1、创新与实践TECHNOLOGY AND MAKETVol30，No2，2023客室座椅结构优化及其人机工程学研究沈裕文，吴植森(中车株洲电力机车有限公司工业设计研究所，湖南 株洲 412000)摘要:针对现有客室座椅结构，提出一种新的优化方案，并用有限元方法验证了新座椅结构的安全性。同时，用人机工程的思想推导了客室座椅椅面的理想断面，结合计算机仿真技术检验了座椅椅面尺寸的人机工程学性能，并指出有待改善的断面尺寸。关键词:客室座椅;结构优化;人机工程学doi:10 3969/j issn 1006 8554 2023 02 0070引言近年来，很多城市大力发展城市轨道交通，地铁车辆以其方便、快捷
2、、安全、准时以及绿色环保等特点在城市交通运输中扮演越来越重要的角色1。客室座椅是地铁车辆重要的结构部件，它一般安装在车体的侧墙或地板上，由于其结构比较庞大，而安装空间相对狭小，现有的客室座椅安装和拆卸都比较困难。出于设计统型和成本考虑，各车型客室座椅椅面均采用相同截面形状，且并未对座椅椅面尺寸进行人机工程学分析。鉴于此，本文提出一种客室座椅的结构优化方案，并通过理论分析和计算机仿真两方面检验该方案的安全可靠性以及人机工程学性能。1现有客室座椅的结构客室座椅按照其布置可分为纵向、横向和横纵交错 3 种形式。纵向座椅一般是 6 人座椅，主要由椅面、骨架和端板组成。椅面的作用是为乘客提供舒适感的乘坐
3、界面，骨架的作用是提供座椅安全的承载结构，端板的作用主要是使座椅整体看起来更加美观。目前的座椅都是将椅面、骨架和端板做成一个整体的结构，如图 1 所示。椅面端板骨架图 1客室纵向座椅结构座椅与车体的安装接口在座椅的背部和底部，这样的结构使得座椅在安装的过程中很不方便，工人在安装过程中必须钻入座椅底部，单手伸入座椅背面作业(见图 2)。为使座椅的结构更加简单和便于装卸，需要对座椅结构进行重新设计。图 2座椅安装现场2新座椅设计新座椅的设计思路主要基于两点:第一，参考德国柏林轨道交通车展上客室座椅的结构，设计新的座椅结构;第二，新的座椅结构能够满足强度要求，从而保证乘客安全。2.1座椅结构设计参考
4、德国柏林轨道交通车展座椅悬挂方式(见图 3)，将整个座椅分开来拆装，底下安装支座，支座与车体侧墙通过紧固件固定。装好支座后将椅面骨架安装到支座上，这样便于座椅的拆装。参照这个结构，建立改进座椅的三维模型(见图 4)，爆炸视图如图 5 所示。新型座椅由 4 个加强座、3 根加强的角82技术与市场创新与实践2023年第30卷第2期钢、4 个支座、4 个连接件以及 1 张椅面组成，其中加强座与角钢焊接成一体，椅面和支座连为一体，这样的结构便于搬运和装卸。安装效果如图 6 所示。图 3柏林车展上的座椅图 4改进座椅的三维模型图 5改进座椅的爆炸视图2.2座椅支架强度校核改进后的座椅骨架结构发生变化，须
5、对其进行强度校核以保证乘客的安全。强度校核采用有限元方法。从座椅结构可知，座椅承受外力最大的部位是座椅支座，所以为节省计算资源，仅对座椅支座进行有限元分析。将座椅支座模型导入 SolidWorks 软件中，赋予材料为铝合金 6063 T3，进行有限元强度校核仿真，得到支座应力云图(见图 7)，竖直方向位移如图 8 所示，综合安全系数云图如图 9 所示。图 6座椅安装效果模型名乐：14zuoyi算例名称：算例1图解类型：静态 节应力 应力1变形比例:11464416.31342383.01220349.81098316.6976283.4854250.1732216.9610183.748815
6、0.5366117.3244084.0122050.817.6von Mises(N/m2)屈服力：215000000.0图 7座椅支座有限元分析应力云图模型名乐：14zuoyi算例名称：算例2图解类型：静态位移 位移1变形比例:1URES(nm)4.608e-0024.224e-0023.840e-0023.456e-0023.072e-0022.688e-0022.304e-0021.920e-0021.536e-0021.152e-0027.679e-0033.840e-0031.000e-030图 8座椅支座有限元分析位移云图模型名乐：14zuoyi算例名称：算例1图解类型：安全系数
7、安全系数1准则：自动安全系数分布：最小安全系数=1.5e+002安全系数100.0091.6783.3375.0066.6758.3350.0041.6733.3325.0016.678.330.00图 9座椅支座有限元分析安全系数云图92创新与实践TECHNOLOGY AND MAKETVol30，No2，2023由图 7 8 可知，改进后座椅采用铝合金型材支座完全满足强度要求。3椅面尺寸的人机工程学研究3.1椅面尺寸的人机工程学设计座椅椅面是人接触座椅的直接界面，座椅结构的合理性直接关系到乘客乘坐的舒适性。国外地铁车辆的内装设计已经广泛引入人机工程学思想，以提高乘客乘坐的舒适性。本文将根据
8、国家技术监督局颁布的 GB 100001988中国成年人人体尺寸 标准中成年人体尺寸的百分位数，确定以下 5 个地铁车辆客室纵向座椅的基本尺寸范围2。3.1.1座椅坐面宽度座椅坐面宽度根据人体坐姿臀部宽度设计，采用第 95 百分位数(见表 1)，另外加适当修正量，最终设计尺寸根据下式确定3。设计尺寸=人体尺寸百分位数+功能修正量+心理修正量式中:功能修正量指人体在不同着装和姿态时的尺寸修正量;心理修正量是指为克服人们乘车时产生的空间压抑感的修正量。表 1成年人体第 95 百分位坐姿臀宽单位:mm性别年龄18 60(55)岁 18 25 岁26 35 岁36 60(55)岁男3553453513
9、61女382368381390由表 1 可知，成年人体第 95 百分位数下坐姿臀宽最大值 390 mm，加上适当的修正量后，座椅宽度可取 430 450 mm，考虑到客室座椅有 2 人、3 人、6 人座椅等，以 6 人联排无扶手座椅为例，座椅宽度以宽为好，综合考虑空间因素，6 倍坐宽应大于 2 580 mm，可取值 2 580 2 700 mm。3.1.2座椅坐深如果座椅太深，则乘客不能轻易靠上座椅靠背，所以座椅的深度根据 GB 100001988 采用成人人体第 5百分位坐深设计(见表 2)。表 2成年人体第 5 百分位人体坐深单位:mm性别年龄18 60(55)岁 18 25 岁26 35
10、 岁36 60(55)岁男421423421420女401401403400由表 2 可知，成年人体第 5 百分位人体坐深最小值为 401 mm，加上适当的功能修正量后，可取值在410 430 mm。3.1.3椅面高度椅面高度根据小腿加足高高度确定，主要是确定座椅前沿距地面高度，应该选用第 5 百分位数，因为如果座椅过高，人大腿会受到较大的压力。由表 3 可知，成年人体第 5 百分位小腿加足高最小值为 338 mm，加上适当的修正量后，座椅高度应大于 350 mm。表 3成年人体第 5 百分位小腿加足高单位:mm性别年龄18 60(55)岁 18 25 岁26 35 岁36 60(55)岁男3
11、83386384386女3423463453383.1.4靠背高度根据人体坐姿肩高确定，考虑到间距问题，采用第 95 百分位数。由表 4 可知，成年人体第 95 百分位数坐姿肩高最大值为 642，加上适当修正量后，可取座椅高度值为 650 670 mm。表 4成年人体第 95 百分位坐姿肩高单位:mm性别年龄18 60(55)岁 18 25 岁26 35 岁36 60(55)岁男641641642639女5945935965923.1.5靠背与椅面夹角根据人机工程学原理，设计座椅时，为保持脊柱正常的生理曲线以减少疲劳，人应该背靠在座椅靠背上使身体处于放松状态。文献 4指出座椅采用有腰靠而无头靠
12、的靠背时，靠背与座椅面的夹角在105 108最为合适。现有座椅椅面截面尺寸如图 10 所示，其中座椅椅面高度、坐深以及 6 人座椅宽度(2 710 mm)，符合以上分析的取值范围，而座椅靠背高度、靠背与椅面间夹角由于车体要装较大侧窗和横向空间有限的影响，尺寸较理想值偏小。3.2座椅人机工程学仿真将建立的座椅三维模型导入 CATIA 软件，利用03技术与市场创新与实践2023年第30卷第2期CATIA 软件中的人机工程模块建立适当的人体模型5，并将人体模型置入座椅上(见图 11)。图 10座椅截面尺寸图 11座椅的人机工程模型调整好人体模型大腿与座椅面之间、背部与座椅靠背之间的相应位置，对人体模
13、型进行快速上肢分析得到分析结果(见图 12)，结果显示得分为 3 分，即座椅上乘客不会产生明显的不适感，但还有改善的空间。其中，手臂和手腕、颈部和脊柱部位得分为 3 分，需要改善。结合本文对座椅尺寸的人机工程学分析可以认为:当人坐在座椅上时，颈部和脊柱部分的生理情况与座椅靠背高度以及靠背和椅面之间夹角有直接关系。而前面分析已经指出，现有座椅面靠背高度及靠背倾角较人机工程理论计算结果偏小。因此，在进行座椅设计时，应更加重视座椅的这 2 个尺寸的设计值。图 12人机工程学快速上肢分析结果4结语本文通过改进地铁车辆客室座椅结构，得到一种结构简单、装卸方便的客室座椅，并用有限元方法验证了这种结构的可靠
14、性。与此同时，根据成年人人体尺寸标准推导了座椅椅面的理想尺寸，对比了笔者所在公司现有座椅的椅面尺寸后，运用人机工程学软件进行座椅人机工程学分析。得到的仿真结果表明:现有座椅椅面尺寸基本合理，但在座椅的靠背高度以及靠背倾角方面仍有改进的空间，为以后的座椅设计者提供了一定的设计参考。参考文献:1孙丽萍，王立国 地铁车辆内装设计人机工程学分析 J 大连交通大学学报，2010，31(2):15 19 2 国家 技 术 监 督 局 中 国 成 年 人 人 体 尺 寸:GB/T100001988 S 北京:中国标准出版社，1998 3 丁玉兰 人机工程学 M 北京:北京理工大学出版社，2005 4 周美玉 工业设计应用人类工程学 M 北京:中国轻工业出版社，2001 5刘凤山，刘召杰，李梅 基于 CATIA 软件的人机工程设计中的作业姿态分析 J 科技与企业，2012(5):78 79作者简介:沈裕文(1986)，男，湖南湘潭人，硕士研究生，工程师，从事轨道交通车辆内装结构设计工作。13
