【正文】 位懸空而帶來(lái)的身體不適感覺。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(huì)受到拉力或壓力的作用，使肌肉活動(dòng)量增加，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)引起腰酸等不適的感覺。成人脊柱總長(zhǎng)約70CM，有26塊獨(dú)立的骨塊組成，如圖24所示。作者從人體生理結(jié)構(gòu)上分析腰托裝置對(duì)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(duì)人體壓力分布的影響，結(jié)合主觀試驗(yàn)評(píng)價(jià)對(duì)以上研究成果進(jìn)行驗(yàn)證。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。乘坐舒適性是評(píng)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。 汽車座椅舒適性的主觀和客觀評(píng)價(jià)研究在對(duì)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(duì)腰托對(duì)汽車座椅舒適性影響進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究[4]。對(duì)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(píng)價(jià)振動(dòng)舒適性的基本標(biāo)準(zhǔn)。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(dòng)加速度有效值最小。隨著規(guī)定的受振持續(xù)時(shí)間的減少，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度有效值增大，表示界限的圖線平行向上移動(dòng)。將該圖線上各振動(dòng)加速度有效值乘以2就是保持健康與安全界限；。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(duì)振動(dòng)的反應(yīng)（如圖21）：圖21 ISO 2361保持工作界限圖線 （a）垂直振動(dòng) （b）水平振動(dòng)其中1～80Hz的頻率范圍包括汽車等主要機(jī)械振動(dòng)的頻率。超過此界限，則因疲勞而降低工作效率。ISO 2631《人體承受全身振動(dòng)的評(píng)價(jià)指南》[6]提出：以振動(dòng)加速度均方根值、振動(dòng)方向、振動(dòng)頻率和受振動(dòng)持續(xù)時(shí)間四個(gè)基本的振動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系來(lái)評(píng)價(jià)全身振動(dòng)對(duì)人體產(chǎn)生的影響。通常取某一頻率的正弦振動(dòng)作為基準(zhǔn)，其振動(dòng)加速度均方根值和振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間是一定的，并規(guī)定在此條件下的體承受振動(dòng)的舒適性評(píng)價(jià)，然后，在相同持續(xù)時(shí)間下改變振動(dòng)頻率和振動(dòng)加速度均方根值，與基準(zhǔn)振動(dòng)相比較，當(dāng)舒適性評(píng)價(jià)相同時(shí)，記錄振動(dòng)的頻率與振動(dòng)均方根值。人體承受全身振動(dòng)而引起的舒適性問題稱為振動(dòng)舒適性。第二章 人體承受振動(dòng)的舒適性評(píng)價(jià) 人體承受振動(dòng)的分類機(jī)械振動(dòng)對(duì)人體的影響取決于振動(dòng)的頻率與強(qiáng)度、振動(dòng)作用的方向和振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間，以及人的心理、生理狀態(tài)。(3) 測(cè)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)。設(shè)計(jì)座椅的動(dòng)態(tài)參數(shù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)參數(shù)進(jìn)行仿真分析與評(píng)價(jià)。本文是以人機(jī)工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究的。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(shí)加上靠背側(cè)向護(hù)耳，可緩沖橫向振動(dòng)對(duì)人體的沖擊，以提高乘坐舒適性。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。如果坐姿不正確，將使呼吸的頻次增加，引起心理疲勞。（如圖13所示）圖13肌肉使脊柱具有運(yùn)動(dòng)功能當(dāng)脊柱處于正常的生理彎曲時(shí)，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(shí)，它將失去彈性，當(dāng)受力不均勻或坐姿不正確時(shí)，椎間盤的壓力將大大增加（如圖14所示），同時(shí)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(huì)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(hào)的傳輸，有缺陷的椎間盤對(duì)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。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(gè)靈活的節(jié)。脊髓在椎管中流動(dòng)，椎間盤是相鄰兩個(gè)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(dòng)；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(shí)增強(qiáng)了椎間盤的強(qiáng)度。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。人站立時(shí)，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。脊柱的生理彎曲以及椎間盤與一系列的韌帶裝置使脊柱具有彈性，所以可把脊柱視為能調(diào)節(jié)的彈性桿。從體的側(cè)面觀察，脊柱呈“S”形彎曲狀態(tài)，脊柱有頸、胸、腰、骶四個(gè)彎曲，稱為生理彎曲。當(dāng)脊椎向前充分的彎曲時(shí)，腰椎輪廓曲線向外彎曲稱作駝背（腰椎向后凸出：或稱脊椎后凸）；與之相對(duì)，當(dāng)軀干從彎曲姿勢(shì)或腰椎向后凸出的姿勢(shì)伸直時(shí)，脊椎舒展；當(dāng)人自然站立時(shí)，大多數(shù)人的腰椎曲線向里，稱為脊柱前凸（腰椎向前凸出）。因?yàn)楣桥柰ㄟ^椎骨關(guān)節(jié)與腰椎相連，并有許多肌肉組織和韌帶連接，所以骨盆的方向是確定腰椎姿勢(shì)的關(guān)鍵點(diǎn)。在腰椎區(qū)域，腰椎骨和骶骨最上面的椎骨之間的關(guān)節(jié)通常有相當(dāng)大的活動(dòng)性，同時(shí)這里也最容易引起下北部疼痛。脊椎分為三部分：頸椎有7塊椎骨，在脊椎中有最大的活動(dòng)范圍，從而使脖子有極大的靈活性；胸椎有12塊椎骨，分別與肋骨相連，因?yàn)樯厦娴?0塊肋骨在左右兩側(cè)與前胸的胸骨相連，因此胸椎的活動(dòng)性能最?。谎涤卸芜B接著胸腔和骶骨，并為腰部（下背部）提供活動(dòng)能力。座椅應(yīng)堅(jiān)實(shí)平坦，硬度不夠，過于松軟的椅而會(huì)使臀部與大腿的肌肉受壓面積加大，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。因此關(guān)于體壓分布特性，舒適的一般要求是：最好坐墊對(duì)感覺遲鈍的坐骨結(jié)節(jié)部位支撐最大，承擔(dān)大部分的體重，朝大腿前方壓力平緩的減小。人在座椅上就坐時(shí)，測(cè)定與座椅接觸的身體各部分的壓力分布，便可以知道各處的支撐狀態(tài)是否合適。的舒適角度，使得血流通暢。坐墊不宜過高，應(yīng)比小腿長(zhǎng)度短，這樣使雙腿能踩到地面以支持大腿的部分重量。為宜，因此要求靠背向后傾斜，靠背向后傾斜還能使軀干的部分總量分布在靠背上，使腰部有所依托，腰部肌肉得以放松，減少肌肉做功（收縮），從而減緩疲勞的發(fā)生。坐墊的后傾角度不宜過大，否則容易增大大腿前緣的壓力，并減少雙腳著地的負(fù)荷，因而阻礙血液循環(huán)而引起雙腿麻木。圖11 坐墊人體壓力分布曲線為了使壓力集中于大腿后部的坐骨結(jié)節(jié)周圍，應(yīng)略提高坐墊與水平方向的夾角，其約5～10176。所以坐墊上的壓力應(yīng)按照臀部不同部位不同壓力的原則來(lái)分布：人體一半以上的重量由骨盆下的兩塊面積約為25cm2的坐骨結(jié)節(jié)承受，是以坐骨結(jié)節(jié)為中心，坐骨結(jié)節(jié)處壓力最大，由此向外，向四周壓力逐漸減小，直至座椅前緣與大腿接觸處，壓力為最小，這就是坐墊設(shè)計(jì)的壓力分布不均勻原則。體壓分布是決定座椅舒適性的重要因素。 合理的體壓分布乘員坐在座椅坐墊上，長(zhǎng)時(shí)間乘坐會(huì)造成不舒適感，在造成這種不舒適感前，臀部所受的壓力是不同的。 基于人機(jī)工程學(xué)的汽車座椅舒適性設(shè)計(jì)要求許多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理的座椅，乘員長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)工作，踏板距離調(diào)節(jié)不當(dāng)，靠背傾斜角度不合理等，會(huì)使乘員產(chǎn)生不正確的坐姿，將使乘員的脊柱處于非自然的彎曲狀態(tài)，因而容易患上多種慢性?。杭怪鶄?cè)凸、椎間盤變形、背部肌肉疼痛等。的條件下得到的，不能靈活的反映“H點(diǎn)”的位置；同時(shí)也只考慮了髖點(diǎn)的因素，忽略了人體其它關(guān)節(jié)間的舒適夾角，并且它是根據(jù)歐洲人體模型數(shù)據(jù)在汽車駕駛室得到的結(jié)果，不適合中國(guó)人體對(duì)駕駛室及座椅的要求。真正的人體工程學(xué)座椅應(yīng)該能在任何情況下都能有效的支撐著人體使其脊柱處于或接近于正常的生理形狀（曲線），并承受人體體壓，維持人體正常的生理活動(dòng)和功能，不能壓迫任何神經(jīng)組織、內(nèi)臟器官等敏感組織。SAE標(biāo)準(zhǔn)中提供了這兩者大致的計(jì)算表達(dá)式?！癏點(diǎn)”高度越高，座椅就越靠前，即座椅距腳踝的距離越小。在駕駛室內(nèi)，乘員的座椅如何布置，才能使大多數(shù)人都感到舒適，一直是人們關(guān)注和研究的問題。座椅的設(shè)計(jì)與布置直接影響乘員乘坐的舒適性和室內(nèi)相關(guān)設(shè)施的布置，合理的安排座椅，改善人與座椅之間的關(guān)系，對(duì)于給乘員創(chuàng)造一個(gè)舒適安全的乘坐環(huán)境，起著至關(guān)重要的作用。這種關(guān)系隨著人體身材的不同具有不同的表達(dá)式。但是大多數(shù)的研究都忽略了對(duì)于人體上一個(gè)重要的關(guān)節(jié)點(diǎn)的研究：“H點(diǎn)”（HipPoint）,即胯點(diǎn)，是人體身軀與大腿的交接點(diǎn)，它是與坐姿舒適性相關(guān)的車身尺寸的基點(diǎn)。(3) 座椅的位置要與其作業(yè)相協(xié)調(diào)，便于駕駛員作業(yè)根據(jù)汽車駕駛的特點(diǎn)，在駕駛座椅設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮座椅與空間的協(xié)調(diào)問題，駕駛空間以坐姿活動(dòng)為依據(jù)。(2) 座椅所使用的材料應(yīng)適應(yīng)人體的舒適性座椅材料的選擇主要考慮到以下兩個(gè)方面：振動(dòng)舒適性以及座椅對(duì)人體熱環(huán)境的影響?？勘车母叨群蛯挾扰c坐姿肩高和肩寬有關(guān)，對(duì)于汽車駕駛座椅靠背的高度應(yīng)采取高靠背，最好加靠枕。對(duì)于寬度而言，駕駛員坐姿單一，不涉及變換姿勢(shì)，通常設(shè)計(jì)應(yīng)以滿足最寬人體需要為準(zhǔn)。(1) 座椅的形式和尺度與其功用有關(guān)，并參照人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)確定座椅尺寸設(shè)計(jì)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?；诖藰?biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)的研究者們?cè)诖嘶A(chǔ)上為座椅的空間尺寸提供了很有成效的參考數(shù)據(jù)，對(duì)于汽車座椅乘坐人體的舒適度[3]有很大的影響。 汽車座椅靜態(tài)舒適性從人機(jī)工程學(xué)角度上來(lái)看，我國(guó)汽車座椅的研究應(yīng)該以我國(guó)人體測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。但該模型并沒有將座椅質(zhì)量進(jìn)行考慮，其實(shí)，座椅為非剛性的，其質(zhì)量對(duì)于“人椅”系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的影響是很大的。將此模型與真實(shí)“人椅系統(tǒng)”進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，測(cè)得系統(tǒng)傳遞函數(shù)非常相近?！叭艘蜗到y(tǒng)”在垂直方向上的多自由度模型：考慮到人體實(shí)際上存在一定的阻尼和剛度，常常將人體模型設(shè)計(jì)為單質(zhì)量塊的單自由度模型或兩質(zhì)量塊的二自由度模型，而常常以人體二自由度模型最為理想，得到的“人椅系統(tǒng)”模型為三自由度模型。正因?yàn)閱巫杂啥取叭艘蜗到y(tǒng)”的動(dòng)力學(xué)參數(shù)與實(shí)際“人椅系統(tǒng)”的動(dòng)力學(xué)參數(shù)存在很大的差異，也就難以獲得“人椅系統(tǒng)”與汽車車身系統(tǒng)振動(dòng)的最佳匹配關(guān)系，也就使乘員座椅因?yàn)檎駝?dòng)而使乘坐舒適性大為下降。這種變化對(duì)座椅動(dòng)態(tài)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的影響是非常大的。原因是人體不是一個(gè)簡(jiǎn)單的質(zhì)量塊，它不僅有一定的質(zhì)量，而且有一定的阻尼和剛度。即將人體與汽車座椅的總質(zhì)量計(jì)為M，汽車座椅的剛度系數(shù)（彈性）計(jì)為K，座椅振動(dòng)阻尼為C，路面不平傳給座椅的響應(yīng)作為汽車座椅的輸入X，而座椅的振動(dòng)響應(yīng)為Y，作為座椅傳給人體的輸入，它將影響人體乘坐的舒適性。汽車座椅的動(dòng)態(tài)性能研究：關(guān)于座椅的動(dòng)態(tài)性能，人們?cè)O(shè)計(jì)了“人椅系統(tǒng)”的動(dòng)力學(xué)模型，為了研究座椅的振動(dòng)性能對(duì)人體舒適性的影響，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施降低振動(dòng)，提高乘坐舒適性。 此外，對(duì)于座椅的動(dòng)態(tài)特性可按照傳入人體的能量最小、是人體在敏感頻率區(qū)域動(dòng)態(tài)響應(yīng)最小、傳給人體的加速度均方根值最小等目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，與汽車的減震系統(tǒng)相匹配，使駕駛員處于更合適的振動(dòng)環(huán)境，這些都是駕駛疲勞的重要措施。因此，在設(shè)計(jì)汽車座椅時(shí)應(yīng)盡量隔離人體敏感的振動(dòng)。駕駛員受到縱向、橫向及垂直三個(gè)方向的線振動(dòng)與角振動(dòng)，這幾個(gè)振動(dòng)中，以垂直和繞縱、橫坐標(biāo)軸的角振動(dòng)對(duì)駕駛員的影響較大。駕駛用座椅動(dòng)態(tài)舒適性[2]主要與振動(dòng)特性有關(guān)。同量座椅的結(jié)構(gòu)相對(duì)汽車整體來(lái)說簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便，改變座椅的動(dòng)態(tài)參數(shù)能顯著改變?nèi)梭w振動(dòng)舒適性，對(duì)汽車的使用性能沒有影響，而且制造成本低，周期短。降低輪胎的使用壽命；同時(shí)降低汽車懸架剛度并增加阻尼也有利于減少振動(dòng)，但會(huì)影響汽車操縱和自動(dòng)的穩(wěn)定性，所以汽車懸架必須有相當(dāng)?shù)膭偠扔糜诘挚孤访娴韧饨鐚?duì)汽車的沖擊。如果分析得到的汽車固有頻率接近人體敏感頻率，那么在汽車行駛過程中將使人體產(chǎn)生共振，而嚴(yán)重影響乘員乘坐的舒適性，甚至對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)重的健康隱患。其中最為準(zhǔn)確的為模型三，即用此模型來(lái)分析隨機(jī)路面輸入的頻率響應(yīng)對(duì)乘員的影響。人們建立了許多汽車動(dòng)力學(xué)分析的數(shù)學(xué)模型。目前，在汽車研究方面，人們建立了各種各樣的關(guān)于汽車人環(huán)境的模型。根據(jù)影響汽車駕駛座椅舒適性的人機(jī)環(huán)分析，安全舒適的汽車駕駛座椅的設(shè)計(jì)必須滿足坐姿舒適性（靜態(tài)舒適性）和振動(dòng)舒適性（動(dòng)態(tài)舒適性）的要求。不過，我國(guó)對(duì)座椅舒適性的研究尚處于相對(duì)落后的狀態(tài)，主要原因有三個(gè)：國(guó)內(nèi)座椅產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員尚未掌握先進(jìn)的研究方法（如系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法），也未對(duì)座椅的減振性能進(jìn)行深入的研究，這影響了座椅設(shè)計(jì)及研究的發(fā)展；在我國(guó)，座椅舒適性還不是強(qiáng)制檢測(cè)的要求內(nèi)容，一些企業(yè)認(rèn)為只要在安全性上滿足座椅強(qiáng)度的檢測(cè)要求就可以了，而座椅的舒適性則是次要的；我國(guó)許多座椅生產(chǎn)廠家對(duì)舒適性的認(rèn)識(shí)也還只是停留在僅僅滿足國(guó)家法規(guī)要求上，而座椅舒適性試驗(yàn)方法行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及一些大企業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定較早，由于沒有對(duì)近幾年才出現(xiàn)的空氣懸掛式座椅進(jìn)行研究，導(dǎo)致認(rèn)識(shí)上的不確定、不清晰，這也是造成舒適性研究落后的另一個(gè)重要原因。自20世紀(jì)80年代開始，電子計(jì)算機(jī)的普及，使人們對(duì)汽車座椅的動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化等研究成為可能，涌現(xiàn)出了大量的研究成果。但是應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)來(lái)研究汽車座椅舒適性問題，國(guó)內(nèi)還處于初級(jí)階段。隨著中國(guó)汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)也注意到了汽車駕駛室的舒適問題，國(guó)內(nèi)多家汽車生產(chǎn)廠家開始測(cè)繪和仿制國(guó)外先進(jìn)的汽車座椅，駕駛員操作手柄形狀以及駕駛室內(nèi)設(shè)施的布置等，并開始人機(jī)工程學(xué)在汽車座椅設(shè)計(jì)上的應(yīng)用的研究，并取得了一系列成果，同時(shí)駕駛室舒適性問題引起了更多的關(guān)注。這種新型座椅的出現(xiàn)，已成為座椅動(dòng)態(tài)舒適性研究的一個(gè)新熱點(diǎn)，但其研究成果尚不全面。在理論研究的同時(shí)，國(guó)外學(xué)者對(duì)座椅這個(gè)減振環(huán)節(jié)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，比如對(duì)人椅系統(tǒng)的傳遞特性、三種姿態(tài)下的人體振動(dòng)模型、座墊阻尼特性的研究，均取得了豐富的成果。20世紀(jì)60年代，隨機(jī)振動(dòng)理論蓬勃發(fā)展，人們對(duì)道路的路面特性有了一個(gè)明確的認(rèn)識(shí)，汽車振動(dòng)學(xué)也隨之發(fā)展并日趨完善。國(guó)外對(duì)汽車座椅舒適性的研究是伴隨著汽車的誕生而逐漸展開的，至今已發(fā)展得十分成熟。駕駛室內(nèi)部趨于多功能化，并盡顯豪華風(fēng)格：儀表板上的中央部位安排了更大的易于辨認(rèn)的、動(dòng)感十足的數(shù)字顯示，很容易看得清楚；電視攝像機(jī)和顯示器可以作為可選的一種裝置，隨時(shí)監(jiān)視汽車行駛的路面狀況；易于進(jìn)出的駕駛室車門有特殊的安全鎖定裝置；其高品質(zhì)的電動(dòng)升降門窗十分宜人；視野十分廣闊等等的這一切都應(yīng)該集中于汽車座椅的位置布置，座椅上下、左右及角度可調(diào)，頭枕高度可調(diào)和可拆卸的座椅，使每個(gè)座椅都能活動(dòng)自如。但當(dāng)時(shí)的研究水平僅限于對(duì)座椅