李 朋 陳悅菲 李 慧 武衛(wèi)東 /

(中航飛機(jī)研發(fā)中心，漢中723000)

運(yùn)輸機(jī)駕駛員座椅人機(jī)工效設(shè)計(jì)研究

李 朋 陳悅菲 李 慧 武衛(wèi)東 /

(中航飛機(jī)研發(fā)中心，漢中723000)

運(yùn)輸機(jī)駕駛員座椅是運(yùn)輸機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容，其主要包括駕駛員座椅參考點(diǎn)確定，座椅結(jié)構(gòu)尺寸、調(diào)節(jié)行程和約束系統(tǒng)等人機(jī)工效設(shè)計(jì)參數(shù)。運(yùn)輸機(jī)駕駛員座椅人機(jī)工效設(shè)計(jì)首先定義了符合中國人體生理特征和人體尺寸的駕駛員舒適坐姿，并建立舒適坐姿二維簡化模型，利用經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合人體尺寸分析計(jì)算出座椅參考點(diǎn)、座椅調(diào)節(jié)行程、座椅約束系統(tǒng)參數(shù)范圍等人機(jī)工效設(shè)計(jì)參數(shù)值，并進(jìn)行了人機(jī)工效虛擬仿真。結(jié)果表明，運(yùn)輸機(jī)駕駛員座椅人機(jī)工效設(shè)計(jì)參數(shù)合理可行，對固定翼類運(yùn)輸機(jī)座椅設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

運(yùn)輸機(jī)；駕駛員座椅；人機(jī)工效；設(shè)計(jì)參數(shù)；虛擬仿真

0 引言

駕駛員座椅設(shè)計(jì)是飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容，是駕駛員進(jìn)行安全、有效駕駛操縱飛機(jī)的物理載體，既要滿足不同人體百分位駕駛員對外部視野的要求，又要滿足對駕駛艙內(nèi)所有顯示控制裝置的視覺可達(dá)和操作可達(dá)。同時(shí)，駕駛員座椅設(shè)計(jì)要考慮人體坐姿生理學(xué)和坐姿生物力學(xué)特點(diǎn)，使駕駛員脊柱結(jié)構(gòu)、腰曲弧線處于正常的生理形態(tài)，使駕駛員體壓分布、股骨受力均勻，在不同坐姿條件下符合中國人體尺寸數(shù)據(jù)，座椅設(shè)計(jì)應(yīng)安全、舒適，座椅調(diào)節(jié)操作方便、快捷，約束系統(tǒng)安全、可靠。

運(yùn)輸機(jī)駕駛員座椅設(shè)計(jì)首先定義了運(yùn)輸機(jī)駕駛員舒適坐姿，建立了人體舒適坐姿二維簡化模型，利用簡單的幾何關(guān)系，結(jié)合人體尺寸數(shù)據(jù)，通過在多年的運(yùn)輸機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)中總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式，可以計(jì)算出駕駛員座椅參考點(diǎn)、座椅調(diào)節(jié)行程以及約束系統(tǒng)等人機(jī)工效設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行了基于人機(jī)工效仿真軟件的生物力學(xué)仿真，且設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)成果在某型運(yùn)輸機(jī)設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用，因此，對運(yùn)輸機(jī)駕駛員座椅設(shè)計(jì)具有實(shí)踐價(jià)值和真實(shí)可靠的指導(dǎo)意義。

1 駕駛員舒適坐姿分析

運(yùn)輸機(jī)駕駛員在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，長時(shí)間保持坐姿形態(tài)，駕駛員座椅設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)人體坐姿生理形態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)保證人體脊柱結(jié)構(gòu)、腰曲弧形等處于正常生理形態(tài)，股骨及椎間盤受力均勻，腰背肌肉承受均勻的靜載荷，人體體壓分布均勻，避免大腿的血管受壓迫、血液循環(huán)受阻，而產(chǎn)生麻木、疼痛等不適感覺。

目前，由于我國尚未建立運(yùn)輸機(jī)駕駛員舒適坐姿關(guān)節(jié)角度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，本文根據(jù)中國人體生理特點(diǎn)并結(jié)合中國人體尺寸，定義了運(yùn)輸機(jī)駕駛員舒適坐姿人體關(guān)節(jié)角度活動范圍，并進(jìn)行了基于Catia safework 的生物力學(xué)及舒適度仿真，確保了各關(guān)節(jié)角度取值范圍的可信度。人體關(guān)節(jié)舒適角度活動范圍應(yīng)為：髖關(guān)節(jié)95°<α1<120°、膝關(guān)節(jié)110°<α2<150°、踝關(guān)節(jié)85°<α3<120°、肩關(guān)節(jié)15°<α4<60°、肘關(guān)節(jié)70°<α5<160°、頸關(guān)節(jié)10°<α5<-12°，人體坐姿舒適關(guān)節(jié)角度見圖 1，舒適坐姿關(guān)節(jié)角度人機(jī)工效仿真見圖 2，舒適坐姿關(guān)節(jié)角度具體見表 1。

關(guān)節(jié)序號關(guān)節(jié)舒適角度范圍最佳舒適值α1髖關(guān)節(jié)95°～120°105°α2膝關(guān)節(jié)110°～150°130°α3踝關(guān)節(jié)85°～120°95°α4肩關(guān)節(jié)15°～60°20°α5肘關(guān)節(jié)70°～160°130°α6頸關(guān)節(jié)10°～-12°6°

2 座椅參考點(diǎn)確定

根據(jù)人體舒適坐姿對人體坐姿形態(tài)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型簡化，如圖 3所示。通過圖3可得出在舒適坐姿狀態(tài)下座椅參考點(diǎn)與設(shè)計(jì)眼位水平間距X1為：

(1)

座椅中立位置參考點(diǎn)與設(shè)計(jì)眼位垂直距離Y1為：

(2)

其中L1為頸關(guān)節(jié)水平距離；L2為眼位在頸關(guān)節(jié)垂直距離；L6為頸關(guān)節(jié)到髖關(guān)節(jié)的距離；θ4為軀干與座椅的水平夾角，即座椅椅背傾角。

根據(jù)人體舒適坐姿角度分析，坐姿時(shí)座椅椅背傾角最佳角度為110°。圖中L1在人體測量數(shù)據(jù)中取最接近的眼突枕突距；L2為可通過坐姿眼高減去坐姿頸椎點(diǎn)高得出；L6在人體測量數(shù)據(jù)中為坐姿頸椎點(diǎn)高。將50%人體坐姿人體測量尺寸中坐姿眼高819mm,坐姿頸椎點(diǎn)高684mm，座椅椅背傾角100°～115°，代入計(jì)算X1中，得出X1的取值范圍為：-11mm～153mm。將以上參數(shù)代入計(jì)算Y1中，得出Y1的取值范圍為：727mm～795mm。通過計(jì)算得出，座椅中立位置參考點(diǎn)的取值范圍為：與設(shè)計(jì)眼位的水平距離為-11mm～153mm，垂直距離為727mm～795mm。

3 座椅調(diào)節(jié)行程分析

駕駛員座椅調(diào)節(jié)首先應(yīng)滿足5%～95%人體百分位駕駛員在駕駛時(shí)能方便快捷的將座椅調(diào)節(jié)至設(shè)計(jì)眼位位置，同時(shí)必須滿足駕駛員不同百分位駕駛員上肢、下肢的可達(dá)性要求，如圖 4所示。

駕駛員座椅上下調(diào)節(jié)量上限最小值應(yīng)滿足95%百分位駕駛員設(shè)計(jì)眼位調(diào)節(jié)需求，即座椅最小下調(diào)量Ne上為：

(3)

駕駛員座椅上下調(diào)節(jié)量下限最小值應(yīng)滿足5%百分位駕駛員設(shè)計(jì)眼位調(diào)節(jié)要求，座椅最小上調(diào)量Ne下為：

(4)

座椅上下調(diào)節(jié)行程N(yùn)e≥Ne上+Ne下+Δ=Zp95-Y1+Y1-Zp5+Δ=Zp95-Zp5+Δ

其中Zp95為95%駕駛員坐姿眼高，Zp5為5%駕駛員坐姿眼高，Y1為座椅中立位置參考點(diǎn)與設(shè)計(jì)眼位垂直距離，Δ為上肢可達(dá)性修正值，在運(yùn)輸機(jī)駕駛員座椅設(shè)計(jì)值不小于3 in。

駕駛員座椅前后調(diào)節(jié)量前極限最小值應(yīng)滿足5%百分位駕駛員下肢可達(dá)性要求，即座椅前極限最小調(diào)節(jié)量Ne前為：

(5)

駕駛員座椅前后調(diào)節(jié)量后極限最小值應(yīng)滿足95%百分位駕駛員下肢可達(dá)性要求，即座椅后極限最小調(diào)節(jié)量Ne后為：

(6)

座椅前后調(diào)節(jié)行程N(yùn)e≥Ne前+Ne后+Δ=X3-Rp5+Rp95-X3+Δ=Rp95-Rp5+Δ

其中，Rp5為5%百分位駕駛員坐姿下肢長，Rp95為95%百分位駕駛員坐姿下肢長，X3為座椅中立位置參考點(diǎn)至踵點(diǎn)之間距離。Δ為下肢可達(dá)性修正值，在運(yùn)輸機(jī)駕駛員座椅設(shè)計(jì)值不小于5 in。

4 座椅設(shè)計(jì)一般準(zhǔn)則

座椅設(shè)計(jì)的一般準(zhǔn)則為：

1)座椅的形式應(yīng)符合相應(yīng)的應(yīng)急撤離程序；

2)滿足CCAR-25-R4第25.561條應(yīng)急著陸相關(guān)要求；

3)座椅的結(jié)構(gòu)尺度必須符合人體尺寸；

4)座椅中立位置必須滿足50%百分位駕駛員所在的設(shè)計(jì)眼位位置；

5)座椅坐墊、座椅靠背及靠背調(diào)節(jié)量等符合人體生理特征；

6)座椅設(shè)計(jì)應(yīng)使駕駛員在設(shè)計(jì)眼位時(shí)能全程操控駕駛桿等而不受腿或身體的干涉；

7)座椅上下調(diào)節(jié)量、座椅滑軌行程調(diào)節(jié)量與上肢下肢可達(dá)性結(jié)合；

8)座椅扶手中應(yīng)至少有一個是可折疊的，以使駕駛員方便地出入座椅；

9)座椅結(jié)構(gòu)前緣設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮和駕駛桿的運(yùn)動空間范圍相協(xié)調(diào)的缺口；

10)座椅可調(diào)部分的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，必須易于調(diào)節(jié)，必須保證在椅子使用過程中不會改變調(diào)節(jié)好的位置不松動；

11)座椅應(yīng)使機(jī)組人員在使用過稱中保持身體舒適、穩(wěn)定并能進(jìn)行準(zhǔn)確的控制和操作；

12)座椅各零部件外露部分不得有易傷人的尖角銳邊，各部件結(jié)構(gòu)不得存在可能造成擠壓、剪鉗傷人部位；

13)座椅的結(jié)構(gòu)材料和裝飾材料應(yīng)耐用、阻燃、無毒。坐墊、腰靠、扶手的覆蓋層應(yīng)使用柔軟、防滑、透氣性好、吸汗的不導(dǎo)電的材料；

14)座椅設(shè)計(jì)應(yīng)滿足在飛機(jī)整個飛行包線內(nèi)的安全性、舒適性、可操縱性要求。

5 座椅設(shè)計(jì)人機(jī)工效要求

運(yùn)輸機(jī)駕駛員座椅人機(jī)工效設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括座椅結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)、座椅調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)、座椅約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)，座椅人機(jī)工效設(shè)計(jì)參數(shù)需符合中國人體生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和中國人體尺寸，并滿足駕駛員可達(dá)性要求，駕駛員座椅人機(jī)工效具體要求見圖 5、表 2。

部位人機(jī)工效設(shè)計(jì)要求推薦值座高座椅高度的調(diào)節(jié)范圍必須大于GJB4856中“小腿加足高”5%～95%人體百分位駕駛員范圍350mm～420mm座寬座寬必須適合于95%人體百分位駕駛員乘坐，其相對應(yīng)的人體測量值是臀寬420mm～460mm座深滿足5%～95%人體百分位駕駛員使用要求419mm～495mm椅面傾角因作業(yè)空間一般在身體前側(cè)，如坐面過分后傾，脊椎因身體前傾作業(yè)而會被拉直，破壞正常的腰椎曲線，形成一種費(fèi)力的姿勢，因此，為消除駕駛員乘坐時(shí)的疲勞感，座椅表面設(shè)計(jì)為前高后底，并與水平面成一定夾角5°～15°靠背傾角靠背由肩靠和腰靠兩組成，大部分工作場合，腰靠最主要。腰靠一般設(shè)在由坐面往上的第二節(jié)腰椎骨處95°～110°座椅靠背高度調(diào)節(jié)座椅靠背應(yīng)具可調(diào)節(jié)支撐，以滿足5%～95%人體百分位駕駛員舒適性要求25mm～76mm靠背角度調(diào)節(jié)操縱力在操縱座椅靠背角度調(diào)節(jié)鎖時(shí)，操縱力不應(yīng)過大不大于50N扶手扶手的高度是指扶手上緣到坐高的距離，其主要作用是支持手臂的重量，以減輕肩部負(fù)擔(dān)，增加舒適感，扶手的高度應(yīng)滿足50%人體百分位駕駛員使用要求，扶手應(yīng)具有水平抽拉、垂直平面內(nèi)的角度調(diào)節(jié)和上折后收藏于靠背后部的功能，扶手垂直平面內(nèi)角度調(diào)節(jié)不小于30°取坐墊有效厚度以上200mm～300mm座椅前后調(diào)節(jié)量滿足5%～95%人體百分位駕駛員設(shè)計(jì)眼位及可達(dá)性要求，座椅前后調(diào)節(jié)量為5in～10in(調(diào)節(jié)增量不大于1in)127mm～254mm座椅上下調(diào)節(jié)量滿足5%～95%人體百分位駕駛員設(shè)計(jì)眼位及可達(dá)性要求，座椅椅面上下調(diào)節(jié)量為3in～6in(調(diào)節(jié)增量不大于0．5in)76mm～152mm座椅參考點(diǎn)距地板距離滿足5%～95%人體百分位駕駛員乘坐的舒適性要求，座椅參考點(diǎn)距駕駛艙地板11in～16in之間280mm～406mm坐墊坐墊應(yīng)該軟硬適度，可使臀部壓力值大為降低；坐墊材料要適當(dāng)選擇，必須透氣，且不易打滑，同時(shí)要有一定的柔韌性，以增加舒適感，第95%人體百分位駕駛員乘坐時(shí)，坐墊的壓縮厚度不應(yīng)大于坐墊總厚度的三分之二頭靠駕駛員座椅頭靠應(yīng)便于拆卸，且有角度調(diào)節(jié)功能，滿足5%～95%人體百分位駕駛員使用，頭靠應(yīng)有足夠的厚度以防止飛機(jī)應(yīng)急著陸時(shí)駕駛員頭部受到座椅頭靠結(jié)構(gòu)構(gòu)件的接觸-15°～15°

6 駕駛員座椅人機(jī)工效仿真

為了驗(yàn)證理論計(jì)算的駕駛員座椅人機(jī)工效設(shè)計(jì)參數(shù)是否合理可行，構(gòu)建了CATIA駕駛艙數(shù)字化模型，見圖 6。以GJB 4856-2003中國男性駕駛員人體尺寸數(shù)據(jù)為依據(jù)，創(chuàng)建了5%、50%、95%人體百分位駕駛員人體模型,見圖 7。通過對駕駛員座椅參考點(diǎn)、上下調(diào)節(jié)行程、前后調(diào)節(jié)行程等進(jìn)行了上肢及下肢可達(dá)性虛擬仿真評估。

上肢可達(dá)性分析是通過在起飛、巡航、著陸等不同的飛行姿態(tài)下， 5%、50%、95%百分位駕駛員對駕駛桿、油門桿，以及對儀表板，左、中、右操縱臺，頂部操縱臺等面板上布置的控制裝置進(jìn)行模擬操縱，來進(jìn)行駕駛員上肢可達(dá)性分析，以驗(yàn)證座椅的調(diào)節(jié)行范圍是否滿足不同百分位駕駛員上肢的可達(dá)性設(shè)計(jì)要求。下肢可達(dá)性設(shè)計(jì)為通過分別對5%、50%、95%百分位駕駛員人體模型在座椅調(diào)節(jié)至前極限、中立位置、后極限位置，駕駛員下肢對腳踏板運(yùn)動行程及前后極限位置進(jìn)行了可達(dá)性仿真分析，以驗(yàn)證座椅的調(diào)節(jié)范圍是否滿足不同百分位駕駛員下肢的可達(dá)性設(shè)計(jì)要求。具體如圖 8～圖11所示。

根據(jù)駕駛員座椅人機(jī)工效虛擬仿真分析，結(jié)果表明，運(yùn)輸機(jī)駕駛員座椅參考點(diǎn)、調(diào)節(jié)行程計(jì)算方法合理可行，人機(jī)工效設(shè)計(jì)參數(shù)滿足5%、50%、95%人體百分位駕駛員可達(dá)性要求。

7 結(jié)論

1)本文根據(jù)中國人體生理特點(diǎn)及人體尺寸，并通過人機(jī)工效仿真軟件進(jìn)行人體生物力學(xué)仿真，定義了運(yùn)輸機(jī)駕駛員舒適坐姿關(guān)節(jié)角度范圍和最佳舒適角度；

2)根據(jù)駕駛員舒適坐姿對駕駛員坐姿形態(tài)進(jìn)行二維模型簡化，利用簡單幾何關(guān)系，結(jié)合人體舒適坐姿關(guān)節(jié)角度和人體尺寸，總結(jié)出駕駛員座椅人機(jī)工效設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式，得到了運(yùn)輸機(jī)駕駛員座椅人機(jī)工效設(shè)計(jì)參數(shù)的理論計(jì)算方法；

3)通過人機(jī)工效仿真軟件對運(yùn)輸架駕駛員座椅人機(jī)工效設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行虛擬仿真，對各設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和修正完善，本文研究的成果在某型運(yùn)輸機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方法合理可行，各設(shè)計(jì)參數(shù)可信、可用。

[1] 張煒，馬智，俞金海.民機(jī)駕駛艙人機(jī)一體化設(shè)計(jì)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社.2015:91-93.

[2] 蘇潤娥，薛紅軍，宋筆鋒.民機(jī)駕駛艙工效布局虛擬評價(jià)[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐.2009:188-189.

[3] 丁玉蘭，程國萍.人因工程學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社.2013:161-164.

Ergonomic Design of Driver Seat for Transport Aircraft

LI Peng CHEN Yuefei LI Hui WU Weidong

(Research and development centre, AVIC Aircraft Co., Ltd, Shaanxi Hanzhong, China)

Driver seats are a key content of cockpit design for transport aircraft, which mainly confirms the reference point of the driver seat, seat structure size, stroke and ergonomic design parameters, such as the constraint system. pilot seat on Transport aircraft first defines the ergonomic design in accordance with Chinese human physiological characteristics and the body size of the driver comfortable sitting posture. A comfortable sitting position simplified 2 d model was established, using the empirical formula combined with human body size analysis to calculate the seat reference point, seat adjustment stroke, seat restraint system parameters such as the ergonomic design parameter values. And a virtual ergonomic simulation was carried out. The results show that the driver seat ergonomic design parameters were reasonable, and the design has a strong guiding value for fixed wing aircraft seat design.

transport aircraft;the driver seat; ergonomic;designparameter；virtual simulation

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.01.006

V223+.1

A

李 朋 男，本科，工程師，主要研究方向:飛機(jī)總體設(shè)計(jì)、駕駛艙人機(jī)工效;E-mail：254047310@qq.com

陳悅菲 女，碩士，工程師，主要研究方向:飛機(jī)總體設(shè)計(jì)，駕駛艙人機(jī)工效;E-mail：chengyuefei@163.com

李 慧 女，碩士，工程師，主要研究方向，飛機(jī)總體設(shè)計(jì)、駕駛艙人機(jī)工效;E-mail：lihui1011@yeah.net

武衛(wèi)東 男，本科，研究員級高級工程師，主要研究方向:飛機(jī)總體設(shè)計(jì);E-mail：13709167219@139.com