我國硬座車廂座椅人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與展望修改

1、我國硬座車廂座椅設(shè)計(jì)人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用的探討與展望摘要：本文從人機(jī)工程學(xué)角度探討了我國硬座車廂桌椅設(shè)計(jì)現(xiàn)狀, 結(jié)合法國TGV 列車座椅實(shí)例對比分析, 提出改進(jìn)方法及設(shè)計(jì)參數(shù)。關(guān)鍵詞：硬座車廂; 座椅設(shè)計(jì); 人機(jī)工程座椅作為硬座車廂最基礎(chǔ)也是最重要的設(shè)施部件, 直接支撐起人體乘坐, 同時(shí)還起到緩和人與車廂之間的振動, 其設(shè)計(jì)的優(yōu)良直接影響到乘客出行感受。我國25型客車硬座車廂座椅在1993年投用使用以來經(jīng)過了數(shù)次改良設(shè)計(jì), 但仍未能很好的滿足乘客長時(shí)間旅行對于乘坐舒適性的高要求, 究其原因在于沒有充分地發(fā)揮出座椅造型與功能需求相適應(yīng), 具體表現(xiàn)在座椅人機(jī)工程方面考慮的不成熟、不深入, 因此未能達(dá)到預(yù)

2、期效果。一. 座椅功能與結(jié)構(gòu)分析座椅要在運(yùn)動車廂中滿足人體乘坐舒適性, 必須有效克服座椅振動和保持人體坐姿受力平衡, 這是優(yōu)良設(shè)計(jì)的前提和關(guān)鍵。與我國25型客車采用的傳統(tǒng)的四、六人對座方式不同, 國外高速鐵路客車座椅在排座方式上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)桌椅等額配套使用(如圖1所示法國TGV列車座椅), 每客一桌一椅的設(shè)計(jì)不僅布局明快、造型美觀、色彩和諧, 更重要的是使乘客入座后處于舒適生理體位, 身體各部分肌肉得以更好的放松, 座椅的動態(tài)與其減震系統(tǒng)相匹配改善了振動環(huán)境, 有效減輕乘車疲勞。綜述起來, 現(xiàn)代客車座椅設(shè)計(jì)有其先進(jìn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):( 1)曲線合理, 充分考慮了頭枕、肩靠與腰靠的定位及性能。( 2)采用

3、座墊前移式, 旅客后躺時(shí), 座墊與靠背一起移動, 自然方便。( 3)茶桌板保持獨(dú)立定位避免前排躺下時(shí)受干擾, 提拉式設(shè)計(jì)支撐穩(wěn)定、收起方便。( 4)扶手造型符合人機(jī)要求, 向上翻起時(shí)占用空間小。( 5)腳踏裝置位置合理, 占用空間小, 方便實(shí)用。( 6)骨架采用鋁合金鑄造焊接而成, 重量輕、外觀處理適當(dāng)。( 7)采用機(jī)械管簧, 實(shí)現(xiàn)座椅在傾角范圍內(nèi)任意定位。( 8)獨(dú)特的單腿安裝方式, 節(jié)省椅下空間, 減輕自重。二.座椅設(shè)計(jì)的人機(jī)因素從人機(jī)工程學(xué)的角度來看, 影響座椅設(shè)計(jì)的主要因素有: 人體的坐姿狀態(tài)、坐姿受力和坐姿尺寸三個(gè)方面, 座椅設(shè)計(jì)不能良好的解決這些因素是產(chǎn)生乘坐疲勞和疼痛的緣由。1.

4、坐姿狀態(tài)乘客處于坐姿狀態(tài)時(shí), 支持人體的主要結(jié)構(gòu)是脊柱、骨盆、腿和腳等。其中腰椎、骶骨和椎間盤及軟組織承受著人體上半身大部分負(fù)荷, 同時(shí)還要承受彎腰扭轉(zhuǎn)動作負(fù)荷。從圖2- 1可以看到人體脊柱側(cè)面有四個(gè)生理彎曲: 頸曲、胸曲、腰曲及骶曲。坐姿狀態(tài)的差異影響了身體對脊柱的壓力, 為了乘坐舒適必須保證人體處于正常生理曲線狀態(tài), 列車座椅應(yīng)全方位提供給坐姿人體頭部、頸部、背部、腰部、肘部、腿部和足部的合理支撐。正常的人體腰曲是微微前突的, 為使坐姿下的腰曲變形最小, 座椅應(yīng)在腰椎部提供支撐。無腰靠或腰靠不明顯將會使正常的腰椎呈后突形狀, 腰靠過分凸出將使腰椎呈前突形狀(圖2- 1)。腰椎后突和過分前突

5、都是非正常狀態(tài), 因此現(xiàn)代客車座椅設(shè)計(jì)中常常在人體坐姿狀態(tài)下的第4 5腰椎位置高度處設(shè)置形狀合理的座椅腰靠弧面, 在第5 6胸椎位置高度處設(shè)置肩靠曲形, 同時(shí)在人體頸后配備座椅頭枕, 在維持正常的椎曲形狀的同時(shí)能有效防止列車緊急剎車或突然加速啟動時(shí)可能造成的乘客脊椎傷害。2.坐姿受力人體脊椎骨是依靠其附近的肌肉和腱連接的, 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, 使肌肉活動度增加導(dǎo)致疲勞酸痛。當(dāng)乘客處于挺直坐姿時(shí), 腰椎前向拉直而使肌肉組織緊張受力; 當(dāng)軀干前傾時(shí), 相鄰兩椎骨的間距發(fā)生改變, 前端間隙縮小, 后端間隙增大, 椎骨前端間隙受推擠和摩擦迫使它像韌帶作用

6、推力從而引起引起腰酸, 即使乘客以桌面作為前傾時(shí)手臂的支撐, 也不能降低背上方和肩部肌肉活動度, 長時(shí)間依靠手臂輔助支撐上身會引起背肩部肌肉酸脹, 這就是為什么人在坐姿狀態(tài)下趴在桌面睡覺醒來時(shí)手臂與上身發(fā)麻的原因。此時(shí)只有提供合理曲度的靠背支撐腰椎的壓力, 才能緩解韌帶拉伸和肌肉組織受力, 使腰部舒適。人體骨盆下面有兩塊粗壯的圓骨, 稱為坐骨結(jié)節(jié), 能比周圍肌肉承受更大的壓力。當(dāng)座面呈水平狀態(tài)時(shí), 兩坐骨結(jié)節(jié)外側(cè)的股骨處于正常的位置未受壓迫, 當(dāng)座面呈凹形狀態(tài)時(shí), 會迫使股骨向上轉(zhuǎn)移而造成髖部肌肉承受反常壓力, 人體會下意識涌動臀部或者求助肘部和肩部分散受力, 從而引起不適。這也是為什么座椅不

7、能一昧求軟造成座面凹陷的原因。同時(shí)過軟的座面使腿部壓力過大, 影響了大腿血液循環(huán)和神經(jīng)傳導(dǎo)而感到不適。醫(yī)學(xué)論證顯示, 座墊應(yīng)根據(jù)臀部不同部位承受不同壓力的原則來設(shè)計(jì), 即在坐骨處壓力最大, 向四周逐漸減小, 至大腿部位時(shí)壓力將至最低。圖2- 2是較為理想的座墊體壓分布曲線, 其中各封閉曲線為等壓力線, 所標(biāo)數(shù)字的壓力單位為kPa。列車行駛中, 坐姿乘客除了受自身重力影響外還受到椅面水平縱向與水平橫向的摩擦力作用, 這是由于列車運(yùn)行與振動產(chǎn)生的。人體因腰間盤良好的壓縮潛力和彈性使脊柱具備了忍受較強(qiáng)的縱向振動能力, 配合座椅靠背能很好的約束人體前后晃動從而減少了縱向做功的消耗, 但在橫向上脊柱只有

8、前縱韌帶和后縱韌帶分別附在椎體和椎間盤的前緣和后緣起到一定的保護(hù)作用, 因此人的脊柱忍受橫向力的能力很低, 我國列車座椅設(shè)計(jì)沒有很好的緩解人體對于車廂的水平振動的橫向力, 乘客需要由中樞神經(jīng)系統(tǒng)指揮人體相關(guān)部位作功以維持坐姿平衡。國外列車座椅則增強(qiáng)了抵抗橫向振動的能力, 座椅靠背不僅能后傾使腰部背部得到依靠, 還將靠背兩側(cè)稍隆起減輕人體的橫向移動, 同時(shí)借助靠背襯墊的舒適柔軟性增大橫向摩擦, 緩沖橫向振動對人體的沖擊使乘坐更為舒適。3.坐姿尺寸在坐姿狀態(tài)下, 乘客的身體重量主要由座位面來承擔(dān), 另一些則傳遞給了靠背、扶手、地板或桌面等受力支撐物, 因此坐姿人體尺寸測量是座椅設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。與座

9、椅設(shè)計(jì)相關(guān)的人體測量主要尺寸:(1).座面(高、寬、深、傾角)座高是座面至地面的垂直距離。座高相當(dāng)于脛骨點(diǎn)高度( 約為人體總長度的1 /4), 一般在400 460mm 左右, 略低于腿部漆關(guān)節(jié), 有利于小腿著力于整個(gè)腳掌支撐起身體負(fù)荷。座寬即單人座面的左右距離, 必須滿足臀部橫寬所需要的尺度, 一般座寬500mm 左右即可符合要求。座面深即座面的前后距離, 應(yīng)能保證臀部能夠得到全部支撐, 其深度至少相當(dāng)于臀部至腿部漆關(guān)節(jié)全長的3 /4, 約為400 450mm。座面后端可略向下傾斜7.左右。(2).靠背(高、寬、深、傾角)靠背一般由肩靠、腰靠及頭枕三部分組成, 肩靠高度應(yīng)達(dá)到肩胛下角位置,

10、離座面高度為500 650之間, 腰靠離座面高度為200 260mm 之間。頭枕支撐頭部向后仰以減輕頸部肌肉受力, 其離座面高度約在700mm 左右。靠背整體高度為850 950mm 之間。座面與靠背夾角是使人體腹部與大腿之間的血管不受壓迫、血流暢通的必要條件, 正常狀態(tài)下座面與靠背夾角多為115.的鈍角狀態(tài), 可調(diào)節(jié)范圍是105. 135., (如圖2- 3- 2所示)以滿足坐姿時(shí)人體軀干與大腿舒適。(3).扶手、座墊與靠墊座椅扶手能起到促進(jìn)上肢靜脈血回流的作用, 但高度要配合適當(dāng), 一般以離座面150mm 高度為宜, 扶手長度最大不超過座面深度的2 /3, 以300 400mm 為宜, 避

11、免人體肌肉為扶手高低失當(dāng)而產(chǎn)生屈曲或伸張的感覺。短而低的扶手同時(shí)提供了可靠的側(cè)向支撐, 能阻止乘客臀部側(cè)滑。行車過程中為了防止乘客臀部產(chǎn)生向前滑行的趨勢和平衡大腿與坐骨所受的體壓, 應(yīng)略提高坐墊前緣, 使座墊與水平面形成5. 10.的夾角, 但夾角不宜過大否則增加大腿前緣的壓力同時(shí)減少雙腿支撐力, 從而阻礙血液循環(huán)引起腿部發(fā)麻和腫脹。(4)桌板、腳踏等輔助器材現(xiàn)代客車將桌板設(shè)置在座椅背后并保持獨(dú)立位置固定, 有利于節(jié)省車廂空間和不受椅背角度調(diào)整的影響。桌板面積一般為400mm . 300mm 左右, 當(dāng)桌板支起后下方仍有足夠空間可供小腿與大腿成85. 115.之間自由挪動, 乘客可選擇雙腳立地

12、或選擇放置腳踏上來緩解腿部肌肉緊張。腳踏位置不宜過高, 以離地50 100mm 為宜, 太高會使小腿壓力增大, 長時(shí)間將腳放置于高處腳趾溫度會下降, 小腿圍會以每5分鐘增粗0. 02cm 開始浮腫。如果將腳踏上升, 使乘客在坐姿狀態(tài)下能將大腿略向下傾斜并將小腿前伸至前排座椅下部空閑空間, 可幫助靜脈血液回流, 減少下肢疲勞產(chǎn)生。三.座椅設(shè)計(jì)的基本原則在長時(shí)間的列車運(yùn)行過程中乘客的乘坐姿勢是不斷改變的, 要求也隨之變化。為使坐姿舒適, 座椅設(shè)計(jì)需要遵守以下基本原則:( 1)座椅曲面符合人體生物力學(xué)要求, 使座椅能減輕人體脊柱形變壓力和臀部壓力, 如可靈活調(diào)整的頭靠、頸靠、肩靠、腰靠、扶手和腳踏等

13、。( 2)座椅形狀滿足人體自然姿勢的需求, 可通過座椅形體改變使乘客坐姿放松, 如座面和靠背的傾角調(diào)整, 座椅下部提供足夠空間便于放腳等。( 3)座椅尺寸與人體相適應(yīng), 為保證座椅能最大程度適應(yīng)不同群體和特定個(gè)體的要求, 應(yīng)以人體尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果為座椅尺寸依據(jù), 取中間值并盡可能留出一定范圍照顧處于最大值或最小值的乘客自行調(diào)節(jié), 如座高、椅寬等。( 4) 座椅構(gòu)件設(shè)計(jì)和材料選擇應(yīng)合理, 如為了減輕振動作用, 座墊應(yīng)能有效的衰減20H z以上的振動, 座墊、靠墊應(yīng)填充柔軟適度的材料, 太硬易造成人體接觸部分的壓力集中, 太軟會使乘客股骨受壓和起身不便。四.結(jié)語座椅這一看似普通的部件與乘客出行感受為最直接相關(guān), 我國現(xiàn)行列車硬座車廂大多數(shù)沒有實(shí)現(xiàn)桌椅等額配備, 這種狀況也在一定程度上限制了座椅舒適性。隨著我國鐵路列車行業(yè)快速發(fā)展, 人機(jī)工程學(xué)研究和應(yīng)用將成為座椅設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。座椅人機(jī)工程設(shè)計(jì)將改變過去我國乘客在結(jié)束長途車旅行之后的腰酸背痛狀況, 提高乘客整個(gè)乘車過程中的舒適度, 這也是衡量座椅設(shè)計(jì)是否出色的標(biāo)準(zhǔn)。 參考文獻(xiàn) 1 陳偉, 王松文. 25型客車及其新技術(shù)M . 北京: 中國鐵道出版社, 2001. 1 2吳禮本, 王其利. 國外鐵路高速列車M . 北京: 中國鐵道