人机工程学在拖拉机驾驶座椅设计上应用研究图文医药卫生

1/1人机工程学在拖拉机驾驶座椅设计上应用研究-图文-医药卫生

1绪论

1.1课题讨论的目的和意义

拖拉机座椅是影响驾驶与乘坐舒适程度的重要设施。舒适而操作便利的驾驶座椅,可以削减驾驶员疲惫程度,降低故障的发生率，拖拉机驾驶员座椅设计优劣与否直接关系到驾驶质量。拖拉机驾驶座椅人机工程学设计目的,就是使设计出来的座椅能够满意人机工程学标准,这样一来,所谓拖拉机驾驶座椅人机工程学设计也就转化为针对驾驶员舒适性的设计，当然对于座椅设计来讲,对其平安性的设计也是不容忽视的。从人机工程学原理动身考虑,一共性能优良的驾驶座椅应当符合的基本要求如下:（1）为驾驶员供应一个舒适而稳定的坐姿,符合人体舒适坐姿的生理特性;减轻传给驾驶员身体的机械振动和冲击负荷,满意振动舒适性评价标准的要求;（2）将驾驶员置于良好视野的位置,保证他能平安而有效地完成各项操纵作业;为驾驶员供应一个相对于各种操纵机构的合适位置,使他能便利地进行操作;（3）考虑提高驾驶员的人身平安性,当发生翻车或撞车事故时,将驾驶员约束在驾驶座椅上且处于肯定的容身空间以内。

驾驶座椅设计的良好与否直接影响着驾乘者的健康。长时间坐在拖拉机座椅中，若是脊椎得不到应有的支持，则腰部就会因弓弯而造成椎骨、椎盘、肌腿的负荷，进而导致慢性肌肉疲惫并产生酸痛;再加上长时间维持相同坐姿，还会造成脊椎压力过大而导致椎间盘突出，若是压迫到神经，简单发生麻痹的想象。然而，在驾乘拖拉机的过程中，脊椎除了不肯定保持停滞状态为，也会跟着路况的变化而转变，这些状况下，脊椎的变化也就更加简单，其所导致坐姿不良的状况，会引起腰酸背疼或慢性的肌肉发炎。由于拖拉机工作环境比较恶劣，对人体健康影响很大。

近些年来，随着我国农业机械化的提高，拖拉机的数目也越来越多。拖拉机作为一种农用机械,其宜人性始终不为人们所关注,以人为本的设计理念没有很好的体现。随着科技的进步、社会的进展及对劳动者健康、生命关注的提高,应当从人机工程学的角度对拖拉机进行设计。

1.2本课题所涉及的问题在国内(外)讨论现状

国外对于座椅的讨论比较多，有从整体讨论的，也有从座椅的各个侧面作单项讨论，各单项包括座高，靠背角，座面倾角，座宽，座深，靠背高度等。有些因家己经制定了相应的标准。国内在标准化讨论方面虽然比较晚，但是也推出了不少标准和设计规范。其中主要有:GB10000一88《中国成年人人体尺寸》;GB/T12552一90《载货拖拉机驾驶员操作

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位置尺寸》;GB/T12985一91《在产品设计中应用人体百分位数的通则》;GB/T13055一54一91《客车驾驶区尺寸及术语》;GB/T13055一56一91《客车乘客区尺寸及术语》:GBT/13057~58一91《客车驾驶员座椅尺寸规格和技术条件》:GB/T13059一6任一91《客车乘客座椅尺寸规格和技术条件》;GBT/13547一92《工作空间人体尺寸》;GB/T14776一93《人类工效学一工作岗位尺寸设计原则及其数值》;GBT/14779一93《坐姿人体模板功能设计要求》;GBT/14775一93《操纵器一般人类工效学要求》GB汀6325一1997《农业拖拉机驾驶座及主要操纵装置位置尺寸》;GB/T14774一93《工作座椅一般人类工效学要求》;GB/T59n一86《转向盘尺寸》;GB4094一94《拖拉机澡纵件、指示器及信号装置的标志》;GB15082一94《拖拉机用车速表》等等。这些规范和标准多是通过大量统计和试验得出的，具有很高的有用性和权威性，它的制定为设计人机系统供应了依据，是设计人机界面不行缺少的资料和数据来源。1人体坐姿生理特性分析

（1）坐姿时脊柱的形态。人坐着时，身体主要由脊柱、骨盆、腿和脚支承。脊柱位于人体的背部中心，是构成人体的中轴。人处于不同的坐姿时，脊柱形态不同，只有座椅的结构和尺寸设计使驾驶员的脊柱形态接近于正常自然状态，才会削减腰椎的负荷以及腰背部肌肉的负荷，防止驾驶疲惫发生。

（2）坐姿体压分布。当座椅上的人处于坐姿状态时，人的身体重量作用于座垫和靠背上的压力分布称作坐姿的体压分布。可见，坐姿体压分布包括座垫上的体压分布和靠背上的体压分布两部分。

（3）座垫上的体压分布。依据人体组织的解剖学特性可知，坐骨结节处是人体最能耐受压力的部位，适合于承重，而大腿下靠近表面处因有下肢主动脉分布，故不宜承受重压。据此座垫上的压力应根据臀部不同部位承受不同压力的原则来分布，即在坐骨处压力最大，向四周渐渐削减，自大腿部位时压力降至最低值，这是座垫设计的压力分布不匀称原则。

（3）靠背上的体压分布。靠背上的体压分布也以不匀称分布，压力相对集中在肩胛骨和

腰椎两个部位。从这两个部位向外，压力应逐步降低。2环境分析

把驾驶员和座椅组成的系统看作一个典型人机系统，该系统所处的环境对系统中的驾驶员的影响主要体现在振动及温湿度上，详细分析如下：

（1）振动。驾驶员坐在行使中的拖拉机上所承受的振动属于全身振动的范畴。有关讨论表明，人体最敏感的频率范围为纵向振动4-8hz，横向振动1-2hz。当外界振动接近器官的共振频率时，即产生共振，振幅快速增大，此时引起器官的生理反应最大。振动对驾驶员操作的影响主要表现为视觉作业效率的下降和操作动作精确     性变差。当达到肯定限度时，皮质细胞的工作强度将减弱，人就会感到疲惫，工作效率明显下降。

（2）温湿度。人置身于高湿度、高温度的条件下，往往会感到浑身不适、四肢乏力，工

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作不能长久。讨论表明，驾驶员在驾驶状态下的舒适温度为１８℃——２３℃，舒适湿度为４０％——６０％，代谢量为1.0-2.0met，高于或低于这个范围都会增加驾驶员的疲惫程度。驾驶座椅对驾驶员人体热环境的主要影响因素有：座椅表面的温度和湿度。座椅表面的温湿度特性将影响人体背部、臀部、下体等部位的散热性能及皮肤的呼吸功能，当其温湿度特性与人体生理机能不适应时将引起人体局部不快感，从而加速人体疲惫的形成。

3座椅尺寸结构设计

（1）座椅尺寸设计。座椅尺寸设计主要参数包括：椅面高度、宽度、深度、椅面倾角；靠背的高度、宽度和倾角。椅面高度Ａ：椅面高度定义为椅面前缘至驾驶员踵点的垂直距离。在设计时主要考虑到两点：椅面过高会使大腿肌肉受压，椅面过低就会增加背部肌肉负荷。驾驶座椅的椅面高度应低些。椅面宽度Ｂ：在空间允许的条件下，以宽为好。但对于拖拉机驾驶座椅来讲，驾驶员坐姿单一，不涉及变换姿态，通常设计应以满意最宽人体需要为准。椅面深度Ｃ：指椅面前缘至靠背前面水平距离。其尺寸应满意：腰部得到靠背的支承；椅面前缘与小腿之间留有适当距离，以保证大腿肌肉不受挤压，腿弯部分不受阻碍。靠背高度Ｄ及宽度：靠背的高度和宽度与坐姿肩高和肩宽有关，对于拖拉机驾驶座椅靠背的高度应实行低靠背，最好没有靠枕。靠背倾角α：靠背倾角是指靠背与椅面水平方向的夹角。椅面倾角β：指椅面与水平之间的夹角。主要考虑到为了防止人体臀部向前滑动而是椅面前缘向后倾。此角不易过大，否则会增加大腿下平面与座垫前缘的压力，从而削减双脚着地的负荷，阻碍血液循环，引起身心疲惫。通过以上座椅尺寸参数的确定，以保证驾驶员人体脊柱曲线更接近于正常生理脊柱曲线。

（2）座椅结构设计。为了保证座垫上合理的体压分布，座垫应坚实平坦。太软的椅子简单令使用者曲起身子，全身肌肉和骨骼受力不均，从而导致腰酸背痛的现象的产生。讨论表明：过于松软的椅面，使臀部与大腿的肌肉受压面积增大，不仅增加了躯干的不稳定性，而且不易转变坐姿，简单产生疲惫。依据靠背上体压分布不匀称原则，在座椅靠背设计时应保证有靠背两点支承即就是人体背部和腰部的合理支承。拖拉机座椅设计时应供应外形和位置相宜的两点支承，第一支承部位位于人体第５——６胸椎之间的高度上，作为肩靠；其次支承设置在腰曲部位，作为腰靠。肩靠能减轻颈曲变形，腰靠能保证乘坐姿态下的近似于正常的腰弧曲线。

（3）座椅材料选择。座椅材料的选择主要考虑到以下两个方面：振动舒适性以及座椅对人体热环境的主要影响。座椅材料是座椅的主要减振元件，要想使座椅获得较低的振动传递率，使座椅有较高的振动舒适性，必需采纳合适的座垫和靠背减振材料。依据驾驶室的微气候环境，调整座椅表面的温湿度特性，可以适当调整人体代谢，达到减轻疲惫的目的。

4座椅振动舒适性设计

座椅材料是座椅的主要减振元件，那么在座椅振动舒适性设计时首先要考虑的就是从

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座椅材料的选择上下功夫来保证座椅振动舒适性。

座椅的结构外形也不同程度的影响其振动舒适性。由于椎间盘有较大的压缩潜力和很好的弹性，所以脊柱具有忍受较强的纵向振动的力量。在横向上，脊柱只有前纵韧带分别附在腰间盘的前缘和后缘并起肯定的作用。因此，人体脊柱忍受横向力的力量很低。在设计座椅时必需使其具有反抗横向振动的力量。座椅靠背后倾斜使腰部背部得到依靠，加之靠背衬垫的适度松软性，致使摩擦力增大，可缓冲横向振动对人体的冲击，同时靠背两侧稍隆起、椅面的外形两边向上隆起，也能减轻人体的横向移动趋势，使人感觉乘坐舒适。5座椅空间位置设计

座椅空间位置设计就是为了达到操作舒适性的目标，而进行驾驶座椅空间位置设计以确保驾驶员有良好的视野，同时对拖拉机转向盘、脚踏板等操作部件有恰当的操作要求距离，以达到操作舒适性的最终目的。6座椅平安性设计

（1）主动平安性。主动平安性是指拖拉机驾驶座椅防止事故的力量。拖拉机驾驶座椅的主动平安性设计主要从减轻驾驶员的疲惫入手进行分析设计，以满意主动平安性要求。主动平安性主要考虑合理的座椅尺寸设计、座垫上合理的体压分布、靠背上合理的体压分布等为驾驶员供应一个舒适的作业环境，减轻驾驶员的疲惫，从而保证驾驶座椅主动平安性的设计要求。

（2）被动平安性。被动平安性是指事故发生时，爱护乘员的力量。驾驶座椅作为平安部件，是拖拉机被动平安性设计的主要考虑部件之一。考虑提高驾驶员的人身平安性，拖拉机驾驶座椅被动平安性设计目标为：①在事故中要保证驾驶员处在自身的生存空间之内，并防止其他车载体进入到这个空间；②要保持驾驶员在事故发生时，保持肯定的姿势，以使其他的约束系统能充分发挥其爱护效能；③在事故中，使得事故后果对驾驶员的损害降低到最小限度。

（3）平安措施。目前实行的主要平安措施：提高座椅骨架强度，达到拖拉机驾驶座椅强度的要求值；设置座椅平安带，使在紧急制动或正面撞车时不致将驾驶员碰伤；达到肯定的阻燃要求，坐垫和靠背材料应达到拖拉机内饰材料燃烧特性技术要求的规定。

1.3本课题讨论内容

通过对铁牛—55调研，运用人机工程学原理，针对拖拉机驾驶座椅，从人体测量、生物力学、心理学、机械振动、作业空间等角度分析驾驶疲惫的成因，讨论座椅的座高、座宽、座深、座面倾角、靠背高度、靠背倾角等座椅静态参数的选取原则，从坐姿舒适性，振动舒适性，操作舒适性，平安性等方面进行拖拉机驾驶座椅的人机工程设计与创新。

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1.4本章小结

本章主要介绍了本课题讨论的意义，主要内容以及本课题在国内外进展现状和进展趋

势。

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（a）人体在靠背上最相宜的体压分布（b）人体在坐垫上最相宜的体压分布

就座者的骨盆可以比方为倒立的锥体，椅面接触的主要是臀部两块薄肌肉层下的坐骨。人体大约75%的重量需由骨盆下两块面积为25cm2左右的坐骨支点(薄肌肉层支承)承受。由坐骨向外，压力渐渐削减。为了削减臀部下部的压力，座面一般应设计成软垫，其松软程度以使坐骨出支承人体的60%左右的重量为宜，采纳软性坐垫，增大臀部与座面的

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接触面积，就改善了这种压力集中的现象，使整个臀部均担当体重的压力，减缓坐骨下支点处的疲惫，从而可以延长就座时间。

但是，不论什么座面，保持一种固定的坐姿时间过长，臀部细血管内参与循环的血液量就会削减，掌握身体下部生理机能的功能将会下降，这种持续的复合作用在肌肉上会引起挤压疲惫。只有不断地活动身体才能使身体的各个部分延迟疲惫的到来，对于腰肌也是这样，尽管不同的坐姿对腰椎弯曲外形的影响不同，有的小些有的大些，但是不论哪种姿态，长时间实行一种坐姿总会产生静力疲惫。因此，任何一种座椅在设计时都应考虑变换坐姿的可能性。

2.2人体尺寸讨论分析

人机工程学范围内的人体形态测量数据主要有两类，即人体构造尺寸和功能尺寸，也就是人体静态尺寸和人体动态尺寸。而针对于座椅设计的人体尺寸相关的主要有人体立姿尺寸和人体水平尺寸。

2.2.1人体静态尺寸

1人体尺寸百分位数

在工程人体测量中，总是按肯定特征(如人种、民族、性别、年龄、职业、工种、地域等)来划分人群，将该人群中测量的人体尺寸数据作统计处理。表征人体尺寸的、最普遍采纳的统计量是百分位数。GB/T10000—1988《中国成年人人体尺寸》供应的人体尺寸基础数值，就是以百分位数表示的。人体尺寸百分位数以符号Pk表示，叫做第k百分位数。它是一个分界值，把从该人群总体测得的人体尺寸全部测量值分为两部分：k%的人体尺寸测量值≤Pk，(100-k)%的人体尺寸测量值>Pk。例如：中国女子身高尺寸的第5百分位数P5是1510mm，表示全中国女子中有5%的身凹凸于1510mm，而有95%的身高高于1510mm；第95百分位数P95是1700mm，表示全中国女子中有95%的身凹凸于1700mm，而有5%的身高高于1700mm。

人体静态尺寸，比如身高、体重、腿臂长度等人体主要尺寸和立姿人体尺寸、坐姿人体尺寸以及人体水平尺寸。是建立人体尺寸模型的基础。就是人处于静止状态时的尺寸。国家标准GB10000一88《中国成年人人体尺寸》根据人机工程学的要求供应了我国成年人人体尺寸的基础数据。人体的主要尺寸包括身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长等6项。依据有关统计数据，我国人体基本尺寸见下表。

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年龄分组数据百分位数%项目（mm）1.1身高1.2体重/kg1.3上臂长1.4前臂长1.5大腿长1.6小腿长3.1座高3.2坐姿颈椎点高3.3坐姿眼高3.4坐姿肩高3.5坐姿肘高3.6坐姿大腿厚3.7坐姿膝高3.8小腿加足高3.9座深3.10臀膝距3.11坐姿下肢长男（18——60岁）55095女（18——55岁）55095158348167859177575148442157052165966289216428338858615749557228112456383421515921313237465369908657798598263130493413457554992338258505403958701847641298151532448494595106326219340231380957969551821511342434240149585128421343834485561773955625113045838243352991230223447637590165778359428415149340546957097518

4.4.1胸宽4.4.3肩宽4.4.4最大肩宽4.4.5臀宽4.4.6坐姿臀宽4.4.7坐姿两肘间宽253344398282295371280375431306321422315403469334355489233320363290310348260351397317344404299377438346382478

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主要

2.2.2人体动态尺寸

人在各种工作时都需要有足够的活动空间。工作位置上的活动空间设计与人体的功能尺寸亲密相关，人体活动空间尺寸(动态尺寸)是相对于人体静态尺寸而言的。人体静态尺寸不考虑人的姿势与活动。人体活动空间尺寸，指人体肢体末端能够达到的三维空间范围，着眼于人的日常姿势与活动需要。人体静态尺寸参数虽然可以解决不少工业产品造型设计中有关人体尺寸的问题，但是人在操纵设备或从事某种作业时并不是静止不动的。因此，人们更关怀的是以不同姿势工作时人体的手、脚能活动的范围。可及度是指在空间特定位置，通过转变手臂或腿部的方向及伸展长度，手或脚是否能够触及空间内某一物体的评价指标。常用活动尺度表的绘制，是检验可及度的主要手段，是产品设计不行或缺的重要依据之一。

（1）立姿活动空间

立姿时人的活动空间不仅取决于身体的尺寸，而且也取决于保持身体平衡的微小平衡动作和肌肉松弛脚的站立平面不变时，为保持平衡必需限制上身和手臂能达到的活动空间。

2.2.3人体坐姿功能尺寸

所谓产品功能尺寸是指以人体尺寸参量为基础，考虑该产品的某项功能相对人体尺寸

参量做修改的产品尺寸。

国家标准规定了不同身高等级的成年人坐姿功能尺寸设计的基本条件、功能尺寸、关节功能活动角度、设计图和使用要求。主要用人体模版来设计和确定坐姿条件下的座椅、工作面、支撑面、调整配件配置是的功效学要求。下表是人体模版功能尺寸设置。

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2.4本章小结

本章从人体生物学和解剖学，以及人体与座椅的人机关系入手，主要探讨了参加坐姿的各部分的生理特征，其中具体讨论了脊椎的结构形态和功能。同时进行了尺寸讨论，人体静态尺寸，动态尺寸和人体功能尺寸讨论分析。

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3座椅的人机工程分析

3.1座椅的现状讨论

首先国产拖拉机多是国内企业与国外企业合资的产品大部分车型都是借鉴国外的同型拖拉机的技术开发设计而成，不论主要零部件，还是关键技术、工艺，甚至是座椅的形状尺寸都一并借鉴过来。而国外同型拖拉机座椅的形状尺寸都是依据欧美人的体形而设计的，中国人和欧美人在人体结构尺寸上存在着较大的差别，主要反映在拖拉机座椅上，因此，中国用户乘坐国产经济型拖拉机感觉极不舒适，这一缺点反映出国产经济型拖拉机生产厂家对国外拖拉机技术的引进停留在简洁仿制阶段。

其次，国产拖拉机座椅多采纳价格低材料。这主要是拖拉机生产厂家对经济型拖拉机概念的误会，拖拉机不仅仅价格低，更不是低质低价的代名词，经济型拖拉机应当是老百姓的价格、配置上的有用和造型上的新奇这三大特点的集中体现。

再次，国产拖拉机的座椅调整不便利且极易消失故障。可调性好的座椅，可以使乘坐者依据自己的体形特点和就座习惯调整拖拉机座椅，使乘客在拖拉机驾驶过程中获得最满足的乘坐效果，并最大限度地减轻驾驶员在长时间、长距离驾驶中的疲惫。

国外对于座椅的讨论比较多，有从整体讨论的，也有从座椅的各个侧面作单项讨论，各单项包括座高，靠背角，座面倾角，座宽，座深，靠背高度等。有些因家己经制定了相应的标准。虽然如此拖拉机座椅中存在的问题仍旧不少。

3.2现代座椅的设计和使用状况调查分析

3.2.1座椅的设计现状

有一些拖拉机生产厂本身有自己的座椅研发机构，他们的座椅在自己的试验室中应用自己研发的软件进行设计:应用工程软件确定坐姿的主要压力集中部分，在电脑中形成座椅的压力条，用压力条构造拖拉机的大体框架，然后送入造型部门，进行外观造型设计。而国内的座椅设计一般没有自主开发的力量，而且拖拉机生产厂不允许对于座椅做改动，因此只能对于原有的座椅做尺寸上的调整，调整后的座椅经过整车的“路试”来测试座椅的性能。是一个反复的大量的工作。这样带来的缺点主要有两个:一、对