淺析人機工程學在兒童座椅中的應用王清超-資料下載頁

　　

【正文】 ，來控制操縱力較大的裝置。但如果坐姿不正確，座椅設計不合理，也會給身體帶來嚴重損害。 坐姿狀態下，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節椎骨以及5塊骶骨和4塊尾骨連接組成，如圖11所示，其中椎骨自上而下又分為頸椎（共7節）、胸椎（共12節）、腰椎（共5節）三部分，每兩節椎骨之間由軟骨組織和韌帶相聯系，使人體得以進行屈伸、側曲和扭轉動作等有限度的活動。頸椎支撐頭部，胸椎與肋骨構成胸腔，腰椎、骶骨和椎間盤承擔人體坐姿的主要負荷。圖11 脊柱的構造從圖中可以看出脊柱呈現頸、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。與坐姿舒適性直接相關的是腰曲。圖12為各種不同姿勢下所產生的腰曲弧線，人體正常腰曲弧線是松弛狀態下側臥的曲線，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。可見保證腰弧曲線的正常形狀是獲得舒適性的關鍵。圖12 不同姿勢下所產生的腰椎曲度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13（a)中的后突形狀。而腰靠過分凸出將會使腰椎呈圖13（b）中的前突形狀。腰椎后突和過分前突都是非正常狀態，合理的腰靠應該是使腰弧曲線處于正常的生理曲線。圖13 腰椎后突和前突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，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；當軀干前傾時，背上方和肩部肌肉活動度高。座墊上的體壓分布。根據人體組織的解剖學特性可知，坐骨結節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。據此座墊上的壓力應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，這是座墊設計的壓力分布不均勻原則。圖14是較為理想的坐墊體壓分布線。圖14 體壓分布曲線人體結構在骨盤下面有兩塊圓骨，稱為坐骨結節。如圖15所示。坐骨結節下面的底座呈近似水平時，可使兩坐骨結節外側的股骨處于正常的位置而不受過分的壓迫，如15（a）。當坐面呈斗形時，會使股骨向上轉動，這種狀態會使肘部和肩部受力，從而引起不舒服。所以在座椅設計中，斗形坐面是應該避免的。圖15 座面對股骨的影響 當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，如圖16（a）所示。但是，當人體處于前彎坐姿時，椎骨之間的間距發生改變，相鄰兩椎骨前端間隙縮小，后端間隙增大，如圖16（b）。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。圖16 不同坐姿時椎間盤受力分析坐姿人體測量尺寸是座椅靜態尺寸設計的主要依據。與座椅設計相關的人體測量主要尺寸見圖17，具體測量數值如表18所示。圖17 對座椅設計有用的人體尺寸表18坐姿人體尺寸綜合來看，從坐姿生理學角度，應保證要弧線正常，腰背肌肉處于松弛狀態，從上體通向大腿的血壓不受壓迫，保持血液正常循環。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。如圖19所示：圖19 大腿、小腿和腳面的夾角座椅及懸架等部件隔離、吸收、緩和、衰減行駛中所產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重傷害的主要震動形式。人體承受全身震動將產生機械的、生理、病理的和心理的效應。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，將引起相應器官的共振而產生相對位移，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，其生理效應也最大，稱為第一共振峰。10 12Hz的震動頻率時出現第二共振峰，其生理效應僅次于第一共振峰。在20 25Hz時出現第三共振峰，其生理效應較第二共振峰稍低。以后隨著頻率的增高，震動在人體內的傳遞逐步衰減，其生理效應也相應減弱。如圖21所示。圖21 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22所示。圖22 人體器官的固有頻率 將人置于震動臺上進行各種典型工況下的激振試驗，測得人體的坐姿震動特性如圖2225所示。圖23 人體坐姿承受垂直振動的傳遞特性圖24 人體坐姿承受左、右水平振動的傳遞特性圖25 人體坐姿承受前、后水平振動的傳遞特性全身振動引起的主訴癥狀及生理反應與振動頻率有關。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如圖26所示：圖26 全身振動的生理效應全身振動最明顯的生理反應時人體姿勢的變化，低頻高強度的振動使人難以保持穩定的姿態。研究表明，駕駛員常患的兩種職業病：胃病和脊椎損傷。圖27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生了有害影響。圖27 拖拉機駕駛員的胃病患病率圖28為拖拉機駕駛員為脊椎病與年齡的關系。由此可以看出，駕駛員的脊椎畸形的發病率都很高，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28 拖拉機駕駛員脊椎患病率與年齡的關系實線——男人；虛線——女人對車輛駕駛員來說，乘坐振動的心理效應主要表現為操作能力的變化。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29至211所示。圖29 人體坐姿承受垂直振動時的實力降低情況（a）加振中；（b）加振終了時210 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211 坐姿人體承受垂直振動時的平衡能力降低情況（a）加振時；（b）加振終了時圖212 人體坐姿承受橫向水平振動時跟蹤誤差圖213 人體坐姿承受橫向水平振動選擇時的反應時間圖214 人體坐姿承受垂直振動的手眼協調平均動作時間根據受振者的感覺，《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：（1）保持舒適性界限：在此振動界限內，沒有不舒服的感覺，受振者能順利的完成讀、寫、吃等動作。（2）保持工作效率界限：在此振動界限內，操作人員能在規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。（3）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準；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準。座椅空間位置設計就是為了達到操作舒適性的目標，而進行駕駛座椅空間位置設計以確保駕駛員有良好的視野，同時對汽車轉向盤、腳踏板等操作部件有恰當的操作要求距離，以達到操作舒適性的最終目的。好的駕駛設計必須要保證駕駛員在連續幾個小時操作的情況下，身體能夠得到很好的支持。并且座椅必須有額外的空間，允許駕駛員坐在座椅上的任一邊或改變在座椅上的角度，以便暫時使他的肌肉放松。確定駕駛座椅在車輛上的安裝位置之前，必須先確定坐著的駕駛員與座椅結構的相對位置。美國汽車工程師協會SAE已將車輛駕駛座椅設計的參考點標準化，這個參考點稱為座椅標志點，即SIP，其位置如圖31所示。圖31 人體H點與座椅標志點之間的關系 圖32為轎車駕駛座椅的作業空間布置和尺寸推薦數據。圖33為載貨汽車的駕駛座椅的作業空間布置和尺寸推薦數據。圖32 轎車駕駛座椅的推薦設計圖33 載貨汽車的駕駛座椅的操作位置尺寸座椅尺寸設計的合適與否，直接影響到駕駛員能否有一個舒適而穩定的坐姿和合適的操縱位置。座椅尺寸設計主要參數包括:椅面高度、寬度、深度、椅面傾角。靠背的高度、寬度和傾角。如圖41所示：圖41 座椅尺寸設計主要參數椅面高度A：為椅面前緣至駕駛員踵點的垂直距離。在設計時主要考慮到兩點: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低些。椅面寬度B :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，通常設計應以滿足最寬人體需要為準。椅面深度C :指椅面前緣至靠背前面水平距離。其尺寸應滿足:腰部得到靠背的支承。椅面前緣與小腿之間留有適當距離，以保證大腿肌肉不受擠壓，腿彎部分不受阻礙。靠背高度D及寬度:靠背的高度和寬度與坐姿肩高和肩寬有關，對于汽車駕駛座椅靠背的高度應采取高靠背，最好加靠枕。靠背傾角α:靠背傾角是指靠背與椅面水平方向的夾角。椅面傾角β :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，引起身心疲勞。通過以上座椅尺寸參數的確定，以保證駕駛員人體脊柱曲線更接近于正常生理脊柱曲線。舒適坐姿的各關節的角度應該滿足圖42中所示的要求角度。圖42 舒適坐姿的關節角度現代汽車座椅的機械結構主要由頭枕、靠背、座墊、滑道等總成組成。 頭枕是一種用以限制乘員頭部相對于軀干向后移位的彈性裝置，其作用是在發生碰撞時，減輕乘員頸椎可能受到的損傷。尤其是在汽車受到追尾碰撞時，可抑制乘員頭部后傾，防止或減輕頸部損傷。如圖43所示：圖43 汽車座椅的枕墊靠背的安全性設計應考慮靠背的強度、傾角、基本尺寸及其形狀。靠背的強度設計不但應該在“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重程度有很大影響。依據靠背上體壓分布不均勻原則，在座椅靠背設計時應保證有靠背兩點支承即就是人體背部和腰部的合理支承。汽車座椅設計時應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。如圖44所示： 圖44 汽車座椅的靠背  坐墊一般不會造成對乘員的直接沖擊傷害，但坐墊的結構可以影響到乘員運動過程、約束力加到乘員身體上的方式及外部載荷(加速度、力等)的絕對值大小。坐墊深度設計的原則是在充分利用靠背的情況下，使臀部得到合理的支撐。坐墊深度不應該超過人的大腿長度。為了保證座墊上合理的體壓分布，座墊應堅實平坦。太軟的椅子容易令使用者曲起身子，全身肌肉和骨骼受力不均，從而導致腰酸背痛的現象的產生。研究表明間：過于松軟的椅面，使臀部與大腿的肌肉受壓面積增大，不僅增加了軀干的不穩定性，而且不易改變坐姿，容易產生疲勞。如圖45所示：圖45 汽車座椅的坐墊座椅安全性設計的內容主要包括主動安全性和被動安全性。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計主要從減輕駕駛員的疲勞人手進行分析設計，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環境，減輕駕駛員的疲勞，從而保證駕駛座椅主動安全性的設計要求。被動安全性是指事故發生時，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計的主要考慮部件之一。考慮提高駕駛員的人身安全性，汽車駕駛座椅被動安全性設計目 標為： ①在事故中要保證駕駛員處在自身的生存空間之內，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生時，保持一定的姿態，以使其他的約束系統能充分發揮其保護效能；③在事故中，使得事故后果對駕駛員的傷害降低到最小限度。目前采取的主要安全措施：提高座椅骨架強度，達到汽車駕駛座椅強度的要求值；設置座椅安全帶，使在緊急制動或正面撞車時不致將駕駛員碰傷；達到一定的阻燃要求，坐墊和靠背材料應達到汽車內飾材料燃燒特性技術要求的規定。現在越來越多的汽車座椅都開始利用人機工程學的知識及其研究成果進行設計了。只有從人機工程學的角度出發，進行汽車駕駛座椅的設計，才能使駕駛座椅具有良好坐姿舒適性、振動舒適性、操作舒適性及安全性。參考文獻：【1】周一鳴，毛恩榮.《車輛人機工程學》，北京理工大學出版社，1999.【2】丁玉蘭.《人機工程學》，北京理工大學出版社，2004.【3】許 英，機電產品開發與創新，第21卷第1期.【4】朕 ，汽車科技1995（6）.【5】，國外鐵道車輛，1995年第一期.【6】穆春虹，科技論壇，第15卷第2期.【7】馮飛燕，機械管理開發，第25卷第3期，2010（6）.