基于人機工程學的地鐵客室零部件實驗設計

丁佳慧 李廣軍 毛湘文

摘要：以地鐵客室零部件為研究對象，基于人機工程學對地鐵客室零部件進行了機械設計，開展有關軌道車輛工程專業的相關教學實驗。運用CATIA軟件零件設計模塊建立地鐵客室零部件模型，并運用人機工程學設計與分析模塊，模擬乘客現實乘車場景，通過評價乘客不同姿態的舒適度，分析地鐵客室零部件模型設計的合理性。設計的客室座椅能夠保證中國江蘇[P95]男性和[P5]女性舒適地乘坐，能滿足絕大多數乘客乘坐的需要;設計的吊環中心線高度為1 710 mm，能夠保證[P1]女性正常且舒適抓握吊環;橫扶手高度為1 860 mm，不但能夠保證[P50]女性正常且舒適抓握橫扶手，并且能保證[P99]男性頭部不碰及橫扶手，可以無障礙通行。因此，地鐵客室零部件機械設計符合人體舒適度要求，地鐵客室零部件模型設計合理，對于軌道車輛工程專業的相關教學實驗具有一定的應用價值。

關鍵詞：地鐵客室零部件;機械設計;CATIA;舒適度;教學實驗

近年來，世界各國在地鐵設計中相繼運用人機工程學。日本鐵道綜合技術研究所一直致力于研究車輛行駛的安全性和舒適性，取得了豐碩的研究成果。[1]例如，日本大阪地鐵對男女性抓握扶手姿勢進行研究，結果顯示男性乘客習慣手臂上舉高的姿勢，而女性乘客習慣手臂低處抓握扶手的姿勢。[2]韓國浦項科技大學對其本國車輛內飾的設計研究，提出了一種車輛座椅與布局設計的系統方法。[3]還有BERKOVICH A等[4]運用觀察采樣法研究紐約地鐵內室布局設計與乘客座位偏好之間的關系，并提出布局設計的改進意見。PARK S J運用體壓測試、主觀不適評定量表和人體測量數據，對地鐵座椅尺寸和不舒適度進行分析和評估。[5]

我國地鐵車輛內飾設計相對于國外而言起步較晚，目前已經有文獻進行了研究[6-15]：文獻【6】運用人機工程學原理分析地鐵內裝設備的布局設計和尺寸設計;文獻【7】將車輛內飾設計與城市居民的出行行為相結合進行人因分析;文獻【8】提出基于乘坐體驗的車廂內裝設計方法;文獻【9】通過多種空間變化手段探討地鐵車廂內部空間布局的設計;文獻【10】利用CATIA軟件對地鐵座椅、扶手進行人機工程分析，并提出了尺寸參考值;文獻【11-15】分別給出了進行地鐵車輛內飾設計的一些標準。分析國內外地鐵內飾零部件設計研究現狀，為基于人機工程學的地鐵客室零部件實驗設計提供了參考。

1? ? 地鐵客室零部件實驗設計步驟

應用計算機三維人機互動設計軟件CATIA設計地鐵客室零部件實驗系統，進而對實驗系統進行舒適度評估。其設計具體流程如圖1所示：步驟1，運用我國地鐵內飾設計尺寸選取原則和設計所需要的人體尺寸，確定座椅等零部件設計參數;步驟2，運用CATIA零件設計模塊建立座椅等零部件;步驟3，將各零部件進行裝配，地鐵零部件實驗系統設計初步完成;步驟4，置入不同百分位數假人，評估地鐵零部件實驗系統舒適度;步驟5，若評估合格，則設計完成，反之，則進行系統修正。

2? ? 地鐵客室關鍵零部件設計

地鐵客室零部件設計包括人機系統性能靜態實驗和人機系統虛擬設計評價實驗，如：對影響客室座椅、吊環、扶手等有關安全性與舒適性關鍵因素的設計和人機工程學評價。

2.1? ?客室零部件人機系統性能靜態實驗

2.1.1客室座椅安全性與舒適性設計

設計地鐵無扶手座椅需根據我國地鐵客室內飾設計尺寸選取原則[5-6]和座椅設計所需要的人體尺寸，選取相應的人體百分位，如表1、表2所示。

根據表1、表2可知，18～60（18～55）歲第95百分位人體水平尺寸坐姿臀寬取382 mm，18～60（18～55）歲第5百分位坐姿人體尺寸坐深取421 mm， 坐姿肩高取557 mm。綜合考慮著衣褲修正量和適當的心理修正量，座椅寬度取450 mm，座椅長度取515 mm，座椅高度取510 mm。利用CATIA軟件的草圖設計模塊，設計客室座椅模型的斷面尺寸，如圖2所示。

座椅寬度為450 mm，座椅長度為515 mm。由于設計的座椅是有腰靠而無頭靠的靠背，為了吻合人體脊柱正常的生理曲線，座椅高度為510 mm，靠背的高度為268 mm，能達到支撐人體的最佳效果，靠背與座椅面的夾角在105°～108°最為舒適。

2.1.2吊環和扶手安全性與舒適性設計

設計地鐵吊環和扶手時需考慮以下兩個問題：（1）保證小個子女性乘客站立時抓握吊環;（2）保證大個子男性乘客站立時頭不碰及橫桿。

通過分析發現，橫扶手中心線高度需大于1 856.5 mm，吊環中心線高度需小于1 716 mm。設計的吊環和扶手如圖3所示，其中：橫扶手中心線高度為1 860 mm，該高度處于女性雙臂功能上舉高第50百分位附近，且滿足幾乎所有男性的抓握要求;吊環中心線高度為1 710 mm，滿足幾乎所有女性的抓握要求;設計橫豎扶手的斷面直徑尺寸為35 mm。

2.2? ?地鐵車輛零部件虛擬設計評價

利用CATIA人機工程學設計與分析模塊，構建不同百分位人體模型，以中國江蘇成年人1、5、50和95百分位標準數據為基礎，直接應用于地鐵客室零部件人機系統的虛擬設計評價中。模擬乘客現實乘車場景，如圖4所示。在地鐵客室零部件實驗系統中建立中國江蘇第[P95]男性人體模型、第[P5]女性人體模型、第[P1]女性人體模型、第[P50]女性人體模型各一名，通過姿態舒適度分析：該試驗系統座椅的舒適值分別為95.6%和94.5%，保證[P95]男性和[P5]女性能夠舒適地乘坐，以滿足絕大多數乘客乘坐的需要，如圖5、圖6所示;吊環中心線高度為1 710 mm時，該試驗系統吊環的舒適值為74.8%，能夠保證[P1]女性正常且舒適抓握吊環，如圖7所示;橫扶手高度為1 860 mm時，該試驗系統橫扶手的舒適值為74.8%，不但能夠保證[P50]女性正常且舒適抓握橫扶手，如圖8所示，并且能保證[P99]的男性頭部不碰及橫扶手，可以無障礙通行。

3? ? ?結論

本文基于人機工程學，利用CATIA軟件進行地鐵客室零部件實驗設計。該設計包括人機系統性能靜態實驗和人機系統虛擬設計評價實驗兩部分。首先，參考我國地鐵內飾設計尺寸選取原則和設計所需要的人體尺寸，確定座椅等零部件設計參數，并運用CATIA軟件零件設計模塊建立地鐵車輛零部件模型;然后，以中國江蘇為例，運用人機工程學設計與分析模塊，構建不同百分位數人體模型，模擬乘客現實乘車場景，評價乘客乘坐地鐵不同姿態的舒適度，分析地鐵客室零部件模型設計的合理性。結果表明：地鐵客室零部件設計符合中國江蘇地區人體舒適度要求，地鐵客室零部件設計合理，可運用于軌道車輛工程專業的相關教學實驗。通過開展人機系統性能靜態實驗和人機系統虛擬設計評價實驗，結合具體的實驗設計步驟，有利于軌道車輛工程專業學生對所學知識有更為深入的理解，并有利于其掌握設計方法，進而為以后的類似產品設計工作提供幫助。

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