列车客室座椅乘坐舒适性研究

［摘要］文章介绍高速列车座椅乘坐舒适性的设计方法与思路，分析了表态舒适性、动作舒适性、动态舒适性等问题，并对座椅舒适性进行设计。

［关键词］列车座椅；舒适性；人体行为

［作者简介］刘志勇，南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心工程师，青岛山东，266111；王冰松，南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心工程师，青岛山东，266111

［中图分类号］ U293［文献标识码］ A［文章编号］ 1007-7723（2012）01-0046-0003

随着经济的快速发展，我国高速铁路事业有了长足的发展。随着高速列车运营速度的不断提高，旅客的乘坐舒适性逐渐成为重要的研究内容。座椅是高速列车的重要设施，其设计优良程度直接关系到列车的乘坐舒适性能，并影响人们对出行交通工具的选择。

座椅不仅需要进行结构设计，更需要在人机工程学的基础上研究人体生理构成等特性对座椅参数选择的约束，从而满足乘坐舒适性的要求。乘坐舒适性分为静态舒适性、操作舒适性和动态舒适性三个方面。静态舒适性重点是依据人体尺寸测量的统计数据确定座椅结构形状和尺寸等参数。动作舒适性主要研究人在座椅上进行常规动作时的舒适性。动态舒适性则强调座椅的隔振减振设计要求。

一、静态舒适性分析

静态舒适度指座椅与人体的匹配关系能否为乘客创造舒适坐姿的条件，以及所能提供的舒适程度。静态舒适度所要解决的问题，主要依据人体舒适坐姿的要求和人体测量数据优化设计舒适的座椅结构、尺寸及调整参数[1[2][3][4]。从人机工程学原理出发，一个静态舒适性能优良的座椅应当符合以下基本要求：

（1）符合人体测量学标准，能够为乘客提供一个大小合适的乘坐空间和舒适而稳定的坐姿，符合人体舒适坐姿的生理特征。

（2）提供合适的腰部、背部支撑，使乘客的脊椎能够保持自然的生理弯曲状态。

（3）坐垫软硬适中，给乘客提供有效的臀部支撑，并保证体压分布合理。

（4）坐垫及靠背材料透气性好，并具有适当的摩擦力。

二、动作舒适性分析

（一）乘客坐姿条件下的行为

在对座椅设计之前，首先必须对使用者的乘坐行为这一身体自然状态进行分析，它决定了座椅的基本尺寸，如座面的高度和宽度等。在现实乘坐环境中，人们会有意识地通过各种方法来调整坐姿，如仰坐、侧坐、平躺、盘腿等方式来满足自己乘坐舒适的需求。由此可以看出在某种情况下，坐姿是人的心理活动和潜在意识的形态化。因此，由于“坐”这一行为所派生出来的姿态，导致了坐姿的多样性。

坐姿的多样性来源于使用者的多样性，如儿童、老人、残疾人、男人、女人还有不同民族和地域的人等，生理性差异也会使其行为表现出不同的特征；另一方面，环境和心情的变化也会体现出不同的行为状态[5][6]。

（二）旅客坐姿行为舒适性分析

通过对人体静态尺寸（人体数据）与动态尺寸（人体各部分的活动空间和范围）的分析（如图1和图2所示），可以指导高速列车内室空间和结构的设计。通过人的座高、座宽（ 静态尺寸）可以确定座椅的高度尺寸和宽度尺寸、通过人腿的活动范围（ 动态尺寸）可以确定前后座椅空间设置以及前后排距离等参数。

三、 动态舒适性分析

动态舒适性设计重点在座椅的减振设计。座椅受到的振动主要是在列车行进时从车内地板传递而来，如何设计座椅进而确定座椅的固有频率，使得座椅在承载（坐人）状态下能隔离或减弱对人体有害的振动频率信号是关键所在[7]。

（一）人体敏感频率分析

研究表明，人体在上下振动方向的敏感频率4~8Hz之内，前后振动方向的敏感频率在1~2Hz之内，此时身体部分区域产生共振。人体各部位或系统的固有频率见表1。随着频率的增高，敏感度下降，人体较严重的振动响应均在30Hz以下，在各方向的振动中，上下振动对舒适度影响约占70%，前后方向振动对舒适度的影响约占12%。

（二）人-椅振动模型分析

首先建立图3所示的人体振动坐标系。在该坐标系中乘员端坐于座椅上，人体主要是三部位和座椅接触。

由于人体在座椅系统存在多个自由度，故以三自由度为例建立人椅系统振动模型，如图4所示。其中分别为人体头部质量、颈部风度及阻尼系数；分别为人体躯干质量、脊椎刚度及阻尼系数； 分别为座椅质量、座椅刚度及阻尼系数， Z为车体地板传给座椅的振动（位移输入）， 代表m1（座椅）、 m2（躯干）、m3（头部）的振动输出（位移输出）。

通过模型推导得到座椅、人躯干及人头部三个位置对于输入 的传递函数。

其中A1、A2、A3为复刚度，且有

人体质量、刚度及阻尼的数值可以根据中国人体数据统计结果得到。座椅的固有频率、阻尼系数、刚度可以通过材料、工艺、原理设计等不同方式进行调整。

通过将实测的不同线路、不同速度级车内地板对应位置的振动谱输入到模型中就可以评估动态舒适性水平，并根据仿真结果修正设计参数。

四、座椅舒适性设计

根据以上分析，在设计座椅时，需要充分考虑人体工程参数对座椅结构或参数的选择限制。

参照人体工程参数，确定以下座椅参数：座高、靠背高度、扶手高度、座面深度、座宽、扶手宽度、座面后倾角、扶手倾斜角度、座面与靠背夹角。座垫和靠垫应填充回弹性较高的材料, 填充材料不宜太硬或太软，太硬易造成人体接触部分的压力集中, 使某些部位的肌肉长时间处于紧张状态或血液循环受到阻碍而发麻；太软会使乘客乘坐后下陷过大，臀部两侧有压迫感，动作不方便。座椅靠背曲线需吻合人体脊椎曲线。同时考虑腰靠、肩靠、头靠等的设计。

根据旅客在客室的动作行为分析，可以确定座椅的前后间距、乘客的腿脚空间、旅客进出座位的空间。

根据人体的振动特性以及人-椅振动模型，可以确定座椅固有频率、阻尼系数、座椅刚度等。比如要求座垫能有效地衰减20Hz以上的振动。

另外，蒙皮材料不仅要求耐磨、耐脏和耐潮湿,而且还要透气性好，并具有适当的摩擦力。

五、结论

乘坐舒适性是一个系统的概念, 座椅自身的结构设计只是其中的一个环节, 要达到很好的乘坐舒适性, 还必须考虑人机工程的各种参数；同时，也要考虑从整车运营条件和环境对座椅以及乘客的影响。

［参考文献］

［1］陈玉霞,申黎明,郭勇.沙发座面高度对人体坐姿舒适性的影响［J］.南京林业大学学报,2010,(1).

［2］陈玉霞,申黎明.沙发舒适度的评价方法探讨［J］. 西北林学院学报,2007, 22(2).

［3］吴旭亭,人体体压分布的测量系统与评价［D］. 北京:清华大学,1992.

［4］徐明,夏群生.体压分布的指标［J］.中国机械工程, 1997,8 (1).

［5］刘建中, 铃木近, 青木弘行. 汽车乘坐舒适性主观评价模型的构筑［J］.汽车技术, 1994,(9).

［6］叶彪.客车乘客座椅的乘坐舒适性［J］.客车技术与研究，2003,25(4）.

［7］周一鸣,等.车辆人机工程学［M］.北京:北京理工大学出版社,1999.

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