基于人机工程学的汽车工作座椅设计
作者：王天波 班级： 车辆工程084 学号：1608080422
摘要：运用人机工程学原理，针对汽车工作座椅，从工作人员生理特征与工作座椅的设计原则、基本要求这三个方面，分析了工作座椅的主要结构设计要点，并从安全性角度出发提出了工作座椅安全性设计原则。
关键词: 人机工程学、设计、汽车工作座椅
Based on ergonomics car seat design work
Author: Wangtianbo Class: Vehicle engineering 084 Number:1608080422
【Summary】 Apply ergonomic principles, 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.
【 Keywords 】 Ergonomics, design, automobile work seats.
0 引言
随着自动化程度的提高，越来越多的作业需要工作人员采用坐姿完成。可以预计，坐姿将是操作人员未来作业的主要工作状态。
坐姿是人体较自然的姿势，它较其他姿势相比，具有很多优点，首先，坐姿比站姿更有利于血液循环。人站立时，血液和体液在地心引力作用下向腿部集中，而坐姿时的肌肉松弛，腿部血管内血流静压稳定，有利于减轻疲劳；其次，坐姿还有利于保持身体的稳定，这对于精细作业更为合适。
与此同时，坐姿也存在一定局限性，主要是限制人体的活动范围，尤其是需要上肢出力的场合，往往需要站立作业，而频繁的起坐交替也会导致疲劳。因此，坐姿不正确，座椅的设计不合理，会对身体产生严重的损害。汽车工作座椅人机工程学设计目的，就是使设计出来的座椅能够满足人机工程学标准。这样一来，所谓汽车工作座椅人机工程学设计也就转化为针对工作人员舒适性的设计。
从人机工程学原理出发考虑，一个性能优良的工作座椅应当符合的基本要求如下：为工作人员提供一个舒适而稳定的坐姿，符合人体舒适坐姿的生理特性；减轻传给工作人员
身体的机械振动和冲击负荷，满足振动舒适性评价标准的要求；保证工作人员能安全而有效地完成各项操纵作业；为工作人员提供一个相对于各种操纵机构的合适位置，使其能方便地进行操作；此外，工作人员的作业安全性的保证也是尤其重要的。
1 舒适座椅的生理特征
坐姿状态下，支撑身体的是脊柱、骨盆、腿和脚。脊柱是人体的主要支柱，由24节
椎骨以及5块骶骨和4块尾骨连结组成，其中椎骨自
上而下又分为颈椎、胸椎、腰椎三部分。各节椎骨所
承受的重量自上而下逐节增加，因而椎骨由上往下逐
渐变粗变大。腰椎部分承担体重最大，所以腰椎也最
粗大。这就是脊柱的基本生理形态。由于腰椎几乎承
受着人的上体的全部重量，并且要实现弯腰、侧曲、
扭转等人体运动。所以最容易损伤或腰曲变形。
图1 工作人员生理特性图
人体在各种情况下的腰椎弯曲的情况是不同的。人体松弛侧卧时，脊柱呈自然弯曲状态；当人体的躯干与大腿呈90°时的情形，此时脊柱严重变形，椎间盘上的压力不能正常分布。因此，欲使坐姿能形成接近正常的脊柱自然弯曲，躯干和大腿之间必须有大于135°的夹角，并且座椅的设计应使坐者的腰部有适当的支撑，以使腰曲弧形自然弯曲，腰背肌肉处于放松状态。
可见，理想的座椅的设计应当是使人坐着时，体重合理分布，大腿平放，双足着地，上臂不负担身体的重量，肌肉放松，血液循环通畅，姿态舒适。
此外，在座椅设计中安全性是必要的考虑因素，发生事故时，保证乘员处在自身的生存空间之内并防止其它车载体进入这个空间是十分重要的。乘员在事故发生过程中保持一定的姿态，便于其它的约束系统充分发挥其保护作用。
2 工作座椅的设计
工作座椅是供坐姿工作人员使用的一种由支架、腰靠、坐面等构件组成的坐具。操作
者以坐姿或坐――立姿操作时，座位空间尺寸直接影响其舒适性，进而影响操作者的工作效率。座位空间及座椅的尺寸设计应保证适合人体舒适坐姿的生理特征，提供实现舒适坐态的支撑条件。
2.1 工作座椅的设计原则
（1）人体驱干的重量应由中坐骨、臀部及脊椎按适
当比例分别支撑，其主要部分应由坐骨结节承担。
（2）人体上身应保持稳定。
（3）人体腰椎下部（第4-5节腰椎之间）应有适当
的腰靠支撑。
（4）座面的高度应确保大腿的肌肉和血管不受压
迫。
（5）坐者应能方便、自如地变换姿势而不致滑脱。
（6）座椅的位置和尺寸应与工作台、显示装置、操纵装置相配合，以提高操作者的操作舒适性和方便性。
2.2 工作座椅的设计要求
（1）工作座椅的结构型式应尽可能与坐
姿工作的各种的操作活动要求相适应，应能使
操作者在工作过程中保持身体舒适、稳定并能
进行准确的控制和操作。
（2）工作座椅的座高和腰靠必须是可调
节的。座高调节范围在GB10000—88中“小
腿加足高”，女性（18—55岁）第5百分位到
男性（18—60岁）第95百分位数，即360—
480mm之间。工作座椅座面高度调节方式可以
图3 工作座椅的基本结构 图2 坐姿时坐垫上的压力
是无级的或间隔20mm为一档的有级调节。工作座椅腰靠高度的调节方式为165—210mm间的无级调节。
（3）工作座椅可调节部分的结构必须易于调节，并保证已调节好的位置在座椅使用过程中不会改变或松动。
（4）工作座椅各零部件的外露部分不得有易伤人的尖角锐边，各部结构不得存在可能造成的挤压、剪钳伤人的部分。
（5）操作者无论坐在座椅前部、中部还是向后靠，工作座椅座面和腰靠结构均应使坐者感到安全、舒适。
（6）工作座椅腰靠结构应具有一定的弹性和足够的刚性。在座椅固定不动的情况下，腰靠承受250N的水平方向作用力时，腰靠倾角b不得超过115°。
（7）工作座椅一般不设扶手，需设扶手的座椅必须保证操作人员作业活动的安全性。
（8）工作座椅的结构材料和装饰材料应耐用、阻燃、无毒。座垫、腰靠、扶手的覆盖层应使用柔软、防滑、吸汗的不导电材料制造。
（9）工作座椅座面，在水平面内可以是能够绕座椅转动轴回转的，也可以是不能回转的。
（10）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，必须采用合适的坐垫和靠背减振材料。根据驾驶室的微气候环境，调整座椅表面的温湿度特性，可以适当调节人体代谢，从而达到减轻疲劳的目的。
2.3 工作座椅的结构和主要参数
工作座椅的基本结构如图4所示，其主要参数
的取值范围列表见表1，列表中参数的符号含义见图
4中的标注。表中所列参数a、f、g、a、b为操作者
坐在座椅上之后形成的尺寸、角度，测量时应使用
规定参数的重物代替坐姿状态的人。表中所列参数，
已考虑了操作者穿鞋（女性鞋跟高20mm，男性鞋跟
高25-30mm）和着冬装的因素。
在进行工作座椅主要构件的设计时，应该注意
以下方面：
（1）座面
座面表面有两种基本型式，一种是纵向（坐深方向）平展的，其倾角为0°—5°；另一种是纵向前缘起拱的。任意一种型式的座面，其横向高度差都不得大于25mm；座面前缘起拱的高度h2最小应为40mm，起拱半径R1最小为40mm，最大为120mm。座面前缘纵向起拱时，前部倾角a1=4－5°，后部倾角a2=10°－15°，两角顶交点位于距座面前缘座深
2/3处；纵向高度差h3不得大于40mm近（见图4）。
当座垫为弹性结构时，最下层支撑部分应有一定的刚性，中间弹性层变形量不宜过大（座垫厚度不宜大于30mm），当按表1规定的测量时，座垫变形后形成的各尺寸参数应符合表1的规定。
座面留有通气孔或带排气沟槽时，孔和沟槽的存在不应影响座面的其它参数。
（2）腰靠
腰靠的形状应保证使人体压力尽量分布均匀。腰靠若装有软垫，则其沿座深方向垂直剖面内的曲率半径必须大于1400mm。
（3）支架
工作座椅支架至少必须有5个支点。支点可以使用球形或鼓形小轮，也可以在某一个或某几个支点使用滑块。空椅的滑块阻力应不小于15—20N。
（4）扶手
工作座椅若设扶手，则扶手的有关尺寸应满足以下条件：扶手上缘与座面间的垂直距离为230+-20mm；两扶手内缘间的水平距离最大不超过500mm；扶手长度为200－280mm；扶手前缘与座面前缘的水平距离为90－170mm；扶手倾角，固定式为0－5°，可调式为0—20°。
表1 工作座椅的主要参数
3 座椅安全性设计
汽车工作座椅从人机工程学的角度，不仅要满足人机工程学的设计要求，提供驾驶员舒适的工作环境，以减轻驾驶员的疲劳，而且当发生意外交通事故时对于驾驶员也要提供一定的保护措施，最大限度地减轻对驾驶员的伤害，起到很好的保护作用。
基于人机工程学的工作座椅安全性设计应注意以下方面：
(1)主动安全性设计原则
主动安全性是指汽车驾驶座椅防止事故的能力。汽车驾驶座椅的主动安全性设计主要
从减轻驾驶员的疲劳入手进行分析设计，以满足主动安全性要求。主动安全性主要考虑合理的座椅尺寸设计、坐垫上合理的体压分布、靠背上合理的体压分布等。可以为驾驶员提供一个舒适的作业环境，减轻驾驶员的疲劳，从而保证驾驶座椅主动安全性的设计要求。
(2)被动安全性设计原则
被动安全性是指事故发生时,保护乘员的能力。驾驶座椅作为安全部件,是汽车被动安全性设计的主要考虑部件之一。考虑提高驾驶员的人身安全性，汽车驾驶座椅被动安全性设计目标为：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一定的姿态，以使其他的约束系统能充分发挥其保护效能；③在事故中,使得事故后果对驾驶员的伤害降低到最小限度。
(3)安全措施
目前采取的安全措施主要有：提高座椅骨架强度，达到汽车驾驶座椅强度的要求值；设置座椅安全带，使在紧急制动或正面撞车时不致将驾驶员碰伤；达到一定的阻燃要求，坐垫和靠背材料应达到汽车内饰材料燃烧特性技术要求的规定。
4 结束语
本文从人机工程学的角度，阐述了工作座椅应满足的要求，及在设计中应考虑的设计参数，也从安全性的角度考虑了工作座椅的设计原则。事实上，驾驶室工作座椅的设计越来越复杂，它需要综合考虑其它各个方面，除了本文提到的坐姿舒适性、安全性外，还要考虑振动性、操作舒适性等其他因素。
目前，虽然已有企业在利用人机工程学的研究成果来设计驾驶员座椅，但设计出来的驾驶座椅还不够完善，因此建立一个“分析――设计――分析”的系列开发过程有着非常重要的现实意义。
参考文献
[1]谢庆森,王秉权.安全人机工程学[M].天津:天津大学出版社,1999.
[2]丁玉兰.人机工程学[M].北京:北京理工大学出版社,2000.
[3]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.
[4]朱序璋.人机工程学[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999.
[5]袁修干,等.人机工程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002