火车座椅问题的人机学评析与改进设计方案

火车座椅问题的人机学评析与改进设计

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，如何对座位进行设计以满足基本乘坐要求的基础上向舒适化、人性化发展，从而达到尽可能减少旅客出行的疲劳是本次课程设计的目的。

本次课程设计的要求是单个座椅的总体结构。具体流程为设计单个座椅的基本，对座椅舒适

性做出优化。

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。

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2

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.

根据座椅类家具设计所需人体尺

寸作为测点和测量项目. 身高是最基本的人体尺寸数据，选取这一基本尺寸作为基准，用H 表示，建立H与人体坐姿各尺寸之间的比例关系. 其中，人体坐姿尺寸包括:1.坐高;2.坐姿颈椎点高;3.坐姿眼高;4.坐姿肩高;5.坐姿肘高;6.坐姿大腿厚;7.坐姿膝高;8.小腿加足高;9.坐深;10.坐姿下肢长，座椅的部件主要包括：支架、椅面、腰靠、扶手、头靠。主要参数包括：座高X1、座宽X2、座深X3、腰靠长X4、腰靠宽X5、头靠长X6、头靠宽X7、扶手高X8、坐面倾角α、腰靠倾角β。根据座椅设计的主要参数，需要参考的主要人体尺寸包括：膝盖高度H1、肘部高度H2、大腿厚度H3、臀部宽度W1、臀部至膝盖长度L1、上身长L2、坐姿的肩中部宽度W2、头到椅面的高度H4、头长L3、头宽W3。

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

座高的设计:A适当的座高应使大腿保持水平，小腿垂直，双脚平放于地面。B 座面不能过高，否则小腿悬空时，大腿受椅面前缘压迫，使坐者感到不适，长时间这样坐着血液循环受阻，小腿麻木肿胀。因此，座高一般按低身材人群设计，建议座面前缘应

比人体膝窝高度低3—5cm，且有半径为2.5—5cm的弧度。C 座面亦不能太低，否则腿长的人骨盆后倾，正常的腰椎曲线被拉直，致使腰酸不适。应使腿能向前方伸展，以放松肌肉，也有助于身体的稳定。

根据以上原则，参考表3公式及表4修正量，取座高为430mm。座宽的设计: 列车座椅为多人座椅，设计采用两人椅，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的心理修正量即854mm+100mm=964mm。

座深:为适应绝大多数使用者，座深应按较小百分位的群体设计，这样身材矮小者坐着舒适，身体高大的人只要小腿能得到稳定的支持，也不会在大腿部位引起压力疲劳，故取453mm。

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°。

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）635mm+3mm=638mm，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）290mm+3mm=293mm。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）810mm+3mm=813mm。靠背整体高度为头枕高度加头枕修正厚度即813mm+40mm=853mm。

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。