【正文】 3 座椅的人機(jī)工程分析首先國產(chǎn)拖拉機(jī)多是國內(nèi)企業(yè)與國外企業(yè)合資的產(chǎn)品大部分車型都是借鑒國外的同型拖拉機(jī)的技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)而成，不論主要零部件，還是關(guān)鍵技術(shù)、工藝，甚至是座椅的外形尺寸都一并借鑒過來。本章從人體生物學(xué)和解剖學(xué)，以及人體與座椅的人機(jī)關(guān)系入手，主要探討了參與坐姿的各部分的生理特征，其中詳細(xì)研究了脊椎的結(jié)構(gòu)形態(tài)和功能。主要用人體模版來設(shè)計(jì)和確定坐姿條件下的座椅、工作面、支撐面、調(diào)節(jié)配件配置是的功效學(xué)要求。 所謂產(chǎn)品功能尺寸是指以人體尺寸參量為基礎(chǔ)，考慮該產(chǎn)品的某項(xiàng)功能相對人體尺寸參量做修改的產(chǎn)品尺寸。常用活動尺度表的繪制，是檢驗(yàn)可及度的主要手段，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)不可或缺的重要依據(jù)之一。因此，人們更關(guān)心的是以不同姿態(tài)工作時(shí)人體的手、腳能活動的范圍。人體活動空間尺寸，指人體肢體末端能夠達(dá)到的三維空間范圍，著眼于人的日常姿態(tài)與活動需要。工作位置上的活動空間設(shè)計(jì)與人體的功能尺寸密切相關(guān)，人體活動空間尺寸(動態(tài)尺寸)是相對于人體靜態(tài)尺寸而言的。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國人體基本尺寸見下表。國家標(biāo)準(zhǔn)GB10000一88《中國成年人人體尺寸》按照人機(jī)工程學(xué)的要求提供了我國成年人人體尺寸的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。是建立人體尺寸模型的基礎(chǔ)。例如：中國女子身高尺寸的第5百分位數(shù)P5是1 510 mm，表示全中國女子中有5%的身高低于1 510 mm，而有95%的身高高于1 510 mm；第95百分位數(shù)P95是1 700 mm，表示全中國女子中有95%的身高低于1 700 mm，而有5%的身高高于1 700 mm。人體尺寸百分位數(shù)以符號Pk表示，叫做第k百分位數(shù)。表征人體尺寸的、最普遍采用的統(tǒng)計(jì)量是百分位數(shù)。而針對于座椅設(shè)計(jì)的人體尺寸相關(guān)的主要有人體立姿尺寸和人體水平尺寸。因此，任何一種座椅在設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)考慮變換坐姿的可能性。但是，不論什么座面，保持一種固定的坐姿時(shí)間過長，臀部細(xì)血管內(nèi)參加循環(huán)的血液量就會減少，控制身體下部生理機(jī)能的功能將會下降，這種持續(xù)的復(fù)合作用在肌肉上會引起擠壓疲勞。由坐骨向外，壓力逐漸減少。（a）人體在靠背上最適宜的體壓分布 （b）人體在坐墊上最適宜的體壓分布就座者的骨盆可以比喻為倒立的錐體，椅面接觸的主要是臀部兩塊薄肌肉層下的坐骨?？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(gè)部位。圖 １為坐姿時(shí)座墊上的體壓分布 。據(jù)人體組織的解剖學(xué)特性可知，坐骨結(jié)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?？梢?，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。（1）坐姿體壓分布。如果座椅設(shè)計(jì)得能讓腰部得到充分的支撐，使腰椎恢復(fù)到自然狀態(tài)，那么疲勞就會得到延緩，從而得到輕松舒適感。 當(dāng)人體自然站立時(shí)，脊柱呈理想的“S”形曲線狀，腰椎不易疲勞。腰椎支撐全部上體的重量，又是保證上體活動的萬向關(guān)節(jié)軸，上體的受力也都要由腰椎承擔(dān)，因此腰椎特別粗大而有力。(2)胸椎與肋骨相連構(gòu)成胸腔。側(cè)彎曲、前彎曲、后彎曲的最大曲度分別是400、700、300，而脊椎中心旋轉(zhuǎn)的最大角度是300。2 脊椎關(guān)節(jié)動作的研究脊椎關(guān)節(jié)動作包括脊椎彎曲和旋轉(zhuǎn)，脊椎關(guān)節(jié)彎曲動作即軀干部分運(yùn)動減少軀干與大腿之間的角度，而旋轉(zhuǎn)即脊椎想著身體中心旋轉(zhuǎn)。其中脊柱起關(guān)鍵作用，脊柱由33塊脊椎骨靠復(fù)合韌帶和介于其間的椎間盤連接組成。1 脊推結(jié)構(gòu)形態(tài) 不同形式的座椅會使就坐者采取不同的坐姿即使是同一把椅子也可以有不同坐姿。脊柱被稱之為力學(xué)的奇跡。 當(dāng)人長時(shí)間坐在一個(gè)位置不動而出現(xiàn)肌肉緊張時(shí)，稍稍轉(zhuǎn)換身體位置可以促進(jìn)生物電的活動，使肌肉放松而重新得到休息。故需注意避免采用斗形座面。用平的座位，股骨的這一部分在坐骨平面之上，因此不承受過分的壓迫。 坐骨下面的座面應(yīng)當(dāng)近似是水平的。正確的坐姿應(yīng)當(dāng)是支持脊柱使之逼近這一自然彎曲弧形。 由骨盆支持的背部結(jié)構(gòu)是由背部肌肉控制的一根柔性脊柱，脊背的問題常常是因?yàn)樽甸g盤錯(cuò)位，壓迫坐骨神經(jīng)而使人感到非常疼痛。 腿的主動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)的壓力都會給人造成極端的不好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發(fā)生這種情況。腰靠支承是使背疼和疲勞減到最輕的主要措施，否則，將只靠肌肉來維持腰曲弧形，勢必引起腰部肌肉疲勞和損傷。休息用的座椅，體、腿夾角較大(舒適角度約為1150)，坐著時(shí)身體向后傾斜，只要肩腳部分支承穩(wěn)靠，沒有腰靠也能得到舒適的坐姿，因此是以肩靠起主要作用。下支承點(diǎn)為腰曲部分提供憑靠，稱為腰靠，其位置相當(dāng)于第4一5節(jié)腰椎之間的高度。座椅靠背上的壓力分布，應(yīng)當(dāng)是肩腳骨和腰椎骨兩個(gè)部位最高，此即靠背設(shè)計(jì)中所謂的“兩點(diǎn)支承”準(zhǔn)則。因此，座面上的臀部壓力分布是在坐骨結(jié)節(jié)處最大，由此向外壓力逐漸減小，直至與座而前緣接觸的大腿下部，壓力為最小。而在臀部的邊緣部分，血液循環(huán)則大不一樣，在這部分靜脈較多(包含較少的氧)。人體結(jié)構(gòu)在骨盆下面有兩塊圓骨，稱為坐骨結(jié)節(jié)，這兩塊小面積能夠支持大部分上身的重量。由于腰椎幾乎承受著人的上體的全部重量，并且要實(shí)現(xiàn)彎腰、側(cè)曲、扭轉(zhuǎn)等人體運(yùn)動，所以最容易損傷或腰曲變形。腰椎部分承擔(dān)體重最大，所以腰椎也最粗大。頸椎支撐頭部，肋椎與肋骨構(gòu)成胸腔，腰椎、骸骨和椎間盤承擔(dān)人體坐姿的主要負(fù)荷。坐姿狀態(tài)下，撐身體的是脊柱、骨盆、腿和腳。此外,座椅的調(diào)節(jié)特性對座椅的舒適性影響很大,已成為座椅舒適性設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的因素。從人機(jī)工程學(xué)的角度來講,腰部是體現(xiàn)座椅功能的關(guān)鍵部位。許多文獻(xiàn)都提及腰部支撐的重要作用。根據(jù)座椅結(jié)構(gòu)特征,設(shè)計(jì)出三級指標(biāo)。根據(jù)上述原則,本文對座椅的靜態(tài)不舒適度建立了三級評價(jià)指標(biāo)體系(表1)。座椅的各種特性都會影響到乘坐舒適性。(3)座椅應(yīng)能使乘坐者保持舒適坐姿,靠背結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)給腰部充分的支撐,使脊柱接近于正常彎曲狀態(tài)。2 　拖拉機(jī)座椅舒適性的指標(biāo)體系設(shè)計(jì)根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理,為保證良好的舒適性,針對靜態(tài)舒適性,設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循以下原則:(1) 座椅尺寸應(yīng)與人體測量尺寸相適宜。如由輪胎和懸架產(chǎn)生的噪聲通過影響人的聽覺而影響人對舒適性的評價(jià)?！碍h(huán)境”主要指車內(nèi)環(huán)境及路面狀況等。圖中“人”即指乘坐者,是最終對舒適性作出評價(jià)的主體,其生理因素以及心理因素都會影響對舒適性的評價(jià)。靜態(tài)舒適性希望座椅離地的距離H小些，靠背角大些，然而H小，靠背角大，不僅會降低駕駛員的視覺效應(yīng)，而且也會使駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤和踩腳踏板的力變小，這也就說明為了提高操作舒適性，就得適當(dāng)降低乘坐舒適性。調(diào)整的范圍應(yīng)由需滿足的人群尺寸、車輛類型以及車輛級別而定舒適性要求越高的車輛，其所需的調(diào)整范圍也越大，座椅的設(shè)計(jì)與制造也就越復(fù)雜，所花成本也就越高。好的座椅應(yīng)能在不干擾駕駛員工作的條件下，提供給駕駛員盡可能多的坐姿，因此座椅必須能夠靈活調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同人體尺寸的駕駛員。圖2是拖拉機(jī)舒適駕駛姿勢模型圖。3)具有較好的外形，使駕駛員能舒服地保持滿意駕駛姿勢。駕駛座椅的操作舒適性設(shè)計(jì)原則是:1)提供給駕駛員較滿意的視野。理論上的座面上的壓力分布應(yīng)是:從坐骨向外直到座面前緣接觸的大腿下，壓力由大逐漸變小，其理想分布如圖1所示。由于人體生理上的原因，舒適坐姿的體壓分布應(yīng)該是:體重分布在較大的支承平面上，從而使座椅承受的單位壓力不過大。（7）舒適坐姿的體壓分布舒適坐姿要求人的體重合理地分布在坐椅的支承面上。蒙皮材料應(yīng)與個(gè)車廂的內(nèi)飾柑匹配，為駕駛員提供良好的環(huán)境，采用的材料有:棉、毛織品、皮革、人造革、塑料和膠制品等。 包裹坐墊和靠背總成的蒙皮，應(yīng)具有足夠的抗拉、抗剪強(qiáng)度，應(yīng)耐磨、耐臟、耐潮濕，要有較好的透性、透濕性、導(dǎo)熱性。坐墊太軟將使其上的負(fù)荷轉(zhuǎn)移過多，難以變換乘坐姿勢，會使駕駛員抬腿操縱腳踏板時(shí)感到費(fèi)力。理想的腰墊應(yīng)能上下調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同身材的乘員。（6）靠背和坐墊設(shè)計(jì)靠背的設(shè)計(jì)應(yīng)能給軀干提供一定的支承，應(yīng)限制脊柱和手臂的運(yùn)動。座面與靠背傾角應(yīng)盡可能使上述區(qū)域承受人體的大部分重量，使人體有舒適的體腿角、大小腿夾角、小腿與地面的夾角。（5）座面傾角與靠背傾角座面傾角與靠背傾角對舒適性的影響較大。（4）橫向支撐裝置橫向支撐裝置控制人體的橫向滑動，給人體以側(cè)向穩(wěn)定感。條件許可時(shí)，可在座椅前緣處設(shè)置伸縮的大腿部位支承裝置。（2）座深設(shè)計(jì)座深時(shí)的原則是在充分利用靠背的情況下，使臀部得到合適的支承，使座面前緣與小腿后部之間有一足夠的間隙。小腿略高于座面的目的是使下肢著力于整個(gè)腳掌，并且有利于兩腳前后。座高的設(shè)計(jì)應(yīng)能避免大腿下的肌肉組織受壓，因此座椅的高度應(yīng)保證雙腳能盲如地踩在地面上，雙腿能自如地前伸后屈。理想的拖拉機(jī)座椅的幾何參數(shù)應(yīng)以不同使用人群坐姿下的人體尺寸測量值作為參考，通常以成人的人體尺寸作為設(shè)計(jì)拖拉機(jī)座椅的依據(jù)，下面是駕駛座椅靜態(tài)舒適性設(shè)計(jì)應(yīng)涉及的內(nèi)容。2 靜態(tài)舒適性拖拉機(jī)座椅的靜態(tài)舒適性主要是指座椅的靜態(tài)特性，依據(jù)人體測量數(shù)據(jù)，研究設(shè)計(jì)有關(guān)座椅的結(jié)構(gòu)形式、幾何參數(shù)、人體坐態(tài)的體壓分布以及生理特征等參數(shù)與乘坐舒適性的關(guān)系特性。雖然不同車速、不同的座椅位置也會影響座椅的傳遞特性，但若將它們也考慮進(jìn)去，會對座椅的生產(chǎn)、安裝帶來較大的困難。(3)加裝減振器。~，對于阻尼較小的坐墊可采取以下強(qiáng)化措施:(1)將彈簧裹在布套里，既增大阻尼，又減小噪音。相對阻尼系數(shù)越大，它將帶來過大的沖擊。固有頻率太低，則坐墊剛度小，變形及動撓度可能太大，這將給布置上造成困難，如果路況差，阻尼小，坐墊彈簧可能被完全壓死，會造成較大的沖擊。同時(shí)由于座椅的固有頻率在3Hz附近時(shí)，它不僅不衰減車身加速度，反而會放大車身加速度，因此座椅的固有頻率一般也不選在3Hz附近。據(jù)統(tǒng)計(jì)，拖拉機(jī)懸架系統(tǒng)的固有頻率，高頻為10Hz左右。其次，座椅的固有頻率應(yīng)避開懸架的固有頻率，以免產(chǎn)生共振。坐墊剛度的選擇，一方面要從人體器官對各種頻率的反映情況來考慮，另一方面要從坐墊固有頻率與懸架、輪胎的固有頻率相互匹配的角度來考慮。與相對阻尼系數(shù)仁，所以對座椅動態(tài)舒適性的設(shè)計(jì)就轉(zhuǎn)化為對兩個(gè)動態(tài)參數(shù)的選擇。拖拉機(jī)座椅的動態(tài)舒適性設(shè)計(jì)主要是對座椅進(jìn)行隔振、減振設(shè)計(jì)，以謀求人一椅一車的合理匹配，使人體承受的振動負(fù)荷在規(guī)定的振動舒適允許的標(biāo)準(zhǔn)下，對于駕駛座椅還應(yīng)盡量使駕駛員和座椅相對方向盤、操縱桿件和腳踏板的振動位移不隨駕駛員的體重而變化，彈性振動位移不超過75mm。一個(gè)傳遞特性與振動輸入匹配良好的座椅，可以使平順性評價(jià)指標(biāo)總加權(quán)加速度振級下降2~6dB。下面分別對這三方面內(nèi)容作概要論述。大腿由大腿骨組成，它是全身最長的骨骼，由胯部延伸至膝。人體骨盆由兩胯骨、恥骨、坐骨、能骨、尾骨構(gòu)成。體檢可發(fā)現(xiàn)腰椎脊突壓痛，腰椎旁肌肉痙攣。人體腰椎由5塊腰椎骨組成，當(dāng)腰椎脊柱受累時(shí)，多數(shù)表現(xiàn)為下背前和腰部活動受限。嚴(yán)重者胸廓保持在呼所狀態(tài)，胸廓擴(kuò)張度較正常人降低50%以上，因此只能靠腹式呼吸輔助。胸椎由12塊胸椎骨組成，當(dāng)胸椎受累時(shí)，表現(xiàn)為背痛、前胸和側(cè)胸痛，駝背畸形。頭部活動明顯受限，常固定于前屈位，不能上仰、側(cè)彎或轉(zhuǎn)動。頸椎由7塊頸椎骨組成，當(dāng)頸椎病變時(shí)少數(shù)病人首先表現(xiàn)為頸椎炎先有頸椎部疼痛沿頸部向頭部臂部放射。久而久之，就會出現(xiàn)頸部、背部、腰部肌肉酸痛的癥狀。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。腰部脊椎過分彎曲，會造成脊椎的側(cè)彎或是脊椎的前凸癥、后凸癥。坐骨構(gòu)成了胯骨最下方的部位，其后下方的坐骨結(jié)節(jié)為L字母形狀，當(dāng)我們坐著的時(shí)候，此處往下頂住來支撐身體的重量。所以腰椎也就比上方的椎骨大而且硬得多。 在生物學(xué)中，當(dāng)我們坐著時(shí)，人的身體由脊椎、胯骨、腿和腳支撐。座椅與人們的生活息息相關(guān)，無論是工作、學(xué)習(xí)、出門旅行、在家休息都離不開座椅。 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。目前采取的主要安全措施：提高座椅骨架強(qiáng)度，達(dá)到拖拉機(jī)駕駛座椅強(qiáng)度的要求值；設(shè)置座椅安全帶，使在緊急制動或正面撞車時(shí)不致將駕駛員碰傷；達(dá)到一定的阻燃要求，坐墊和靠背材料應(yīng)達(dá)到拖拉機(jī)內(nèi)飾材料燃燒特性技術(shù)要求的規(guī)定?？紤]提高駕駛員的人身安全性，拖拉機(jī)駕駛座椅被動安全性設(shè)計(jì)目標(biāo)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(jìn)入到這個(gè)空間；②要保持駕駛員在事故發(fā)生時(shí)，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(hù)效能；③在事故中，