我国硬座车厢座椅设计人机工程学应用的探讨与展望摘要：本文从人机工程学角度探讨了我国硬座车厢桌椅设计现状, 结合法国 TGV 列车 座椅实例对比分析, 提出改进方法及设计参数。 关键词：硬座车厢; 座椅设计; 人机工程 座椅作为硬座车厢最基础也是最重要的设施部件, 直接支撑起人体乘坐, 同时还起到缓 和人与车厢之间的振动, 其设计的优良直接影响到乘客出行感受。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。 一. 座椅功能与座椅功能与结结构分析构分析 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, 更重要的是使乘客 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。综述起来, 现代客 车座椅设计有其先进的结构特点: ( 1)曲线合理, 充分考虑了 头枕、肩靠与腰靠的定位及性能。 ( 2)采用座垫前移式, 旅客 后躺时, 座垫与靠背一起移动, 自然方便。 ( 3)茶桌板保持独立定位避免前排躺下时受干扰, 提拉式设计支撑稳定、收起方便。 ( 4)扶手造型符合人机要求, 向上翻起时占用空间小。 ( 5)脚踏装置位置合理, 占用空间小, 方便实用。 ( 6)骨架采用铝合金铸造焊接而成, 重量轻、外观处理适当。 ( 7)采用机械管簧, 实现座椅在倾角范围内任意定位。 ( 8)独特的单腿安装方式, 节省椅下空间, 减轻自重。 二二.座椅座椅设计设计的人机因素的人机因素 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。 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动作负荷。从图 2- 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。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(图 2- 1)。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 人体脊椎骨是依靠其附近的肌肉和腱连接的, 一旦脊椎偏离自然状态, 肌腱组织就会受 到相互压力(拉或压)的作用, 使肌肉活动度增加导致疲劳酸痛。当乘客处于挺直坐姿时, 腰 椎前向拉直而使肌肉组织紧张受力; 当躯干前倾时, 相邻两椎骨的间距发生改变, 前端间隙 缩小, 后端间隙增大, 椎骨前端间隙受推挤和摩擦迫使它像韧带作用推力从而引起引起腰酸, 即使乘客以桌面作为前倾时手臂的支撑, 也不能降低背上方和肩部肌肉活动度, 长时间依靠 手臂辅助支撑上身会引起背肩部肌肉酸胀, 这就是为什么人在坐姿状态下趴在桌面睡觉醒 来时手臂与上身发麻的原因。此时只有提供合理曲度的靠背支撑腰椎的压力, 才能缓解韧带 拉伸和肌肉组织受力, 使腰部舒适。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。这也是为什么座椅不能一昧 求软造成座面凹陷的原因。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- 2 是较为理想的座垫 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。 列车行驶中, 坐姿乘客除了受自身 重力影响外还受到椅面水平纵向与水平 横向的摩擦力作用, 这是由于列车运行 与振动产生的。人体因腰间盘良好的压 缩潜力和弹性使脊柱具备了忍受较强的 纵向振动能力, 配合座椅靠背能很好的 约束人体前后晃动从而减少了纵向做功 的消耗, 但在横向上脊柱只有前纵韧带 和后纵韧带分别附在椎体和椎间盘的前 缘和后缘起到一定的保护作用, 因此人 的脊柱忍受横向力的能力很低, 我国列车座椅设计没有很好的缓解人体对于车厢的水平振动的横向力, 乘客需要由中枢神经系统指挥人体相关部位作功以维持坐姿平衡。国外列车座 椅则增强了抵抗横向振动的能力, 座椅靠背不仅能后倾使腰部背部得到依靠, 还将靠背两侧 稍隆起减轻人体的横向移动, 同时借助靠背衬垫的舒适柔软性增大横向摩擦, 缓冲横向振动 对人体的冲击使乘坐更为舒适。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。与座椅设计相关 的人体测量主要尺寸: (1).座面(高、宽、深、倾角) 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 400 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 宽即单人座面的左右距离, 必须满足臀部横宽所需要的尺度, 一般座宽 500mm 左右即可符 合要求。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, 约为 400 450mm。座面后端可略向下倾斜 7.左右。 (2).靠背(高、宽、深、倾角) 靠背一般由肩靠、腰靠及头枕三部分组成, 肩靠高度应达到肩胛下角位置, 离座面高度 为 500 650 之间, 腰靠离座面高度为 200 260mm 之间。头枕支撑头部向后仰以减轻颈部 肌肉受力, 其离座面高度约在 700mm 左右。靠背整体高度为 850 950mm 之间。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, 可调节范围是 105. 135., (如图 2- 3- 2 所示)以满足坐姿 时人体躯干与大腿舒适。 (3).扶手、座垫与靠垫 座椅扶手能起到促进上肢静脉血回流的作用, 但高度要配合适当, 一般以离座面 150mm 高度为宜, 扶 手长度最大不超过座面深度的 2 /3, 以 300 400mm 为宜, 避免人体肌 肉为扶手高低失当而产生屈曲或伸 张的感觉。短而低的扶手同时提供了 可靠的侧向支撑, 能阻止乘客臀部侧 滑。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, 应略 提高坐垫前缘, 使座垫与水平面形成 5. 10.的夹角, 但夹角不宜过大否则增加大腿前缘的 压力同时减少双腿支撑力, 从而阻碍血液循环引起腿部发麻和肿胀。 (4)桌板、脚踏等辅助器材 现代客车将桌板设置在座椅背后并保持独立位置固定, 有利于节省车厢空间和不受椅 背角度调整的影响。桌板面积一般为 400mm . 300mm 左右, 当桌板支起后下方仍有足够空 间可供小腿与大腿成 85. 115.之间自由挪动, 乘客可选择双脚立地或选择放置脚踏上来缓 解腿部肌肉紧张。脚踏位置不宜过高, 以离地 50 100mm 为宜, 太高会使小腿压力增大, 长 时间将脚放置于高处脚趾温度会下降, 小腿围会以每 5 分钟增粗 0. 02cm 开始浮肿。如果将 脚踏上升, 使乘客在坐姿状态下能将大腿略向下倾斜并将小腿前伸至前排座椅下部空闲空 间, 可帮助静脉血液回流, 减少下肢疲劳产生。三三.座椅座椅设计设计的基本原的基本原则则 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、扶手和脚踏等。 ( 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, 如为了减轻振动作用, 座垫应能有效的衰减 20H z 以上的振动, 座垫、靠垫应填充柔软适度的材料, 太硬易造成人体接触部分的压力集中, 太软会使乘客股骨受压和起身不便。 四四.结语结语 座椅这一看似普通的部件与乘客出行感受为最直接相关, 我国现行列车硬座车厢大多 数没有实现桌椅等额配备, 这种状况也在一定程度上限制了座椅舒适性。随着我国铁路列车 行业快速发展, 人机工程学研究和应用将成为座椅设计的重要环节。座椅人机工程设计将改 变过去我国乘客在结束长途车旅行之后的腰酸背痛状况, 提高乘客整个乘车过程中的舒适 度, 这也是衡量座椅设计是否出色的标准。 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. 1 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刘春荣. 人机工程学应用M . 上海: 上海人民美术出版社, 2004 5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 6浅居喜代(日). 刘高送译. 现代人机工程学概论M . 北京: 科学出版社, 1992. 3 7 中国医科大学. 人体解剖学M . 北京: 人民卫生出版社, 1979.