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作者:徐業良(2010-10-14);推薦:徐業良(2010-10-14)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2010年十一月號,史丹福專欄。

淺談汽車座椅人體工學設計

九月份我們三個人小小的家庭有巨大變化,女兒上國中了,我們也從桃園搬家到台北。

噢,這兩件事是有密切關聯的。您一定聽過「孟母三遷」的故事,大致是說孟子的媽媽為了給孟子一個好的成長環境,一連搬了三次家,最後一次搬到一所學校旁邊才滿意。現代的台灣一定也有很多孟母,為了小孩上學的學區搬家,我和太太就是典型的例子。台灣的國小教育其實是很棒的,學校、師資、教材等等各項資源都比我們從前讀國小時進步許多,女兒在國小也一直能夠快樂學習、快樂成長。但是從女兒一進國小開始,我和太太就一直聽說各種各樣關於國中的恐怖故事,像是從國一開始就要有一大堆考試,每天補習、課後輔導,星期六日也要上課之類的。

「慘綠少年」的回憶又湧上心頭。

好不容易打聽到台北有一所學風自由的國中,學生課業壓力比較小,甚至不必穿制服上學,於是太太三年前便從高雄任教13年的大學轉到台北的大學任教,兩年前我們在台北新買了個房子,就在這所國中邊上。九月國中開學,現代孟母正式從桃園搬家過來,女兒每天早上下樓,過一條8公尺寬的小馬路,就到學校了。

我則是每天要開一個多小時車,才能到桃園上班。

我們的家庭故事和汽車購買指南史丹福專欄的關係是,如果您像我一樣每天要花近三個小時坐在汽車駕駛座上,這個駕駛座最好是一張很舒服、很適合您的椅子。

搬家時採購家俱的經驗,市面上有許許多多各種各樣的椅子,有的坐起來舒服,有的坐起來不舒服,為什麼?人因工程,或者更通俗的說法「人體工學」的座椅設計,是最重要的原因。我們研究中心有一位清華大學畢業的盧博士,是人因工程的超級專家,趕緊請盧博士幫我惡補一下,還提供了一大堆讓我很消化不良的資料,這個月的史丹福專欄便和大家談一談汽車座椅的人體工學設計。

在談汽車座椅設計之前,先討論一下人體工學座椅設計必須要考慮的四個基本要素:承載重量(support the weight)、適合的尺寸(fit the size)、適合的形狀(fit the shape)、適合所進行的工作(fit the task)

第一個要素「承載重量」是座椅最基本的要求,就不必詳細討論了;「適合的尺寸」,座椅各部位的尺寸必須要能配合人體的尺寸,也是一個很基本的想法,後面討論駕駛座各部位尺寸時,再為您詳細說明。

座椅要有「適合的形狀」,適合甚麼的形狀呢?最主要的是要配合您脊椎的曲線。要討論座椅的人體工學設計,一定要先對脊椎有些基本認識,人體的脊椎是由7節頸椎、12節胸椎、5節腰椎、薦椎、尾椎連接而成,每節椎骨與椎骨之間各有一個椎間盤夾在其中;脊椎是人體非常重要的器官,除了提供人體上半身的支撐之外,31對脊椎神經分別由脊椎骨與脊椎骨之間的椎間孔伸出,負責運動與感覺等訊號傳導。從側面看起來,脊椎自然的形狀不是一直線的,而是一個左右相反的S型。這個反S型的上半部是頸椎和胸椎,頸椎向前傾,胸椎則向後彎(有點兒駝背的樣子),反S型的下半部是腰椎、薦椎和尾椎,重要的關鍵是腰椎這個部位是向前彎的,到薦椎、尾椎才又反轉向後。

這樣講起來太抽象,也許汽購無所不能的美編可以找到一張清楚的脊椎側視圖,讀友們便很容易明白脊椎自然的形狀了。

因為人體腰椎是向前彎的,不管是汽車座椅還是一般座椅,人體工學設計的椅背不可能是垂直平板狀,椅背設計上最重要的關鍵就是要有適當曲線提供腰部支撐,腰部必須被微推向前乘坐時才能保持脊椎自然的形狀。

人體工學座椅設計第四個基本要素-「適合進行的工作(fit the task)」,也是非常重要的考慮,不同工作類型主要的影響是坐姿前傾程度的不同,例如在辦公桌上寫字、在餐桌上吃飯,坐姿基本上是向前傾的,相對的坐在沙發上閱讀、看電視,甚至躺在椅子上睡覺時(如飛機上的乘客座椅),坐姿基本上是後仰的。坐姿前傾、後仰程度的不同,明顯影響到座椅各部尺寸與角度的設定。不同工作類型對坐姿的另一項影響是上半身的活動範圍,有的工作需要比較大的活動範圍,座椅設計上便須注意對上半身動作不要有所干涉或妨礙。

駕駛的工作的坐姿似乎是介在各種工作坐姿的中間,開車時坐姿基本上前傾程度不大,當然也不能完全後仰,上半身需要有動作,但動作範圍也不算很大。乘客座則完全是後仰式的坐姿,上半身解幾乎沒甚麼活動。一般汽車駕駛座和右側乘客座都採用一模一樣的座椅,但從「適合進行的工作」這項基本要素來看,兩個座椅的人體工學設計應該是完全不同的。

談完人體工學座椅設計基本要素,接下來可以細細討論駕駛座每一個部位的人體工學設計思考。

前面提到座椅各部位的尺寸要符合人體的尺寸,像是座椅椅背的尺寸要考慮肩膀的寬度和人體坐姿肩膀離座椅面的高度,座椅扶手的高度要考慮人體坐姿手肘離座椅面的高度,坐墊的高度要考慮人體坐姿臀部離地的高度、大腿的高度、膝蓋的高度,座椅椅墊的尺寸則要考慮臀部的寬度和人體坐姿尾椎到膝關節內側的距離等等。這些人體尺寸的基本資料都可以在「人體計測(anthropometry)」資料庫中查到,這些資料庫基本上大量量測了許多人基本的身體尺寸,建立成為資料庫,以了解人體在這些尺寸上的差異範圍,作為各種尺寸設計的參考依據。

可以想見的,不同身高、體重、性別的人在這些基本尺寸上的差異範圍很大,幾乎不可能設計一個座椅能夠完全符合每一個人的尺寸,因此汽車座椅和許多辦公座椅之類的,都有多樣的調整設計,最常見的是座椅椅背調整,座椅前後、高度甚至角度的調整,高檔一點的汽車座椅也有扶手高度調整的功能,希望每一位駕駛人都能找到適合個別的體型的座椅型式。

座椅的高度

駕駛座座椅的高度必須能夠平均地支撐大腿,當您的腳自然地踏在地面時,噢,右腳也能夠以自然的姿式踩踏油門、剎車。如果駕駛座座椅高度太低,會覺得大腿部位支撐不足,且駕駛時背部容易前傾、駝背,即使是最好的椅背設計也不容易提供有效支撐,長期乘坐容易感受到壓力集中在臀部及尾椎。駕駛座座椅的高度除了受到座椅本身高度調整功能的限制外(像我那部CRV就沒有座椅高低調整的功能),也受到車室頭部空間的限制,身材高大的駕駛人塞進小車,常會發現座椅太矮、怎麼調整都找不到舒適的坐姿,只能靠座椅前後調整來因應腿部空間,但座椅前後調整是無法改變乘坐時大腿和臀部壓力的。

另一方面如果駕駛座的座椅太高,壓力集中部位會由臀部及尾椎往前移到大腿膝部後方,長途開車也容易造成腳麻。另一個要注意的是,坐姿前傾或後仰也會影響乘坐壓力集中部位,因此如果您改變駕駛座座椅椅背角度的話,也需要同時調整座椅的高度。

座椅的深度和寬度

座椅的深度也是影響舒適性很重要的尺寸。駕駛座理想的深度,應該能夠讓您自然的坐在座椅上,背部受到椅背妥善支撐,而膝部後方還有幾公分餘隙,沒有被座墊直接頂到,臀部和大腿也有良好支撐。座椅適當的深度也和所進行的工作有關,駕駛座屬於前傾式的坐姿,座椅深度可以比客廳沙發淺一些;右側乘客座屬於後仰式坐姿,座椅深度就要深一些。

座椅寬度當然要比駕駛人臀部尺寸稍寬幾公分,座椅寬度沒辦法調整,一般汽車座椅都設定得比較寬,但是座椅寬度過寬時可能會影響扶手的正常位置。

座椅椅面的角度

座椅椅面的角度不就是水平的嗎?您再多觀察一下週遭各種座椅,椅面的角度也可能是微向前傾或者微向後仰,和工作坐姿是前傾、直立、還是後仰很有關係。駕駛座最適當的椅面角度,也和駕駛人是小心翼翼的前傾式坐姿,還是輕鬆自在的後仰式坐姿有關,我那部CRV駕駛座椅面角度也沒辦法調整,先前開的中華Galant,駕駛座倒是有完整的無段電動調整,椅面高度、角度都可以調整,很容易找到舒適的駕駛位置。

汽車座椅椅面都會設計成曲面造型,可以在前傾的工作坐姿上減輕向前滑動的傾向,也可以提供臀部比較均勻的重量分布,座椅厚實的襯墊也有幫助。

座椅的椅背

汽車的駕駛座,也許該說是所有的座椅,椅背的設計都是最花工夫的。座椅椅背應該能提供脊椎適當支撐及臀部的餘隙,且椅背要能依不同活動和不同尺寸的使用者靈活調整。

一般座椅像是辦公室座椅,您會看到比較矮(低於肩胛骨)、比較窄(比腰部窄)的椅背型式,對需要上肢活動的工作最適合,可以避免干涉到手臂的運動,完全前傾式的工作,像是餐檯的高腳椅,甚至可能完全不需要椅背。汽車座椅則都是採用高背式,可以提供後仰的支撐,前面提到椅背的形狀必須要吻合脊椎形狀,腰部支撐必須充足,且沒有局部的高壓力點。最適當腰部支撐的位置也因人而異,除了體型上的差異之外,女性通常需要比較高的腰部支撐點,比較高檔的汽車座椅腰部支撐位置和支撐量的大小都是可調整的。

以背後仰角度的調整也是每個座椅不可缺少的,您的大腿和軀幹的角度,亦即座椅椅面和椅背角度,也影響了脊椎的形狀。如果這個角度比較接近90度,腰桿通常挺得比較直,腰椎的形狀會比較平,例如前傾式的工作,您會發現自己身體幾乎完全沒有用到椅背(更別說頭枕了);後仰式工作型態這個角度需要大一些,大約在115度到135度,人體腰椎曲線比較彎,也更需要椅背提供的腰部支撐。座椅調整控制的位置要在坐姿下能伸手可及之處,才能找到對椅墊和椅背的調整尤其重要。

扶手的尺寸

座椅扶手支撐可以降低頸部和背部的疲勞,輔助坐姿時的各種動作,進出座椅時也是很好的施力點,減少背部和腿部的施力,在座椅人體工學設計上也是很重要的一環。理想上來說,扶手高度必須能夠舒適地支撐您的前臂,讓您不必聳肩或肩膀下垂,標準扶手高度應是您手肘彎曲的高度;適當的扶手寬度可以分擔您的體重,讓頸部肩部負荷減低一些,且能幫助您從座椅起身,扶手寬度太窄的話可能會干擾手臂動作,太寬的話又完全失去扶手的功能。

汽車駕駛座的扶手設計似乎是整個座椅設計上比較困難的一部分。汽車駕駛座左側扶手常設置在門板上,位置和高度要和門板上各種開關、把手搭配,不過一般來說還是能讓您左手扶著方向盤時,手肘能靠在扶手上休息。駕駛座右側扶手是比較大的問題,扶手的寬度經常是被座椅寬度所決定的(因此總覺得太寬),扶手高度又要配合這個區域的各種置物架、置水架的高度(因此總覺得太高),扶手長度又得注意不能干擾到中央面板上各種按鍵操作(因此總覺得太短),最後妥協的結果,開車時右手搭在方向盤上,手肘卻完全沒有適當的支撐。

所以我常常發現自己用左手單手開車。

對許多駕駛人來說,駕駛座可是一天之中坐得最久的一張椅子。瞭解了一些汽車座椅人體工學設計的知識,下次買新車您也可以花些時間仔細推敲,您能不能在駕駛座上找到一個最適合您的體型的坐姿。如果不能,大部分專家的建議都是,換一部車。

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談完汽車座椅人體工學設計,算是盡到史丹福專欄的責任。不知道有沒有人關心現代孟母三遷的後續發展。

女兒剛考完國中生涯第一次段考,考試前兩個禮拜女兒就每天拿幾張考得很不高明的考卷回家,加上各個科目各式各樣的複習卷,一個多月就輕鬆累積了破百張考卷。我和太太眼看情勢不妙,兩個大學教授一起下海,國英數生物史地公民一科一科陪讀,傳授畢生考試達人的絕活。

女兒段考考卷發下來,分數還是不怎麼高明。

怎麼說呢?咱們女兒就不是孟子囉!