基于人机工程学的地铁客室零部件实验设计

丁佳慧 李广军 毛湘文

摘要：以地铁客室零部件为研究对象，基于人机工程学对地铁客室零部件进行了机械设计，开展有关轨道车辆工程专业的相关教学实验。运用CATIA软件零件设计模块建立地铁客室零部件模型，并运用人机工程学设计与分析模块，模拟乘客现实乘车场景，通过评价乘客不同姿态的舒适度，分析地铁客室零部件模型设计的合理性。设计的客室座椅能够保证中国江苏[P95]男性和[P5]女性舒适地乘坐，能满足绝大多数乘客乘坐的需要;设计的吊环中心线高度为1 710 mm，能够保证[P1]女性正常且舒适抓握吊环;横扶手高度为1 860 mm，不但能够保证[P50]女性正常且舒适抓握横扶手，并且能保证[P99]男性头部不碰及横扶手，可以无障碍通行。因此，地铁客室零部件机械设计符合人体舒适度要求，地铁客室零部件模型设计合理，对于轨道车辆工程专业的相关教学实验具有一定的应用价值。

关键词：地铁客室零部件;机械设计;CATIA;舒适度;教学实验

近年来，世界各国在地铁设计中相继运用人机工程学。日本铁道综合技术研究所一直致力于研究车辆行驶的安全性和舒适性，取得了丰硕的研究成果。[1]例如，日本大阪地铁对男女性抓握扶手姿势进行研究，结果显示男性乘客习惯手臂上举高的姿势，而女性乘客习惯手臂低处抓握扶手的姿势。[2]韩国浦项科技大学对其本国车辆内饰的设计研究，提出了一种车辆座椅与布局设计的系统方法。[3]还有BERKOVICH A等[4]运用观察采样法研究纽约地铁内室布局设计与乘客座位偏好之间的关系，并提出布局设计的改进意见。PARK S J运用体压测试、主观不适评定量表和人体测量数据，对地铁座椅尺寸和不舒适度进行分析和评估。[5]

我国地铁车辆内饰设计相对于国外而言起步较晚，目前已经有文献进行了研究[6-15]：文献【6】运用人机工程学原理分析地铁内装设备的布局设计和尺寸设计;文献【7】将车辆内饰设计与城市居民的出行行为相结合进行人因分析;文献【8】提出基于乘坐体验的车厢内装设计方法;文献【9】通过多种空间变化手段探讨地铁车厢内部空间布局的设计;文献【10】利用CATIA软件对地铁座椅、扶手进行人机工程分析，并提出了尺寸参考值;文献【11-15】分别给出了进行地铁车辆内饰设计的一些标准。分析国内外地铁内饰零部件设计研究现状，为基于人机工程学的地铁客室零部件实验设计提供了参考。

1    地铁客室零部件实验设计步骤

应用计算机三维人机互动设计软件CATIA设计地铁客室零部件实验系统，进而对实验系统进行舒适度评估。其设计具体流程如图1所示：步骤1，运用我国地铁内饰设计尺寸选取原则和设计所需要的人体尺寸，确定座椅等零部件设计参数;步骤2，运用CATIA零件设计模块建立座椅等零部件;步骤3，将各零部件进行装配，地铁零部件实验系统设计初步完成;步骤4，置入不同百分位數假人，评估地铁零部件实验系统舒适度;步骤5，若评估合格，则设计完成，反之，则进行系统修正。

2    地铁客室关键零部件设计

地铁客室零部件设计包括人机系统性能静态实验和人机系统虚拟设计评价实验，如：对影响客室座椅、吊环、扶手等有关安全性与舒适性关键因素的设计和人机工程学评价。

2.1   客室零部件人机系统性能静态实验

2.1.1客室座椅安全性与舒适性设计

设计地铁无扶手座椅需根据我国地铁客室内饰设计尺寸选取原则[5-6]和座椅设计所需要的人体尺寸，选取相应的人体百分位，如表1、表2所示。

根据表1、表2可知，18～60（18～55）岁第95百分位人体水平尺寸坐姿臀宽取382 mm，18～60（18～55）岁第5百分位坐姿人体尺寸坐深取421 mm， 坐姿肩高取557 mm。综合考虑着衣裤修正量和适当的心理修正量，座椅宽度取450 mm，座椅长度取515 mm，座椅高度取510 mm。利用CATIA软件的草图设计模块，设计客室座椅模型的断面尺寸，如图2所示。

座椅宽度为450 mm，座椅长度为515 mm。由于设计的座椅是有腰靠而无头靠的靠背，为了吻合人体脊柱正常的生理曲线，座椅高度为510 mm，靠背的高度为268 mm，能达到支撑人体的最佳效果，靠背与座椅面的夹角在105°～108°最为舒适。

2.1.2吊环和扶手安全性与舒适性设计

设计地铁吊环和扶手时需考虑以下两个问题：（1）保证小个子女性乘客站立时抓握吊环;（2）保证大个子男性乘客站立时头不碰及横杆。

通过分析发现，横扶手中心线高度需大于1 856.5 mm，吊环中心线高度需小于1 716 mm。设计的吊环和扶手如图3所示，其中：横扶手中心线高度为1 860 mm，该高度处于女性双臂功能上举高第50百分位附近，且满足几乎所有男性的抓握要求;吊环中心线高度为1 710 mm，满足几乎所有女性的抓握要求;设计横竖扶手的断面直径尺寸为35 mm。

2.2   地铁车辆零部件虚拟设计评价

利用CATIA人机工程学设计与分析模块，构建不同百分位人体模型，以中国江苏成年人1、5、50和95百分位标准数据为基础，直接应用于地铁客室零部件人机系统的虚拟设计评价中。模拟乘客现实乘车场景，如图4所示。在地铁客室零部件实验系统中建立中国江苏第[P95]男性人体模型、第[P5]女性人体模型、第[P1]女性人体模型、第[P50]女性人体模型各一名，通过姿态舒适度分析：该试验系统座椅的舒适值分别为95.6%和94.5%，保证[P95]男性和[P5]女性能够舒适地乘坐，以满足绝大多数乘客乘坐的需要，如图5、图6所示;吊环中心线高度为1 710 mm时，该试验系统吊环的舒适值为74.8%，能够保证[P1]女性正常且舒适抓握吊环，如图7所示;横扶手高度为1 860 mm时，该试验系统横扶手的舒适值为74.8%，不但能够保证[P50]女性正常且舒适抓握横扶手，如图8所示，并且能保证[P99]的男性头部不碰及横扶手，可以无障碍通行。

3     结论

本文基于人机工程学，利用CATIA软件进行地铁客室零部件实验设计。该设计包括人机系统性能静态实验和人机系统虚拟设计评价实验两部分。首先，参考我国地铁内饰设计尺寸选取原则和设计所需要的人体尺寸，确定座椅等零部件设计参数，并运用CATIA软件零件设计模块建立地铁车辆零部件模型;然后，以中国江苏为例，运用人机工程学设计与分析模块，构建不同百分位数人体模型，模拟乘客现实乘车场景，评价乘客乘坐地铁不同姿态的舒适度，分析地铁客室零部件模型设计的合理性。结果表明：地铁客室零部件设计符合中国江苏地区人体舒适度要求，地铁客室零部件设计合理，可运用于轨道车辆工程专业的相关教学实验。通过开展人机系统性能静态实验和人机系统虚拟设计评价实验，结合具体的实验设计步骤，有利于轨道车辆工程专业学生对所学知识有更为深入的理解，并有利于其掌握设计方法，进而为以后的类似产品设计工作提供帮助。

参考文献：

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