腰椎病患者汽车座椅震动受力分析方法研究及解决方案

房旭 刘征 周大龙 朱智 邢德高

摘 要：汽车座椅是集人机工程学、机械振动、力学分析，控制工程等为一体的系统工程产品。车辆行驶时，驾驶员在坐姿条件下，腰椎承受大部分的受力，极易发生退变和疲劳损伤，而腰椎病患者表现得尤为突出。本文通过对腰椎病患者在不同动力学参数的实测结果，总结出腰椎病患者的主观感受和加权振级的关系，提出合理的解决方案以提高腰椎病患者的乘车舒适性或者减轻非腰椎病患者的乘车腰部疲劳。

关键词：腰椎病患者 腰部 受力分析 解决方案

中图分类号：U463.33 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（a）-0126-02

腰椎病驾驶员在实际行驶过程中，支撑其身体的主要结构是脊柱，盆骨、腿和脚等。由于腰椎位于整个脊柱结构的底部，因此其所承受的载荷量在全部的载荷分配体系中位于首位。腰椎上方连接胸椎，下部连接尾椎，同时还要实现弯腰扭转等一系列动作，生理活动范围较大，腰椎的运动和稳定性显得尤为重要。腰椎前方的肌肉包括腹外斜肌、腹内斜肌、腹横肌和腹直肌等。后方的肌肉包括棘间肌、回旋肌、多裂肌、骼肋肌、最长肌和棘肌。当外界载荷作用在腰部时各关节部分之间并不是简单地摞列的关系。振动过程中的受力作用线位于脊柱前，通过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过收缩产生反作用力矩维持腰椎的稳定，因此极易造成退变和疲劳损伤，因此人体腰椎的振动生物力学研究显得尤为重要。

1 对腰椎的生物力学研究

（1）建立人体振动模型：在综合大量有关人体全身振动研究成果的基础上，国际标准化组织（ISO）制定并逐步修订形成了ISO2631—1：1997（E）《人体承受全身振动评价——第一部分：一般要求》，此标准对于评价长时间作用的随机振动和多输入点多轴向振动环境对人体的影响时，能与主观感觉更好地符合。我国对相应标准进行修订，公布了GB/T 4970—1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》和人体振动模型的建立方法。

（2）建立腰部振动模型：在研究实际情况下腰椎病患者即驾驶员腰部的振动响应特性，我们将腰椎以上近似地等效分为一个质量块，质量块作用在第一腰椎上，通过韧带肌肉椎间盘以此往下传，直到第五腰椎上，中间韧带肌肉椎间盘等效为弹簧，起到阻尼的作用。盆骨和座椅接触，由于座椅是非刚性的，因此也可以看成质量块阻尼系统。最后的模型如图1所示。

其中M2、K2、Z2分别为人体上部躯干的质量，坐姿下约占人体总质量的61.64%；K2为腰部刚度和Z2阻尼系数，M1、K1、C1分别为座椅质量、座椅刚度和座椅阻尼系数，Z为地板传递给座椅的振动，X1、X2为上躯干和座椅的振动量。根据对M1、M2列动态平衡方程和进行傅里叶变换可得，当座椅和人体腰部的质量，刚度及阻尼系数一定的情况下，知道汽车地板给座椅的振动Z，便可通过函数知道振动传递到腰部的作用情况。在刚度和阻尼系数不好确定的情况下，可以通过实验，实测不同振动频率下腰部的振动加速度通过牛顿第二定律F=ma来确定作用在腰部的力。

2 试验方法： 控制变量法和重复实验法

实验设备主要采用INDAS—9012UG振动测试系统，结合IC加速度传感器、INDAS—Display车速仪、装有汽车平顺性试验软件及液压伺服系统和控制系统的电脑组成。

我们首先选用合适的受试者，能清楚地反映自己的主观感受，便于進行实验数据的记录。为了控制试验结果的准确性，我们选用使用年限为4年的一汽马自达6作为实验车型。试验采用传感器围绕腰椎病患者腰部三点分布和Z轴垂直分布相结合的传感器布置方式，通过对两者的实验数据相结合比对的方法对数据进行处理，整理出最贴合实际的实验数据。通过实验数据的直观展示和不同振动频率下的人的主观感受总结出腰椎病患者的腰部受力情况。

3 实验数据

我们在此综合选用一组整理出的实验数据，详见表1。

在振动测试和试验中，关于振动信号的时域和频域处理方面，实验者感受和记录的通常是被测目标在某些位置振动大小随时间的变化规律，是被研究对象综合振动情况所展示的结果，我们需要运用MATLAB编程对振动信号进行主要是傅里叶变换以及一系列求积分的处理，从而获得最终的振动信号。

4 实验结果分析加权

加权振级和加权加速度均方根值与腰椎病患者主观感觉之间的关系，详情见表2。

5 改进措施

（1）合理选择座椅的制作材料，应选用质地相对柔软的椅面减震材料，加大人体与椅面的接触面积，分散应力的分布，使人椅处于一个相对配合的状态。

（2）对腰部提供背面支撑，减轻腰椎向前弯曲的形变量，使腰背角在20°左右，避免加权振级超过120dB，尽量使得腰部处于一个受力均衡的状态。

（3）在路况、车体、人体的结合状态下，在汽车的悬架位置加装与座椅振动特性相似的阻尼减震装置，避免将与脊柱共振段频率相似的冲击传至人体。

（4）避免激烈的驾驶体验，适时更换坐姿，减少冲击对于腰部的伤害。

参考文献

[1] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2] 陈家瑞.汽车构造（下册）[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3] 长春汽车研究所.GB 4970-1996，汽车平顺性随机输入行驶试验方法[S].北京：中国标准出版社，1996.

[4] 戚基艳.汽车驾驶疲劳分析及其监测[J].汽车科技， 2011（1）：34-38.

[5] 刘军，孔德刚，刘立意，等.拖拉机座椅振动对驾驶员腰部疲劳影响研究——以积分肌电值和主观感受评价值为指标[J].农机化研究，2011（1）：53-56.

[6] 李建平.汽车驾驶员腰部振动响应特性分析[D].山东大学，2012.