人机工程学在拖拉机驾驶座椅设计上的应用研究 - 图文

1 绪论

1.1课题研究的目的和意义

拖拉机座椅是影响驾驶与乘坐舒适程度的重要设施。舒适而操作方便的驾驶座椅,可以减少驾驶员疲劳程度,降低故障的发生率，拖拉机驾驶员座椅设计优劣与否直接关系到驾驶质量。拖拉机驾驶座椅人机工程学设计目的, 就是使设计出来的座椅能够满足人机工程学标准,这样一来, 所谓拖拉机驾驶座椅人机工程学设计也就转化为针对驾驶员舒适性的设计，当然对于座椅设计来讲, 对其安全性的设计也是不容忽视的。从人机工程学原理出发考虑,一个性能优良的驾驶座椅应当符合的基本要求如下:（1）为驾驶员提供一个舒适而稳定的坐姿, 符合人体舒适坐姿的生理特性; 减轻传给驾驶员身体的机械振动和冲击负荷, 满足振动舒适性评价标准的要求;（2）将驾驶员置于良好视野的位置, 保证他能安全而有效地完成各项操纵作业;为驾驶员提供一个相对于各种操纵机构的合适位置,使他能方便地进行操作;（3）考虑提高驾驶员的人身安全性,当发生翻车或撞车事故时,将驾驶员约束在驾驶座椅上且处于一定的容身空间以内。

驾驶座椅设计的良好与否直接影响着驾乘者的健康。长时间坐在拖拉机座椅中，若是脊椎得不到应有的支持，则腰部就会因弓弯而造成椎骨、椎盘、肌腿的负荷，进而导致慢性肌肉疲劳并产生酸痛;再加上长时间维持相同坐姿，还会造成脊椎压力过大而导致椎间盘突出，若是压迫到神经，容易发生麻痹的想象。然而，在驾乘拖拉机的过程中，脊椎除了不一定保持停滞状态为，也会跟着路况的变化而改变，这些情况下，脊椎的变化也就更加复杂，其所导致坐姿不良的状况，会引起腰酸背疼或慢性的肌肉发炎。由于拖拉机工作环境比较恶劣，对人体健康影响很大。

近些年来，随着我国农业机械化的提高，拖拉机的数目也越来越多。拖拉机作为一种农用机械,其宜人性一直不为人们所关注,以人为本的设计理念没有很好的体现。随着科技的进步、社会的发展及对劳动者健康、生命关注的提高,应当从人机工程学的角度对拖拉机进行设计。

1. 2本课题所涉及的问题在国内(外)研究现状

国外对于座椅的研究比较多，有从整体研究的，也有从座椅的各个侧面作单项研究，各单项包括座高，靠背角，座面倾角，座宽，座深，靠背高度等。有些因家己经制定了相应的标准。国内在标准化研究方面虽然比较晚，但是也推出了不少标准和设计规范。其中主要有:GB10000一88《中国成年人人体尺寸》;GB/T 12552一90《载货拖拉机驾驶员操作

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位置尺寸》;GB/T 12985一91《在产品设计中应用人体百分位数的通则》;GB/T13055一54一91《客车驾驶区尺寸及术语》;GB/T13055一56一91《客车乘客区尺寸及术语》:GBT/13057~58一91《客车驾驶员座椅尺寸规格和技术条件》:GB/T13059一6任一91《客车乘客座椅尺寸规格和技术条件》;GBT/13547一92《工作空间人体尺寸》;GB/T 14776一93《人类工效学一工作岗位尺寸设计原则及其数值》;GBT/14779一93《坐姿人体模板功能设计要求》;GBT/14775一93《操纵器一般人类工效学要求》GB汀6325一1997《农业拖拉机驾驶座及主要操纵装置位置尺寸》;GB/T 14774一93《工作座椅一般人类工效学要求》;GB/T 59n一86《转向盘尺寸》;GB4094一94《拖拉机澡纵件、指示器及信号装置的标志》;GB15082一94《拖拉机用车速表》等等。这些规范和标准多是通过大量统计和实验得出的，具有很高的实用性和权威性，它的制定为设计人机系统提供了依据，是设计人机界面不可缺少的资料和数据来源。 1 人体坐姿生理特性分析

（1）坐姿时脊柱的形态。人坐着时，身体主要由脊柱、骨盆、腿和脚支承。脊柱位于人体的背部中央，是构成人体的中轴。人处于不同的坐姿时，脊柱形态不同，只有座椅的结构和尺寸设计使驾驶员的脊柱形态接近于正常自然状态，才会减少腰椎的负荷以及腰背部肌肉的负荷，防止驾驶疲劳发生。

（2） 坐姿体压分布。当座椅上的人处于坐姿状态时，人的身体重量作用于座垫和靠背上的压力分布称作坐姿的体压分布。可见，坐姿体压分布包括座垫上的体压分布和靠背上的体压分布两部分。

（3） 座垫上的体压分布。根据人体组织的解剖学特性可知，坐骨结节处是人体最能耐受压力的部位，适合于承重，而大腿下靠近表面处因有下肢主动脉分布，故不宜承受重压。据此座垫上的压力应按照臀部不同部位承受不同压力的原则来分布，即在坐骨处压力最大，向四周逐渐减少，自大腿部位时压力降至最低值，这是座垫设计的压力分布不均匀原则。

（3）靠背上的体压分布。靠背上的体压分布也以不均匀分布，压力相对集中在肩胛骨和

腰椎两个部位。从这两个部位向外，压力应逐步降低。 2 环境分析

把驾驶员和座椅组成的系统看作一个典型人机系统，该系统所处的环境对系统中的驾驶员的影响主要体现在振动及温湿度上，具体分析如下：

（1）振动。驾驶员坐在行使中的拖拉机上所承受的振动属于全身振动的范畴。有关研究表明，人体最敏感的频率范围为纵向振动 4-8hz，横向振动1-2hz。当外界振动接近器官的共振频率时，即产生共振，振幅迅速增大，此时引起器官的生理反应最大。振动对驾驶员操作的影响主要表现为视觉作业效率的下降和操作动作准确性变差。当达到一定限度时，皮质细胞的工作强度将减弱，人就会感到疲劳，工作效率明显下降。

（2） 温湿度。人置身于高湿度、高温度的条件下，往往会感到浑身不适、四肢乏力，工

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作不能持久。研究表明 ，驾驶员在驾驶状态下的舒适温度为 １８℃——２３℃，舒适湿度为 ４０％——６０ ％，代谢量为 1.0-2.0met，高于或低于这个范围都会增加驾驶员的疲劳程度。驾驶座椅对驾驶员人体热环境的主要影响因素有：座椅表面的温度和湿度。座椅表面的温湿度特性将影响人体背部、臀部、下体等部位的散热性能及皮肤的呼吸功能，当其温湿度特性与人体生理机能不适应时将引起人体局部不快感，从而加速人体疲劳的形成。

3 座椅尺寸结构设计

（1）座椅尺寸设计。座椅尺寸设计主要参数包括：椅面高度、宽度、深度、椅面倾角；靠背的高度、宽度和倾角。椅面高度 Ａ：椅面高度定义为椅面前缘至驾驶员踵点的垂直距离。在设计时主要考虑到两点：椅面过高会使大腿肌肉受压，椅面过低就会增加背部肌肉负荷。驾驶座椅的椅面高度应低些。椅面宽度 Ｂ：在空间允许的条件下，以宽为好。但对于拖拉机驾驶座椅来讲，驾驶员坐姿单一，不涉及变换姿势，通常设计应以满足最宽人体需要为准。椅面深度 Ｃ：指椅面前缘至靠背前面水平距离。其尺寸应满足：腰部得到靠背的支承；椅面前缘与小腿之间留有适当距离，以保证大腿肌肉不受挤压，腿弯部分不受阻碍。靠背高度 Ｄ 及宽度：靠背的高度和宽度与坐姿肩高和肩宽有关，对于拖拉机驾驶座椅靠背的高度应采取低靠背，最好没有靠枕。靠背倾角 α：靠背倾角是指靠背与椅面水平方向的夹角。椅面倾角 β：指椅面与水平之间的夹角。主要考虑到为了防止人体臀部向前滑动而是椅面前缘向后倾。此角不易过大，否则会增加大腿下平面与座垫前缘的压力，从而减少双脚着地的负荷，阻碍血液循环，引起身心疲劳。通过以上座椅尺寸参数的确定，以保证驾驶员人体脊柱曲线更接近于正常生理脊柱曲线。

（2） 座椅结构设计。为了保证座垫上合理的体压分布，座垫应坚实平坦。太软的椅子容易令使用者曲起身子，全身肌肉和骨骼受力不均，从而导致腰酸背痛的现象的产生。研究表明 ：过于松软的椅面，使臀部与大腿的肌肉受压面积增大，不仅增加了躯干的不稳定性，而且不易改变坐姿，容易产生疲劳。依据靠背上体压分布不均匀原则，在座椅靠背设计时应保证有靠背两点支承即就是人体背部和腰部的合理支承。拖拉机座椅设计时应提供形状和位置适宜的两点支承， 第一支承部位位于人体第 ５——６ 胸椎之间的高度上，作为肩靠； 第二支承设置在腰曲部位，作为腰靠。肩靠能减轻颈曲变形，腰靠能保证乘坐姿势下的近似于正常的腰弧曲线。

（3） 座椅材料选择。座椅材料的选择主要考虑到以下两个方面：振动舒适性以及座椅对人体热环境的主要影响。座椅材料是座椅的主要减振元件，要想使座椅获得较低的振动传递率，使座椅有较高的振动舒适性，必须采用合适的座垫和靠背减振材料 。根据驾驶室的微气候环境，调整座椅表面的温湿度特性，可以适当调节人体代谢，达到减轻疲劳的目的。

4 座椅振动舒适性设计

座椅材料是座椅的主要减振元件，那么在座椅振动舒适性设计时首先要考虑的就是从

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座椅材料的选择上下功夫来保证座椅振动舒适性。

座椅的结构形状也不同程度的影响其振动舒适性。由于椎间盘有较大的压缩潜力和很好的弹性，所以脊柱具有忍受较强的纵向振动的能力。在横向上，脊柱只有前纵韧带分别附在腰间盘的前缘和后缘并起一定的作用。因此，人体脊柱忍受横向力的能力很低。在设计座椅时必须使其具有抵抗横向振动的能力。座椅靠背后倾斜使腰部背部得到依靠，加之靠背衬垫的适度柔软性，致使摩擦力增大，可缓冲横向振动对人体的冲击，同时靠背两侧稍隆起、椅面的形状两边向上隆起，也能减轻人体的横向移动趋势，使人感觉乘坐舒适。 5 座椅空间位置设计

座椅空间位置设计就是为了达到操作舒适性的目标，而进行驾驶座椅空间位置设计以确保驾驶员有良好的视野，同时对拖拉机转向盘、脚踏板等操作部件有恰当的操作要求距离， 以达到操作舒适性的最终目的。 6 座椅安全性设计

（1）主动安全性。主动安全性是指拖拉机驾驶座椅防止事故的能力。拖拉机驾驶座椅的主动安全性设计主要从减轻驾驶员的疲劳入手进行分析设计，以满足主动安全性要求。主动安全性主要考虑合理的座椅尺寸设计、座垫上合理的体压分布、靠背上合理的体压分布等为驾驶员提供一个舒适的作业环境，减轻驾驶员的疲劳，从而保证驾驶座椅主动安全性的设计要求。

（2）被动安全性。被动安全性是指事故发生时，保护乘员的能力。驾驶座椅作为安全部件，是拖拉机被动安全性设计的主要考虑部件之一。考虑提高驾驶员的人身安全性，拖拉机驾驶座椅被动安全性设计目标为：①在事故中要保证驾驶员处在自身的生存空间之内， 并防止其他车载体进入到这个空间；②要保持驾驶员在事故发生时，保持一定的姿态，以使其他的约束系统能充分发挥其保护效能；③在事故中，使得事故后果对驾驶员的伤害降低到最小限度。

（3）安全措施。目前采取的主要安全措施：提高座椅骨架强度，达到拖拉机驾驶座椅强度的要求值；设置座椅安全带，使在紧急制动或正面撞车时不致将驾驶员碰伤；达到一定的阻燃要求，坐垫和靠背材料应达到拖拉机内饰材料燃烧特性技术要求的规定。

1.3本课题研究内容

通过对铁牛—55调研，运用人机工程学原理，针对拖拉机驾驶座椅，从人体测量、生物力学、心理学、机械振动、作业空间等角度分析驾驶疲劳的成因，研究座椅的座高、座宽、座深、座面倾角、靠背高度、靠背倾角等座椅静态参数的选取原则，从坐姿舒适性，振动舒适性，操作舒适性，安全性等方面进行拖拉机驾驶座椅的人机工程设计与创新。

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1.4本章小结

本章主要介绍了本课题研究的意义，主要内容以及本课题在国内外发展现状和发展趋

势。

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（a）人体在靠背上最适宜的体压分布 （b）人体在坐垫上最适宜的体压分布

就座者的骨盆可以比喻为倒立的锥体，椅面接触的主要是臀部两块薄肌肉层下的坐骨。人体大约75%的重量需由骨盆下两块面积为25cm2左右的坐骨支点(薄肌肉层支承)承受。由坐骨向外，压力逐渐减少。为了减少臀部下部的压力，座面一般应设计成软垫，其柔软程度以使坐骨出支承人体的60%左右的重量为宜，采用软性坐垫，增大臀部与座面的

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接触面积，就改善了这种压力集中的现象，使整个臀部均承担体重的压力，减缓坐骨下支点处的疲劳，从而可以延长就座时间。

但是，不论什么座面，保持一种固定的坐姿时间过长，臀部细血管内参加循环的血液量就会减少，控制身体下部生理机能的功能将会下降，这种持续的复合作用在肌肉上会引起挤压疲劳。只有不断地活动身体才能使身体的各个部分延迟疲劳的到来，对于腰肌也是这样，尽管不同的坐姿对腰椎弯曲形状的影响不同，有的小些有的大些，但是不论哪种姿势，长时间采取一种坐姿总会产生静力疲劳。因此，任何一种座椅在设计时都应考虑变换坐姿的可能性。

2.2人体尺寸研究分析

人机工程学范围内的人体形态测量数据主要有两类，即人体构造尺寸和功能尺寸，也就是人体静态尺寸和人体动态尺寸。而针对于座椅设计的人体尺寸相关的主要有人体立姿尺寸和人体水平尺寸。

2.2.1人体静态尺寸

1 人体尺寸百分位数

在工程人体测量中，总是按一定特征(如人种、民族、性别、年龄、职业、工种、地域等)来划分人群，将该人群中测量的人体尺寸数据作统计处理。表征人体尺寸的、最普遍采用的统计量是百分位数。GB/T 10000—1988《中国成年人人体尺寸》提供的人体尺寸基础数值，就是以百分位数表示的。人体尺寸百分位数以符号Pk表示，叫做第k百分位数。它是一个分界值，把从该人群总体测得的人体尺寸全部测量值分为两部分：k%的人体尺寸测量值≤Pk，(100-k)%的人体尺寸测量值>Pk。例如：中国女子身高尺寸的第5百分位数P5是1 510 mm，表示全中国女子中有5%的身高低于1 510 mm，而有95%的身高高于1 510 mm；第95百分位数P95是1 700 mm，表示全中国女子中有95%的身高低于1 700 mm，而有5%的身高高于1 700 mm。

人体静态尺寸，比如身高、体重、腿臂长度等人体主要尺寸和立姿人体尺寸、坐姿人体尺寸以及人体水平尺寸。是建立人体尺寸模型的基础。就是人处于静止状态时的尺寸。国家标准GB10000一88《中国成年人人体尺寸》按照人机工程学的要求提供了我国成年人人体尺寸的基础数据。人体的主要尺寸包括身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长等6项。根据有关统计数据，我国人体基本尺寸见下表。

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年龄分组 数据 百分位数% 项目（mm） 1.1身高 1.2 体重/kg 1.3 上臂长 1.4前臂长 1.5 大腿长 1.6 小腿长 3.1座高 3.2 坐姿颈椎点高 3.3 坐姿眼高 3.4 坐姿肩高 3.5 坐姿肘高 3.6 坐姿大腿厚 3.7 坐姿膝高 3.8 小腿加足高 3.9 座深 3.10 臀膝距 3.11 坐姿下肢长 男（18——60岁） 5 50 95 女（18——55岁） 5 50 95 1583 48 1678 59 1775 75 1484 42 1570 52 1659 66 289 216 428 338 858 615 749 557 228 112 456 383 421 515 921 313 237 465 369 908 657 798 598 263 130 493 413 457 554 992 338 258 505 403 958 701 847 641 298 151 532 448 494 595 1063 262 193 402 313 809 579 695 518 215 113 424 342 401 495 851 284 213 438 344 855 617 739 556 251 130 458 382 433 529 912 302 234 476 375 901 657 783 594 284 151 493 405 469 570 975 18

4.4.1 胸宽 4.4.3 肩宽 4.4.4 最大肩宽 4.4.5 臀宽 4.4.6 坐姿臀宽 4.4.7 坐姿两肘间宽 253 344 398 282 295 371 280 375 431 306 321 422 315 403 469 334 355 489 233 320 363 290 310 348 260 351 397 317 344 404 299 377 438 346 382 478

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主要参考文献

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[30] 孙凌玉,陈全世.人机工程学在轿车车身安全性设计中的应用.中国公路学报, 2001

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致谢

在论文即将结束之际，我要向在本学期的学习中给与我悉心关怀和指导的陈永成老师致以深深的敬意和谢意，正是在他的关心和帮助之下我才能够不断的成长和进步，感谢他在百忙中对论文存在的问题提出了有益的看法并作了深入的分析，令论文改进很多。而且他严肃认真的治学作风也令我肃然起敬。

同时我还要感谢四年来我所有的带课老师，是他们把知识毫无保留的传授给我们，是他们辛勤的劳作才使得我们有了学习知识的可能，他们是我学习道路上的指引人。我以后会更加努力的学习，掌握科学知识为社会为国家为人民做出自己应有的贡献。

最后还要感谢我的同班同学们，感谢他们在学习中给我的支持，感谢他们在生活中给我带来的快乐，并由衷的祝愿他们前程远大，事业有成!

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2.2.2人体动态尺寸

人在各种工作时都需要有足够的活动空间。工作位置上的活动空间设计与人体的功能尺寸密切相关，人体活动空间尺寸(动态尺寸)是相对于人体静态尺寸而言的。人体静态尺寸不考虑人的姿态与活动。人体活动空间尺寸，指人体肢体末端能够达到的三维空间范围，着眼于人的日常姿态与活动需要。人体静态尺寸参数虽然可以解决不少工业产品造型设计中有关人体尺寸的问题，但是人在操纵设备或从事某种作业时并不是静止不动的。因此，人们更关心的是以不同姿态工作时人体的手、脚能活动的范围。可及度是指在空间特定位置，通过改变手臂或腿部的方向及伸展长度，手或脚是否能够触及空间内某一物体的评价指标。常用活动尺度表的绘制，是检验可及度的主要手段，是产品设计不可或缺的重要依据之一。

（1）立姿活动空间

立姿时人的活动空间不仅取决于身体的尺寸，而且也取决于保持身体平衡的微小平衡动作和肌肉松弛脚的站立平面不变时，为保持平衡必须限制上身和手臂能达到的活动空间。

2.2.3人体坐姿功能尺寸

所谓产品功能尺寸是指以人体尺寸参量为基础，考虑该产品的某项功能相对人体尺寸

参量做修改的产品尺寸。

国家标准规定了不同身高等级的成年人坐姿功能尺寸设计的基本条件、功能尺寸、关节功能活动角度、设计图和使用要求。主要用人体模版来设计和确定坐姿条件下的座椅、工作面、支撑面、调节配件配置是的功效学要求。下表是人体模版功能尺寸设置。

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2.4本章小结

本章从人体生物学和解剖学，以及人体与座椅的人机关系入手，主要探讨了参与坐姿的各部分的生理特征，其中详细研究了脊椎的结构形态和功能。同时进行了尺寸研究，人体静态尺寸，动态尺寸和人体功能尺寸研究分析。

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3 座椅的人机工程分析

3.1座椅的现状研究

首先国产拖拉机多是国内企业与国外企业合资的产品大部分车型都是借鉴国外的同型拖拉机的技术开发设计而成，不论主要零部件，还是关键技术、工艺，甚至是座椅的外形尺寸都一并借鉴过来。而国外同型拖拉机座椅的外形尺寸都是根据欧美人的体形而设计的，中国人和欧美人在人体结构尺寸上存在着较大的差别，主要反映在拖拉机座椅上，因此，中国用户乘坐国产经济型拖拉机感觉极不舒适，这一缺点反映出国产经济型拖拉机生产厂家对国外拖拉机技术的引进停留在简单仿制阶段。

其次，国产拖拉机座椅多采用价格低材料。这主要是拖拉机生产厂家对经济型拖拉机概念的误解，拖拉机不仅仅价格低，更不是低质低价的代名词，经济型拖拉机应该是老百姓的价格、配置上的实用和造型上的新颖这三大特点的集中体现。

再次，国产拖拉机的座椅调整不方便且极易出现故障。可调性好的座椅，可以使乘坐者根据自己的体形特点和就座习惯调整拖拉机座椅，使乘客在拖拉机驾驶过程中获得最满意的乘坐效果，并最大限度地减轻驾驶员在长时间、长距离驾驶中的疲劳。

国外对于座椅的研究比较多，有从整体研究的，也有从座椅的各个侧面作单项研究，各单项包括座高，靠背角，座面倾角，座宽，座深，靠背高度等。有些因家己经制定了相应的标准。虽然如此拖拉机座椅中存在的问题仍然不少。

3.2现代座椅的设计和使用情况调查分析

3.2.1座椅的设计现状

有一些拖拉机生产厂本身有自己的座椅研发机构，他们的座椅在自己的实验室中应用自己研发的软件进行设计:应用工程软件确定坐姿的主要压力集中部分，在电脑中形成座椅的压力条，用压力条构造拖拉机的大体框架，然后送入造型部门，进行外观造型设计。而国内的座椅设计一般没有自主开发的能力，而且拖拉机生产厂不允许对于座椅做改动，因此只能对于原有的座椅做尺寸上的调整，调整后的座椅经过整车的“路试”来测试座椅的性能。是一个反复的大量的工作。这样带来的缺点主要有两个:一、对原有设计的改造只是针对尺寸方面的，势必破坏原来的功能部分的设计。二、“路试”的结果主要是由进行实验的工作人员的主观感受来衡量的，主观性太强。三、“路试”工作反复、繁重，不能满足当今数字化设计的速度。

国内拖拉机座椅生产商根据车型的不同和内部空间的大小选择特定的骨架进行设计。

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因此局限性比较大。座椅的构造由三部分组成:骨架、内部填充物(发泡)、外部材料(布料或是真皮)，另外针对不同功能和需要加入一些电子设备，方面座椅的调节。

3.2.2现代座椅使用中存在的主要问题

一、以往我国的拖拉机设计大都是引进国外的设计参数，对我们国家人的身体情况考虑少。随着拖拉机消费量的增加，驾驶室中不符合人机工程原理的缺点不断显现出来，成为影响驾驶员身体健康、发生车祸的隐患。例如:拖拉机座椅的靠背上方都有一道鼓起来的凸包。对于大多数的中国人来说，这个凸包常常是顶在后脑勺，使得身体后靠在椅背时，不得不稍稍低头。从设计上来说，这道凸包本来是用来垫靠颈部凹处，使人的头颈更舒服的。问题的出现是由于这些座椅的设计和生产直接从国外引进，而生产者又没有重新考虑中西方人在身材方面的不同，尺寸上完全照搬。结果西方人垫颈的凸包就顶住了我们的后脑勺。

二、现有座椅虽然都有调节机构，但也只能进行有限的机械式的调节。比如:大多数经济型拖拉机的腰靠部分，只能进行简单的弹出和落下的操作，实现的作用仅仅是座椅腰靠有无的问题。并不能够按照不同身高尺寸的脊椎特征来进行高低的调节。我们知道腰靠的作用主要是为了保证腰椎前弯，使得椎间盘受力均匀。减缓坐姿带来的压力。如果腰部脊椎骨后曲，造成脊椎中的椎间盘受力不均，从而引起腰痛、腿酸等许多疾病，严重者甚至瘫痪。人的乘坐姿势正确与否，直接影响健康。随着人体的高度变化，骨盆高度有所变化。腰部脊椎前弯点的高度因人而异。

驾驶操作人员普遍反映，座椅的头枕在驾车过程中并无实际意义，驾驶拖拉机时如果有扶手会给驾驶过程带来麻烦，好多驾驶座椅没有腰靠或者腰靠位置设计的不合理，经过长时间的驾乘，司机会感到肩酸和颈痛。

3.3铁牛—55调研分析

下图为铁牛—55座椅尺寸图

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