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11绪论1.1课题研究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。舒适而操作方便的驾驶座椅,可以减少驾驶员疲劳程度,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足人机工程学标准,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,对其安全性的设计也是不容忽视的。从人机工程学原理出发考虑,一个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;减轻传给驾驶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;（2）将驾驶员置于良好视野的位置,保证他能安全而有效地完成各项操纵作业;为驾驶员提供一个相对于各种操纵机构的合适位置,使他能方便地进行操作;（3）考虑提高驾驶员的人身安全性,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一定的容身空间以内。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劳并产生酸痛;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，容易发生麻痹的想象。然而，在驾乘拖拉机的过程中，脊椎除了不一定保持停滞状态为，也会跟着路况的变化而改变，这些情况下，脊椎的变化也就更加复杂，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,其宜人性一直不为人们所关注,以人为本的设计理念没有很好的体现。随着科技的进步、社会的发展及对劳动者健康、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)研究现状国外对于座椅的研究比较多，有从整体研究的，也有从座椅的各个侧面作单项研究，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。国内在标准化研究方面虽然比较晚，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2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实验得出的，具有很高的实用性和权威性，它的制定为设计人机系统提供了依据，是设计人机界面不可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央，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，才会减少腰椎的负荷以及腰背部肌肉的负荷，防止驾驶疲劳发生。（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。根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按照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，向四周逐渐减少，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均匀原则。（3）靠背上的体压分布。靠背上的体压分布也以不均匀分布，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，具体分析如下：（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。有关研究表明，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，振幅迅速增大，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准确性变差。当达到一定限度时，皮质细胞的工作强度将减弱，人就会感到疲劳，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3作不能持久。研究表明，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劳程度。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，从而加速人体疲劳的形成。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，不涉及变换姿势，通常设计应以满足最宽人体需要为准。椅面深度Ｃ：指椅面前缘至靠背前面水平距离。其尺寸应满足：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采取低靠背，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，从而减少双脚着地的负荷，阻碍血液循环，引起身心疲劳。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。太软的椅子容易令使用者曲起身子，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。研究表明：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，而且不易改变坐姿，容易产生疲劳。依据靠背上体压分布不均匀原则，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提供形状和位置适宜的两点支承，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；第二支承设置在腰曲部位，作为腰靠。肩靠能减轻颈曲变形，腰靠能保证乘坐姿势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，必须采用合适的座垫和靠背减振材料。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，达到减轻疲劳的目的。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4座椅材料的选择上下功夫来保证座椅振动舒适性。座椅的结构形状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能力。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一定的作用。因此，人体脊柱忍受横向力的能力很低。在设计座椅时必须使其具有抵抗横向振动的能力。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柔软性，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、椅面的形状两边向上隆起，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座椅安全性设计（1）主动安全性。主动安全性是指拖拉机驾驶座椅防止事故的能力。拖拉机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、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。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，是拖拉机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，拖拉机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。目前采取的主要安全措施：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拖拉机内饰材料燃烧特性技术要求的规定。1.3本课题研究内容通过对铁牛—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劳的成因，研究座椅的座高、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，安全性等方面进行拖拉机驾驶座椅的人机工程设计与创新。51.4本章小结本章主要介绍了本课题研究的意义，主要内容以及本课题在国内外发展现状和发展趋势。62拖拉机座椅设计在人机工程学上的基础知识2.1人体生理学和解刨学相关研究2.1.1坐姿与座椅坐姿是人体较自然的姿势，也是进行各种操作经常采用的姿势。座椅与人们的生活息息相关，无论是工作、学习、出门旅行、在家休息都离不开座椅。人的坐姿是个相当复杂的问题，虽然座椅伴随人类的生活己经有几千年的历史了，但是关于座椅的设计问题至今仍然是值得研究的课题。在生物学中，当我们坐着时，人的身体由脊椎、胯骨、腿和脚支撑。主要用来支撑人体重量的关节为胯骨和腰椎，腰椎的第三、第四腰椎为整个脊椎骨中受力最大的部位。所以腰椎也就比上方的椎骨大而且硬得多。坐姿时，尾椎将受到压力而往前弯，有缓冲震荡的作用。坐骨构成了胯骨最下方的部位，其后下方的坐骨结节为L字母形状，当我们坐着的时候，此处往下顶住来支撑身体的重量。长期的姿势不良、受伤或者疾病，伤害就会发生在脊椎弯曲的地方，如胸弯过分弯曲就会造成圆肩或驼背;腰部脊椎过分弯曲，会造成脊椎的侧弯或是脊椎的前凸症、后凸症。当我们坐在椅子上时，若坐姿不良，骨盆很容易下陷，仔细摸骨盆两侧，发现整个骨盆往后倾，整个人会感到胸廓与腰杆交界处造成腰酸背疼、驼背。长期使用电脑的上班族而言，坐姿不良通常是造成腰酸背疼得最主要的凶手。我们的脊椎在坐姿情况下就像是一根杠杆，如果头部