基于人機(jī)工程學(xué)的座椅靜態(tài)參數(shù)選取

機(jī)械工程學(xué)是一門邊緣學(xué)科，主要研究如何適應(yīng)人體的大小、生理和心理特征。在輕卡駕駛座椅的設(shè)計(jì)中，主要研究如何使座椅滿足人體的大小要求，給駕駛員帶來舒適，降低駕駛員的疲勞，提高駕駛安全，嚴(yán)重避免駕駛員因不正確的駕駛姿勢而導(dǎo)致的脊柱變形，以及腰痛、腰肌勞動(dòng)等疾病。1座面的無定形性圖1所示為人體在各種不同姿勢下腰椎的彎曲形狀.曲線B表示人體松弛側(cè)臥時(shí),脊柱呈自然彎曲狀態(tài);曲線C是最接近人體脊柱自然彎曲狀態(tài)的坐姿;曲線F是當(dāng)人體的軀干與大腿的夾角呈90°時(shí)的情形,此時(shí)脊柱嚴(yán)重變形,椎間盤上的壓力不能正常分布.因此,欲使坐姿能形成接近正常的脊柱自然彎曲形態(tài),軀干與大腿之間必須有大約135°的夾角,并且座椅的設(shè)計(jì)應(yīng)使坐者的腰部有適當(dāng)?shù)闹?以使腰曲呈弧形自然彎曲狀態(tài),腰背肌肉處于放松狀態(tài).人坐著時(shí),大腿和上身的質(zhì)量必須由座椅來支承.人體結(jié)構(gòu)在骨盆下面有2塊圓骨,稱為坐骨結(jié)節(jié),如圖2所示.這2塊小面積能夠支持大部分上身的質(zhì)量.覆蓋在它們外面的皮膚能獲得豐富的動(dòng)脈血液供應(yīng),就像腳底一樣.而在臀部的邊緣部分,血液循環(huán)則大不一樣,這部分靜脈較多(包含較少的氧).當(dāng)人坐著的時(shí)候,覆蓋著坐骨結(jié)節(jié)的皮膚能夠更好地經(jīng)受持久的壓力.因此,座面上的臀部壓力分布在坐骨結(jié)節(jié)處最大,由此向外壓力逐漸減小,直至與座面前緣接觸的大腿下部,此處壓力為最小.座墊的柔軟程度要適當(dāng),坐骨部分的座墊應(yīng)當(dāng)是支承性的,它要承受加在座位上的大約60%的質(zhì)量,而其余部分則應(yīng)當(dāng)比它更柔軟些,以便能夠把質(zhì)量分布在更大的面積上.座椅靠背上的壓力分布中,肩胛骨和腰椎骨2個(gè)部位應(yīng)最高,此即靠背設(shè)計(jì)中所謂的“兩點(diǎn)支承”準(zhǔn)則.在靠背的兩點(diǎn)支承中,上支承點(diǎn)為肩胛骨提供憑靠,稱為肩靠,其位置處于第5~6節(jié)胸椎的高度;下支承點(diǎn)為腰曲部分提供憑靠,稱為腰靠,其位置處于第4~5節(jié)腰椎的高度.腿的主動(dòng)脈緊靠著大腿下表面和膝蓋的后面,在這個(gè)部位上,任何持續(xù)的壓力都會(huì)給人造成極端的不舒適和腫脹感覺,需要借助于適當(dāng)減短座深、把座墊前緣修圓和采用較軟的泡沫塑料座墊等措施來防止這種情況發(fā)生.同時(shí),還要使座面離地板的高度足夠低,以便使腳能踩著地板,讓人的這個(gè)重要部位感覺不到有任何壓力.坐骨下面的座面應(yīng)當(dāng)是近似水平的.圖2表示帶有股骨的骨盆部位的前視圖,從圖中可看出股骨在股節(jié)中從連接骨盆的球孔向外伸去.用平坦的座面,股骨的這一部分在坐骨平面之上,因此不承受過分的壓迫.但是,如果座面是斗形的(圖3),則彎曲的座面會(huì)使股骨趨于向上轉(zhuǎn)動(dòng)(箭頭所示)而受載,造成髖部肌肉承受反常的壓迫,從而引起不舒適感.故需注意避免采用斗形座面.應(yīng)當(dāng)注意,斗形的座面不論從什么觀點(diǎn)看,都是不適用的,因?yàn)樗荒苓m應(yīng)人體大小的整個(gè)系列,它還把身體質(zhì)量平均地分配在整個(gè)臀部,而不是讓較多的質(zhì)量集中在坐骨結(jié)節(jié)部位.使股骨處于受載狀態(tài),舒適的坐姿,應(yīng)保證腰曲弧處于正常自然狀態(tài),腰背肌肉處于松弛狀態(tài),從上體通向大腿的血管不受壓迫,保持血液正常循環(huán).因此,最舒適的坐姿是臀部稍離靠背向前移,使上體略向后傾斜,體腿夾角保持在90°~115°.小腿向前伸,大腿與小腿、小腿與腳面之間也有合適的夾角,如圖4所示,10°<θ1<20°;15°<θ2<35°;80°<θ3<90°;90°<θ4<115°;100°<θ5<120°;85°<θ6<95°.針對(duì)具體情況,在舒適范圍內(nèi)選取合適的角度.2座深、術(shù)后的設(shè)計(jì)1)座高.座高指地面至座面上坐骨支承處的高度.座椅高度應(yīng)該使駕駛員大腿接近水平,小腿自然放置.如果座面過高,就會(huì)導(dǎo)致小腿懸空,使大腿肌肉受椅面前緣壓迫,腿部血液循環(huán)受阻,小腿麻木腫脹;座面過低會(huì)增加背部肌肉負(fù)荷.所以座高的設(shè)計(jì)先要考慮較小身材的操作者.2)座寬.座寬應(yīng)滿足臀部就坐所需的尺度,使人能自如地調(diào)整坐姿,座寬取值時(shí)應(yīng)適當(dāng)大于臀寬.通常以大身材女性的臀寬尺寸上限為設(shè)計(jì)依據(jù),以滿足能容納身材粗壯者的需要.由于駕駛室空間的限制,座寬尺寸不能太大,以免影響變速操縱桿、停車制動(dòng)桿等的尺寸和操作.3)座深.座深是指椅面的前后距離.正確的設(shè)計(jì)應(yīng)使臀部、腰部都得到支持,座面前緣與小腿間應(yīng)留有適當(dāng)?shù)木嚯x,保證小腿可自由活動(dòng).座深不宜太大,防止矮小身材的人坐上之后,座面前緣壓迫膝窩處的壓力敏感部位,迫使人前移,背部得不到靠背支持,產(chǎn)生極度不適.如果要得到靠背的支持,則必須改變腰部正常曲線,也會(huì)產(chǎn)生不舒適.為了滿足大多數(shù)人的需求,座深應(yīng)按較小百分位的群體設(shè)計(jì).這樣,身材矮小的人能夠坐著舒適,身體高大的人也只要小腿能得到穩(wěn)定的支持,就不會(huì)在大腿部位引起壓力疲勞.4)座面傾角.座面傾角是座面與水平面夾角.座面后傾可以起到2個(gè)作用:一是由于人體重力作用,使坐者軀干后移,使背部抵靠靠背,以獲得支持,從而使背肌得到放松,降低背部靜壓;二是防止坐者從座面前緣滑出座面,這對(duì)在常處于顛簸環(huán)境中的駕駛員尤為重要.但如果座面過分后傾,在進(jìn)行駕駛操作時(shí),脊椎因身體前屈而會(huì)被拉直,破壞正常的腰椎曲線,形成一種費(fèi)力的姿勢,同時(shí)還會(huì)壓迫腹部,長期駕駛會(huì)造成生理上的傷害.因此傾角不能太大,一般為4°~8°.5)靠背的高度.靠背的功用是保持脊柱具有一種輕松的姿勢.由于每個(gè)人的脊柱長度不同,身材也不完全相同,每個(gè)人的脊柱曲度變化存在著一定的差異,使靠背高度與其形狀之間出現(xiàn)了復(fù)雜的關(guān)系.靠背按其高度不同可分為低靠背、中靠背、高靠背及全靠背4類.低靠背為一點(diǎn)支承,只支承腰部;中靠背也是一點(diǎn)支承,支承在胸椎;高靠背為兩點(diǎn)支承,靠背下部支承于腰椎、上部支承于肩腳骨上;全靠背為三點(diǎn)支承,除支承于腰椎及肩胛骨之外還設(shè)有頭枕.靠背的尺寸主要與腰部、肩部、頭部的高度(決定靠背高)和寬度(決定靠背寬)有關(guān),確定高度時(shí)還應(yīng)計(jì)入座椅的有效厚度.6)靠背傾角.靠背傾角指坐面與靠背的夾角.從保持正常自然形態(tài)的脊柱、增加舒適感角度看,靠背傾角取115°左右較為合適.3輕卡駕駛座椅的高度根據(jù)現(xiàn)有的某輕卡座椅的圖紙,用Pro/E建立座椅的模型,然后導(dǎo)入ManneQuinPRO10.2中進(jìn)行人機(jī)分析.ManneQuinPRO10.2的主要功能是:能為產(chǎn)品作人性化設(shè)計(jì)和評(píng)估提供3D的人體模型,可以對(duì)此人體模型作多種姿勢變換,進(jìn)行全方位的模擬驗(yàn)證.在進(jìn)行分析之前,了解坐姿的人體尺寸是非常重要的.坐姿人體尺寸包括11項(xiàng),如圖5所示,表1列出了我國成年人的人體坐姿尺寸.下面結(jié)合實(shí)例對(duì)座椅的各靜態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析:1)座高.為了滿足大身材駕駛員的需求,應(yīng)該取P99男性的人體尺寸進(jìn)行計(jì)算研究.前面已經(jīng)提過,駕駛員操縱腳踏板時(shí),小腿與大腿間的舒適夾角應(yīng)為110°~120°,以120°為優(yōu),如圖6所示.根據(jù)圖5、表2可知AB代表坐深,P99男性的坐深A(yù)B為510mm;BC為小腿加足高加上鞋高修正量30mm,取P99男性的尺寸得出BC=463+30=493mm.根據(jù)公式:AC2=AB2+BC2-2AB·BCcos120°,即AC2=5102+4932-2×510×493×cos120°=754579,求得AC≈869mm.實(shí)例中的輕卡駕駛室中DC為840mm.根據(jù)勾股定理:AD2=AC2-CD2,即AD2=8692-8402=45361.求得AD≈214mm就是舒適的座椅高度.實(shí)例的座椅的高度為200mm,與214mm的相差不大.用Pro/E建立如圖7所示的座椅三維模型,然后導(dǎo)入ManneQuinPRO10.2中,采用P99男性的人體3D模型進(jìn)行分析,可得知當(dāng)人坐在高度為214mm座椅上時(shí),大腿與小腿夾角是120°,所以本例的輕卡座椅的高度是合理的.2)座寬.根據(jù)P99的女性坐姿臀寬400mm,再加上著裝功能修正量13mm,座椅的座寬應(yīng)為413mm較佳.本例輕卡駕駛座椅的座寬尺寸為510mm,大于413mm.建模分析如圖8所示,座椅寬度大于P99的女性坐姿臀寬,因此,該輕卡的坐寬是較為合理的,能滿足更大部分人群的使用.3)座深.根據(jù)P5的女性人體坐深401mm,再加上著裝修正量,座深應(yīng)為415mm左右.本例輕卡座椅的座深為460mm,建模分析如圖9,看到小身材尺寸的女性的膝窩處的壓力敏感部位受到座面前緣的壓迫,所以建議縮小座深,改為415mm左右.4)座面傾角.由圖9可知,該輕卡的座面傾角為5°.汽車駕駛座椅座面傾角一般為7°~12°,為了避免駕駛員因顛簸而滑出座椅,建議將座面傾角改為15°左右.5)靠背高度.本例的座椅是三點(diǎn)支承的全靠背座椅.查詢GB/T14774—93《工作座椅一般人類工效學(xué)要求》可知,腰靠距座面的高度取165~210mm,腰靠圓弧半徑取為400~700mm,推薦值為550mm.如圖10所示,本例座椅的腰靠高度在170mm左右,其表面為接近于平面的大圓弧.靠背高度為848mm,表面弧度的設(shè)計(jì)與人體在正常狀態(tài)下的脊椎彎曲吻合度較大,因此其設(shè)計(jì)是較為合理的.6)靠背傾角.本例的座椅靠背傾角調(diào)節(jié)范圍是:向后8°,向前7°.如圖10所示,靠背傾角為100°,向前調(diào)節(jié)后可達(dá)到93°,向后調(diào)節(jié)可達(dá)到107°,即本例的座椅靠背傾角范圍是93°~107°.查詢GB/T14774—