客室座椅結構優化及其人機工程學研究

沈裕文，吳植森

(中車株洲電力機車有限公司工業設計研究所，湖南 株洲 412000)

0 引言

近年來，很多城市大力發展城市軌道交通，地鐵車輛以其方便、快捷、安全、準時以及綠色環保等特點在城市交通運輸中扮演越來越重要的角色[1]。客室座椅是地鐵車輛重要的結構部件，它一般安裝在車體的側墻或地板上，由于其結構比較龐大，而安裝空間相對狹小，現有的客室座椅安裝和拆卸都比較困難。出于設計統型和成本考慮，各車型客室座椅椅面均采用相同截面形狀，且并未對座椅椅面尺寸進行人機工程學分析。鑒于此，本文提出一種客室座椅的結構優化方案，并通過理論分析和計算機仿真兩方面檢驗該方案的安全可靠性以及人機工程學性能。

1 現有客室座椅的結構

客室座椅按照其布置可分為縱向、橫向和橫縱交錯3種形式。縱向座椅一般是6人座椅，主要由椅面、骨架和端板組成。椅面的作用是為乘客提供舒適感的乘坐界面，骨架的作用是提供座椅安全的承載結構，端板的作用主要是使座椅整體看起來更加美觀。目前的座椅都是將椅面、骨架和端板做成一個整體的結構，如圖1所示。

圖1 客室縱向座椅結構

座椅與車體的安裝接口在座椅的背部和底部，這樣的結構使得座椅在安裝的過程中很不方便，工人在安裝過程中必須鉆入座椅底部，單手伸入座椅背面作業(見圖2)。為使座椅的結構更加簡單和便于裝卸，需要對座椅結構進行重新設計。

圖2 座椅安裝現場

2 新座椅設計

新座椅的設計思路主要基于兩點：第一，參考德國柏林軌道交通車展上客室座椅的結構，設計新的座椅結構；第二，新的座椅結構能夠滿足強度要求，從而保證乘客安全。

2.1 座椅結構設計

參考德國柏林軌道交通車展座椅懸掛方式(見圖3)，將整個座椅分開來拆裝，底下安裝支座，支座與車體側墻通過緊固件固定。裝好支座后將椅面骨架安裝到支座上，這樣便于座椅的拆裝。參照這個結構，建立改進座椅的三維模型(見圖4)，爆炸視圖如圖5所示。新型座椅由4個加強座、3根加強的角鋼、4個支座、4個連接件以及1張椅面組成，其中加強座與角鋼焊接成一體，椅面和支座連為一體，這樣的結構便于搬運和裝卸。安裝效果如圖6所示。

圖3 柏林車展上的座椅

圖4 改進座椅的三維模型

圖5 改進座椅的爆炸視圖

圖6 座椅安裝效果

2.2 座椅支架強度校核

改進后的座椅骨架結構發生變化，須對其進行強度校核以保證乘客的安全。強度校核采用有限元方法。從座椅結構可知，座椅承受外力最大的部位是座椅支座，所以為節省計算資源，僅對座椅支座進行有限元分析。將座椅支座模型導入SolidWorks軟件中，賦予材料為鋁合金6063-T3，進行有限元強度校核仿真，得到支座應力云圖(見圖7)，豎直方向位移如圖8所示，綜合安全系數云圖如圖9所示。

圖7 座椅支座有限元分析應力云圖

圖8 座椅支座有限元分析位移云圖

圖9 座椅支座有限元分析安全系數云圖

由圖7～8可知，改進后座椅采用鋁合金型材支座完全滿足強度要求。

3 椅面尺寸的人機工程學研究

3.1 椅面尺寸的人機工程學設計

座椅椅面是人接觸座椅的直接界面，座椅結構的合理性直接關系到乘客乘坐的舒適性。國外地鐵車輛的內裝設計已經廣泛引入人機工程學思想，以提高乘客乘坐的舒適性。本文將根據國家技術監督局頒布的GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》標準中成年人體尺寸的百分位數，確定以下5個地鐵車輛客室縱向座椅的基本尺寸范圍[2]。

3.1.1 座椅坐面寬度

座椅坐面寬度根據人體坐姿臀部寬度設計，采用第95百分位數(見表1)，另外加適當修正量，最終設計尺寸根據下式確定[3]。

表1 成年人體第95百分位坐姿臀寬 單位：mm

設計尺寸=人體尺寸百分位數+功能修正量+心理修正量

式中：功能修正量指人體在不同著裝和姿態時的尺寸修正量;心理修正量是指為克服人們乘車時產生的空間壓抑感的修正量。

由表1可知，成年人體第95百分位數下坐姿臀寬最大值390 mm，加上適當的修正量后，座椅寬度可取430～450 mm，考慮到客室座椅有2人、3人、6人座椅等，以6人聯排無扶手座椅為例，座椅寬度以寬為好，綜合考慮空間因素，6倍坐寬應大于2 580 mm，可取值2 580～2 700 mm。

3.1.2 座椅坐深

如果座椅太深，則乘客不能輕易靠上座椅靠背，所以座椅的深度根據GB 10000—1988采用成人人體第5百分位坐深設計(見表2)。

表2 成年人體第5百分位人體坐深 單位：mm

由表2可知，成年人體第5百分位人體坐深最小值為401 mm，加上適當的功能修正量后，可取值在410～430 mm。

3.1.3 椅面高度

椅面高度根據小腿加足高高度確定，主要是確定座椅前沿距地面高度，應該選用第5百分位數，因為如果座椅過高，人大腿會受到較大的壓力。

由表3可知，成年人體第5百分位小腿加足高最小值為338 mm，加上適當的修正量后，座椅高度應大于350 mm。

表3 成年人體第5百分位小腿加足高 單位：mm

3.1.4 靠背高度

根據人體坐姿肩高確定，考慮到間距問題，采用第95百分位數。

由表4可知，成年人體第95百分位數坐姿肩高最大值為642，加上適當修正量后，可取座椅高度值為650～670 mm。

表4 成年人體第95百分位坐姿肩高 單位：mm

3.1.5 靠背與椅面夾角

根據人機工程學原理，設計座椅時，為保持脊柱正常的生理曲線以減少疲勞，人應該背靠在座椅靠背上使身體處于放松狀態。文獻[4]指出座椅采用有腰靠而無頭靠的靠背時，靠背與座椅面的夾角在 105°～ 108°最為合適。

現有座椅椅面截面尺寸如圖10所示，其中座椅椅面高度、坐深以及6人座椅寬度(2 710 mm)，符合以上分析的取值范圍，而座椅靠背高度、靠背與椅面間夾角由于車體要裝較大側窗和橫向空間有限的影響，尺寸較理想值偏小。

圖10 座椅截面尺寸

3.2 座椅人機工程學仿真

將建立的座椅三維模型導入CATIA軟件，利用CATIA軟件中的人機工程模塊建立適當的人體模型[5]，并將人體模型置入座椅上(見圖11)。

圖11 座椅的人機工程模型

調整好人體模型大腿與座椅面之間、背部與座椅靠背之間的相應位置，對人體模型進行快速上肢分析得到分析結果(見圖12)，結果顯示得分為3分，即座椅上乘客不會產生明顯的不適感，但還有改善的空間。其中，手臂和手腕、頸部和脊柱部位得分為3分，需要改善。

圖12 人機工程學快速上肢分析結果

結合本文對座椅尺寸的人機工程學分析可以認為：當人坐在座椅上時，頸部和脊柱部分的生理情況與座椅靠背高度以及靠背和椅面之間夾角有直接關系。而前面分析已經指出，現有座椅面靠背高度及靠背傾角較人機工程理論計算結果偏小。因此，在進行座椅設計時，應更加重視座椅的這2個尺寸的設計值。

4 結語

本文通過改進地鐵車輛客室座椅結構，得到一種結構簡單、裝卸方便的客室座椅，并用有限元方法驗證了這種結構的可靠性。與此同時，根據成年人人體尺寸標準推導了座椅椅面的理想尺寸，對比了筆者所在公司現有座椅的椅面尺寸后，運用人機工程學軟件進行座椅人機工程學分析。得到的仿真結果表明：現有座椅椅面尺寸基本合理，但在座椅的靠背高度以及靠背傾角方面仍有改進的空間，為以后的座椅設計者提供了一定的設計參考。