王 振

（湖北航宇嘉泰飛機(jī)設(shè)備有限公司,湖北 襄陽 441000）

一般而言，座椅的舒適性內(nèi)在主要體現(xiàn)在人在長(zhǎng)時(shí)間的坐姿下不會(huì)感到很疲勞。按照人機(jī)工程學(xué)原理，人類的最佳坐姿是135度的坐姿，能保持其脊椎形狀，減輕脊椎壓力。座椅的舒適性外在因素則涉及多方面，如座面材料以及壓力、溫度等。

航空座椅的發(fā)展趨勢(shì)是“需要更加人性化地考慮到在機(jī)人員對(duì)舒適性的需求，增加座椅功能的多樣性，讓不同喜好和生活習(xí)慣的在機(jī)人員都能擁有一個(gè)愉快的旅途”。但是，航空座椅不同于普通座椅，符合適航規(guī)章是其設(shè)計(jì)的首要且必要的條件，其次才考慮其他設(shè)計(jì)因素。對(duì)航空座椅日益增長(zhǎng)的舒適性需求與座椅適航要求必然會(huì)導(dǎo)致航空座椅舒適性設(shè)計(jì)的不足或天然缺陷，這是掣肘航空座椅舒適性的內(nèi)在因素。目前由于航空座椅墊材料選擇范圍有限，外在因素對(duì)航空座椅的舒適性影響十分有限，且能夠在設(shè)計(jì)過程中規(guī)避[1]。

多種因素的影響下，航空座椅舒適性設(shè)計(jì)主要采用驗(yàn)證修改的設(shè)計(jì)方法，即樣機(jī)完成后測(cè)試不同姿態(tài)下座椅各部位的受力情況，根據(jù)結(jié)果和反饋對(duì)座椅形狀、高度等進(jìn)行改進(jìn)，如此循環(huán)，直到各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)達(dá)到舒適性要求。這是一個(gè)漫長(zhǎng)且緩慢的驗(yàn)證過程。

基于以上原因，筆者認(rèn)為影響航空座椅舒適性的主要因素仍是航空座椅設(shè)計(jì)本身，如座椅背部曲面支撐、座椅角度、座面曲面等。改善舒適性的根本方法需從源頭入手，從座椅設(shè)計(jì)初始階段解決舒適性問題[2]。

1 航空座椅設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

《Performance Standard for Seats in Civil Rotorcraft,Transport Aircraft,and General Aviation Aircraft》一文詳細(xì)解釋了航空座椅的設(shè)計(jì)，如圖1所示。圖中的SRP（座椅參考點(diǎn)）是座椅設(shè)計(jì)初期就必須定義的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位，它是坐墊壓縮后的中心基準(zhǔn)線與由75～80kg的乘員乘坐后形成的背部切線的交點(diǎn)[3]。航空座椅的后續(xù)設(shè)計(jì)均是基于此點(diǎn)展開。SRP是決定航空座椅乘坐舒適性、操作方便性、手伸及性等特性的基準(zhǔn)點(diǎn)。CRP（坐墊參考點(diǎn)）是坐墊背墊未壓縮前的中心線交點(diǎn)，圖1中未標(biāo)注。“H-point”是指人體模型兩個(gè)骸關(guān)節(jié)連線的中點(diǎn)，是二維人體模板上軀干線與大腿中心線的交點(diǎn)?！癋loor water line（地板水平線）”一般是指航空座椅地腳螺柱的上表面。

圖1 航空座椅基本原理圖

2 人體背部脊椎曲線與靠背曲線關(guān)聯(lián)

通常座椅靠背是通過背部泡沫的擠壓變形來實(shí)現(xiàn)人體背部脊椎曲線的合理支撐，以此保證座椅的舒適性。然而航空座椅對(duì)重量十分敏感，以往的厚重泡沫靠背日漸被淘汰，取而代之的是輕薄型靠背。特別是采用碳纖維材料的航空座椅，其坐面依然采用相對(duì)厚的泡沫，不做過多的曲面設(shè)計(jì)即能保證坐得舒適，背面則采用碳纖維材料，依靠靠背曲面來支撐人體，其舒適性的主要決定因素就是座椅側(cè)面靠背曲線。

由于輕薄型的航空座椅設(shè)計(jì)靠背時(shí)就定義了基本的人體背部曲線，然后通過樣椅測(cè)試反復(fù)修改，若在座椅設(shè)計(jì)之初就將舒適的人體曲線融入其中，必將大大減少反復(fù)驗(yàn)證修改的工作。

結(jié)合實(shí)際工作，處理肩胛骨左右兩點(diǎn)和尾骨左右兩點(diǎn)均可在外觀造型上保證對(duì)人體的支撐。這里可以簡(jiǎn)化處理，將肩胛骨左右兩點(diǎn)重合并合并成一個(gè)點(diǎn)，然后映射到背部脊椎曲線上，并同樣處理人體脊椎兩側(cè)的各個(gè)受力點(diǎn)。這樣處理的目的是確保人體背部脊椎曲線與座椅背部曲線完全貼合，理論上就能保證無論座椅處于何種后傾角度，人體背部脊椎曲線都能夠得到座椅的良好支撐，以保證舒適的乘坐體驗(yàn)[4]。

隨機(jī)定義人體背部脊椎曲線上的某一點(diǎn)為（X，Y），以航空座椅前地腳螺柱上表面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0），H-point定義為（XH，YH），CRP點(diǎn)定義為（x，y），以上各點(diǎn)與座椅各處的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 人體背部脊椎曲線坐標(biāo)體系

人體測(cè)量點(diǎn)（X，Y）的計(jì)算公式為：

X=XH+H*cosβ+L*sinβ；

Y=YH+H*sinβ-L*cosβ；

其中H是指人體模型H-point到人體測(cè)量點(diǎn)正對(duì)的人體軀干線長(zhǎng)度；L是指人體測(cè)量點(diǎn)到人體軀干線的垂直距離。

XH和YH是人體模型H-point在坐標(biāo)體系中的橫縱坐標(biāo)值，其計(jì)算公式為：

XH=x+△x-127+97/tanβ；

YH=y-△y+97；

其中α為航空座椅座面傾角，θ為航空座椅靠背傾角；β=π-θ；△x為坐墊壓縮變形量，航空座椅泡沫壓縮率一般為60%，經(jīng)驗(yàn)值為△x=25；△y為背墊壓縮變形量，航空座椅泡沫壓縮率一般為60%，經(jīng)驗(yàn)值△y=10.2。

這樣通過上述的計(jì)算公式就能將人體背部脊椎曲線上的任意一點(diǎn)與航空座椅靠背中心曲線相對(duì)應(yīng)，通過相關(guān)的人體尺寸計(jì)算，就能繪制出不同角度下的人體背部曲線，并應(yīng)用到座椅設(shè)計(jì)上[5]。

3 靠背曲線模擬

從舒適性的角度出發(fā)，座椅的舒適性主要由8個(gè)受力點(diǎn)提供，分別是頭部枕骨受力點(diǎn)1個(gè)、肩胛骨受力點(diǎn)左右2個(gè)、腰椎骨受力點(diǎn)1個(gè)、尾骨受力點(diǎn)左右2個(gè)、大腿髕骨受力點(diǎn)左右2個(gè)，如圖3所示。

圖3 座椅對(duì)人體的關(guān)鍵受力點(diǎn)

8個(gè)受力點(diǎn)對(duì)應(yīng)著座椅的8個(gè)位置，座椅設(shè)計(jì)時(shí)能夠在這8個(gè)受力點(diǎn)提供合適的支撐就能保證乘客乘坐的舒適性[6]。

因航空座椅設(shè)計(jì)還需要考慮外觀等問題，航空座椅的靠背和坐墊不會(huì)完全按照人體曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是主要考慮和確定與人體接觸的受力點(diǎn)。取肩胛骨受力點(diǎn)、尾骨受力點(diǎn)、腰椎骨受力點(diǎn)、頭部枕骨受力點(diǎn)共4個(gè)點(diǎn)為人體脊椎的主要受力點(diǎn)，在文獻(xiàn)SAE AS8049中查詢相關(guān)H和L數(shù)據(jù)如表1所示。

結(jié)合前文的理論公式，計(jì)算出各個(gè)點(diǎn)位對(duì)應(yīng)的數(shù)值，然后以航空座椅前地腳螺柱上表面的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，在CATIA中繪制不同百分位人群的靠背曲線，如圖4所示。

表1 不同百分位人群的部分人體數(shù)據(jù)

圖4 不同百分位人群背部曲線

后期結(jié)合座椅的使用人群和具體的工程數(shù)據(jù)，選取某一百分位人群的模擬曲線或是融合三者的背部曲線進(jìn)行后續(xù)的靠背曲面設(shè)計(jì)。

4 小結(jié)

將50%人群的模擬曲線放置在現(xiàn)有的成熟航空座椅中，曲線與航空座椅靠背中心曲線基本吻合[7]。理論上，在人體數(shù)據(jù)充沛的前提下，使用上述的理論模型可以在座椅上完全模擬出人體背部脊椎曲線，給航空座椅的舒適性研究提供了一定的理論支撐，但仍存在以下不足：人體背部是三維曲面，上述理論模型僅解決了人體脊椎曲線與座椅的關(guān)系，人體脊椎兩側(cè)面的關(guān)鍵受力點(diǎn)仍未與座椅建立聯(lián)系；中國人體數(shù)據(jù)年代久遠(yuǎn)，用GB-10000-88中的數(shù)據(jù)建立的模擬曲線不能滿足當(dāng)下國人對(duì)座椅的舒適性需求；模型中的泡沫壓縮變形量使用的是經(jīng)驗(yàn)值，尚無有效手段驗(yàn)證其合理性，理論曲線存在一定的誤差。