公共汽車駕駛員座椅的人機學(xué)分析

人機工程學(xué)課程設(shè)計公共汽車駕駛員座椅的人機學(xué)分析公共汽車駕駛員座椅的人機學(xué)分析摘要：汽車座椅的舒適程度直接影響著駕駛員的身體心理等很多方面的健康，然而一個駕駛員的健康又影響著乘客和自己的什么生命安全和財產(chǎn)損失，有時會造成無法挽回的局面，使很多人遭受痛苦。駕駛員駕駛姿勢直接影響著駕駛員的舒適和健康，關(guān)系著是否能夠安全、高效準(zhǔn)確地駕駛。同時它還決定著舒適程度，以及長期駕駛是否對駕駛員造成生理和心理上的有害的影響。本文結(jié)合人機工程學(xué)的知識，從人的心理，生理特點出發(fā)并結(jié)合汽車振動特性，視野范圍以及空間分布來分析人與座椅的相互關(guān)系和相互作用，從而得出能符合人機工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的，并將舒適性、安全性都考慮到位的汽車座椅的設(shè)計。這次人機工程的課程設(shè)計，我選擇的是公共汽車車廂的人機學(xué)設(shè)計。在公共車廂中，我選擇了駕駛員的座椅作為研究對象。關(guān)鍵詞：人機工程學(xué)、座椅，舒適度、設(shè)計根據(jù)調(diào)查分析，許多駕駛員一天長時間的開車駕駛之后總是感覺到身體非常的不適，感覺到腰酸背痛，感覺到干等量的工作而車比較累，出現(xiàn)這種情況的主要原因是駕駛員的座椅的問題，主要是駕駛員座椅的人機問題沒有很好地分析和沒有將人機學(xué)很好地應(yīng)用到汽車座椅當(dāng)中。這次所要研究的主要問題是如何使駕駛員達到安全，舒適，高效的要求。這方面的研究主要有一下兩條：1：機器如何適應(yīng)人的操作和使用；2：環(huán)境控制和生命保證系統(tǒng)的設(shè)計。一個性能優(yōu)良的汽車座椅主要取決于以下五個方面：①座椅與人體的人機界面能否為人提供舒適而穩(wěn)定的坐姿。②駕駛員(或乘坐)——座椅——車輛系統(tǒng)能否有效的隔離或衰減來自路面不平度的激勵而產(chǎn)生的震動以及駕駛員或乘坐員所承受的全身震動負荷低于規(guī)定限值。③駕駛員(或乘坐員)——座椅——駕駛室系統(tǒng)的幾何位置關(guān)系能否為駕駛員提供良好的視野。④能否為駕駛員提供一個相對于各種操縱機構(gòu)的合適位置，使他能方便地進行操作。⑤能否提高駕駛員的人身安全性，當(dāng)發(fā)生翻車或撞車事故時，將駕駛員約束在駕駛座椅上面，下面就從這幾個方面來分析人機工程學(xué)在汽車座椅上的運用。1：駕駛員的操作位置尺寸：1.1：汽車座椅主要尺寸：駕駛員在行車過程中的主要職責(zé)是1：觀察汽車的工作狀態(tài)及工作環(huán)境；2：確定正確的操作程序；3：操作各種機械以駕駛汽車。因此，駕駛員的操作位置對駕駛員能否正確，舒適而持久的工作有很大影響。駕駛座椅尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究把注意力集中在人體生理結(jié)構(gòu)特點對駕駛舒適程度的影響上，尋求最佳的座椅結(jié)構(gòu)型式、尺寸、輪廓形狀及材料選擇。座椅尺寸設(shè)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：椅面高度定義為椅面前緣至駕駛員踵點的垂直距離。在設(shè)計時主要考慮到的兩點：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(yīng)低些。椅面寬度：在空間允許的條件下，以寬為好。但對于汽車駕駛座椅來講，駕駛員坐姿單一，不涉及變換姿勢，通常設(shè)計應(yīng)以滿足最寬人體需要為準(zhǔn)。

椅面深度：指椅面前緣至靠背前面水平距離。其尺寸應(yīng)滿足：腰部得到靠背的支承；椅面前緣與小腿之間留有適當(dāng)距離，以保證大腿肌肉不受擠壓，腿彎部分不受阻礙。

靠背高度及寬度：靠背的高度和寬度與坐姿肩高和肩寬有關(guān)，對于汽車駕駛座椅靠背的高度應(yīng)采取高靠背，最好加靠枕?？勘硟A角：靠背傾角是指靠背與椅面水平方向的夾角。椅面傾角：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。1.2汽車座椅的靠背的設(shè)計靠背的安全性設(shè)計應(yīng)考慮靠背的強度、傾角、基本尺寸及其形狀?？勘车膹姸仍O(shè)計不但應(yīng)該在“追尾”等后部碰撞時給乘員提供良好的保護，而且也要考慮側(cè)碰時對乘員的保護。而靠背傾角、基本尺寸及其形狀對尾部碰撞的嚴(yán)重程度有很大影響。依據(jù)靠背上體壓分布不均勻原則，在座椅靠背設(shè)計時應(yīng)保證有靠背兩點支承即就是人體背部和腰部的合理支承。汽車座椅設(shè)計時應(yīng)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5一6胸椎之間的高度上，作為肩靠;第二支承設(shè)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。2：坐姿舒適的生理特征坐姿是人體較自然的姿勢，坐姿將以腳支撐全身的狀況轉(zhuǎn)變?yōu)橐酝尾恐稳?，有利于發(fā)揮腳的作用，特別是能夠利用靠背來增大腿腳的蹬力這一特點，來控制操縱力較大的裝置。但如果坐姿不正確，座椅設(shè)計不合理，也會給身體帶來嚴(yán)重損害。2.1坐姿生理學(xué)2.1.1脊柱結(jié)構(gòu)坐姿狀態(tài)下，支撐身體的是脊柱、骨盆、腿和腳。脊柱是人體的主要支柱，由24節(jié)椎骨以及5塊骶骨和4塊尾骨連接組成，如圖1-1所示，其中椎骨自上而下又分為頸椎（共7節(jié)）、胸椎（共12節(jié)）、腰椎（共5節(jié)）三部分，每兩節(jié)椎骨之間由軟骨組織和韌帶相聯(lián)系，使人體得以進行屈伸、側(cè)曲和扭轉(zhuǎn)動作等有限度的活動。頸椎支撐頭部，胸椎與肋骨構(gòu)成胸腔，腰椎、骶骨和椎間盤承擔(dān)人體坐姿的主要負荷。圖2-1人體脊柱結(jié)構(gòu)圖從圖中可以看出脊柱呈現(xiàn)頸、胸、腰、骶四個彎曲部位，其中頸曲和腰曲凸向前，胸曲和骶曲凸向后。所以設(shè)計座椅時要依據(jù)人體曲線進行設(shè)計。2.1.2腰曲弧線與坐姿舒適性直接相關(guān)的是腰曲。圖2-2為各種不同姿勢下所產(chǎn)生的腰曲弧線，人體正常腰曲弧線是松弛狀態(tài)下側(cè)臥的曲線，如圖中曲線B所示；軀干挺直坐姿和前彎時的腰弧曲線會使腰椎嚴(yán)重變形，如圖中曲線F和G所示；欲使坐姿能形成幾乎正常的腰曲弧線，軀干與大腿之間必須有大于90度的角度，且在腰部有所支撐，如圖中曲線C所示?？梢姳ＷC腰弧曲線的正常形狀是獲得舒適性的關(guān)鍵。圖2-2不同姿勢下所產(chǎn)生的腰椎曲度2.1.3腰椎后突和前突正常的腰線曲線是微微前突。為使坐姿下的腰弧曲線變形最小，座椅應(yīng)在腰椎部提供所謂兩點支撐。無腰靠或腰靠不明顯將會使正常的腰椎成圖2-3（a)中的后突形狀。而腰靠過分凸出將會使腰椎呈圖1-3（b）中的前突形狀。腰椎后突和過分前突都是非正常狀態(tài)，合理的腰靠應(yīng)該是使腰弧曲線處于正常的生理曲線。圖2-3腰椎后突和前突2.2坐姿生物力學(xué)2.2.1肌肉活動度脊椎骨依靠其附近的肌肉和腱連接，椎骨的定位借助于肌腱的作用力。一旦脊椎偏離自然狀態(tài)，肌腱組織就會受到相互壓力(拉或壓)的作用，使肌肉活動度（活動量）增加，招致疲勞酸痛。在挺直坐姿下，腰椎部位肌肉活動度高，因為腰椎前向拉直使肌肉組織緊張受力。提供靠背支承腰椎后，活動力則明顯減小；當(dāng)軀干前傾時，背上方和肩部肌肉活動度高。2.2.2體壓分布座墊上的體壓分布。根據(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，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(yīng)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(shè)計的壓力分布不均勻原則。圖2-4是較為理想的坐墊體壓分布線。圖2-4體壓分布曲線2.2.3骨盤受力分析人體結(jié)構(gòu)在骨盤下面有兩塊圓骨，稱為坐骨結(jié)節(jié)。如圖1-5所示。坐骨結(jié)節(jié)下面的底座呈近似水平時，可使兩坐骨結(jié)節(jié)外側(cè)的股骨處于正常的位置而不受過分的壓迫，如2-5（a）。當(dāng)坐面呈斗形時，會使股骨向上轉(zhuǎn)動，這種狀態(tài)會使肘部和肩部受力，從而引起不舒服。所以在座椅設(shè)計中，斗形坐面是應(yīng)該避免的。圖2-5座面對股骨的影響2.2.4椎間盤受力分析當(dāng)坐姿腰弧曲線正常時，椎間盤上受的壓力均勻而輕微，幾乎無推力作用于韌帶，韌帶不拉伸，腰部無不舒適感。但是，當(dāng)人體處于前彎坐姿時，椎骨之間的間距發(fā)生改變，相鄰兩椎骨前端間隙縮小，后端間隙增大。這會引起腰部的不舒適感，長期積累作用，可造成椎間盤病變。2.3坐姿人體測量尺寸坐姿人體測量尺寸是座椅靜態(tài)尺寸設(shè)計的主要依據(jù)。與座椅設(shè)計相關(guān)的人體測量主要尺寸見圖2-6，具體測量數(shù)值如表2-1所示。圖2-6對座椅設(shè)計有用的人體尺寸表2-1坐姿人體尺寸年齡分組百分位數(shù)測量項目男（18——60）女（18——55）151050909599151050909599綜合來看，從坐姿生理學(xué)角度，應(yīng)保證要弧線正常，腰背肌肉處于松弛狀態(tài)，從上體通向大腿的血壓不受壓迫，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，使上體略微向后傾斜，保持腿夾角在90度到115度之間，小腿向前伸，大腿與小腿，小腿與腳面之間也有合適的夾角。圖2-9大腿、小腿和腳面的夾角3：人體對乘坐振動的反應(yīng)座椅及懸架等部件隔離、吸收、緩和、衰減行駛中所產(chǎn)生的各種沖擊和振動激勵如果超出了人體承受振動的舒適性界限，就會使人產(chǎn)生不舒服感。車輛駕駛員所受的機械震動分為全局振動和全身震動兩大類。局部振動是指作用于人體特殊部位（如頭部和四肢）的震動，一般不會給駕駛員造成損害，但是對操縱的精確度有影響。全身震動是指通過人體支撐表面作為整體傳給人體的震動。車輛駕駛員承受的乘坐振動屬于全身震動，是對駕駛員可能造成嚴(yán)重傷害的主要震動形式。人體承受全身震動將產(chǎn)生機械的、生理、病理的和心理的效應(yīng)。3.1乘坐振動的機械效應(yīng)乘坐振動通過駕駛員的臀部、腰部傳給駕駛員，激起人體的全身震動。當(dāng)振動激勵頻率接近人體的主要器官的固有頻率時，將引起相應(yīng)器官的共振而產(chǎn)生相對位移，從而使人感到不舒適。在正常重力情況下，人體對4～8Hz頻率的震動的能量傳遞最大，其生理效應(yīng)也最大，稱為第一共振峰。10～12Hz的震動頻率時出現(xiàn)第二共振峰，其生理效應(yīng)僅次于第一共振峰。在20～25Hz時出現(xiàn)第三共振峰，其生理效應(yīng)較第二共振峰稍低。以后隨著頻率的增高，震動在人體內(nèi)的傳遞逐步衰減，其生理效應(yīng)也相應(yīng)減弱。如圖3-1所示圖3-1坐姿時人體對垂直振動的傳遞率坐在駕駛座上的駕駛員承受垂直振動時，人體各主要器官的固有頻率如圖3-2所示。圖3-2人體器官的固有頻率全身振動引起的主訴癥狀及生理反應(yīng)與振動頻率有關(guān)。低于10Hz的震動，主要引起胸脯部不適；高于10Hz的振動，引起頭部癥狀的增強。全身振動英氣的生理效應(yīng)如圖3-6所示。圖3-6全身振動的生理效應(yīng)全身振動最明顯的生理反應(yīng)時人體姿勢的變化，低頻高強度的振動使人難以保持穩(wěn)定的姿態(tài)。3.3全身振動的病理效應(yīng)研究表明，駕駛員?；嫉膬煞N職業(yè)?。何覆『图棺祿p傷。圖3-7為拖拉機駕駛員的胃病患病率。主要原因是因為急劇的乘坐振動對胃的消化功能產(chǎn)生了有害影響。圖3-7拖拉機駕駛員的胃病患病率圖3-8為拖拉機駕駛員為脊椎病與年齡的關(guān)系。由此可以看出，駕駛員的脊椎畸形的發(fā)病率都很高，主要原因是因為駕駛員承受劇烈的乘坐振動和不方便的乘坐姿勢。圖3-8拖拉機駕駛員脊椎患病率與年齡的關(guān)系實線——男人；虛線——女人3.4乘坐振動的心理效應(yīng)對車輛駕駛員來說，乘坐振動的心理效應(yīng)主要表現(xiàn)為操作能力的變化。讓人在座椅上用振動臺進行各種典型情況下的激振試驗，測得振動對人的操作能力的影響如圖3-9和3-10所示。圖3-9人體坐姿承受垂直振動時的實力降低情況加振中；（b）加振終了時3-10人體坐姿承受水平振動時腳踩加速踏板壓力保持不變的能力左邊—振動頻率的影響；右邊—振動加速度的影響圖3-12人體坐姿承受橫向水平振動時跟蹤誤差圖3-13人體坐姿承受橫向水平振動選擇時的反應(yīng)時間圖3-14人體坐姿承受垂直振動的手眼協(xié)調(diào)平均動作時間根據(jù)受振者的感覺，《人體承受全身振動的評價指南》即ISO2631—1982把振動劃分為三個不同的認為界限：保持舒適性界限：在此振動界限內(nèi)，沒有不舒服的感覺，受振者能順利的完成讀、寫、吃等動作。保持工作效率界限：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。保持健康與安全界限：它是身體所能承受振動的上限。超過此界限將使受振者的健康受到損害。一般對于小轎車和旅游車，選取保持舒適性界限作為評價振動舒適性的標(biāo)準(zhǔn)；對于拖拉機、工程機械和各種越野車輛，宜選擇保持工作效率界限作為評價振動舒適性的標(biāo)準(zhǔn)。4：座椅安全性設(shè)計。4.1坐椅主動安全性主動安全性是指汽車駕駛座椅防止事故的能力。汽車駕駛座椅的主動安全性設(shè)計主要從減輕駕駛員的疲勞人手進行分析設(shè)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(shè)計、座墊上合理的體壓分布、靠背上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(shè)計要求。4.2坐椅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，是汽車被動安全性設(shè)計的主要考慮部件之一?？紤]提高駕駛員的人身安全性，汽車駕駛座椅被動安全性設(shè)計目標(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人到這個空間;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