運輸機駕駛員座椅人機工效設計研究

李 朋 陳悅菲 李 慧 武衛(wèi)東 /

(中航飛機研發(fā)中心，漢中723000)

運輸機駕駛員座椅人機工效設計研究

李 朋 陳悅菲 李 慧 武衛(wèi)東 /

(中航飛機研發(fā)中心，漢中723000)

運輸機駕駛員座椅是運輸機駕駛艙設計中一項重點內容，其主要包括駕駛員座椅參考點確定，座椅結構尺寸、調節(jié)行程和約束系統(tǒng)等人機工效設計參數(shù)。運輸機駕駛員座椅人機工效設計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)驗公式結合人體尺寸分析計算出座椅參考點、座椅調節(jié)行程、座椅約束系統(tǒng)參數(shù)范圍等人機工效設計參數(shù)值，并進行了人機工效虛擬仿真。結果表明，運輸機駕駛員座椅人機工效設計參數(shù)合理可行，對固定翼類運輸機座椅設計具有一定的指導價值。

運輸機；駕駛員座椅；人機工效；設計參數(shù)；虛擬仿真

0 引言

駕駛員座椅設計是飛機駕駛艙設計中的一項重點內容，是駕駛員進行安全、有效駕駛操縱飛機的物理載體，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所有顯示控制裝置的視覺可達和操作可達。同時，駕駛員座椅設計要考慮人體坐姿生理學和坐姿生物力學特點，使駕駛員脊柱結構、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)，座椅設計應安全、舒適，座椅調節(jié)操作方便、快捷，約束系統(tǒng)安全、可靠。

運輸機駕駛員座椅設計首先定義了運輸機駕駛員舒適坐姿，建立了人體舒適坐姿二維簡化模型，利用簡單的幾何關系，結合人體尺寸數(shù)據(jù)，通過在多年的運輸機駕駛艙設計中總結出的經(jīng)驗公式，可以計算出駕駛員座椅參考點、座椅調節(jié)行程以及約束系統(tǒng)等人機工效設計參數(shù)，并進行了基于人機工效仿真軟件的生物力學仿真，且設計方法和設計成果在某型運輸機設計中得到了應用，因此，對運輸機駕駛員座椅設計具有實踐價值和真實可靠的指導意義。

1 駕駛員舒適坐姿分析

運輸機駕駛員在執(zhí)行飛行任務時，長時間保持坐姿形態(tài)，駕駛員座椅設計應根據(jù)人體坐姿生理形態(tài)進行設計，應保證人體脊柱結構、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輸機駕駛員舒適坐姿關節(jié)角度設計標準，本文根據(jù)中國人體生理特點并結合中國人體尺寸，定義了運輸機駕駛員舒適坐姿人體關節(jié)角度活動范圍，并進行了基于Catia safework 的生物力學及舒適度仿真，確保了各關節(jié)角度取值范圍的可信度。人體關節(jié)舒適角度活動范圍應為：髖關節(jié)95°<α1<120°、膝關節(jié)110°<α2<150°、踝關節(jié)85°<α3<120°、肩關節(jié)15°<α4<60°、肘關節(jié)70°<α5<160°、頸關節(jié)10°<α5<-12°，人體坐姿舒適關節(jié)角度見圖 1，舒適坐姿關節(jié)角度人機工效仿真見圖 2，舒適坐姿關節(jié)角度具體見表 1。

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

2 座椅參考點確定

根據(jù)人體舒適坐姿對人體坐姿形態(tài)進行數(shù)學模型簡化，如圖 3所示。通過圖3可得出在舒適坐姿狀態(tài)下座椅參考點與設計眼位水平間距X1為：

(1)

座椅中立位置參考點與設計眼位垂直距離Y1為：

(2)

其中L1為頸關節(jié)水平距離；L2為眼位在頸關節(jié)垂直距離；L6為頸關節(jié)到髖關節(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高得出；L6在人體測量數(shù)據(jù)中為坐姿頸椎點高。將50%人體坐姿人體測量尺寸中坐姿眼高819mm,坐姿頸椎點高684mm，座椅椅背傾角100°～115°，代入計算X1中，得出X1的取值范圍為：-11mm～153mm。將以上參數(shù)代入計算Y1中，得出Y1的取值范圍為：727mm～795mm。通過計算得出，座椅中立位置參考點的取值范圍為：與設計眼位的水平距離為-11mm～153mm，垂直距離為727mm～795mm。

3 座椅調節(jié)行程分析

駕駛員座椅調節(jié)首先應滿足5%～95%人體百分位駕駛員在駕駛時能方便快捷的將座椅調節(jié)至設計眼位位置，同時必須滿足駕駛員不同百分位駕駛員上肢、下肢的可達性要求，如圖 4所示。

駕駛員座椅上下調節(jié)量上限最小值應滿足95%百分位駕駛員設計眼位調節(jié)需求，即座椅最小下調量Ne上為：

(3)

駕駛員座椅上下調節(jié)量下限最小值應滿足5%百分位駕駛員設計眼位調節(jié)要求，座椅最小上調量Ne下為：

(4)

座椅上下調節(jié)行程Ne≥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與設計眼位垂直距離，Δ為上肢可達性修正值，在運輸機駕駛員座椅設計值不小于3 in。

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

(5)

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

(6)

座椅前后調節(jié)行程Ne≥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至踵點之間距離。Δ為下肢可達性修正值，在運輸機駕駛員座椅設計值不小于5 in。

4 座椅設計一般準則

座椅設計的一般準則為：

1)座椅的形式應符合相應的應急撤離程序；

2)滿足CCAR-25-R4第25.561條應急著陸相關要求；

3)座椅的結構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計眼位位置；

5)座椅坐墊、座椅靠背及靠背調節(jié)量等符合人體生理特征；

6)座椅設計應使駕駛員在設計眼位時能全程操控駕駛桿等而不受腿或身體的干涉；

7)座椅上下調節(jié)量、座椅滑軌行程調節(jié)量與上肢下肢可達性結合；

8)座椅扶手中應至少有一個是可折疊的，以使駕駛員方便地出入座椅；

9)座椅結構前緣設計時應考慮和駕駛桿的運動空間范圍相協(xié)調的缺口；

10)座椅可調部分的結構構造，必須易于調節(jié)，必須保證在椅子使用過程中不會改變調節(jié)好的位置不松動；

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

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

13)座椅的結構材料和裝飾材料應耐用、阻燃、無毒。坐墊、腰靠、扶手的覆蓋層應使用柔軟、防滑、透氣性好、吸汗的不導電的材料；

14)座椅設計應滿足在飛機整個飛行包線內的安全性、舒適性、可操縱性要求。

5 座椅設計人機工效要求

運輸機駕駛員座椅人機工效設計參數(shù)主要包括座椅結構尺寸設計、座椅調節(jié)參數(shù)設計、座椅約束系統(tǒng)設計，座椅人機工效設計參數(shù)需符合中國人體生理結構特點和中國人體尺寸，并滿足駕駛員可達性要求，駕駛員座椅人機工效具體要求見圖 5、表 2。

部位人機工效設計要求推薦值座高座椅高度的調節(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，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，形成一種費力的姿勢，因此，為消除駕駛員乘坐時的疲勞感，座椅表面設計為前高后底，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。腰靠一般設在由坐面往上的第二節(jié)腰椎骨處95°～110°座椅靠背高度調節(jié)座椅靠背應具可調節(jié)支撐，以滿足5%～95%人體百分位駕駛員舒適性要求25mm～76mm靠背角度調節(jié)操縱力在操縱座椅靠背角度調節(jié)鎖時，操縱力不應過大不大于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，以減輕肩部負擔，增加舒適感，扶手的高度應滿足50%人體百分位駕駛員使用要求，扶手應具有水平抽拉、垂直平面內的角度調節(jié)和上折后收藏于靠背后部的功能，扶手垂直平面內角度調節(jié)不小于30°取坐墊有效厚度以上200mm～300mm座椅前后調節(jié)量滿足5%～95%人體百分位駕駛員設計眼位及可達性要求，座椅前后調節(jié)量為5in～10in(調節(jié)增量不大于1in)127mm～254mm座椅上下調節(jié)量滿足5%～95%人體百分位駕駛員設計眼位及可達性要求，座椅椅面上下調節(jié)量為3in～6in(調節(jié)增量不大于0．5in)76mm～152mm座椅參考點距地板距離滿足5%～95%人體百分位駕駛員乘坐的舒適性要求，座椅參考點距駕駛艙地板11in～16in之間280mm～406mm坐墊坐墊應該軟硬適度，可使臀部壓力值大為降低；坐墊材料要適當選擇，必須透氣，且不易打滑，同時要有一定的柔韌性，以增加舒適感，第95%人體百分位駕駛員乘坐時，坐墊的壓縮厚度不應大于坐墊總厚度的三分之二頭靠駕駛員座椅頭靠應便于拆卸，且有角度調節(jié)功能，滿足5%～95%人體百分位駕駛員使用，頭靠應有足夠的厚度以防止飛機應急著陸時駕駛員頭部受到座椅頭靠結構構件的接觸-15°～15°

6 駕駛員座椅人機工效仿真

為了驗證理論計算的駕駛員座椅人機工效設計參數(shù)是否合理可行，構建了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、上下調節(jié)行程、前后調節(jié)行程等進行了上肢及下肢可達性虛擬仿真評估。

上肢可達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行模擬操縱，來進行駕駛員上肢可達性分析，以驗證座椅的調節(jié)行范圍是否滿足不同百分位駕駛員上肢的可達性設計要求。下肢可達性設計為通過分別對5%、50%、95%百分位駕駛員人體模型在座椅調節(jié)至前極限、中立位置、后極限位置，駕駛員下肢對腳踏板運動行程及前后極限位置進行了可達性仿真分析，以驗證座椅的調節(jié)范圍是否滿足不同百分位駕駛員下肢的可達性設計要求。具體如圖 8～圖11所示。

根據(jù)駕駛員座椅人機工效虛擬仿真分析，結果表明，運輸機駕駛員座椅參考點、調節(jié)行程計算方法合理可行，人機工效設計參數(shù)滿足5%、50%、95%人體百分位駕駛員可達性要求。

7 結論

1)本文根據(jù)中國人體生理特點及人體尺寸，并通過人機工效仿真軟件進行人體生物力學仿真，定義了運輸機駕駛員舒適坐姿關節(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)進行二維模型簡化，利用簡單幾何關系，結合人體舒適坐姿關節(jié)角度和人體尺寸，總結出駕駛員座椅人機工效設計經(jīng)驗公式，得到了運輸機駕駛員座椅人機工效設計參數(shù)的理論計算方法；

3)通過人機工效仿真軟件對運輸架駕駛員座椅人機工效設計指標參數(shù)進行虛擬仿真，對各設計參數(shù)進行驗證和修正完善，本文研究的成果在某型運輸機駕駛艙設計中得到了應用，結果表明，設計方法合理可行，各設計參數(shù)可信、可用。

[1] 張煒，馬智，俞金海.民機駕駛艙人機一體化設計[M].西安：西北工業(yè)大學出版社.2015:91-93.

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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:飛機總體設計、駕駛艙人機工效;E-mail：254047310@qq.com

陳悅菲 女，碩士，工程師，主要研究方向:飛機總體設計，駕駛艙人機工效;E-mail：chengyuefei@163.com

李 慧 女，碩士，工程師，主要研究方向，飛機總體設計、駕駛艙人機工效;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:飛機總體設計;E-mail：13709167219@139.com