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)

0 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、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。

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

图6 座椅安装效果

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7 座椅支座有限元分析应力云图

图8 座椅支座有限元分析位移云图

图9 座椅支座有限元分析安全系数云图

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。本文将根据国家技术监督局颁布的GB 10000—1988《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]。

表1 成年人体第95百分位坐姿臀宽 单位：mm

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。

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 10000—1988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

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

3.1.4 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

3.1.5 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。

图10 座椅截面尺寸

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。

图12 人机工程学快速上肢分析结果

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。

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。