【正文】 1 緒論拖拉機座椅是影響駕駛與乘坐舒適程度的重要設施。舒適而操作方便的駕駛座椅,可以減少駕駛員疲勞程度,降低故障的發(fā)生率，拖拉機駕駛員座椅設計優(yōu)劣與否直接關系到駕駛質量。拖拉機駕駛座椅人機工程學設計目的, 就是使設計出來的座椅能夠滿足人機工程學標準,這樣一來, 所謂拖拉機駕駛座椅人機工程學設計也就轉化為針對駕駛員舒適性的設計，當然對于座椅設計來講, 對其安全性的設計也是不容忽視的。從人機工程學原理出發(fā)考慮,一個性能優(yōu)良的駕駛座椅應當符合的基本要求如下:（1）為駕駛員提供一個舒適而穩(wěn)定的坐姿, 符合人體舒適坐姿的生理特性。 減輕傳給駕駛員身體的機械振動和沖擊負荷, 滿足振動舒適性評價標準的要求。（2）將駕駛員置于良好視野的位置, 保證他能安全而有效地完成各項操縱作業(yè)。為駕駛員提供一個相對于各種操縱機構的合適位置,使他能方便地進行操作。（3）考慮提高駕駛員的人身安全性,當發(fā)生翻車或撞車事故時,將駕駛員約束在駕駛座椅上且處于一定的容身空間以內(nèi)。駕駛座椅設計的良好與否直接影響著駕乘者的健康。長時間坐在拖拉機座椅中，若是脊椎得不到應有的支持，則腰部就會因弓彎而造成椎骨、椎盤、肌腿的負荷，進而導致慢性肌肉疲勞并產(chǎn)生酸痛。再加上長時間維持相同坐姿，還會造成脊椎壓力過大而導致椎間盤突出，若是壓迫到神經(jīng)，容易發(fā)生麻痹的想象。然而，在駕乘拖拉機的過程中，脊椎除了不一定保持停滯狀態(tài)為，也會跟著路況的變化而改變，這些情況下，脊椎的變化也就更加復雜，其所導致坐姿不良的狀況，會引起腰酸背疼或慢性的肌肉發(fā)炎。由于拖拉機工作環(huán)境比較惡劣，對人體健康影響很大。近些年來，隨著我國農(nóng)業(yè)機械化的提高，拖拉機的數(shù)目也越來越多。拖拉機作為一種農(nóng)用機械,其宜人性一直不為人們所關注,以人為本的設計理念沒有很好的體現(xiàn)。隨著科技的進步、社會的發(fā)展及對勞動者健康、生命關注的提高,應當從人機工程學的角度對拖拉機進行設計。1. 2本課題所涉及的問題在國內(nèi)(外)研究現(xiàn)狀國外對于座椅的研究比較多，有從整體研究的，也有從座椅的各個側面作單項研究，各單項包括座高，靠背角，座面傾角，座寬，座深，靠背高度等。有些因家己經(jīng)制定了相應的標準。國內(nèi)在標準化研究方面雖然比較晚，但是也推出了不少標準和設計規(guī)范。其中主要有:GB10000一88《中國成年人人體尺寸》。GB/T 12552一90《載貨拖拉機駕駛員操作位置尺寸》。GB/T 12985一91《在產(chǎn)品設計中應用人體百分位數(shù)的通則》。GB/T13055一54一91《客車駕駛區(qū)尺寸及術語》。GB/T13055一56一91《客車乘客區(qū)尺寸及術語》:GBT/13057~58一91《客車駕駛員座椅尺寸規(guī)格和技術條件》:GB/T13059一6任一91《客車乘客座椅尺寸規(guī)格和技術條件》。GBT/13547一92《工作空間人體尺寸》。GB/T 14776一93《人類工效學一工作崗位尺寸設計原則及其數(shù)值》。GBT/14779一93《坐姿人體模板功能設計要求》。GBT/14775一93《操縱器一般人類工效學要求》GB汀6325一1997《農(nóng)業(yè)拖拉機駕駛座及主要操縱裝置位置尺寸》。GB/T 14774一93《工作座椅一般人類工效學要求》。GB/T 59n一86《轉向盤尺寸》。GB4094一94《拖拉機澡縱件、指示器及信號裝置的標志》。GB15082一94《拖拉機用車速表》等等。這些規(guī)范和標準多是通過大量統(tǒng)計和實驗得出的，具有很高的實用性和權威性，它的制定為設計人機系統(tǒng)提供了依據(jù)，是設計人機界面不可缺少的資料和數(shù)據(jù)來源。1 人體坐姿生理特性分析 （1）坐姿時脊柱的形態(tài)。人坐著時，身體主要由脊柱、骨盆、腿和腳支承。脊柱位于人體的背部中央，是構成人體的中軸。人處于不同的坐姿時，脊柱形態(tài)不同，只有座椅的結構和尺寸設計使駕駛員的脊柱形態(tài)接近于正常自然狀態(tài)，才會減少腰椎的負荷以及腰背部肌肉的負荷，防止駕駛疲勞發(fā)生。 （2） 坐姿體壓分布。當座椅上的人處于坐姿狀態(tài)時，人的身體重量作用于座墊和靠背上的壓力分布稱作坐姿的體壓分布。可見，坐姿體壓分布包括座墊上的體壓分布和靠背上的體壓分布兩部分。 （3） 座墊上的體壓分布。根據(jù)人體組織的解剖學特性可知，坐骨結節(jié)處是人體最能耐受壓力的部位，適合于承重，而大腿下靠近表面處因有下肢主動脈分布，故不宜承受重壓。據(jù)此座墊上的壓力應按照臀部不同部位承受不同壓力的原則來分布，即在坐骨處壓力最大，向四周逐漸減少，自大腿部位時壓力降至最低值，這是座墊設計的壓力分布不均勻原則。 （3）靠背上的體壓分布?？勘成系捏w壓分布也以不均勻分布，壓力相對集中在肩胛骨和腰椎兩個部位。從這兩個部位向外，壓力應逐步降低。2 環(huán)境分析 把駕駛員和座椅組成的系統(tǒng)看作一個典型人機系統(tǒng)，該系統(tǒng)所處的環(huán)境對系統(tǒng)中的駕駛員的影響主要體現(xiàn)在振動及溫濕度上，具體分析如下：（1）振動。駕駛員坐在行使中的拖拉機上所承受的振動屬于全身振動的范疇。有關研究表明，人體最敏感的頻率范圍為縱向振動 48hz，橫向振動12hz。當外界振動接近器官的共振頻率時，即產(chǎn)生共振，振幅迅速增大，此時引起器官的生理反應最大。振動對駕駛員操作的影響主要表現(xiàn)為視覺作業(yè)效率的下降和操作動作準確性變差。當達到一定限度時，皮質細胞的工作強度將減弱，人就會感到疲勞，工作效率明顯下降。（2） 溫濕度。人置身于高濕度、高溫度的條件下，往往會感到渾身不適、四肢乏力，工作不能持久。研究表明 ，駕駛員在駕駛狀態(tài)下的舒適溫度為 １８℃——２３℃，舒適濕度為 ４０％——６０ ％，代謝量為 ，高于或低于這個范圍都會增加駕駛員的疲勞程度。駕駛座椅對駕駛員人體熱環(huán)境的主要影響因素有：座椅表面的溫度和濕度。座椅表面的溫濕度特性將影響人體背部、臀部、下體等部位的散熱性能及皮膚的呼吸功能，當其溫濕度特性與人體生理機能不適應時將引起人體局部不快感，從而加速人體疲勞的形成。3 座椅尺寸結構設計（1）座椅尺寸設計。座椅尺寸設計主要參數(shù)包括：椅面高度、寬度、深度、椅面傾角；靠背的高度、寬度和傾角。椅面高度 Ａ：椅面高度定義為椅面前緣至駕駛員踵點的垂直距離。在設計時主要考慮到兩點：椅面過高會使大腿肌肉受壓，椅面過低就會增加背部肌肉負荷。駕駛座椅的椅面高度應低些。椅面寬度 Ｂ：在空間允許的條件下，以寬為好。但對于拖拉機駕駛座椅來講，駕駛員坐姿單一，不涉及變換姿勢，通常設計應以滿足最寬人體需要為準。椅面深度 Ｃ：指椅面前緣至靠背前面水平距離。其尺寸應滿足：腰部得到靠背的支承；椅面前緣與小腿之間留有適當距離，以保證大腿肌肉不受擠壓，腿彎部分不受阻礙?？勘掣叨?Ｄ 及寬度：靠背的高度和寬度與坐姿肩高和肩寬有關，對于拖拉機駕駛座椅靠背的高度應采取低靠背，最好沒有靠枕?？勘硟A角 α：靠背傾角是指靠背與椅面水平方向的夾角。椅面傾角 β：指椅面與水平之間的夾角。主要考慮到為了防止人體臀部向前滑動而是椅面前緣向后傾。此角不易過大，否則會增加大腿下平面與座墊前緣的壓力，從而減少雙腳著地的負荷，阻礙血液循環(huán)，引起身心疲勞。通過以上座椅尺寸參數(shù)的確定，以保證駕駛員人體脊柱曲線更接近于正常生理脊柱曲線。 （2） 座椅結構設計。為了保證座墊上合理的體壓分布，座墊應堅實平坦。太軟的椅子容易令使用者曲起身子，全身肌肉和骨骼受力不均，從而導致腰酸背痛的現(xiàn)象的產(chǎn)生。研究表明 ：過于松軟的椅面，使臀部與大腿的肌肉受壓面積增大，不僅增加了軀干的不穩(wěn)定性，而且不易改變坐姿，容易產(chǎn)生疲勞。依據(jù)靠背上體壓分布不均勻原則，在座椅靠背設計時應保證有靠背兩點支承即就是人體背部和腰部的合理支承。拖拉機座椅設計時應提供形狀和位置適宜的兩點支承， 第一支承部位位于人體第 ５——６ 胸椎之間的高度上，作為肩靠； 第二支承設置在腰曲部位，作為腰靠。肩靠能減輕頸曲變形，腰靠能保證乘坐姿勢下的近似于正常的腰弧曲線。（3） 座椅材料選擇。座椅材料的選擇主要考慮到以下兩個方面：振動舒適性以及座椅對人體熱環(huán)境的主要影響。座椅材料是座椅的主要減振元件，要想使座椅獲得較低的振動傳遞率，使座椅有較高的振動舒適性，必須采用合適的座墊和靠背減振材料 。根據(jù)駕駛室的微氣候環(huán)境，調整座椅表面的溫濕度特性，可以適當調節(jié)人體代謝，達到減輕疲勞的目的。4 座椅振動舒適性設計 座椅材料是座椅的主要減振元件，那么在座椅振動舒適性設計時首先要考慮的就是從座椅材料的選擇上下功夫來保證座椅振動舒適性。座椅的結構形狀也不同程度的影響其振動舒適性。由于椎間盤有較大的壓縮潛力和很好的彈性，所以脊柱具有忍受較強的縱向振動的能力。在橫向上，脊柱只有前縱韌帶分別附在腰間盤的前緣和后緣并起一定的作用。因此，人體脊柱忍受橫向力的能力很低。在設計座椅時必須使其具有抵抗橫向振動的能力。座椅靠背后傾斜使腰部背部得到依靠，加之靠背襯墊的適度柔軟性，致使摩擦力增大，可緩沖橫向振動對人體的沖擊，同時靠背兩側稍隆起、椅面的形狀兩邊向上隆起，也能減輕人體的橫向移動趨勢，使人感覺乘坐舒適。5 座椅空間位置設計座椅空間位置設計就是為了達到操作舒適性的目標，而進行駕駛座椅空間位置設計以確保駕駛員有良好的視野，同時對拖拉機轉向盤、腳踏板等操作部件有恰當?shù)牟僮饕缶嚯x， 以達到操作舒適性的最終目的。6 座椅安全性設計（1）主動安全性。主動安全性是指拖拉機駕駛座椅防止事故的能力。拖拉機駕駛座椅的主動安全性設計主要從減輕駕駛員的疲勞入手進行分析設計，以滿足主動安全性要求。主動安全性主要考慮合理的座椅尺寸設計、座墊上合理的體壓分布、靠背上合理的體壓分布等為駕駛員提供一個舒適的作業(yè)環(huán)境，減輕駕駛員的疲勞，從而保證駕駛座椅主動安全性的設計要求。（2）被動安全性。被動安全性是指事故發(fā)生時，保護乘員的能力。駕駛座椅作為安全部件，是拖拉機被動安全性設計的主要考慮部件之一。考慮提高駕駛員的人身安全性，拖拉機駕駛座椅被動安全性設計目標為：①在事故中要保證駕駛員處在自身的生存空間之內(nèi)， 并防止其他車載體進入到這個空間；②要保持駕駛員在事故發(fā)生時，保持一定的姿態(tài)，以使其他的約束系統(tǒng)能充分發(fā)揮其保護效能；③在事故中，使得事故后果對駕駛員的傷害降低到最小限度。（3）安全措施。目前采取的主要安全措施：提高座椅骨架強度，達到拖拉機駕駛座椅強度的要求值；設置座椅安全帶，使在緊急制動或正面撞車時不致將駕駛員碰傷；達到一定的阻燃要求，坐墊和靠背材料應達到拖拉機內(nèi)飾材料燃燒特性技術要求的規(guī)定。通過對鐵?！?5調研，運用人機工程學原理，針對拖拉機駕駛座椅，從人體測量、生物力學、心理學、機械振動、作業(yè)空間等角度分析駕駛疲勞的成因，研究座椅的座高、座寬、座深、座面傾角、靠背高度、靠背傾角等座椅靜態(tài)參數(shù)的選取原則，從坐姿舒適性，振動舒適性，操作舒適性，安全性等方面進行拖拉機駕駛座椅的人機工程設計與創(chuàng)新。 本章主要介紹了本課題研究的意義，主要內(nèi)容以及本課題在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。2 拖拉機座椅設計在人機工程學上的基礎知識 坐姿是人體較自然的姿勢，也是進行各種操作經(jīng)常采用的姿勢。座椅與人們的生活息息相關，無論是工作、學習、出門旅行、在家休息都離不開座椅。人的坐姿是個相當復雜的問題，雖然座椅伴隨人類的生活己經(jīng)有幾千年的歷史了，但是關于座椅的設計問題至今仍然是值得研究的課題。 在生物學中，當我們坐著時，人的身體由脊椎、胯骨、腿和腳支撐。主要用來支撐人體重量的關節(jié)為胯骨和腰椎，腰椎的第三、第四腰椎為整個脊椎骨中受力最大的部位。所以腰椎也就比上方的椎骨大而且硬得多。坐姿時，尾椎將受到壓力而往前彎，有緩沖震蕩的作用。坐骨構成了胯骨最下方的部位，其后下方的坐骨結節(jié)為L字母形狀，當我們坐著的時候，此處往下頂住來支撐身體的重量。長期的姿勢不良、受傷或者疾病，傷害就會發(fā)生在脊椎彎曲的地方，如胸彎過分彎曲就會造成圓肩或駝背。腰部脊椎過分彎曲，會造成脊椎的側彎或是脊椎的前凸癥、后凸癥。 當我們坐在椅子上時，若坐姿不良，骨盆很容易下陷，仔細摸骨盆兩側，發(fā)現(xiàn)整個骨盆往后傾，整個人會感到胸廓與腰桿交界處造成腰酸背疼、駝背。長期使用電腦的上班族而言，坐姿不良通常是造成腰酸背疼得最主要的兇手。我們的脊椎在坐姿情況下就像是一根杠桿，如果頭部向前傾，為了支撐前傾的頭部，骨頭的韌帶就會產(chǎn)生一個拉力，當力量超過韌帶所能負荷的范圍，這個力量就會轉移到背后的肌肉上，于是肌肉便持續(xù)暴露在張力之下。久而久之，就會出現(xiàn)頸部、背部、腰部肌肉酸痛的癥狀。 人在坐姿時身體承受的壓力骨骼主要包括頸椎，胸椎，腰椎，骨盆和大腿。頸椎由7塊頸椎骨組成，當頸椎病變時少