【正文】 和勞動的需要。 人站立時，脊柱的椎間盤和前后兩條韌帶都處于正常位置，不受拉伸 變形。脊柱的這種彎曲形狀使椎間盤之間具有最佳的壓力分布以及最佳椎骨間肌肉靜態(tài)負(fù)荷水平。 沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 12 椎骨和椎間盤結(jié)構(gòu) 圖 12所示為椎骨和椎間盤的結(jié)構(gòu)示意圖，椎骨是附有肌肉及韌帶的骨頭，其功能是保護(hù)脊髓。椎管是由連續(xù)的椎骨及椎孔形成。脊髓在椎管中流動，椎間盤是相鄰兩個椎骨間的彈性軟骨盤，它由兩部分：纖維環(huán)（椎環(huán)）和髓核組成，其中央是一種柔軟而富有彈性的膠狀物質(zhì)，叫髓核，髓核柔軟而富有彈性，可以接受人站、走、跑等引起的振動；髓核周圍是很多按同心圓排列的相互交織的纖維構(gòu)成的纖維環(huán)，它約束髓核，防止它向周圍 膨出，同時增強(qiáng)了椎間盤的強(qiáng)度。椎間盤在力的作用下會發(fā)生變形，它為脊椎提供了彈性和運(yùn)動能力。前縱韌帶和后縱韌帶從上到下將椎骨和椎間盤連成一體，形成一個靈活的節(jié)。 為了維持人體的某種姿勢，往往要靠肌肉纖維的交替收縮以保持一定的張力，肌肉使脊柱具有運(yùn)動功能并保持相對穩(wěn)定。（如圖 13所示） 圖 13肌肉使脊柱具有運(yùn)動功能 沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 當(dāng)脊柱處于正常的生理彎曲時，它具有最佳的吸振能力和彈性；它能防止背部肌肉的緊張和抽筋；使椎間盤受力均勻，防止脊柱受損，當(dāng)椎間盤受壓變薄 2mm 時，它將失去彈性，當(dāng)受力不均勻或坐姿不正確時， 椎間盤 的壓力將大大增加（如圖 14所示），同時導(dǎo)致髓核凸起，凸起的髓核將壓入椎環(huán)或凸起在椎環(huán)周圍，凸起部分會壓迫脊髓神經(jīng)末梢，從而導(dǎo)致疼痛或神經(jīng)紊亂；有助于脊髓神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)信號的傳輸，有缺陷的椎間盤對神經(jīng)系統(tǒng)將產(chǎn)生壓力，影響神經(jīng)功能，從而擾亂體內(nèi)平衡；不壓迫內(nèi)臟，提供適當(dāng)?shù)墓┭蹩臻g以及能深呼吸的坐姿。氧氣是維持人體各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)，它為呼吸提供了必要的姿勢。如果坐姿不正確，將使呼吸的頻次增加，引起心理疲勞。 圖 14 椎間盤受力及壓迫脊椎神經(jīng)末梢圖示 橫向振動的抵抗能力 由于椎間盤有較大的 壓縮潛力和很好的彈性，所以，脊柱能忍受較強(qiáng)的縱向振動。在橫向上，脊柱只有前縱韌帶和后縱韌帶，分別附著在椎體和椎間盤的前緣和后緣并起一定的保護(hù)作用。因此，人體脊柱忍受橫向力的能力很低。 座椅靠背后傾斜能使腰部得到依靠，加之靠背襯墊的適度柔軟，致使摩擦力較大，同時加上靠背側(cè)向護(hù)耳，可緩沖橫向振動對人體的沖擊，以提高乘坐舒適性。 本章小結(jié) 人機(jī)工程學(xué)作為一門新興的學(xué)科，在它自身的發(fā)展過程中，有機(jī)地吸收和融合各相關(guān)學(xué)科的理論，不斷地完善本學(xué)科的基本概念、理論體系、研究方法、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。本文是以人機(jī)工程學(xué)標(biāo) 準(zhǔn)進(jìn)行研究的。 (1) 建立人 椅系統(tǒng)三自由度模型，根據(jù)我國實(shí)際需求，結(jié)合 ISO 2631 對該模型進(jìn) 行人沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 體振動舒適性的定量評價(jià)。設(shè)計(jì)座椅的動態(tài)參數(shù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對參數(shù)進(jìn)行仿真分析與評價(jià)。 (2) 根據(jù) 人體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建立人體坐姿模型和數(shù)學(xué)模型，以人體各關(guān)節(jié)的舒適活動角度為約束條件，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)繪制小身材女性、中等身材男性和大身材男性駕駛員舒適駕駛位置時的 H 點(diǎn)區(qū)域圖，為座椅的布置和調(diào)整提供理論依據(jù)。 (3) 測量不 同坐姿下人體脊柱的形狀和各椎骨的位置，分析不同坐姿下腰椎的形狀變化，為座椅設(shè)計(jì)提供人要工程學(xué)上的 參考數(shù)據(jù)。根據(jù)測量的脊椎數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)座椅的結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足乘員乘坐的舒適性要求。 沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 第二章 人體承受振動的舒適性評價(jià) 人體承受振動的分類 機(jī)械振動對人體的影響取決于振動的頻率與強(qiáng)度、振動作用的方向和振動的持續(xù)時間，以及人的心理、生理狀態(tài)。不同的心理品質(zhì)和身體素質(zhì)，對振動的敏感程度也不同。人體承受全身振動而引起的舒適性問題稱為振動舒適性。 對振動舒適性的評價(jià) 可分為：“沒有不舒適 ”、“少許不舒適”、“有點(diǎn)不舒適”、“不舒適”、“非常不舒適”及“極不舒適”等。通常取某一頻率的正弦 振動作為基準(zhǔn)，其振動加速度均方根值和振動的持續(xù)時間是一定的，并規(guī)定在此條件下的體承受振動的舒適性評價(jià)，然后，在相同持續(xù)時間下改變振動頻率和振動加速度均方根值，與基準(zhǔn)振動相比較，當(dāng)舒適性評價(jià)相同時，記錄振動的頻率與振動均方根值。如果把產(chǎn)生同樣的舒適性的各點(diǎn)連接起來，即可繪制出人體對振動反應(yīng)的等舒適性曲線。 ISO 2631《人體承受全身振動的評價(jià)指南 》 [6]提出：以振動加速度均方根值、振動方向、振動頻率和受振動持續(xù)時間四個基本的振動參數(shù)之間的關(guān)系來評價(jià)全身振動對人體產(chǎn)生的影響。并對舒適評價(jià)進(jìn)行分類： (1) 保 持 舒適性界限（或稱降低舒適性界限）：在此振動界限內(nèi)，沒有不舒適的感 覺，受振動者能順利完成讀、寫、吃等動作； (2) 保持工作效率界限（或稱疲勞 —— 降低功效界限）：在此振動界限內(nèi)，操作人員能在規(guī)定的時間保持正常的工作效率。超過此界限，則因疲勞而降低工作效率。（當(dāng)駕駛員承受的振動強(qiáng)度在此界限內(nèi)，能準(zhǔn)確靈敏地反應(yīng)，正常地進(jìn)行駕駛）； (3) 保持健康與安全界限（或稱受振極限）：它是人體所能承受振動的上限，超過此界限將使乘員的健康受到損害 。 該標(biāo)準(zhǔn)用加速度均方根值給出了 180Hz 范圍頻率內(nèi)，人體對振動的反應(yīng)（如圖21） ： 沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 21 ISO 2361保持工作界限圖線 （ a）垂直振動 （ b）水平振動 其中 1～ 80Hz 的頻率范圍包括汽車等主要機(jī)械振動的頻率。其中圖 a、圖 b 分別表示垂直振動和水平振動在各種受振持續(xù)時間內(nèi)保持工作效率界限（或疲勞 —— 降低功效界限，簡稱 FDP 限）圖線，圖中橫坐標(biāo)是振動頻率（ Hz），縱坐標(biāo) 是振動加速度有效值（ m/s2） ,都采用對數(shù)坐標(biāo)。 沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 將該圖線上各振動加速度有效值乘以 2 就是保持健康與安全界限；除以 為保持舒適性界限。從圖中可以看出，在每一條表示界限的圖線上，到達(dá)規(guī)定的同一受振 持續(xù)時間，在不同的頻率時的振動加速度有效值是不同的，但人體的感覺程度相同。隨著規(guī)定的受振持續(xù)時間的減少，對應(yīng)的振動加速度有效值增大，表示界限的圖線平行向上移動。對于垂直振動，人體最敏感的頻率范圍為 48Hz，而對于水平振動，人體最敏感的頻率范圍為 12Hz。這是因?yàn)槿梭w各內(nèi)臟器官的固有頻率多在此范圍內(nèi)，容易引起共振，所容許承受的振動加速度有效值最小。為了便于測試分析和比較 ，把 180Hz 頻率范 圍分為 20個區(qū)段，稱作頻 帶。 對于不同的工作環(huán)境，應(yīng)根據(jù)具體的使用要求和使用條件，選取上述三種界限之一作為評價(jià)振動舒 適性的基本標(biāo)準(zhǔn)。例如：對于小轎車和旅游車，宜選取保持舒適性界限作為評價(jià)振動舒適性的標(biāo)準(zhǔn)；對于拖拉機(jī)、工程機(jī)械和各種越野車輛，宜選取保持工作效率界限作為評價(jià)振動舒適性的標(biāo)準(zhǔn)。 汽車座椅舒適性的主觀和客觀評價(jià)研究 在對座椅機(jī)械結(jié)構(gòu)及人體脊骨生理結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，從主觀和客觀兩方面針對腰托對汽車座椅舒適性影響進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究 [4]。研究表明腰托裝置的設(shè)計(jì)及安裝對人體的體壓分布有顯著影響，設(shè)計(jì)合理的腰托裝置可明顯改善汽車座椅的舒適性。 乘坐舒適性是評價(jià)汽車性能的主要指標(biāo)，其中座椅的舒適性設(shè)計(jì)已成為汽車廠 商所關(guān)注的主要內(nèi)容?，F(xiàn)代汽車座椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由頭枕、靠背、座墊、滑道等總成組成，如圖 22所示。其中靠背總成（如圖 23所示）主要由腰托裝置、彈性元件及泡沫塑料等部件組成。有研究表明腰托裝置比彈性元件更能夠改善人體腰部的支 撐，提高人體的乘坐舒適性。作者從人體生理結(jié)構(gòu)上分析腰托裝置對人體乘坐舒適度的影響，然后通過大量的客觀試驗(yàn)，分析腰托的設(shè)計(jì)對人體壓力分布的影響，結(jié)合主觀試驗(yàn)評價(jià)對以上研究成果進(jìn)行驗(yàn)證。 沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 圖 22 汽車座椅系統(tǒng) 圖 23 座椅腰托及彈性元件 人體脊骨生理結(jié)構(gòu)與座椅腰托裝 置 人體直立時，脊柱呈 S 型，稱為脊柱的正常生理彎曲。成人脊柱總長約 70CM，有26塊獨(dú)立的骨塊組成，如圖 24所示。當(dāng)人體以正常姿勢入座時，脊骨腰椎部分承受的負(fù)荷最大，此時的腰曲易出現(xiàn)前傾變形，使脊柱處于非正常生理彎曲狀態(tài)。由于脊骨的定位是借助于肌腱的作用，一旦脊椎偏離自然狀態(tài)，肌腱組織就會受到拉力或壓力的作用，使肌肉活動量增加，長時間會引起腰酸等不適的感覺。因此，汽車乘員長時間處于坐姿狀態(tài)，首先感到疲勞的部位是腰部。為了適應(yīng)凸向前的腰曲弧形，給予腰部合理的支撐，現(xiàn)代汽車座椅通常都設(shè)計(jì)有腰托裝置，可以避免因 為腰曲部位懸空而帶來的身體不適感覺。 沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 腰托的安裝位置在座椅靠背結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中十分重要。乘員正常入座時，人體身軀與大腿的連接點(diǎn) — 胯點(diǎn)（ hip point）簡稱 H 點(diǎn)， H 點(diǎn)的位置是決定駕駛員操作方便、乘坐舒適性相關(guān)的車內(nèi) 尺寸的基準(zhǔn)。圖 25給出了座椅中 H點(diǎn)的位置以及腰 托的兩個極限位置。由圖可見，相對于人體靠背與座椅接觸的表面而言，腰托最凸出與最凹進(jìn)的兩個 位置 被稱為腰托裝置最前與最后極限位置。 圖 24 人體脊骨生理結(jié)構(gòu) 圖 25 H點(diǎn)及腰托裝置極限位置 座椅 腰托的客觀性評價(jià)試驗(yàn) 為了測試座椅靠背有無腰托裝置人體壓力分布的變化情況，采用 Tekscan System 人體壓力測試設(shè)備測量了靜態(tài)人體壓力分布。人體壓力分布是指乘員坐在座椅上時，人體與座椅之間接觸區(qū)域的壓力變化。座椅的體壓分布分為座墊和靠背壓力分布。 靠背壓力分布通常是將垂直于座椅靠背縱向?qū)ΨQ軸上的壓力進(jìn)行積分，以縱向?qū)ΨQ軸為橫坐標(biāo)，以人體靠背骶骨區(qū)域?yàn)榛鶞?zhǔn)點(diǎn)，等間隔分布測點(diǎn)，以壓力積分結(jié)果為縱坐標(biāo)繪制出曲線，即縱向壓力分布 曲線。縱向壓力分布曲線反映人體受力的分布情況及變化趨勢，綜合反應(yīng)靠背剛度、形狀以及 靠背離地高度等幾何物理特征對體壓的影響。 試驗(yàn)測試系統(tǒng)包括有腰托和無腰托兩個座椅，有腰托座椅采用雙向手動腰托款式。同時以特制的傳感墊布置在靠背上，座椅的初始位置為設(shè)計(jì)位置，靠背角度為 25度、座墊角度為 17度，以滿足設(shè)計(jì)的 H點(diǎn)位置，其中有腰托座椅上的腰托調(diào)到最大極限位置，該位置為座椅 H 點(diǎn)上方 200mm 處。 試驗(yàn)用座椅安裝在模擬車身的夾具上，選取 11 位測試者，分別對有、無腰托裝置沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 的座椅進(jìn)行測試。評測者的相關(guān)生理結(jié)構(gòu)參數(shù)見表 21。 表 21 評測者相關(guān)生理結(jié)構(gòu)參數(shù) 測試者按照正常駕駛位置入座，傳感墊紀(jì)錄測試者整個靠背壓力分布。試驗(yàn)所獲得的縱向壓力分布曲線及壓力分布云圖分別如圖 2圖 27所示。 圖 26 安裝與未安裝腰托座椅靠背壓力曲線對比 序號 性別 身高 /cm 體重 /kg 序號 性 別 身高 /cm 體重 /kg 1 男 184 88 7 男 165 75 2 女 164 59 8 女 162 50 3 男 160 61 9 女 180 61 4 男 180 77 10 男 175 80 5 男 183 91 11 男 171 84 6 女 172 74 沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 圖 27 靠背壓力 分布云圖 比 較圖 2圖 27 可知，安裝有腰托裝置的座椅在腰部的壓力值明顯大于未安裝腰托裝置的座椅。顯然，安裝腰托之后的座椅在靠背腰部區(qū)域給予了人體比較大的支撐，這種合理的支撐適應(yīng)了人體凸向前的腰曲弧形，使身體各部分肌肉均處于放松狀態(tài)，屈伸部位的角度以及受到的壓力都有利于人體保持正常的血液循環(huán)，滿足人體的生理結(jié)構(gòu)上的需要。據(jù)醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)，幾乎 95%的病變均發(fā)生于第 4 和第 5 腰椎的椎間盤，所以該試驗(yàn)選擇在這個位置放置腰托裝置。該位置一般在座椅 H點(diǎn)上方約 200mm 處。 腰托裝置的增加還為胸曲部分的肩胛骨提供了憑靠 ，減輕胸曲變形。根據(jù)人體靠背的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看出，乘坐時，人體靠背的主要受力點(diǎn)就是腰曲部位的支承。這一點(diǎn)是乘坐舒適的憑靠點(diǎn)，而且其承受的壓力最大，并沿著兩點(diǎn)向外逐漸減小。因此，合理的 座椅體壓分布并不是一 種平均分配的分布，而是按照靠背的不同部位在產(chǎn)生不適感之前所能承受的壓力大小的合理分布，即從腰曲部位的最大壓力部位逐漸向外擴(kuò)展減弱。如圖 27（ b）所示。 座椅腰托的主觀性評價(jià)試驗(yàn) 為了清晰地說明客觀試驗(yàn)結(jié)果對乘坐舒適性的影響，進(jìn)行了主觀評價(jià)試驗(yàn)，試驗(yàn)中選取的測試者與客觀試驗(yàn)相同。設(shè)計(jì)的主觀舒適 性評價(jià)試驗(yàn)由表 22 說明，通過每位評測者的打分對座椅總體舒適性進(jìn)行主觀評價(jià)。測試者在依次完成壓力分布試驗(yàn)以后，根據(jù)表 22中的每個評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行約 5min 的主觀評價(jià)并打分，最后將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理。 沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 表 22 主觀舒適性評估表 評價(jià)指標(biāo) 感受程度 (1)靠背壓力 太小 適中 太強(qiáng) 3 2 1 0 1 2 3 (2)靠背中部承重 太小 適中 太強(qiáng) 3 2 1 0 1 2 3 (3)支持力度 太小 適中 太強(qiáng) 3 2 1 0 1 2 3 (4)靠背中部舒適度 太小 適中 太 強(qiáng) 3 2 1 0 1 2 3 (5)肩膀承重 太小 適中 太強(qiáng) 3 2 1 0 1 2 3 (6)操作性能 困難 適中 3 2 1 0 總體評價(jià) (滿分為 10分 ) 11 位評測者的主觀評價(jià)經(jīng)處理后的評分值見圖 28。對 11 個數(shù)值進(jìn)行處理獲得均值，安裝有腰托的座椅主觀評分為 ，未安裝腰托的座椅主觀評分為 。 圖 28 座椅的主觀評價(jià)對比 通過以上主觀評價(jià)，可以看出盡管評測者的性別、身高以及體重不同，但安裝腰托的座椅主觀舒適度明顯高于未安裝腰托的座 椅，進(jìn)一步驗(yàn)證了客觀試驗(yàn)結(jié)果的正確性。 沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 人體動態(tài)舒適性評價(jià) 加權(quán)加速度評價(jià)法 大部 分汽車的地板譜有 2個共振峰，其中一個為懸架的共振頻率所產(chǎn)生的，頻率為1～ 2Hz，其峰值比較大；其次一個共振峰值為汽車車輪部分（輪胎在路面上行駛所產(chǎn)生的）所產(chǎn)生的共振頻率約為 10Hz 的峰值，其峰值相對比較小 [7]。圖 29 為應(yīng)用于試驗(yàn)的汽車在水泥路面上以 45Km/h 車速行駛時的實(shí)測地板譜。 圖 29 汽車行駛時的典型地板譜 在 f= 處有一個共振加速度峰值 a=，在 f= 處有另一個共振加速度峰值 a=，分別對應(yīng)汽車行駛時的懸架和輪胎共振頻率。 沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 圖 210 頭部對于汽車地板譜的加速度響應(yīng) 由 圖 210 可見，人體頭部的加速度譜峰值與汽車地板加速度譜峰值所在的頻率幾乎相同，根據(jù)計(jì)算的大約加權(quán)加速度均方根值為 m/s2。在此持續(xù)振動加速度下，理論上駕駛員（乘員）能 在 24 小時內(nèi)能維持良好的保持工作效率狀態(tài)，在 8 小時內(nèi)能保持良好的舒適性姿勢。因此座椅有較好的振動舒適性能，能很好的衰減汽車地板傳給座椅的振動。 加速度劑量法 圖 211 為圖 29 所示在汽車座椅實(shí)驗(yàn)時，汽車在水平道路上（一級公路）行駛時的三個坐標(biāo)軸上的實(shí)測振動加速度數(shù)據(jù)，實(shí)測時間為 3min（圖中分別選取了某時間段的曲線圖示）。 （ a） 座椅在 x 軸方向上的振動加速度沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 （ b） 座椅在 y 軸方向上的振動加速度 （ c） 座椅在 z 軸方向上的振動加速度 圖 211 座椅振動加速度 （ a） x軸振動（ b） y軸振動（ c） z軸振動 乘員的腰椎在 X軸、 Y軸和 Z軸的加速度響應(yīng)用 Matlab計(jì)算所得到的圖像如圖 212所示 。 沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 圖 213 人體腰椎加速度響應(yīng) 圖 213 表示人體在測量時間 75～ 80s 時腰椎在 X 軸、 Y 軸和 Z 軸的加速度響應(yīng)，為了評價(jià)該座椅振動對人體健康的影響，首先得求出等效天加速度劑量 [8]。以汽車駕駛員為被測對象，假設(shè)以每個工作日承受 60 分鐘的相當(dāng)于的被測試時的加速度劑量，于是每天的等效加速度劑量可得： 沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 Dxd = (60/3)1/6=Dyd = (60/3)1/6=Dzd = (60/3)1/6=該結(jié)果表明該座椅有較好的舒適性，對人體的健康影響比較少，通常人們都能承受而不會因此產(chǎn)生身體上的損害。 以上計(jì)算都基于比較平坦的公路進(jìn)行的，如果汽車行駛的道路比較崎嶇，或鄉(xiāng)村路面，其輸入給汽車（座椅）的加速度將會顯著增加，因此帶來的后果是相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果會接近或者超過人體所能忍受的界限，從而