基于人機(jī)工程學(xué)的汽車工作座椅設(shè)計(jì)

1、基于人機(jī)工程學(xué)的汽車工作座椅設(shè)計(jì)作者：王天波 班級(jí)： 車輛工程084 學(xué)號(hào)：1608080422 摘要：運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)原理，針對(duì)汽車工作座椅，從工作人員生理特征與工作座椅的設(shè)計(jì)原則、基本要求這三個(gè)方面，分析了工作座椅的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并從安全性角度出發(fā)提出了工作座椅安全性設(shè)計(jì)原則。關(guān)鍵詞: 人機(jī)工程學(xué)、設(shè)計(jì)、汽車工作座椅 Based on ergonomics car seat design work Author: Wangtianbo Class: Vehicle engineering 084 Number:1608080422【Summary】 Apply ergonomic pri

2、nciples, for automobile work seat, from staff physiological characteristics and the design principle, working seat from three aspects of basic requirements, analyzes the main structure design work seats, and the key point put forward from the Angle of work safety seat security design principles.【Key

3、words】 Ergonomics, design, automobile work seats.0 引言隨著自動(dòng)化程度的提高，越來(lái)越多的作業(yè)需要工作人員采用坐姿完成?？梢灶A(yù)計(jì)，坐姿將是操作人員未來(lái)作業(yè)的主要工作狀態(tài)。坐姿是人體較自然的姿勢(shì)，它較其他姿勢(shì)相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)，首先，坐姿比站姿更有利于血液循環(huán)。人站立時(shí)，血液和體液在地心引力作用下向腿部集中，而坐姿時(shí)的肌肉松弛，腿部血管內(nèi)血流靜壓穩(wěn)定，有利于減輕疲勞；其次，坐姿還有利于保持身體的穩(wěn)定，這對(duì)于精細(xì)作業(yè)更為合適。與此同時(shí)，坐姿也存在一定局限性，主要是限制人體的活動(dòng)范圍，尤其是需要上肢出力的場(chǎng)合，往往需要站立作業(yè)，而頻繁的起坐交替也會(huì)導(dǎo)致

4、疲勞。因此，坐姿不正確，座椅的設(shè)計(jì)不合理，會(huì)對(duì)身體產(chǎn)生嚴(yán)重的損害。汽車工作座椅人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)目的，就是使設(shè)計(jì)出來(lái)的座椅能夠滿足人機(jī)工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。這樣一來(lái)，所謂汽車工作座椅人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)也就轉(zhuǎn)化為針對(duì)工作人員舒適性的設(shè)計(jì)。從人機(jī)工程學(xué)原理出發(fā)考慮，一個(gè)性能優(yōu)良的工作座椅應(yīng)當(dāng)符合的基本要求如下：為工作人員提供一個(gè)舒適而穩(wěn)定的坐姿，符合人體舒適坐姿的生理特性；減輕傳給工作人員身體的機(jī)械振動(dòng)和沖擊負(fù)荷，滿足振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求；保證工作人員能安全而有效地完成各項(xiàng)操縱作業(yè)；為工作人員提供一個(gè)相對(duì)于各種操縱機(jī)構(gòu)的合適位置，使其能方便地進(jìn)行操作；此外，工作人員的作業(yè)安全性的保證也是尤其重要的。1 舒適座椅

5、的生理特征坐姿狀態(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塊尾骨連結(jié)組成，其中椎骨自上而下又分為頸椎、胸椎、腰椎三部分。各節(jié)椎骨所承受的重量自上而下逐節(jié)增加，因而椎骨由上往下逐漸變粗變大。腰椎部分承擔(dān)體重最大，所以腰椎也最粗大。這就是脊柱的基本生理形態(tài)。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(dòng)。所以最容易損傷或腰曲變形。圖1 工作人員生理特性圖 人體在各種情況下的腰椎彎曲的情況是不同的。人體松弛側(cè)臥時(shí)，脊柱呈自然彎曲狀態(tài)；當(dāng)人體的軀干與大腿呈90°時(shí)的情形，此時(shí)脊柱嚴(yán)重變形，椎間盤上的壓力不能正常分布。因

6、此，欲使坐姿能形成接近正常的脊柱自然彎曲，軀干和大腿之間必須有大于135°的夾角，并且座椅的設(shè)計(jì)應(yīng)使坐者的腰部有適當(dāng)?shù)闹?，以使腰曲弧形自然彎曲，腰背肌肉處于放松狀態(tài)?？梢?，理想的座椅的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是使人坐著時(shí)，體重合理分布，大腿平放，雙足著地，上臂不負(fù)擔(dān)身體的重量，肌肉放松，血液循環(huán)通暢，姿態(tài)舒適。此外，在座椅設(shè)計(jì)中安全性是必要的考慮因素，發(fā)生事故時(shí)，保證乘員處在自身的生存空間之內(nèi)并防止其它車載體進(jìn)入這個(gè)空間是十分重要的。乘員在事故發(fā)生過(guò)程中保持一定的姿態(tài)，便于其它的約束系統(tǒng)充分發(fā)揮其保護(hù)作用。2 工作座椅的設(shè)計(jì)工作座椅是供坐姿工作人員使用的一種由支架、腰靠、坐面等構(gòu)件組成的坐具。操作

7、者以坐姿或坐立姿操作時(shí)，座位空間尺寸直接影響其舒適性，進(jìn)而影響操作者的工作效率。座位空間及座椅的尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)保證適合人體舒適坐姿的生理特征，提供實(shí)現(xiàn)舒適坐態(tài)的支撐條件。2.1 工作座椅的設(shè)計(jì)原則（1）人體驅(qū)干的重量應(yīng)由中坐骨、臀部及脊椎按適當(dāng)比例分別支撐，其主要部分應(yīng)由坐骨結(jié)節(jié)承擔(dān)。（2）人體上身應(yīng)保持穩(wěn)定。（3）人體腰椎下部（第4-5節(jié)腰椎之間）應(yīng)有適當(dāng)?shù)难恐?。?）座面的高度應(yīng)確保大腿的肌肉和血管不受壓迫。圖2 坐姿時(shí)坐墊上的壓力分布（5）坐者應(yīng)能方便、自如地變換姿勢(shì)而不致滑脫。（6）座椅的位置和尺寸應(yīng)與工作臺(tái)、顯示裝置、操縱裝置相配合，以提高操作者的操作舒適性和方便性。圖3 工作座椅的

8、基本結(jié)構(gòu)2.2 工作座椅的設(shè)計(jì)要求（1）工作座椅的結(jié)構(gòu)型式應(yīng)盡可能與坐姿工作的各種的操作活動(dòng)要求相適應(yīng)，應(yīng)能使操作者在工作過(guò)程中保持身體舒適、穩(wěn)定并能進(jìn)行準(zhǔn)確的控制和操作。（2）工作座椅的座高和腰靠必須是可調(diào)節(jié)的。座高調(diào)節(jié)范圍在GB1000088中“小腿加足高”，女性（1855歲）第5百分位到男性（1860歲）第95百分位數(shù)，即360480mm之間。工作座椅座面高度調(diào)節(jié)方式可以是無(wú)級(jí)的或間隔20mm為一檔的有級(jí)調(diào)節(jié)。工作座椅腰靠高度的調(diào)節(jié)方式為165210mm間的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。（3）工作座椅可調(diào)節(jié)部分的結(jié)構(gòu)必須易于調(diào)節(jié)，并保證已調(diào)節(jié)好的位置在座椅使用過(guò)程中不會(huì)改變或松動(dòng)。（4）工作座椅各零部件的外

9、露部分不得有易傷人的尖角銳邊，各部結(jié)構(gòu)不得存在可能造成的擠壓、剪鉗傷人的部分。（5）操作者無(wú)論坐在座椅前部、中部還是向后靠，工作座椅座面和腰靠結(jié)構(gòu)均應(yīng)使坐者感到安全、舒適。（6）工作座椅腰靠結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定的彈性和足夠的剛性。在座椅固定不動(dòng)的情況下，腰靠承受250N的水平方向作用力時(shí)，腰靠?jī)A角b不得超過(guò)115°。（7）工作座椅一般不設(shè)扶手，需設(shè)扶手的座椅必須保證操作人員作業(yè)活動(dòng)的安全性。（8）工作座椅的結(jié)構(gòu)材料和裝飾材料應(yīng)耐用、阻燃、無(wú)毒。座墊、腰靠、扶手的覆蓋層應(yīng)使用柔軟、防滑、吸汗的不導(dǎo)電材料制造。（9）工作座椅座面，在水平面內(nèi)可以是能夠繞座椅轉(zhuǎn)動(dòng)軸回轉(zhuǎn)的，也可以是不能回轉(zhuǎn)的。（1

10、0）座椅材料選擇。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)境的主要影響。座椅材料是座椅的主要減振元件，要想使座椅獲得較低的振動(dòng)傳遞率，使座椅有較高的振動(dòng)舒適性，必須采用合適的坐墊和靠背減振材料。根據(jù)駕駛室的微氣候環(huán)境，調(diào)整座椅表面的溫濕度特性，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)人體代謝，從而達(dá)到減輕疲勞的目的。2.3 工作座椅的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù) 圖4 座面前緣起拱尺寸工作座椅的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，其主要參數(shù)的取值范圍列表見表1，列表中參數(shù)的符號(hào)含義見圖4中的標(biāo)注。表中所列參數(shù)a、f、g、a、b為操作者坐在座椅上之后形成的尺寸、角度，測(cè)量時(shí)應(yīng)使用規(guī)定參數(shù)的重物代替坐姿狀態(tài)的人。表中所列參數(shù)，已

11、考慮了操作者穿鞋（女性鞋跟高20mm，男性鞋跟高25-30mm）和著冬裝的因素。在進(jìn)行工作座椅主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該注意以下方面：（1）座面座面表面有兩種基本型式，一種是縱向（坐深方向）平展的，其傾角為0°5°；另一種是縱向前緣起拱的。任意一種型式的座面，其橫向高度差都不得大于25mm；座面前緣起拱的高度h2最小應(yīng)為40mm，起拱半徑R1最小為40mm，最大為120mm。座面前緣縱向起拱時(shí)，前部?jī)A角=45°，后部?jī)A角=10°15°，兩角頂交點(diǎn)位于距座面前緣座深2/3處；縱向高度差h3不得大于40mm近（見圖4）。當(dāng)座墊為彈性結(jié)構(gòu)時(shí)，最下層支撐部

12、分應(yīng)有一定的剛性，中間彈性層變形量不宜過(guò)大（座墊厚度不宜大于30mm），當(dāng)按表1規(guī)定的測(cè)量時(shí)，座墊變形后形成的各尺寸參數(shù)應(yīng)符合表1的規(guī)定。座面留有通氣孔或帶排氣溝槽時(shí)，孔和溝槽的存在不應(yīng)影響座面的其它參數(shù)。（2）腰靠腰靠的形狀應(yīng)保證使人體壓力盡量分布均勻。腰靠若裝有軟墊，則其沿座深方向垂直剖面內(nèi)的曲率半徑必須大于1400mm。（3）支架工作座椅支架至少必須有5個(gè)支點(diǎn)。支點(diǎn)可以使用球形或鼓形小輪，也可以在某一個(gè)或某幾個(gè)支點(diǎn)使用滑塊?？找蔚幕瑝K阻力應(yīng)不小于1520N。（4）扶手工作座椅若設(shè)扶手，則扶手的有關(guān)尺寸應(yīng)滿足以下條件：扶手上緣與座面間的垂直距離為230+-20mm；兩扶手內(nèi)緣間的水平距離最

13、大不超過(guò)500mm；扶手長(zhǎng)度為200280mm；扶手前緣與座面前緣的水平距離為90170mm；扶手傾角，固定式為05°，可調(diào)式為020°。表1 工作座椅的主要參數(shù) 參 數(shù)數(shù) 值測(cè)量要點(diǎn)座 高a360480在座面上壓以60kg，直徑350mm的半球狀重物時(shí)測(cè)量座 寬b370420推薦值400在座椅轉(zhuǎn)動(dòng)軸與座面的交點(diǎn)處或座面深度方向二分之一處測(cè)量座 深c360390推薦值380在腰靠高g=210mm處測(cè)量，測(cè)量時(shí)為非受力狀態(tài)腰靠長(zhǎng)d320340推薦值330腰靠寬e200300推薦值250腰靠厚f3050推薦值40腰靠上通過(guò)直徑400mm的半球狀物施以250N的力時(shí)測(cè)量要靠高g1

14、65210要靠圓弧半徑R400700推薦值550傾覆半徑r195座面傾角0°5°推薦值3°4°腰靠?jī)A角95°115°推薦值110°3 座椅安全性設(shè)計(jì)汽車工作座椅從人機(jī)工程學(xué)的角度，不僅要滿足人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)要求，提供駕駛員舒適的工作環(huán)境，以減輕駕駛員的疲勞，而且當(dāng)發(fā)生意外交通事故時(shí)對(duì)于駕駛員也要提供一定的保護(hù)措施，最大限度地減輕對(duì)駕駛員的傷害，起到很好的保護(hù)作用?；谌藱C(jī)工程學(xué)的工作座椅安全性設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下方面：(1)主動(dòng)安全性設(shè)計(jì)原則主動(dòng)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(dòng)安全性設(shè)計(jì)主要從減輕駕駛員的疲

15、勞入手進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，以滿足主動(dòng)安全性要求。主動(dòng)安全性主要考慮合理的座椅尺寸設(shè)計(jì)、坐墊上合理的體壓分布、靠背上合理的體壓分布等?？梢詾轳{駛員提供一個(gè)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(dòng)安全性的設(shè)計(jì)要求。(2)被動(dòng)安全性設(shè)計(jì)原則被動(dòng)安全性是指事故發(fā)生時(shí),保護(hù)乘員的能力。駕駛座椅作為安全部件,是汽車被動(dòng)安全性設(shè)計(jì)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(dòng)安全性設(shè)計(jì)目標(biāo)為：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；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；在事故中,使得事故后果對(duì)駕駛員的傷害降低到最小限度。(3)安全措施目前采取的安全措施主要有：提高座椅骨架強(qiáng)度，達(dá)到汽車駕駛座椅強(qiáng)度的要求值；設(shè)置座椅安全帶，使在緊急制動(dòng)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)到汽車內(nèi)飾材料燃燒特性技術(shù)要求的規(guī)定。4 結(jié)束語(yǔ)本文從人機(jī)工程學(xué)的角度，闡述了工作座椅應(yīng)滿足的要求，及在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)，也從安全性的角度考慮了工作座椅的設(shè)計(jì)原則。事實(shí)上，駕駛室工作座椅的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，它需要綜合考慮其它各個(gè)方面，除了本文提到的坐姿舒適性、安全性外，還要考慮振動(dòng)性、操作舒適性等其他因