腰椎病患者汽車(chē)座椅震動(dòng)受力分析方法研究及解決方案

房旭 劉征 周大龍 朱智 邢德高

摘 要：汽車(chē)座椅是集人機(jī)工程學(xué)、機(jī)械振動(dòng)、力學(xué)分析，控制工程等為一體的系統(tǒng)工程產(chǎn)品。車(chē)輛行駛時(shí)，駕駛員在坐姿條件下，腰椎承受大部分的受力，極易發(fā)生退變和疲勞損傷，而腰椎病患者表現(xiàn)得尤為突出。本文通過(guò)對(duì)腰椎病患者在不同動(dòng)力學(xué)參數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果，總結(jié)出腰椎病患者的主觀感受和加權(quán)振級(jí)的關(guān)系，提出合理的解決方案以提高腰椎病患者的乘車(chē)舒適性或者減輕非腰椎病患者的乘車(chē)腰部疲勞。

關(guān)鍵詞：腰椎病患者 腰部 受力分析 解決方案

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（a）-0126-02

腰椎病駕駛員在實(shí)際行駛過(guò)程中，支撐其身體的主要結(jié)構(gòu)是脊柱，盆骨、腿和腳等。由于腰椎位于整個(gè)脊柱結(jié)構(gòu)的底部，因此其所承受的載荷量在全部的載荷分配體系中位于首位。腰椎上方連接胸椎，下部連接尾椎，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)彎腰扭轉(zhuǎn)等一系列動(dòng)作，生理活動(dòng)范圍較大，腰椎的運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定性顯得尤為重要。腰椎前方的肌肉包括腹外斜肌、腹內(nèi)斜肌、腹橫肌和腹直肌等。后方的肌肉包括棘間肌、回旋肌、多裂肌、骼肋肌、最長(zhǎng)肌和棘肌。當(dāng)外界載荷作用在腰部時(shí)各關(guān)節(jié)部分之間并不是簡(jiǎn)單地摞列的關(guān)系。振動(dòng)過(guò)程中的受力作用線(xiàn)位于脊柱前，通過(guò)重力的作用形成力矩作用在脊柱上，腰背部的肌肉收到刺激通過(guò)收縮產(chǎn)生反作用力矩維持腰椎的穩(wěn)定，因此極易造成退變和疲勞損傷，因此人體腰椎的振動(dòng)生物力學(xué)研究顯得尤為重要。

1 對(duì)腰椎的生物力學(xué)研究

（1）建立人體振動(dòng)模型：在綜合大量有關(guān)人體全身振動(dòng)研究成果的基礎(chǔ)上，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定并逐步修訂形成了ISO2631—1：1997（E）《人體承受全身振動(dòng)評(píng)價(jià)——第一部分：一般要求》，此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于評(píng)價(jià)長(zhǎng)時(shí)間作用的隨機(jī)振動(dòng)和多輸入點(diǎn)多軸向振動(dòng)環(huán)境對(duì)人體的影響時(shí)，能與主觀感覺(jué)更好地符合。我國(guó)對(duì)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，公布了GB/T 4970—1996《汽車(chē)平順性隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)方法》和人體振動(dòng)模型的建立方法。

（2）建立腰部振動(dòng)模型：在研究實(shí)際情況下腰椎病患者即駕駛員腰部的振動(dòng)響應(yīng)特性，我們將腰椎以上近似地等效分為一個(gè)質(zhì)量塊，質(zhì)量塊作用在第一腰椎上，通過(guò)韌帶肌肉椎間盤(pán)以此往下傳，直到第五腰椎上，中間韌帶肌肉椎間盤(pán)等效為彈簧，起到阻尼的作用。盆骨和座椅接觸，由于座椅是非剛性的，因此也可以看成質(zhì)量塊阻尼系統(tǒng)。最后的模型如圖1所示。

其中M2、K2、Z2分別為人體上部軀干的質(zhì)量，坐姿下約占人體總質(zhì)量的61.64%；K2為腰部剛度和Z2阻尼系數(shù)，M1、K1、C1分別為座椅質(zhì)量、座椅剛度和座椅阻尼系數(shù)，Z為地板傳遞給座椅的振動(dòng)，X1、X2為上軀干和座椅的振動(dòng)量。根據(jù)對(duì)M1、M2列動(dòng)態(tài)平衡方程和進(jìn)行傅里葉變換可得，當(dāng)座椅和人體腰部的質(zhì)量，剛度及阻尼系數(shù)一定的情況下，知道汽車(chē)地板給座椅的振動(dòng)Z，便可通過(guò)函數(shù)知道振動(dòng)傳遞到腰部的作用情況。在剛度和阻尼系數(shù)不好確定的情況下，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)不同振動(dòng)頻率下腰部的振動(dòng)加速度通過(guò)牛頓第二定律F=ma來(lái)確定作用在腰部的力。

2 試驗(yàn)方法： 控制變量法和重復(fù)實(shí)驗(yàn)法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要采用INDAS—9012UG振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)合IC加速度傳感器、INDAS—Display車(chē)速儀、裝有汽車(chē)平順性試驗(yàn)軟件及液壓伺服系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的電腦組成。

我們首先選用合適的受試者，能清楚地反映自己的主觀感受，便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄。為了控制試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們選用使用年限為4年的一汽馬自達(dá)6作為實(shí)驗(yàn)車(chē)型。試驗(yàn)采用傳感器圍繞腰椎病患者腰部三點(diǎn)分布和Z軸垂直分布相結(jié)合的傳感器布置方式，通過(guò)對(duì)兩者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合比對(duì)的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，整理出最貼合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的直觀展示和不同振動(dòng)頻率下的人的主觀感受總結(jié)出腰椎病患者的腰部受力情況。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

我們?cè)诖司C合選用一組整理出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，詳見(jiàn)表1。

在振動(dòng)測(cè)試和試驗(yàn)中，關(guān)于振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域和頻域處理方面，實(shí)驗(yàn)者感受和記錄的通常是被測(cè)目標(biāo)在某些位置振動(dòng)大小隨時(shí)間的變化規(guī)律，是被研究對(duì)象綜合振動(dòng)情況所展示的結(jié)果，我們需要運(yùn)用MATLAB編程對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行主要是傅里葉變換以及一系列求積分的處理，從而獲得最終的振動(dòng)信號(hào)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析加權(quán)

加權(quán)振級(jí)和加權(quán)加速度均方根值與腰椎病患者主觀感覺(jué)之間的關(guān)系，詳情見(jiàn)表2。

5 改進(jìn)措施

（1）合理選擇座椅的制作材料，應(yīng)選用質(zhì)地相對(duì)柔軟的椅面減震材料，加大人體與椅面的接觸面積，分散應(yīng)力的分布，使人椅處于一個(gè)相對(duì)配合的狀態(tài)。

（2）對(duì)腰部提供背面支撐，減輕腰椎向前彎曲的形變量，使腰背角在20°左右，避免加權(quán)振級(jí)超過(guò)120dB，盡量使得腰部處于一個(gè)受力均衡的狀態(tài)。

（3）在路況、車(chē)體、人體的結(jié)合狀態(tài)下，在汽車(chē)的懸架位置加裝與座椅振動(dòng)特性相似的阻尼減震裝置，避免將與脊柱共振段頻率相似的沖擊傳至人體。

（4）避免激烈的駕駛體驗(yàn)，適時(shí)更換坐姿，減少?zèng)_擊對(duì)于腰部的傷害。

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