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(shè)計，開展有關(guān)軌道車輛工程專業(yè)的相關(guān)教學實驗。運用CATIA軟件零件設(shè)計模塊建立地鐵客室零部件模型，并運用人機工程學設(shè)計與分析模塊，模擬乘客現(xiàn)實乘車場景，通過評價乘客不同姿態(tài)的舒適度，分析地鐵客室零部件模型設(shè)計的合理性。設(shè)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(shù)乘客乘坐的需要;設(shè)計的吊環(huán)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(huán);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(shè)計符合人體舒適度要求，地鐵客室零部件模型設(shè)計合理，對于軌道車輛工程專業(yè)的相關(guān)教學實驗具有一定的應用價值。

關(guān)鍵詞：地鐵客室零部件;機械設(shè)計;CATIA;舒適度;教學實驗

近年來，世界各國在地鐵設(shè)計中相繼運用人機工程學。日本鐵道綜合技術(shù)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(jié)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(nèi)飾的設(shè)計研究，提出了一種車輛座椅與布局設(shè)計的系統(tǒng)方法。[3]還有BERKOVICH A等[4]運用觀察采樣法研究紐約地鐵內(nèi)室布局設(shè)計與乘客座位偏好之間的關(guān)系，并提出布局設(shè)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(shù)據(jù)，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(nèi)飾設(shè)計相對于國外而言起步較晚，目前已經(jīng)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(nèi)裝設(shè)備的布局設(shè)計和尺寸設(shè)計;文獻【7】將車輛內(nèi)飾設(shè)計與城市居民的出行行為相結(jié)合進行人因分析;文獻【8】提出基于乘坐體驗的車廂內(nèi)裝設(shè)計方法;文獻【9】通過多種空間變化手段探討地鐵車廂內(nèi)部空間布局的設(shè)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(nèi)飾設(shè)計的一些標準。分析國內(nèi)外地鐵內(nèi)飾零部件設(shè)計研究現(xiàn)狀，為基于人機工程學的地鐵客室零部件實驗設(shè)計提供了參考。

1? ? 地鐵客室零部件實驗設(shè)計步驟

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

2? ? 地鐵客室關(guān)鍵零部件設(shè)計

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

2.1? ?客室零部件人機系統(tǒng)性能靜態(tài)實驗

2.1.1客室座椅安全性與舒適性設(shè)計

設(shè)計地鐵無扶手座椅需根據(jù)我國地鐵客室內(nèi)飾設(shè)計尺寸選取原則[5-6]和座椅設(shè)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(jù)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?shù)男睦硇拚?，座椅寬度?50 mm，座椅長度取515 mm，座椅高度取510 mm。利用CATIA軟件的草圖設(shè)計模塊，設(shè)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(shè)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(huán)和扶手安全性與舒適性設(shè)計

設(shè)計地鐵吊環(huán)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(huán);（2）保證大個子男性乘客站立時頭不碰及橫桿。

通過分析發(fā)現(xiàn)，橫扶手中心線高度需大于1 856.5 mm，吊環(huán)中心線高度需小于1 716 mm。設(shè)計的吊環(huán)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(huán)中心線高度為1 710 mm，滿足幾乎所有女性的抓握要求;設(shè)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(shè)計評價

利用CATIA人機工程學設(shè)計與分析模塊，構(gòu)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(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，直接應用于地鐵客室零部件人機系統(tǒng)的虛擬設(shè)計評價中。模擬乘客現(xiàn)實乘車場景，如圖4所示。在地鐵客室零部件實驗系統(tǒng)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(tài)舒適度分析：該試驗系統(tǒng)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(shù)乘客乘坐的需要，如圖5、圖6所示;吊環(huán)中心線高度為1 710 mm時，該試驗系統(tǒng)吊環(huán)的舒適值為74.8%，能夠保證[P1]女性正常且舒適抓握吊環(huán)，如圖7所示;橫扶手高度為1 860 mm時，該試驗系統(tǒng)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(jié)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(shè)計。該設(shè)計包括人機系統(tǒng)性能靜態(tài)實驗和人機系統(tǒng)虛擬設(shè)計評價實驗兩部分。首先，參考我國地鐵內(nèi)飾設(shè)計尺寸選取原則和設(shè)計所需要的人體尺寸，確定座椅等零部件設(shè)計參數(shù)，并運用CATIA軟件零件設(shè)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(shè)計與分析模塊，構(gòu)建不同百分位數(shù)人體模型，模擬乘客現(xiàn)實乘車場景，評價乘客乘坐地鐵不同姿態(tài)的舒適度，分析地鐵客室零部件模型設(shè)計的合理性。結(jié)果表明：地鐵客室零部件設(shè)計符合中國江蘇地區(qū)人體舒適度要求，地鐵客室零部件設(shè)計合理，可運用于軌道車輛工程專業(yè)的相關(guān)教學實驗。通過開展人機系統(tǒng)性能靜態(tài)實驗和人機系統(tǒng)虛擬設(shè)計評價實驗，結(jié)合具體的實驗設(shè)計步驟，有利于軌道車輛工程專業(yè)學生對所學知識有更為深入的理解，并有利于其掌握設(shè)計方法，進而為以后的類似產(chǎn)品設(shè)計工作提供幫助。

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