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1、1火火车车硬座座椅硬座座椅创创新新设计设计安全人机工程学产品设计院（系） 华北科技学院 安全工程学院专业班级 安全 B091 班 指导老师 姚建 设计学生 葛明江（组长） 庞岩 万成 张扬 设计时间 2012.3.9-2012.3.19 2目录1.设计背景.32.市场应用价值.43.座椅设计原理.43.1 座椅设计的基本原则.43.2 座椅基本尺寸的设计.53.2.1 人体坐姿相关分析.53.2.2 人体尺寸数据的获取.73.2.3 座椅各部分尺寸数据的设计.94.座椅创新性设计.134.1 舒适性设计134.2 安全性设计144.3 经济性设计.144.4 可扩展性设计.145.设计总结.1
2、56.参考文献.1531 座椅设计的背景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，而且，中国是世界上人流量最大的国家，每天都有数以百 万的人群通过火车进行流通。但是，每一个坐过长途火车的人，尤其是需要在 火车上过夜的人，难道不是每次都像遭罪？当你昏昏欲睡之时，想尽办法变换 着各种姿势，最后却发现毫无办法，是否发现任何一种姿势都极其别扭？当你 在午夜十二点扫视车厢里的情景：有的人斜在车窗边，有的趴在座位中间的茶 几上，有的人则只能笔直的靠在那里因为座位是垂直的，实际上是坐在那 里，他们
3、每隔几十分钟就醒一下，充其量是打个盹。一会直着坐，一会侧身， 一会抱腿，一会把腿伸到对面座位上去，就这么折腾来折腾去。那种样子，活 像受刑。因此，本次设计就是运用人机工程学原理使座椅座位的设计不仅满足 人们基本乘坐要求而且还要向舒适化、人性化发展，从而最大限度尽可能减少 旅客出行的疲劳。使旅客的旅行更加舒适，愉快。图1-1现有火车硬座座椅图42市场应用价值由于目前火车的硬座座椅大多是直角型，长途旅行的人十分容易感到疲劳。 而本设计恰好利用人机工程学原理，能最大限度的使人不感到疲惫，具有安全， 舒适的优点。能够满足人们出行舒适的需要，增加客流量。并且，对现有椅子 改造的成本也比较小。由于铁路国有
4、，国家加大些投入进行改造也是一项利国 利民的措施。3.座椅设计的原理3.1 座椅设计的基本原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
5、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 7。5图3-1火车硬座座椅设计原理图3.2座椅基本尺寸的设计3.2.1 人体坐姿相关分析 （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。 6图 3-2 人
6、体脊柱状态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见图3-2。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45腰椎位置高度处设置形状合理的座椅腰靠弧面，在第56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
7、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 510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。7图3-3坐垫体压分布 3.2.2人体尺寸数据获取 （1） 人体测量标识 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
8、，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.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。坐姿人体尺寸包括坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高等具体测量方法见图4，根据我国国标得到表1坐姿人体尺寸具体数据。图3-4 人体坐姿尺寸示意图8表3-1坐姿人体尺寸表3-2 正常人着装身材尺寸修正值项目尺寸修正量修正原因坐姿眼高/mm3裤厚坐姿臀宽/mm13衣厚坐姿两肘间宽/mm20衣厚小腿加足高/mm36裤厚鞋厚坐姿肩高/mm10裤厚坐深/mm3
9、裤厚坐姿肘高/mm3裤厚足长/mm30鞋长男（1660）女（1855）年龄分组与百分位数 测量项目151050909515105090953.1坐高/mm8368588709089479587898098198558919013.2坐姿颈椎点高/mm5996156246576917015635795876176486573.3坐姿眼高/mm7297497617988368476786957047397737833.4坐姿肩高/mm5395575665986316595045185265565855943.5坐姿肘高/mm2142282352632912982012152232512772843
10、.6坐姿大腿厚/mm1031121161301461511071131171301461513.7坐姿膝高/mm4414564614935235324104244314584854933.8小腿加足高/mm3723833894134394483313423503823994053.9坐深/mm4074214294574864943884014084334614693.10臀膝距/mm4995155245545855954814955025295615703.11坐姿下肢长/mm8929219379921046106382685186591296097593.2.3 座椅各部分尺寸数据的设计正常
11、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 （1）座高的设计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400mm460mm左右，略低于腿
12、部漆关节，有利于小腿着力于整个脚掌支撑起身体负荷。座椅为型产品选择第50百分位作为产品尺寸设计依据，而列车座椅为通用产品选用男性尺寸较为合理。人体尺寸数据均是在裸体或穿单薄内衣条件下测量的,在设计时应考虑功能修正量，具体修正量数据见表2正常人着装身材尺寸修正值。所以根据表1坐姿人体尺寸数据，取男性小腿加足高第50百分位+功能修正量（小腿加足高）413mm+36mm=449mm。（2）座宽的设计座宽即单人座面的左右距离，必须满足坐姿两肘间宽所需要的尺度，一般座宽500mm左右即可符合要求。列车座椅为多人座椅主要是两人椅和三人椅，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
13、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）422mm2+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的心理修正量及扶手宽度460mm即864mm+100mm+240mm=1204mm。三人椅，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）422mm3+20mm2=1306mm。同样考虑到心理修正量100mm2及扶手宽度660mm所以最终尺寸为1286mm+200mm+360mm=1866mm。（3）座深的设计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
14、的3/4，根据表1坐姿人体尺寸数据取坐深第50百分位数+功能修正量（坐深）457mm+3mm=460mm。10（4）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。（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）598mm+10mm=608mm，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） 263mm
15、+3mm=266mm。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）798mm+3mm=801mm。靠背整体高度为头枕高度加头枕修正 厚度6 即 801mm+50mm=851mm。（6）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105135。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。 图 3-5 坐姿角度11（7） 椅垫厚度人体在坐
