腰椎病患者汽車座椅震動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：汽車座椅是集人機工程學、機械振動、力學分析，控制工程等為一體的系統工程產品。車輛行駛時，駕駛員在坐姿條件下，腰椎承受大部分的受力，極易發生退變和疲勞損傷，而腰椎病患者表現得尤為突出。本文通過對腰椎病患者在不同動力學參數的實測結果，總結出腰椎病患者的主觀感受和加權振級的關系，提出合理的解決方案以提高腰椎病患者的乘車舒適性或者減輕非腰椎病患者的乘車腰部疲勞。

關鍵詞：腰椎病患者 腰部 受力分析 解決方案

中圖分類號：U463.33 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（a）-0126-02

腰椎病駕駛員在實際行駛過程中，支撐其身體的主要結構是脊柱，盆骨、腿和腳等。由于腰椎位于整個脊柱結構的底部，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，同時還要實現彎腰扭轉等一系列動作，生理活動范圍較大，腰椎的運動和穩定性顯得尤為重要。腰椎前方的肌肉包括腹外斜肌、腹內斜肌、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、最長肌和棘肌。當外界載荷作用在腰部時各關節部分之間并不是簡單地摞列的關系。振動過程中的受力作用線位于脊柱前，通過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收縮產生反作用力矩維持腰椎的穩定，因此極易造成退變和疲勞損傷，因此人體腰椎的振動生物力學研究顯得尤為重要。

1 對腰椎的生物力學研究

（1）建立人體振動模型：在綜合大量有關人體全身振動研究成果的基礎上，國際標準化組織（ISO）制定并逐步修訂形成了ISO2631—1：1997（E）《人體承受全身振動評價——第一部分：一般要求》，此標準對于評價長時間作用的隨機振動和多輸入點多軸向振動環境對人體的影響時，能與主觀感覺更好地符合。我國對相應標準進行修訂，公布了GB/T 4970—1996《汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》和人體振動模型的建立方法。

（2）建立腰部振動模型：在研究實際情況下腰椎病患者即駕駛員腰部的振動響應特性，我們將腰椎以上近似地等效分為一個質量塊，質量塊作用在第一腰椎上，通過韌帶肌肉椎間盤以此往下傳，直到第五腰椎上，中間韌帶肌肉椎間盤等效為彈簧，起到阻尼的作用。盆骨和座椅接觸，由于座椅是非剛性的，因此也可以看成質量塊阻尼系統。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量，坐姿下約占人體總質量的61.64%；K2為腰部剛度和Z2阻尼系數，M1、K1、C1分別為座椅質量、座椅剛度和座椅阻尼系數，Z為地板傳遞給座椅的振動，X1、X2為上軀干和座椅的振動量。根據對M1、M2列動態平衡方程和進行傅里葉變換可得，當座椅和人體腰部的質量，剛度及阻尼系數一定的情況下，知道汽車地板給座椅的振動Z，便可通過函數知道振動傳遞到腰部的作用情況。在剛度和阻尼系數不好確定的情況下，可以通過實驗，實測不同振動頻率下腰部的振動加速度通過牛頓第二定律F=ma來確定作用在腰部的力。

2 試驗方法： 控制變量法和重復實驗法

實驗設備主要采用INDAS—9012UG振動測試系統，結合IC加速度傳感器、INDAS—Display車速儀、裝有汽車平順性試驗軟件及液壓伺服系統和控制系統的電腦組成。

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，便于進行實驗數據的記錄。為了控制試驗結果的準確性，我們選用使用年限為4年的一汽馬自達6作為實驗車型。試驗采用傳感器圍繞腰椎病患者腰部三點分布和Z軸垂直分布相結合的傳感器布置方式，通過對兩者的實驗數據相結合比對的方法對數據進行處理，整理出最貼合實際的實驗數據。通過實驗數據的直觀展示和不同振動頻率下的人的主觀感受總結出腰椎病患者的腰部受力情況。

3 實驗數據

我們在此綜合選用一組整理出的實驗數據，詳見表1。

在振動測試和試驗中，關于振動信號的時域和頻域處理方面，實驗者感受和記錄的通常是被測目標在某些位置振動大小隨時間的變化規律，是被研究對象綜合振動情況所展示的結果，我們需要運用MATLAB編程對振動信號進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信號。

4 實驗結果分析加權

加權振級和加權加速度均方根值與腰椎病患者主觀感覺之間的關系，詳情見表2。

5 改進措施

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

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

（3）在路況、車體、人體的結合狀態下，在汽車的懸架位置加裝與座椅振動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，適時更換坐姿，減少沖擊對于腰部的傷害。

參考文獻

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