硬座座椅人机学设计.docx
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硬座座椅人机学设计
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作者：
硬座座椅人机学设计
摘要：
人机工程学是以人的生理、心理特性为依据，应用系统工程的观点，分析研究人与机器、人与环境以及机器与环境之间的相互作用，为设计操作简便省力、安全、舒适，人—机—环境的配合达到最佳状态的工程系统提供理论和方法的科学。
本文从人机工程学角度探讨了我国硬座车厢桌椅设计，结合法国7rGV列车座椅实例对比分析，找出目前国内客车中的座椅存在的一些问题和缺陷及对健康和乘客心理的一些不良影响，并从人体工程学角度出发，在对乘客的人体坐姿进行系统分析和研究的基础上，提出了符合乘客习惯及要求的列车座椅改进方法及设计参数。
关键词硬座座椅设计人机工程
SeatErgonomicsDesign
Abstract：
Ergonomicisman'sphysical,psychologicalcharacteristics,applicationsystembasedonengineeringpointofview,humanandmachine,analysisofmanandenvironmentandmachineandenvironment,theinteractionbetweentheoperateeffortforthedesign,safe,comfortable,people-machine-environmentcooperatetoachievethebestconditionsystemtoprovidetheengineeringtheoryandmethodofscience.Thispaperdiscussestheergonomicchairsinacar7rGVpresentsituation,theunionFrenchdesigntrainseatexamplescomparisonanalysis,findoutthecurrentdomesticpassengerseatofsomeexistingproblemsanddefectsofhealthandpassengersandsomeofthebadeffects,psychologicalfromtheAngleofhumanbodyengineeringandinthehumanbodyforpassengers,systematicanalysisandresearchsittingwasputforwardonthebasisofthepassengershabitsandrequirementswithimprovementmethodandtrainseatdesignparameters.
KeywordsHardseatSeatdesignHumanfactors
1引言
中国是世界上人流量最大的国家，每天都有数以百万的人群通过火车进行流通。
设计过程中考虑人类工效学原理的座椅可以是旅客更加舒适，可以有效缓解旅客因路途单调带来的心理压力。
我国25型客车硬座车厢座椅在1993年投用使用以来经过了数次改良设计，但仍未能很好的满足乘客长时间旅行对于乘坐舒适性的高要求，究其原因在于没有充分地发挥出座椅造型与功能需求相适应，具体表现在座椅人机工程方面考虑的不成熟、不深入，因此未能达到预期效果[1]。
本小组通过对现有座椅的研究，加以对比外国先进座椅。
对硬座车厢座椅进行了再设计。
2座椅功能与结构分析
座椅要在运动车厢中满足人体乘坐舒适性，必须有效克服座椅振动和保持人体坐姿受力平衡，这是优良设计的前提和关键。
与我国25型客车采用的传统的四、六人对座方式不同，国外高速铁路客车座椅在排座方式上已经实现桌椅等额配套使用。
如图1所示法国TGV列车座椅，每客一桌一椅的设计不仅布局明快、造型美观、色彩和谐，更重要的是乘客入座后处于舒适生理体位，身体各部分肌肉得以更好的放松，座椅的动态与其减震系统相匹配改善了振动环境，有效减轻乘车疲劳[2]。
图1法国TGV列车座椅
3座椅设计
从人机工程学的角度来看，影响座椅设计的主要因素有：
人体的坐姿状态、坐姿受力和坐姿尺寸三个方面，座椅设计不能良好的解决这些因素是产生乘坐疲劳和疼痛的缘由。
3.1坐姿状态
乘客处于坐姿状态时，支持人体的主要结构是脊柱、骨盆、腿和脚等。
其中腰椎、骶骨和椎间盘及软组织承受着人体上半身大部分负荷，同时还要承受弯腰扭转等动作负荷。
从图2可以看到人体脊柱侧面有四个生理弯曲：
颈曲、胸曲、腰曲及骶曲。
坐姿状态的差异影响了身体对脊柱的压力，为了乘坐舒适必须保证人体处于正常生理曲线状态，列车座椅应全方位提供给坐姿人体头部、颈部、背部、腰部、肘部、腿部和足部的合理支撑[3]。
图2人体脊柱状态
正常的人体腰曲是微微前突的，为使坐姿下的腰曲变形最小，座椅应在腰椎部提供支撑。
无腰靠或腰靠不明显将会使正常的腰椎呈后突形状，腰靠过分凸出将使腰椎呈前突形状见图2。
腰椎后突和过分前突都是非正常状态，因此现代客车座椅设计中常常在人体坐姿状态下的第4～5腰椎位置高度处设置形状合理的座椅腰靠弧面，在第5～6胸椎位置高度处设置肩靠曲形，同时在人体颈后配备座椅头枕，在维持正常的椎曲形状的同时能有效防止列车紧急刹车或突然加速启动时可能造成的乘客脊椎伤害[4]。
3.2坐姿受力
图3座垫体压分布
人体骨盆下面有两块粗壮的圆骨，称为坐骨结节，能比周围肌肉承受更大的压力。
当座面呈水平状态时，两坐骨结节外侧的股骨处于正常的位置未受压迫，当座面呈凹形状态时，会迫使股骨向上转移而造成髋部肌肉承受反常压力，人体会下意识涌动臀部或者求助肘部和肩部分散受力，从而引起不适。
同时过软的座面使腿部压力过大，影响了大腿血液循环和神经传导而感到不适。
医学论证显示，座垫应根据臀部不同部位承受不同压力的原则来设计，即在坐骨处压力最大，向四周逐渐减小，至大腿部位时压力将至最低。
图3是座垫倾斜5°～10°时较为理想的座垫体压分布曲线，其中各封闭曲线为等压力线，所标数字的压力单位为kPa[5]。
3.3坐姿尺寸
在坐姿状态下，乘客的身体重量主要由座位面来承担，另一些则传递给了靠背、扶手、地板或桌面等受力支撑物，因此坐姿人体尺寸测量是座椅设计的主要依据。
坐姿人体尺寸包括坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高等具体测量方法见图4，根据我国国标得到表1坐姿人体尺寸具体数据。
图4坐姿人体尺寸
表1坐姿人体尺寸
年龄分组与百分位数
测量项目
男（16～60）
女（18～55）
1
5
10
50
90
95
1
5
10
50
90
95
4.3.1坐高/mm
836
858
870
908
947
958
789
809
819
855
891
901
4.3.2坐姿颈椎点高/mm
599
615
624
657
691
701
563
579
587
617
648
657
4.3.3坐姿眼高/mm
729
749
761
798
836
847
678
695
704
739
773
783
4.3.4坐姿肩高/mm
539
557
566
598
631
659
504
518
526
556
585
594
4.3.5坐姿肘高/mm
214
228
235
263
291
298
201
215
223
251
277
284
4.3.6坐姿大腿厚/mm
103
112
116
130
146
151
107
113
117
130
146
151
4.3.7坐姿膝高/mm
441
456
461
493
523
532
410
424
431
458
485
493
4.3.8小腿加足高/mm
372
383
389
413
439
448
331
342
350
382
399
405
4.3.9坐深/mm
407
421
429
457
486
494
388
401
408
433
461
469
4.3.10臀膝距/mm
499
515
524
554
585
595
481
495
502
529
561
570
4.3.11坐姿下肢长/mm
892
921
937
992
1046
1063
826
851
865
912
960
975
表2正常人着装身材尺寸修正值
项目
尺寸修正量
修正原因
坐姿眼高/mm
3
裤厚
坐姿臀宽/mm
13
衣厚
坐姿两肘间宽/mm
20
衣厚
小腿加足高/mm
36
裤厚鞋厚
坐姿肩高/mm
10
裤厚
坐深/mm
3
裤厚
坐姿肘高/mm
3
裤厚
足长/mm
30
鞋长
3.3.1座面（高、宽、深）
座高是座面至地面的垂直距离。
座高相当于胫骨点高度（约为人体总长度的1/4），一般在400mm～460mm左右，略低于腿部漆关节，有利于小腿着力于整个脚掌支撑起身体负荷。
座椅为Ⅲ型产品选择第50百分位作为产品尺寸设计依据，而列车座椅为通用产品选用男性尺寸较为合理。
人体尺寸数据均是在裸体或穿单薄内衣条件下测量的,在设计时应考虑功能修正量，具体修正量数据见表2正常人着装身材尺寸修正值。
所以根据表1坐姿人体尺寸数据，取男性小腿加足高第50百分位+功能修正量（小腿加足高）413mm+36mm=449mm。
座宽即单人座面的左右距离，必须满足坐姿两肘间宽所需要的尺度，一般座宽500mm左右即可符合要求。
列车座椅为多人座椅主要是两人椅和三人椅，，根据GB10000-88中国成年人体尺寸中的男性坐姿两肘间宽第50百分位数422mm，二人椅时，取男性坐姿两肘间宽第50百分位数+功能修正量（坐姿两肘间宽）422mm×2+20mm=864mm考虑到克服人心理上的“空间压抑感”等心理感受，再追加100mm的心理修正量即854mm+100mm=964mm。
三人椅，取男性坐姿两肘间宽第50百分位数+功能修正量（坐姿两肘间宽）422mm×3+20mm×2=1306mm。
同样考虑到心理修正量100mm×2所以最终尺寸为1286mm+200mm=1506mm。
座面深即座面的前后距离，应能保证臀部能够得到全部支撑，其深度至少相当于臀部至腿部漆关节全长的3/4，根据表1坐姿人体尺寸数据取坐深第50百分位数+功能修正量（坐深）457mm+3mm=460mm。
3.3.2靠背（高、倾角）
图4坐姿角度
靠背一般由肩靠、腰靠、头枕三部分组成，肩靠高度应达到肩胛下角位置，根据坐姿人体尺寸数据，取男性坐姿肩高第50百分位数+功能修正量（坐姿肩高）598mm+10mm=608mm，腰靠高度应达到坐姿肘高左右，根据表1坐姿人体尺寸数据取男性坐姿肘高第50百分位数+功能修正量（坐姿肘高）263mm+3mm=266mm。
头枕支撑头部向后仰以减轻颈部肌肉受力，头枕高度应达到坐姿眼高高度，根据表1坐姿人体尺寸数据取男性坐姿眼高第50百分位数+功能修正量（坐姿眼高）798mm+3mm=801mm。
靠背整体高度为头枕高度加头枕修正厚度[6]即801mm+50mm=851mm。
座面与靠背夹角是使人体腹部与大腿之间的血管不受压迫、血流畅通的必要条件，正常状态下座面与靠背夹角多为115°的钝角状态如图4，可调节范围是105°～135°。
考虑到列车车厢空间大小及人体舒适度问题115°虽然最舒适但占用空间较大，所以采用背面斜度105°既能达到人体舒适要求又能节省空间。
3.3.3座垫
行车过程中为了防止乘客臀部产生向前滑行的趋势和平衡大腿与坐骨所受的体压，座垫应有一定倾角。
根据坐姿受力分析座垫倾斜5°～10°时能得到较为理想的体压分布曲线，考虑到制作难度和成本采用5°为座垫角度。
3.3.4座间距
座椅间距主要考虑乘客起坐方便、腿部舒适性。
根据表1坐姿人体尺寸数据最小尺寸应取男性臀膝距第50百分位数+功能修正量（足长）+桌台尺寸[6]（554mm+30mm）×2+400mm=1568mm
4座椅设计的基本原则
在长时间的列车运行过程中乘客的乘坐姿势是不断改变的，要求也随之变化。
为使坐姿舒适，座椅设计需要遵守以下基本原则：
（1）座椅曲面符合人体生物力学要求，使座椅能减轻人体脊柱形变压力和臀部压力，如可灵活调整的头靠、颈靠、肩靠、腰靠等。
（2）座椅形状满足人体自然姿势的需求，可通过座椅形体改变使乘客坐姿放松，如座面和靠背的倾角调整，座椅下部提供足够空间便于放脚等。
（3）座椅尺寸与人体相适应，为保证座椅能最大程度适应不同群体和特定个体的要求，应以人体尺寸统计结果为座椅尺寸依据，取中间值并尽可能留出一定范围照顾处于最大值或最小值的乘客自行调节，如座高、椅宽等。
（4）座椅构件设计和材料选择应合理[7]。
5设计方案
综合以上的设计分析及数据计算，本组再次对设计尺寸进行了总结归纳并优化制作了座椅尺寸参数表见表3。
并通过再设计的尺寸参数绘制了新坐椅的尺寸参数图见图5。
关于座椅材料选择本小组讨论后决定采用纺织材料。
主要是根据车厢座椅热感应的效果来区别。
一般的物体在外界照射的情况下，都会出现吸热和散热的过程。
纺织材料座椅垫有着晒不烫的效果主要是因为：
纺织材料通过特殊的制作工艺，吸收热量的速度相对其他材料比较慢，而散热速度相对来说也比较慢。
所以在外界温度升高的时候，纺织材料的温度上升得比较慢。
而且纺织材料到达一定温度之后，吸热跟散热速度会达到一个平衡，在一定的情况下，不会因为外界温度的升高，而继续升温。
这样座椅夏天温度不会太高而冬天又能有一定的保温作用。
另外纺织材料的透气性和手感都很好，能增加乘客乘坐时的舒适性。
而且纺织材料在中国的成本比较低，性价比较高适合列车硬座的大批量生产。
表3座椅尺寸参数
改进尺寸
座高H/mm
449
座深H0/mm
460
靠背高H1/mm
851
肩靠高H2/mm
608
腰靠高H3/mm
266
头枕高H4/mm
801
座全宽W/mm
二人
964
三人
1506
座垫斜度α/mm
5°
背面斜度β/mm
105°
座间距L/mm
≥1568
图5座椅尺寸参数
6结束语
座椅的研究对于人体的舒适有着重要和关键的作用。
虽然人们对座椅的研究已经有很长的历史，但是设计的方法仍存在争议。
目前计算机的应用深入到各行各业，列车座椅可以实现计算机的设计，对于人体模型的研究也从以前的二维人体模型、三维模型逐渐转变为计算机三维数字模型。
由于计算机可以自动生成人体的几何模型。
本小组提出几点展望：
（1）CAD技术和人体三位数据库相结合，实现座椅的数字化设计。
（2）虚拟环境中实现乘员-座椅-车厢环境的协同设计。
（3）快速成型技术和CAE结合，实现座椅的个性化设计，解决人际沟通关系问题。
总之，座椅的人机工程学研究是一个系统的工程，需要应用到目前各种先进的技术和方法。
参考文献
[1]陈伟，王松文.25型客车及其新技术[M].北京：
中国铁道出版社，2001.
[2]吴礼本，王其利.国外铁路高速列车[M].北京：
中国铁道出版社，1994.
[3]中国医科大学.人体解剖学[M].北京：
人民卫生出版社，1979.
[4]周一鸣.毛恩荣.车辆人机工程学[M].北京：
北京理工大学出版社，1999.
[5]刘春荣.人机工程学应用[M].上海：
上海人民美术出版社，2004.
[6]陈伟，王松文.25型客车及其新技术[M].北京：
中国铁道出版社，2001.
[7]王熙元，吴静芳.实用设计人机工程学[M].上海：
中国纺织大学出版社，2001.
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