火车硬座座椅课程设计葛明江DOC.docx
《火车硬座座椅课程设计葛明江DOC.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《火车硬座座椅课程设计葛明江DOC.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
火车硬座座椅课程设计葛明江DOC
火车硬座座椅创新设计
——安全人机工程学产品设计
院（系）华北科技学院安全工程学院
专业班级安全B091班
指导老师姚建
设计学生葛明江（组长）庞岩
万成张扬
设计时间2012.3.9-2012.3.19
1.设计背景……………………………………………………………….3
2.市场应用价值………………………………………………………….4
3.座椅设计原理………………………………………………………….4
3.1座椅设计的基本原则……………………………………………..4
3.2座椅基本尺寸的设计……………………………………………..5
3.2.1人体坐姿相关分析………………………………………….5
3.2.2人体尺寸数据的获取……………………………………….7
3.2.3座椅各部分尺寸数据的设计…………………………….…9
4.座椅创新性设计…………………………………………………...…13
4.1舒适性设计…………………………………………………………13
4.2安全性设计…………………………………………………………14
4.3经济性设计………………………………………………………….14
4.4可扩展性设计……………………………………………………….14
5.设计总结…………………………………………………………...…15
6.参考文献……………………………………………………..………15
1座椅设计的背景
随着人们生活水平的不断提高，人们对生活质量的要求也越来越高。
铁路运输在各种交通工具运输中占有比较重要的地位，人们出行大多选择较为经济和舒适的硬卧车厢，而且，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。
但是，每一个坐过长途火车的人，尤其是需要在火车上过夜的人，难道不是每次都像遭罪？
当你昏昏欲睡之时，想尽办法变换着各种姿势，最后却发现毫无办法，是否发现任何一种姿势都极其别扭？
当你在午夜十二点扫视车厢里的情景：
有的人斜在车窗边，有的趴在座位中间的茶几上，有的人则只能笔直的靠在那里——因为座位是垂直的，实际上是坐在那里，他们每隔几十分钟就醒一下，充其量是打个盹。
一会直着坐，一会侧身，一会抱腿，一会把腿伸到对面座位上去，就这么折腾来折腾去。
那种样子，活像受刑。
因此，本次设计就是运用人机工程学原理使座椅座位的设计不仅满足人们基本乘坐要求而且还要向舒适化、人性化发展，从而最大限度尽可能减少旅客出行的疲劳。
使旅客的旅行更加舒适，愉快。
图1-1现有火车硬座座椅图
2市场应用价值
由于目前火车的硬座座椅大多是直角型，长途旅行的人十分容易感到疲劳。
而本设计恰好利用人机工程学原理，能最大限度的使人不感到疲惫，具有安全，舒适的优点。
能够满足人们出行舒适的需要，增加客流量。
并且，对现有椅子改造的成本也比较小。
由于铁路国有，国家加大些投入进行改造也是一项利国利民的措施。
3.座椅设计的原理
3.1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]。
图3-1火车硬座座椅设计原理图
3.2座椅基本尺寸的设计
3.2.1人体坐姿相关分析
（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1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。
图3-2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3-2。
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。
（2）坐姿受力
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2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。
图3-3坐垫体压分布
3.2.2人体尺寸数据获取
（1）人体测量标识
人体测量一般包括形态测量、生理测量、运动测量三个方面.根据座椅设计研究需要，采用抽样测量法将其中的形态测量和生理测量作为主要测试项目.
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3-4人体坐姿尺寸示意图
表3-1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
3.1坐高/mm
836
858
870
908
947
958
789
809
819
855
891
901
3.2坐姿颈椎点高/mm
599
615
624
657
691
701
563
579
587
617
648
657
3.3坐姿眼高/mm
729
749
761
798
836
847
678
695
704
739
773
783
3.4坐姿肩高/mm
539
557
566
598
631
659
504
518
526
556
585
594
3.5坐姿肘高/mm
214
228
235
263
291
298
201
215
223
251
277
284
3.6坐姿大腿厚/mm
103
112
116
130
146
151
107
113
117
130
146
151
3.7坐姿膝高/mm
441
456
461
493
523
532
410
424
431
458
485
493
3.8小腿加足高/mm
372
383
389
413
439
448
331
342
350
382
399
405
3.9坐深/mm
407
421
429
457
486
494
388
401
408
433
461
469
3.10臀膝距/mm
499
515
524
554
585
595
481
495
502
529
561
570
3.11坐姿下肢长/mm
892
921
937
992
1046
1063
826
851
865
912
960
975
表3-2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
3.2.3座椅各部分尺寸数据的设计
正常的姿势下，脊柱的腰椎部分前凸，而至骶骨时则后凹。
在良好的坐姿状态下，压力适当地分布于各椎间盘上，肌肉组织上承受均匀的静负荷；当处于非自然姿势时，椎间盘内压力分布不正常，形成压力梯度，严重的会将椎间盘从腰椎之间挤出来，压迫中枢神,产生腰部酸痛、疲劳等不适感。
根据矫形学原理和肌肉活动度分析可得出下列结论：
A躯干挺直或前倾的坐姿很容易引起疲劳
B设置适当的靠背可使疲劳降低
C大于90度的靠背可防止骨盆的旋转，增加坐姿稳定性且使坐姿更接近自然状态
（1）座高的设计
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。
（2）座宽的设计
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的心理修正量及扶手宽度4×60mm即864mm+100mm+240mm=1204mm。
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及扶手宽度6×60mm所以最终尺寸为1286mm+200mm+360mm=1866mm。
（3）座深的设计
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。
（4）座面倾角
座面后倾的作用有两点：
一是由于重力，躯干后移，使背部抵靠椅背，获得支持，可以降低背肌静压。
二是防止坐者从座缘滑出座面。
取座面倾角为5。
（5）靠背的高度与宽度
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。
（6）靠背角度
靠背倾角的增加能增强人体舒适感．靠背倾角越大，人体所获得的休息程度越高.列车上，旅客大多处于休息状态，如果倾角小于100°，使人感到疲劳；靠背倾角超过120°时，将占用后排旅客乘坐空间，影响正常使用．从脊柱正常形态来看，该角为115°较为合适，如图6，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。
图3-5坐姿角度
（7）椅垫厚度
人体在坐姿状态下，与座面紧密接触的实际上只是臀部的两块坐骨结节，其上只有少量的肌肉，人体重且的75％左右由约25cm2的坐骨周围的部位来支承，这样久坐足以产生压力疲劳，导致臀部痛楚麻木感
测试研究表明，坐于座垫上的臀部压力值大为降低，而接触支承面积也由900cm2增大到1050cm2，使压力分散。
椅垫的另一优点是能使身体采取一种较稳定的姿势，因为身体可以适应地陷入座垫。
设计采用厚度为40mm的椅垫。
（8）扶手高
扶手不能太高，否则迫使肘部抬高，肩部与颈部肌肉拉伸；但如过低则实际上使臂部得不到支撑，或者躯干必须偏斜，以寻求一侧的支承,故按男性平均肘高加上修正量及坐垫厚度取扶手高为287mm+3mm+40mm=330mm。
（9）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
表3-3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
扶手高H5/mm
330
座全宽W/mm
二人
1204
三人
1866
座垫斜度α/mm
5°
背面斜度β/mm
105°
座间距L/mm
≥1568
图3-6座椅尺寸
4座椅创新性设计
4.1座椅舒适性的设计
在上一章做座椅基本尺寸的设计时，我们就已经以使旅客尽量舒适为目的做了大量的尺寸优化设计，但是考虑到坐垫及靠垫的材料也是影响旅客舒适性的重要因素，因此我们在本章独立做出设计说明。
坐垫及靠垫材料的选择要满足透气和散热的性能，查找相关资料可得：
从:
表4-1，表4-2,表4-3可得出如下结论：
座椅的坐垫及靠垫一般普遍采用聚氨酯泡沫，这是因为它容易从表面迅速散发水蒸气和透气好。
如果材料单纯追求透气性好，就是用天然纤维和化纤交织的弹性材料——聚氨酯纤维，后者具有纤维状的壁面，也具有流畅的通气环境，性能优于聚氨泡沫。
所以一般选用聚氨酯纤维。
4.2安全性设计
由于座椅设计的后倾式，座椅与靠背的夹角为105°，座面倾角为5°。
这样设计，是为了当火车突然启动或停止时，有助于减缓身体向前倾的趋势。
防止突然撞上，有助于人体安全。
4.3经济性设计
由于设计可以在原有座椅的基础上加以改装，从而节省了原料费，并且改装成本比较小。
因而经济实用。
4.4可扩展性设计
当火车上有儿童乘坐时，为了增加安全性能，可在座椅上安装安全带。
火车上的空调大多安装在顶棚，距离人体比较远。
产生的效果不明显。
因此，可以把空调安装在座椅下。
同时在每个座椅上安装空调开关，乘客可根据自己的需要随时开关空调。
这样设计不仅符合人机工程学原理，还可以达到节能减排，保护环境的目的。
5设计总结
通过这次对火车硬座座椅的课程设计，培养了我们分析和解决问题的能力，同时锻炼了我们的观察能力。
使我们更加充分的理解了人机工程学在生活当中的重要作用，我们在大学所学的大部分都是理论知识，最重要的是把所学能够应用于实践当中去。
只有这样，才能体会到知识的价值。
这次设计的实现凝结着多人的智慧、心血和鼓励。
课程设计能够顺利完成，小组成员共同努力的结果。
队员之间都互相帮助，互相交流，使我们在互相交流学到了许多知识。
这次课程设计，让我们觉得学术遥远，自己才疏学浅。
车辆的研究何其庞杂，何其精妙，这次设计其实只能是涉其皮毛，距离理想之境还有很长的路。
同时，感谢指导过我们的老师！
勤劳合作的队友！
感谢大家对自己的教诲、帮助和鼓励。
这次设计的实现凝结着多人的智慧、心血和鼓励。
6参考资料
【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】郭伏，杨学涵.人因工程学[第2版].东北大学出版社，2005
【3】马广韬，田炜，孙海义.《基于人体静态尺寸的座椅设计》，沈阳建筑大学学报
【4】国家技术监督局GB10000-1988.中国成年人人体尺寸
【5】姚建，田冬梅.安全人机工程学.北京.煤炭工业出版社，2012
升级会员 