航空座椅中心曲線量化設(shè)計研究

王 振

（湖北航宇嘉泰飛機設(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)在人在長時間的坐姿下不會感到很疲勞。按照人機工程學(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)展趨勢是“需要更加人性化地考慮到在機人員對舒適性的需求，增加座椅功能的多樣性，讓不同喜好和生活習(xí)慣的在機人員都能擁有一個愉快的旅途”。但是，航空座椅不同于普通座椅，符合適航規(guī)章是其設(shè)計的首要且必要的條件，其次才考慮其他設(shè)計因素。對航空座椅日益增長的舒適性需求與座椅適航要求必然會導(dǎo)致航空座椅舒適性設(shè)計的不足或天然缺陷，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，外在因素對航空座椅的舒適性影響十分有限，且能夠在設(shè)計過程中規(guī)避[1]。

多種因素的影響下，航空座椅舒適性設(shè)計主要采用驗證修改的設(shè)計方法，即樣機完成后測試不同姿態(tài)下座椅各部位的受力情況，根據(jù)結(jié)果和反饋對座椅形狀、高度等進行改進，如此循環(huán)，直到各項測試數(shù)據(jù)達到舒適性要求。這是一個漫長且緩慢的驗證過程。

基于以上原因，筆者認為影響航空座椅舒適性的主要因素仍是航空座椅設(shè)計本身，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)計初始階段解決舒適性問題[2]。

1 航空座椅設(shè)計基礎(chǔ)

《Performance Standard for Seats in Civil Rotorcraft,Transport Aircraft,and General Aviation Aircraft》一文詳細解釋了航空座椅的設(shè)計，如圖1所示。圖中的SRP（座椅參考點）是座椅設(shè)計初期就必須定義的一個關(guān)鍵點位，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[3]。航空座椅的后續(xù)設(shè)計均是基于此點展開。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。CRP（坐墊參考點）是坐墊背墊未壓縮前的中心線交點，圖1中未標(biāo)注?！癏-point”是指人體模型兩個骸關(guān)節(jié)連線的中點，是二維人體模板上軀干線與大腿中心線的交點?！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厚的泡沫，不做過多的曲面設(shè)計即能保證坐得舒適，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)計靠背時就定義了基本的人體背部曲線，然后通過樣椅測試反復(fù)修改，若在座椅設(shè)計之初就將舒適的人體曲線融入其中，必將大大減少反復(fù)驗證修改的工作。

結(jié)合實際工作，處理肩胛骨左右兩點和尾骨左右兩點均可在外觀造型上保證對人體的支撐。這里可以簡化處理，將肩胛骨左右兩點重合并合并成一個點，然后映射到背部脊椎曲線上，并同樣處理人體脊椎兩側(cè)的各個受力點。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[4]。

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

圖2 人體背部脊椎曲線坐標(biāo)體系

人體測量點（X，Y）的計算公式為：

X=XH+H*cosβ+L*sinβ；

Y=YH+H*sinβ-L*cosβ；

其中H是指人體模型H-point到人體測量點正對的人體軀干線長度；L是指人體測量點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)驗值△y=10.2。

這樣通過上述的計算公式就能將人體背部脊椎曲線上的任意一點與航空座椅靠背中心曲線相對應(yīng)，通過相關(guān)的人體尺寸計算，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個受力點提供，分別是頭部枕骨受力點1個、肩胛骨受力點左右2個、腰椎骨受力點1個、尾骨受力點左右2個、大腿髕骨受力點左右2個，如圖3所示。

圖3 座椅對人體的關(guān)鍵受力點

8個受力點對應(yīng)著座椅的8個位置，座椅設(shè)計時能夠在這8個受力點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)計還需要考慮外觀等問題，航空座椅的靠背和坐墊不會完全按照人體曲線進行設(shè)計，而是主要考慮和確定與人體接觸的受力點。取肩胛骨受力點、尾骨受力點、腰椎骨受力點、頭部枕骨受力點共4個點為人體脊椎的主要受力點，在文獻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，計算出各個點位對應(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，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行后續(xù)的靠背曲面設(shè)計。

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)鍵受力點仍未與座椅建立聯(lián)系；中國人體數(shù)據(jù)年代久遠，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)驗值，尚無有效手段驗證其合理性，理論曲線存在一定的誤差。