基于人体工程学的叉车座椅设计

发布时间:2020-08-27 18:29:06

人体工程学研究与测试实验室

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前言

近年来叉车在我国工厂、港口码头、铁路车站和仓库货场等场所已得到广泛的应用。叉车的工作形式多是反复循环作业,工作时,驾驶员要频繁使用液压阀操纵手柄来控制门架货叉的升降和摆动,频繁使用加速踏板、变速手柄、方向盘以及制动器等来控制叉车的行驶速度和停车,同时还要避让路上的障碍物,驾驶员极易产生疲劳。座椅对驾驶舒适程度有很大的影响,因此座椅设计越来越受到人们的重视。


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座椅的人体工程学要求

人体工程学是一门多学科的交叉学科,研究的核心问题是不同的作业中人、机器及环境三者间的协调。研究方法和评价手段涉及心理学、生理学、医学、人体测量学、美学和工程技术的多个领域,研究的目的则是通过各学科知识的应用,来指导工作器具、工作方式和工作环境的设计和改造,使得作业在效率、安全、健康、舒适等几个方面的特性得以提高。

从人体工程学理论出发,一个性能优良的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;

(2)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;

(3)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;

(4)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。 


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叉车座椅的人体工程学分析

一、人体坐姿生理特性分析


 (1)坐姿时脊柱的形态。在坐姿状态下,支持人体主要结构是脊柱、骨盆、腿和脚等。脊柱位于人体背部中线处,是构成人体的中轴。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。


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 (2)坐姿体压分布。人体与座椅之间的压力分布称为坐姿的体压分布。它是影响坐姿舒适性的重要因素。人处于坐姿时,身体重量的大部分(约75%)经过臀部、背部隆起部分及其附着的肌肉压于座椅上,而臀部其他部分受到体重压力不大。 座椅各部分的受力分布如图1。 


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二、振动

振动是车辆行驶中因道路的凹凸不平而引起的随机振动和车辆本身的机械振动。人体是一个复杂的弹性系统,有它自己的同有频率。有关研究表明,人体最敏感的频率范围为4~ 8Hz。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,皮质细胞的下作强度将减弱,人就会感到疲劳,工作效率明显下降。座椅传递的振动对舒适性的影响度为80%,由此可见对舒适性的影响是很大的。


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三、温湿度

研究表明,驾驶员在驾驶状态下的舒适温度为18- 23摄氏度,舒适湿度为40%~60%,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。座椅表而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适感,从而加速人体疲劳的形成。


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叉车座椅的人体工程学设计

一、座椅静态舒适性设计

(1)座椅设计的一般原则

座椅的设计须考虑的因素很多,可以概括为以下一些基本原则: ①座椅的尺寸应与使用者的人体尺寸相适应,把人体尺寸测量数据作为确定座椅设计参数的重要依据;②座椅设计 应符合人体生物力学原理;③座椅的位置要与其作业空间相协调,便于人员作业。


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(2)座椅尺寸设计

座椅尺寸设计主要参数包括:座高、座宽、座深、椅面倾角; 靠背的高度、宽度和倾角。 座高:指地面至座面上坐骨支撑处的高度。在设计时应该注意到: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。驾驶座椅的座高常以下面的计算式为基础进行设 水:

椅面高度=(人体尺寸“小腿加足高”+穿鞋修正量)*siny 

式中通常以男性小腿加足高尺寸的第95百分位数值进行设计;

 y一驾驶员踩踏油门、刹车板时小腿与地平线间的夹角。按我国人体尺寸,椅面高度可取为380mm一450mm,座椅设计成可调结构,以适应不同身材的驾驶员的需要,椅面高度 的调节范围为240mm一300mm。


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二、座宽

座宽:参考尺寸是臀宽。以女性群体尺寸上限为设计依据,为使驾驶员能调整坐姿,座宽取适当大于臀宽。座宽也不能太大,否则肘部必须向两侧伸展以寻取支承,这样会引起肩部疲劳。通常以臀宽尺寸的第95百分位数值进行设计。以满足最宽人体的需要。一般可取360mm一500mm之间。 

三、座深

指椅面前后的水平距离。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。通常以男性座深的第90百分位数值作为参考进行设计。座深通常可取350mm~400mm。 座面要平滑平整,前缘不应有棱角,最好有与臀部形态相适应 的凹槽,而且一般都要加弹性垫座。

四、靠背高度及宽度

靠背的作用是保持脊柱处于自然形态的轻松姿势。设计靠背重点在腰部,即距座面230mm~ 260mm。这样既能适当的支持腰部,又能使腰部自由转动。腰靠宽度一般取值300—400mm。 

五、座深

指椅面前后的水平距离。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。通常以男性座深的第90百分位数值作为参考进行设计。座深通常可取350mm~400mm。 座面要平滑平整,前缘不应有棱角,最好有与臀部形态相适应 的凹槽,而且一般都要加弹性垫座。

六、靠背高度及宽度

靠背的作用是保持脊柱处于自然形态的轻松姿势。设计靠背重点在腰部,即距座面230mm~ 260mm。这样既能适当的支持腰部,又能使腰部自由转动。腰靠宽度一般取值300—400mm。 

七、椅面倾角

指椅面与水平间的夹角。主要考虑到为了防止人体臀部向前滑动而使椅面前缘向后倾。此角不易过大,否则会增加大腿下平面与座挚前缘的压力,从而减少双脚着地的负荷,阻碍血液循环。引起身心疲劳。一般设计成3一4度。

八、靠背倾角

是指靠背与椅面水平方向的夹角。从保持脊柱的正常自然形态和增加舒适感考虑,该角为110度较为合适。

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。图2为驾驶员最舒适的驾驶姿势。


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座椅结构设计


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也就是人体背部和腰部的合理支承。叉车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,以保持正常的腰曲弧形和保护腰椎不受损伤。

 

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 座椅空间位置设计


座椅空间位置设计是为了达到操作舒适性的目的,通过对座椅空间位置的设计以确保驾驶员有良好的视野,同时对叉车转向盘、脚踏板、操作杆、指示仪表等部件做适当的距离 要求,以便更好地达到操作舒适性。

座椅振动舒适性设计


振动主要是通过座椅传递到人体的臀部、后背部而引起的全身性振动。因此,在设计叉车座椅时应尽量避免人体敏感的振动。在座椅设计中可以采取以下措施:减少座椅的共振频率,以降低对人体最有影响的高频区;降低振动时的振动传递率;降低10Hz附近的振动传递率,以减轻弹簧以下的共振的影响和减少来自座椅靠背的高频振动;降低褴车振动。


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座椅的结构形状也不同程度地影响其振动舒适性。在设计座椅时使座椅靠背向后倾斜从而使腰部背部得到依靠,加上靠背衬垫的适度柔软性,致使摩擦力增大,可缓冲振动对人体的冲击。同时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。

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结论


综上所述,人体工程学应用于叉车座椅设计。能使座椅满足人体的需要,保证驾驶的舒适性和安伞性,减少疲劳程度。 随着数字化设计的不断发展,人体工程学在设计方面的应用也会越来越广泛。



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