ 29506 Российская Федерация, МПК 7 В 60 N 2/00. Спинка сиденья транспортных средств / Кравец В.Н., Шишкин В.И., Шишкин М.В. (РФ) № 2002128297/20; Заявлено 28.10.2002; Опубл. 20.05.2003, Бюл. № 14. - 2 с.

12. СПМ 29507 Российская Федерация, МПК 7 В 60 N 2/02. Спинка сиденья с поясничной опорой для транспортных средств / Шишкин В.И., Шишкин М.В., Кравец В.Н. (РФ) № 2002131848/20, Заявлено 02.12.2002; Опубл. 20.05.2003, Бюл. №14.-1с.

Подписано в печать 08.01.04. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 7.

Нижегородский государственный технический университет. Типография НГТУ. 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

»2693 0

Введение

1. Состояние исследований в области проектирования сидений.

2. Математическая модель взаимодействия человека и сиденья.

2.1 Используемая система координат.

2.2 Критерии оценки комфортности посадки человека на сидсньс.

2.2.1 Распределение контактных давлений па поверхностях подушки и спинки

2.2.2 Критерий оценки изгиба линии позвоночного столба.

2.2.3 Относительные критерии дискомфорта и комфортности.

2.2.4 Комплексные критерии оценки комфортности посадки.

2.3 Модель взаимодействия человека с подушкой сиденья.

2.4 Модель взаимодействия человека со спинкой сиденья.

2.4.1 Представление позвоночника в виде системы звеньев.

2.4.2 Метод расчета параметров звеньевой модели позвоночника человека па основе данных эксперимента.

2.5 Расчет рациональной формы подушки сиденья.

2.6 Расчет рациональной формы спинки сиденья.

2.7 Методика расчета рациональной формы поверхностей подушки и спинки сиденья

2.8 Методика расчета рациональной компромиссной формы поверхностей сиденья

2.8.1 Параметрическое описание формы поверхности сидений.

2.8.2 Расчет параметров для существующих форм поверхностей подушки и спинки сиденья.

2.8.3 Альтернативный алгоритм расчета рациональных форм поверхностей подушки п спинки сидений.

2.8.4 Алгоритм расчета рациональных компромиссных форм поверхностей подушки и спинки.

2.8.5 Методика расчета рациональных компромиссных форм поверхностей полушки и спинки сидений.£

2.9 Оценка влияния колебаний автомобиля па комфортность посадки.

2.10 Программный комплекс расчета рациональной формы и анализа комфортности сидений транспортных средств.

Выводы по главе 2.

3. Аналитическое исследование свойств сидений.

3.1 Зависимость комфортности сиденья от различных параметров.

3.1.1 Зависимость комфортности подушки от различных параметров.

3.1.2 Зависимость комфортности спинки от различных параметров.

3.2 Результаты расчета и выбор рациональной формы подушки сиденья.

3.3 Результаты расчета и выбор рациональной формы спнпки сиденья.

Выводы по главе 3.

4. Экспериментальные исследовании.

4.1 Объекты исследований.

4.2 Описание эксперимента для измерения формы епдепья в свободном состоянии и формы человека.

4.2.1 Описание измерительною устройства.'

4.2.2 Описание эксперимента по измерению формы подушки и спипки сиденья

4.2.3 Результаты измерений формы подушек и спипок сидений.

4.2.4 Описание эксперимента по измерению формы бедер и ягодиц человека.

4.2.5 Описание эксперимента по измерению формы спины человека.

4.3 Описание и результаты эксперимента для измерения формы деформированного сиденья.

4.4 Описание эксперимента для измерения контактных давлений.

4.4.1 Описание измерительного устройства и технологии проведения эксперимента

4.4.2 Градуировка измерительного устройства.

4.4.3 Результаты эксперимента.

4.5 Описание эксперимента по измерению жесткости сиденья и тела человека

4.5.1 Измерение жесткости поверхностей сиденья.

4.5.2 Измерение жесткости ягодиц и бедер человека.

4.6 Оценка погрешности в экспериментах.

4.6.1 Эксперименты, связанные с измерением формы поверхности.

4.6.2 Эксперимент по измерению жесткости поверхности.

4.7 Оценка сходимости расчетных и экспериментальных данных.

4.7.1 Критерии сходимости расчетных п экспериментальных данных.

4.7.2 Исследование сходимости расчетной и экспериментально измеренной деформированной формы подушки сиденья.

4.7.3 Исследование сходимости расчетной и экспериментально измеренной деформированной формы спинки сиденья.

4.8 Оценка комфортности сидений различных производителей.

4.9 Предложения по улучшению конструкции сидений автомобилей ГЛЗ

4.9.1 Изменение формы поверхностей подушки и спинки сиденья.

4.9.2 Изменение жесткости блока пенополиурстановой основы сиденья.

4.9.3 Механизм регулировки величины поясничного подпора cuhuku сиденья

4.9.4 Изменение конструкции монтажной рамки сиденья.

Выводы по главе 4.

Актуальность темы. В условиях активной быстротекущей интеграции России в мировую экономику большое значение приобретает качество продукции отечественного автомобилестроения. Эксплуатационная безопасность автомобиля и его экологические параметры рассматриваются как важнейшие эксплуатационные свойства. По данным Всемирной организации здравоохранения автомобиль занимает третье место среди вссх причин смертности населения. Статистически доказано, что автомобиль провоцирует дополнительно увеличение заболеваемости населения радикулитами и болезнями желудочно-кишечного тракта. В частности, в России 50% водителей автомобилей после 10 лет работы вынуждены менять профессию по причине заболеваний радикулитом. Это свидетельствует о необходимости поиска решений, которые снизили бы опасность автомобиля но отношению к человеку.

Сиденье автомобиля является элементом, который непосредственно связывает человека с автомобилем, создаст психологический и физиологический комфорт. С ним связано длительное поддержание работоспособности водителя, сказывающееся опосредованно па безопасности движения. Сиденье также участвует в обеспечении зашиты человека от вредного воздействия длительной сидячей позы па здоровье. В ряде автомобилей оно интегрировано в систему вторичной впброзащиты [86]. На спортивных автомобилях сиденье выступает в качестве фиксатора положения тела при значительных боковых и вертикальных ускорениях. Оно как элемент конструкции должно соответствовать заданным критериям прочности для обеспечения требований безопасности [86]. ГТодобиос множество функций, наложенных па пего, указывает на то, что этому элементу должно быть уделено достаточно внимания.

Анализ литературных источников показывает, что сиденье стало фактором, который вносит свой существенный вклад в обеспечение конкурентоспособности марки автомобиля. Вместе с тем, не все аспекты его адаптации к человеку рассматриваются и анализируются.

Утомление за рулем, нерациональная поза человека в кабине автомобиля, парупи-^нс физиологических процессов, возникающие по причине нерациональной конструкции компонентов сиденья и формы подушки и спинки должны быть уменьшены или исключены вовсс. Однако существенным препятствием для решения указанных проблем является отсутствие теории взаимодействия человека с поверхностью сиденья (жесткого или упругого) и объективных методов сравнения разных по конструкции н дизайну сидений. Использование объективных методов оценки сидений сдерживается также многообразием дизайнерского внешнего оформления как самих сидений, так и пространства салона автомобиля, его интерьера. Несмотря на это, ряд зарубежных исследований, достижения отдельных фирм по производству.сидений и развитие методов математического анализа позволяют вплотную подойти к решению проблемы создания методики расчета рациональной формы поверхности современных сидений.

Цель работы. Разработка методики расчета и выбор рациональной формы поверхности автомобильного сиденья па основе математической модели взаимодействия его с человеком, которая учитывает субъективные ощущения и особенности физиологии человека.

Методы исследования. Теоретические и расчстно-аналитнчсскис исследования базировались па фундаментальных положениях аналитической механики, теории оптимизации, математической статистики, а также известных подходов в области математического моделирования работы автомобиля, его агрегатов и систем.

Достоверность результатов работы п оценка их точности обосновывается сопоставлением расчетных и экспериментальных данных, полученных авто^м, обоснованностью основных положений и допущений при создании математических моделей

Научная новизна работы

1. Предложен критерий объективной количественной оценки комфортности сиденья, учитывающий распределение контактных давлений на подушке и спипкс сиденья и кривизну линии позвоночного столба.

2. Получены зависимости показателей комфортности от рахпичных параметров.

3. Разработаны алгоритм и методика расчета рациональных форм поверхности подушки и спипки сиденья, учитывающие нелинейности в параметрах жесткости поверхностей сиденья и тканей тела человека.

4. Разработан комплекс программ для реализации предложенной методики расчета рациональных форм поверхностей подушки и спинки.

Практическая значимость

1. Разработана методика расчета рациональных форм поверхностей подушки и спипки сиденья.

2. Показаны возможности улучшения комфортности посадки на существующем сиденье автомобиля ГАЗ-З! 10 за счет изменений в конструкции сиденья.

3. Предложены рекомендации по диапазонам регулировки величин, относящихся к сиденью автомобиля.

Реализация работы

1. Разработано и изготовлено экспериментальное сиденье с эффективными характеристиками для автомобиля ГЛЗ-ЗПО. Сиденье прошло апробацию в условиях опытной эксплуатации.

2. Результаты экспсримснталыю-тсорстпчсских исследований, рекомендации по проектированию рациональных форм поверхности сидений и методика расчета форм поверхностей используются на промышленном предприятии по выпуску автомобилей малых серий ООО "Тсхиоссрвис-Н" и в ООО "Научпо-производствсппая фирма "ТОР".

3. Методика, алгоритмы и комплекс программ используются в учебном процессе па кафедре "Автомобили и тракторы" Нижегородского государственного технического университета.

Положения, выносимые на защиту' ^ 1. Критерий обьсктивной количественной оценки комфортности сиденья.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований зависимости комфортности автомобильных сидений от различных параметров. 3. Методика расчета рациональной формы поверхностей подушки п спинки сиденья.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались па:

1. региональном молодежном научпо-тсхппчсском форуме "Будущее технической пауки нижегородского региона" (Н.Новгород, НГТУ, 14 мая 2002 г.);

2. XXXIX Международной научно-технической конференции ААИ "Приоритеты развития . отечественного автотракторостросния и подготовки инженерных и научных кадров"

Москва, МГТУ "МАМИ", 25-26 сентября 2002 г.);

3. Международной научно-технической конференции "Проблемы транспортных и технологических комплексов", посвященной 30-лстию кафедры "Строительные и дорожные машины" (Н.Новгород, НГТУ, 4-6 декабря 2002 г.);

4. 8-й Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки) (Дзержинск, 10-14 февраля 2003 г.);

5. II Региональной молодежной паучно-тсхиичсской конференции "Будущее технической науки нижегородского региона" (Н.Новгород, НГТУ, 16 мая 2003 г.);

6. Всероссийской научпо-тсхничсской конференции "Современные тенденции развития автомобилестроения в России" (Тольятти, ТГУ, 22-23 мая 2003 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах и защищены 2 свидетельствами на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, общих выводов, приложения и содержит 185 страниц машинописного текста, в том числе 97 иллюстраций, 52 таблицы, список литературы из 148 наименований и приложение па 68 страницах. Всего 248 страниц текста.

Основные результаты и выводы

Разработан количественный критерий объективной оценки комфортности сиденья и математическая модель взаимодействия тела человека с деформируемыми подушкой н спинкой сидснья. Критерий и модель позволяют оценивать влияние параметров конструкции сиденья на комфортность посадки па этане проектирования автомобиля. Разработана методика расчета форм поверхностей подушки и спинки сиденья, отвечающих аналитическому критерию качества. Предложен алгоритм расчета наилучшей формы сидснья па основе решения задач математического программирования. Разработан пакет программ, который применяется при проектировании форм сидений.

Экспериментальная проверка адекватности расчетных методик показала достаточную точность вычислений и возможность се практического использования. Средняя оценка расхождений расчетных и экспериментальных данных пс превышает 16 %. Получены данные о влиянии параметров сидснья па комфортность. Выявленные зависимости позволяют на практике создавать представление о сиденье с наилучшими характеристиками и разрабатывать конструкции, отвечающие современным требованиям к качеству и с лучшей комфортностью. Предложены рекомендации по диапазонам регулировок параметров сидснья автомобиля (диапазоны: величины поясничного подпора спинки -20-35 мм, угла наклона подушки - 7°, высоты установки подушки - 60 мм).

Предложены конструкции устройств для регулировки во время движения угла наклона подушки сидснья ГАЗ-ЗПО и для расширения диапазона регулировки поясничного подпора спинки (СПМ 29506 и СПМ 29507). Изготовлены опытные образцы. На основе результатов аналитических исследований разработано и изготовлено экспериментальное сиденье с эффективными характеристиками для автомобиля ГЛЗ-ЗПО. Параметры комфортности спроектированного сидснья показывают существенный резерв в улучшении качества серийной продукции автозаводов. Предложенное рациональное сиденье показывает возможность повысить комфортность посадки на 30%. Отличие экспериментального сиденья от стандартного прежде всего заложено в форме поверхностей подушки и спинки, а также в наличии дополнительной регулировки угла наклона подушки и расширенной регулировки поясничного подпора. Подготовлены практические рекомендации по улучшению форм сидений серийных автомобилей.

Рекомендации по проектированию рациональных форм поверхности сидений приняты к использованию на предприятии по выпуску автомобилей малых серий ООО "Тсхноссрвис-Н" и в ООО Научно-производственная фирма "ТОР" (г. Н. Новгород). Теоретические положения работы, результаты исследований и методики расчетов используются в учебном процессе на кафедре "Автомобили и тракторы" НГТУ в курсовом и дипломном проектировании.

1. Айвазян С.А. и др. Прикладная статистика: Основы моделирования и первичная обработка данных. Справочное изд. / С.А. Айвазян, U.C. Ешоков, Л.Д. Мсшалкип. М.: Финансы и статистика, 1983. - 471 с.

2. Альбсрг Дж., Нилсон Э., Уолш Дж. Теория сплайнов и их приложения. М.: Наука, 1972.

3. Амснадзс Ю.А. Теория упругости. Учебник для университетов. М.: Высшая школа, 1976. - 272 с.

4. Амосов A.A., Дубипский Ю.А., Копчснова Н.В. Вычислительные методы для инженеров. М.: Высш. Шк., 1994.

5. Андронов A.A., Витт A.A., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Наука, 1981.

6. Ануфриев И.Е. Самоучитель MatLab 5.3/б.х. Спб: БХВ-Петсрбург, 2002.

7. Армаи Ж. Л.П. Приложение теории оптимального управления системами с распределенными параметрами к затачам оптимизации конструкций. - М.: Мир, 1977. -220 с.

8. Аруин A.C., Зациорский В.М. Эргопомичсскася биомеханика. М.: Машиностроение, 1989.

9. Артсмспко Г.Е., Копожспко A.A., Псрсдсра Н.И. И др. Физиолого-гигиспичсская характеристика условий труда и состояние здоровья водителей автопогрузчиков. "Гигиена труда", 1974, Л'?6.

10. Аттстков A.B., Галкин C.B., Зарубин B.C. Методы оптимизации. М., Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумаиа, 2001.

11. Батищсв Д.И. Генетические алгоритмы решения экстремальных задач. / Учебное пособие. Воронеж: ВГТУ, 1995.

12. Батищсв Д.И., Исаев С.А. Оптимизация миогоэкстрсмальных функции с помощью генетических алгоритмов. // Межвузовский сборник научных трудов "Высокие технологии в технике, медицине и образовании", Воронеж, ВГТУ, 1997 г., стр.4-17.

13. Батищсв Д.И., Исаев С.А., Рсмср Е.К. Эволюционно-гснстнчсский подход к решению задач нсвыпуклой оптимизации. // Межвузовский сборник научных трудов "Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах", Воронеж, ВГТУ, 1998г, стр.20-28.

14. Батищсв Д.И. Поисковые методы оптимального проектирования. М.: Радио, 1978.-214 с.

15. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М., "Наука", 1976.

16. Бсндат Дж., Пирсол А. Применения корреляционного и спектрального анализа. -М.: Мир, 1983.-312 с.

17. Богатырев И.Д. Заболеваемость и лсчсбно-профилактичсскос обслуживание промышленных рабочих. М., 1962.

18. Бойко Е.И. Время реакции человека. М., "Медицина", 1964.

19. Борщсвский И.Я. с соавт. Общая вибрация и сс влияние на организм человека М., 1963.

20. Бранков Г. Основы биомеханики. М., Мир, 1981.

21. Биофизические характеристики тканей человека. Справочник. / Березовский В.А., Колотилов Н.Н. Киев: Наук. Думка, 1990.

22. Вайсман А.И., Пархиловский И.Г., Шишкин В.И. и др. Условия труда водителя в кабинах современных автомобилей. "Гигиена и санитария", 1972, №11.

23. Ванько В.И., Ермошина О.В. Кувыркип Г.Н. Вариационное исчисление и оптимальное управление. М., Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001.

24. Введение в эргономику. / Под ред. В.П.Зинчснко. М.: Советское радио, 1974.

25. Вснтцсль Е.С., Овчаров Л.А. Прикладные задачи теории вероятностей. М.: Радио и связь, 1983. - 416 с.

26. Вибрации в технике: Справочник. / Ред. В.Н.Челомсй. М.: Машиностроение, 1980. - Т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов. / Под ред. Ф.М.Димснтберга и К.С.Колссникова. 1980. - 544 с.

27. Вибрации в технике: Справочник. / Ред. В.И.Чсломсй. М.: Машиностроение, 1980.-Т. 6.-340 с.

28. Вибрация на производстве. М.: "Медицина", 1971.

29. Виноградов М.И. Физиология трудовых процессов. М., Медицина, 1966.

30. Волков И.К., Загоруйко Е.А. Исследование операций. М., Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002.

31. Вопг Дж. Теория наземных транспортных средств. М., Машиностроение, 1982.

32. Вудсон У., Коновср Д. Справочник по инженерной психологии для инженеров и художников-конструкторов. М., Мир, 1968.

33. Галушкин А.И., Зотов Ю.Я., Шикунов Ю.А. Оперативная обработка экспериментальной информации. М.: "Энергия", 1972.

34. Гантмахср Ф.Р. Лекции по аналитической механике. М.: Гос. изд-во физико-математической литературы, 1960. 296 с.

35. Глухарев К.К., Потемкин Б.А. О нелинейных и нестационарных динамических характеристиках тела человека. М.: Машиноведение, 1972, Л1'4.

36. Глухарев К.К., Потемкин Б.А., Фролов К.В., Сирснко В.Н. Элементы нелинейной теории колебаний в анализе биомеханики тела человека. В сб. "Виброзащита человека-оператора и вопросы моделирования". М.: Наука, 1973.

37. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статитпстика: Учеблюсобис для вузов. М.: Высш.шк., 2002. - 479 с.

38. Гончаров З.Н. Роль длительной производственной травмы в патогенезе поясничных болей у водителей автомобильного транспорта. Труда Куйбышевского мед. Ин-та, Куйбышев, 1962, Л«21.

39. Горбунов А.Д., Шахов Ю.А. О приближенном решении задачи Кошн для обыкновенных дифференциальных уравнений с наперед заданным числом верных знаков. Журнал вычислительной математики и математической физики. 1973. Т.З, Л"«2

40. Горшков С.И., Золина З.Т., Мойкин Ю.В. Методики исследований в физиологии труда. М.: Медицина, 1974.

41. Гурфинкель B.C., Коц Я.Н., Шик М.Л. Регуляция позы человека. М., 1965.

42. Дсч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласт и Z-прсобразования. М., Наука, 1971.

43. Джспкипс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. Вып.2. М.: Мир, 1972.

44. Динамика системы дорога шина - автомобиль - водитель. / Под ред. Хачатур^ва. М.: Машиностроение, 1976. - 535 с.

45. Достижения в проектировании сидений. // "Автомобильная промышленность" (США), 1974, т. 148, №11.

46. Доули Д., Максвелл А. Факторный анализ как статистический метод. М.: Мир, 1967.- 114 с.

47. Завьялов Ю.С., Квасов Б.И., Мирошниченко B.JT. Методы сплайн-функций. М.: Паука, 1980.

48. Зайдсль А.Н. Ошибки измерения физических величин. М.: Наука, 1974.

49. Законодательные и потребительские требования к автомобилям: Учеб. пособие / В.Н.Кравсц, Е.В.Горыпии; Нижсгород. гос. техн. ун-т. Н.Новгород, 2000. 400 с.

50. Иванова И.А. Математическая статистика. М.: Высшая школа, 1982, 320 с.

51. Измерение электрических и нсэлсктричсских величин. / Н.Н.Евтихисз, Я.А.Купсршмидт, В.Ф.Папуловский, В.Н.Скугоров. М.: Эпсргоатомиздат, 1990.

52. Инженерная психология в применении к проектированию оборудования. М.: Машиностроение, 1971.

53. Инженерные расчеты на ЭВМ: Справочное пособие. / Под ред. Троицкого В.А. -Л.: Машиностроение, 1979.

54. Испытания автомобилей. / Под ред. Цимбалипа В.Б. М.: Высшая школа, 1971.

55. Казаков И.Е., Доступов Б.Г. Статистическая динамика нелинейных автоматических систем.

56. Камидзс К. Методы количественной оценки комфортабельности сиденья. // Сборник препринтов осенней научной конференции 1981 г. Общества автотракторных инженеров.

57. Кирьянов Д.В. Самоучитель MathCAD 2001. Спб: БХВ-Пстсрбург, 2002.

58. Колебания автомобиля. Испытания и исследования. / Я.М.Псвзнср, Г.Г.Гридасов, А.Д.Консв и др. Под ред. Я.М.Псвзисра. М.: Машиностроение, 1977.

59. Корбут A.A., Финксльштсйн Ю.Ю. Дискретное программирование. М.: Наука, 1969.

60. Кори Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984.

61. Кравсц В. П., Шишкин В. И., Шишкин М. В. Спинка сиденья транспортных средств. Свидетельство па полезную модель. МПК 7 B60N 2/00. Заявка № 2002128297/20 от 28.10.2002

62. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперимента. Минск, Издательство БГУ им. В.ИЛснина, 1982.

63. Крсмср H.III. Теория вероятностей и математическая статистика: Учебник для вузов. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2002. - 543 с.

64. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика. М., "Физматлит", 2002.

65. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. М., Государственное издательство тсхнико-теоретичсской литературы., 1953.

66. Ландау Л.Д, Лифшиц Е.М. Теория упругости. М.: Наука, 1987.

67. Лспстов В.А., Юрцсв Л.Н. Расчеты и конструирование резиновых изделий. Л.: Химия, 1987.-408 с.

68. Ляпунов В.Т., Лавспдел Э.Э., Шляпочников С.А. Резиновые виброизоляторы. Справочник. М.: Судостроение, 1988. - 216 с.

69. Математическая статистика. // Под ред. Зарубина B.C., Крищснко А.П. М., Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001.

70. Мельников A.A. Некоторые вопросы проектирования и исследования подвески автомобиля. Горький, Волго-Вятское .книжное издательство, 1973. 78 с.

71. Мельников A.A. Теория автомобиля: колебания и плавность хода. Н.Новгород, 1998.- 112 с.

72. Мирский Г.Я. Характеристики стохастической взаимосвязи и их измерения. М., "Энсргоиздат", 1982.

73. Мыцык Б.И. К вопросу выбора параметров пассажирских сидений автобусов. В сб. "Расчет конструкции, испытания и эксплуатация автобусов и троллейбусов". Львов, 1971.

74. Налимов В.В. Теория эксперимента. М.: Наука, 1971. - 207 с.

75. Нсймарк Ю.И. Математические модели естествознания и техники. Цикл лекций. Выпуск 2. Н.Новгород: Издательство Нижегородского университета, 1996. 154 с.

76. Ноткин Л.Е. Статистика социально-гигиенических исследований. М., 1968.

77. Ольховский И.И. Курс теоретической механики для физиков. М.: Издательство Московского университета, 1974.

78. Пархиловский И.Г., Мусарский P.A., Шишкин В.И. и др. Расчет оптимальных характеристик виброзащиты самоходных машин. // Влияние вибрации па организм человека и проблемы виброзащиты. М., 1982, с. 586-595.

79. Подиновский В.В., Ногин В.Д. Парсто-оптимальныс решения многокритериальных задач. М.: Наука, 1982. - 256 с.

80. Проектирование автомобиля. / М.С.Высоцкий, Ю.Ю.Беленький и др. М.: Машиностроение, 1979. - 384с.

81. Производственная эргономика / Под ред. С.И.Горшкова. М.: Медицина, 1979. -312с.

82. Размерные параметры населения. М., Легкая промышленность, 1973. - 236 с.

83. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов. Справочник. / В.И.Мячснков и др. М.: Машиностроение, 1989. - 520 с.

84. Ротснбсрг Р.В. Подвеска автомобиля. М.: Машиностроение, 1972.

85. Руководство по физиологии труда. / Под ред. Золииой З.М., Измсрова Н.Ф. М., Медицина, 1983.

86. Рябчннский И.И., Бидинский К.Л. Технология, оборудование, материалы, манекены для оценки параметров безопасности АТС. // Автомобильная промышленность, 1999, №6.

87. Сспстлисв. Методы статистических исследований. М.: 1975.

88. Силаев A.A. Спектральная теория подрсссоривания транспортных машин. М., Машиностроение, 1972.

89. Сннглтон В.Т. Введение в эргономику. Женева: Всемирная организация здравоохранения, 1974. - 148 с.

90. Стсчный АС. Поясничио-крсстцовые радикулиты у горняков шахт Донбасса. // Гигиснта труда и профзаболеваний, 1969, ;№6.

91. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. В 2-х тт. Т.2. М: 1965.

92. Трсногин В.А. Функциональный анализ. М.: Наука, 1993.

93. Физиолого-гигиспичсский анализ трудовой деятельности водителей автотранспорта. Научно-технический отчет по теме Л'г7. Научн. руков. к.м.н. Вайсман А.И. Горьковскпй научно-исслсдоватсльский институт гигиенты труда и профзаболеваний, Горький, 1970.

94. Фурунжисв Р.И. Автоматизированное проектирование колебательных систем. -Минск: Вышэйная школа, 1977. 452 с.

95. Фурунжисв Р.И. Проектирование оптимальных виброзашитиых систем. Минск: Вышэйная школа, 1971. - 315 с.

96. Хайкии С.Э. Физические основы механики. М.: Физматгиз, 1963 г. - 772 с.

97. Хсмминг Р.В. Численные методы для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1968.

98. Хофманн Д. Техника измерений и обеспечение качества: Справочная книга. М.: Энсргоатомиздат, 1983. - 472 с.

99. Цнвьяп Я.Л., Райхинштсйи В.Е. Мсжпозвопковыс диски. Новосибирск, 1977.

100. Черкасов Г., Громов Ф. Условия труда: анализ и пути совершенствования. М.: Профиздат, 1974.

101. Шатилов A.B., Шишкин В. И., Шишкин М. В. Модель взаимодействия человека с подушкой упругого сиденья. // Будущее технической пауки нижегородского региона. 11. Новгород: Изд. НГТУ, 2002, с 254.

102. Шсррср Т. Физиология труда. М.: Медицина, 1973.

103. Шикин Е.В., Плис А.И. Кривые и поверхности на экране компьютера. Руководство по егшайнам для пользователей. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1996.

104. Ширяев А.Н. Вероятность. М.: Наука, 1989.

105. Шишкин В. И., Шишкин М. В., КравсцВ. Н. Спинка сиденья с поясничной опорой для транспортных средств. Свидетельство на полезную модель МПК 7 B60N 2/00. Заявка № 2002131848/20 от 02.12.2002

106. Шишкин М.В. Сравнительная оценка комфортности сидений отсчствснпых и зарубежных фирм. // Будущее технической науки нижегородского региона. Тезисы докладов II регионального молодсжно-тсхничсского форума. Н.Новгород: Изд. НГТУ, 2003, с. 137-138.

107. Штойср Р. Многокритериальная оптимизация. Теория, вычисления и приложения: Пер. с англ. М.: радио и связь, 1992. - 504 с.

108. Штробель Автомобильные кузова.

109. Эргономика. М., Мир, 1971.

110. Automobile Engineer, 1968, №3. Bostrom Viking 4000 scat.

111. Bubb H., Vcncruso R., Mcnoud D. Ergonomie requirements of aircraft scats. // World Acrosp. Tcchnol: 92: Int. Ru. Acrosp. Des and Dev. London, 1992, p.212-213.

112. Das BMW Komforsitzkonzcpt fur die neue 7er Reihe / Jacob Von Francisco // Automobiltcchn Z. 1995-97, №3, c. 160-166.

113. Cocrman R.R. The mechanical impcdancc of human body in sitting and standing position at low frequencies. // Human Vibration Research, 1963, №10.

114. Gierke H.E. Biodynamic model and their application // Journal of the Accoustical Society of Amcrica, 50, №6, part 1, 1971.

115. Gill P.E., VV.Murray, M.H.Wright. Practical Optimization. Academic Press, London,1981.

116. Goldberg D.E. Gcnetic Algorithms in Scarch, Optimization, and Machine learning. Addison-Wcslcy, 1989.

117. Gorman G., Davis B. The Illiac vehicle scat update. // Automotive intcrious internal. 1998. .№7.

118. Habeburg S., Middendorf L. What Really Connects in Seating Comfort? // SAE paper 770247, 1977.

119. Han S.P. A Globally Convergent Method for Nonlinear Programming. // Journal of Optimization Theory and Applicatons. Vol. 22, p.297, 1977.

120. Hcidingcr F., Kurz B., Dicbschlag W. Der Autositz aus Phylosiologischer und biomcchanischcr Sicht. // ATZ. Automobilctcchnischc Zeitschrift. 1988.

121. Holland J.H. Adaptation in Natural and Artificial Systems. Ann Arbor: The University of Michigan Press, 1975.

122. Hontischik H. Der Sitz als Vcrbindungsclcmcnt von Mensch und Kraftfahrzeugen. // ATZ, 1972, N4, p. 155.

123. Kamijo K., Tsujimura II., et al. Evaluation of Seating Comfort // SAE paper 820761,1982.

124. Kcogan J., Radkc A. Design vchiclc for greater comfort. // SAE Journal, 1964, N9, p.50-55.

125. Nunn P. New generation ergonomic scat. Improved Posture With Nissan Scat. // JM!. №152. 1994 (may-junc).

126. Powell M.J.D. A Fast Algorithm for Nonlincary Constrained Optimization Calculations. // Numerical Analysis, cd. G.A.Watson, Lcctury Notes in Mathematics. Springer Verlag. Vol. 630, 1978.

127. Powell M.J.D. The Convergence of Variable Metric Methods for Nonlincarly Constrained Optimization Calculations. Nonlinear programming 3 (O.L. Mangasarian, R.R.Mcycr, S.M.Robinson, cds). Academic Press, 1978.

128. Reed M.P., Schneider L.W. Lumbarsupport in auto scats: conclusions from a study of preferred driving posture. // SAE 960478.

129. Schustcr В. Sitzcn'ohnc Rückenschmerzen // KTF. 1997. №6.

130. Schaobcrth II. Sitzhaltung. Sitzschaclcn. Sitzhmobcr. Springer. Berlin, VI, 1962.

131. Simic D. Influenza dcllc vibrazioni angolari sul corpo umano. ATA, 1971, №>7, ^ p.361-370.

132. Umchara II., etc. Measurement and display of the load distribution. // "SAE preprint" N 710042, 1971.

133. Trott В. Drivers scat layout. // Automobile Engineer. 1971, №5, p.52-53.

134. Vartcraninn J.I I. On Measuring Automobile Scat Rido Comfort. // SAE paper 820309, 1982.

135. Vcrtiz A. Integration model of seating confort. // Automotive intcrious internal. 1996.

136. Wisncr A. Ingenieurs de L'automobilc, 1962, 35, Л!>5, 261-270. Перевод 65/394. Конструирование автомобильных сидений и человеческий организм.

137. Измеренные формы поверхностей сидений и тела человека

138. Измеренные формы нодушек сидений