基于RAMSIS的公路客車中門扶手優(yōu)化設(shè)計(jì)

梁偉，程森鋒，牛寅中，王秋林，高健，劉暢

（中國第一汽車股份有限公司解放事業(yè)本部商用車開發(fā)院，吉林 長春 130011）

前言

公路客車是指為城間（城鄉(xiāng)）運(yùn)輸乘客設(shè)計(jì)和制造、專門從事旅客運(yùn)輸?shù)目蛙?，結(jié)構(gòu)上具有上層乘客區(qū)和下層行李艙，當(dāng)車長大于9m時(shí)應(yīng)設(shè)置兩個(gè)乘客門[1]，前門主要用來上車，中門主要用來下車，當(dāng)在高速公路服務(wù)器或旅游景區(qū)為了讓乘客快速上車，中門也可以用來上車。車內(nèi)通道距離地面較高，通常中門在需要通過3到5級(jí)踏步臺(tái)階實(shí)現(xiàn)車內(nèi)和車外相連接，引道內(nèi)每級(jí)臺(tái)階高度在250mm～350mm。如果采用空氣懸架，一級(jí)踏步到地面高度小于或等于 380mm，如果采用機(jī)械懸架，一級(jí)踏步到地面高度小于或等于400mm。

在國內(nèi)，公路客車最普遍采用的是在中門前立面設(shè)置一個(gè)中門扶手，方便旅客上下車時(shí)抓握，避免滑倒，扶手材料常見的有不銹鋼管、滾花噴塑鋼管和自結(jié)皮三種，扶手常見外形為倒立U形。

1 現(xiàn)有問題分析

通過對(duì)市場運(yùn)營的車輛跟蹤，乘客普遍反饋中門扶手高度不合適，高個(gè)子男性乘客感覺扶手太低，有矮個(gè)子女性乘客感覺扶手太高，抓握不舒適，下車時(shí)缺乏安全感。

目前法規(guī)對(duì)客車乘客門扶手設(shè)計(jì)尺寸要求為：

1）抓握點(diǎn)應(yīng)處于地面或每級(jí)踏步上表面上方垂直高度700mm至1200mm之間；

2）為方便站在地面上的乘客，從第一級(jí)踏步的外邊緣向內(nèi)不超過400mm；

3）為方便踏步上的乘客，抓握點(diǎn)的位置向外不應(yīng)超過該級(jí)踏步的外邊緣，向內(nèi)不應(yīng)超過其外邊緣600mm[2]。

如圖1所示，分別為兩個(gè)不同廠家的中門扶手，材料分別為滾花噴塑鋼管和自結(jié)皮，它們都是以一根扶手為抓握主體。通過測量兩種中門扶手，發(fā)現(xiàn)尺寸有很大差別但是都在法規(guī)要求的范圍內(nèi)。目前法規(guī)所要求的設(shè)計(jì)尺寸范圍比較大，如何用一根扶手滿足不同性別、不同身高乘客的抓握需求，這就需要用到人機(jī)工程學(xué)方面的知識(shí)。以RAMSIS人機(jī)仿真軟件為平臺(tái)，對(duì)不同性別和不同百分位人體模型[3]進(jìn)行中門扶手位置的校核，以優(yōu)化設(shè)計(jì)尺寸，具體過程將在下文進(jìn)行論述。

圖1 中門扶手

2 人機(jī)工程分析

RAMSIS人機(jī)仿真軟件是種用于人機(jī)仿真和工程分析的CAD工具。該軟件可以為設(shè)計(jì)師提供了詳細(xì)的數(shù)字人體模型，并模仿不同的操作行為。

因?yàn)橐紤]到盡可能滿足不同身高乘客的抓握需求，利用RAMSIS軟件建立三個(gè)不同身高和性別的人體模型，如圖2所示，分別創(chuàng)建的是第95百分位男性人體、第50百分位男性人體、第5百分位女性人體以便后續(xù)分別仿真高個(gè)乘客、中等身高乘客和矮個(gè)乘客，具體編號(hào)、性別、百分位、身高等信息見表1。

表1 三個(gè)人體模型參數(shù)

圖2 RAMSIS人體模型

乘客在中門扶手使用過程中，主要有以下三個(gè)動(dòng)作，分別是：

1）動(dòng)作一，乘客位于在車內(nèi)通道最后一級(jí)臺(tái)階邊緣，直立身體并手握扶手，防止車輛減速導(dǎo)致的身體晃動(dòng)。

2）動(dòng)作二，乘客位于踏步區(qū)內(nèi)兩級(jí)踏步之間，腿部彎曲手握扶手提供支撐力，防止踩空踏步避免身體摔倒。

3）動(dòng)作三，乘客一條腿位于第一級(jí)踏步上，另一條腿接觸地面，手握扶手保持身體平衡。

下文將分別對(duì)三個(gè)人體模型進(jìn)行三個(gè)動(dòng)作仿真。

神策門是南京明城墻十三座內(nèi)城門之一，又稱和平門，位于玄武區(qū)中央門以東、南京火車站以西，是明城墻保存最為完整的一座，也是所有城門中唯一保留有民國以前鏑樓的城門。在戰(zhàn)爭時(shí)期，是當(dāng)時(shí)軍事戰(zhàn)略要地。

2.1 動(dòng)作一的仿真

對(duì)人體動(dòng)作進(jìn)行約束，姿態(tài)模式選擇 Standing symme-trical，抓握模式選擇左手Grasp firmly，Skin point中選擇鞋底點(diǎn)與車內(nèi)通道地板對(duì)齊。

手臂自然下垂?fàn)顟B(tài)抓握扶手，移動(dòng)扶手到手心位置，此位置為扶手最低點(diǎn)，如圖3所示，扶手中心距離車內(nèi)通道地板高度為H1；彎曲肘關(guān)節(jié)，抬高小臂至水平，轉(zhuǎn)動(dòng)腕關(guān)節(jié)，移動(dòng)扶手到手心位置，此位置為扶手最高點(diǎn)，扶手中心距離車內(nèi)通道地板高度為 H2；經(jīng)測量 95百分位男性人體的 H1和H2分別為930mm和1170mm。

圖3 動(dòng)作一扶手高度

對(duì)另外兩個(gè)人體模型重復(fù)以上操作，分別進(jìn)行分析和測量，3組高度區(qū)間的交集就是扶手高度范圍，具體測量結(jié)果見表2。

表2 動(dòng)作一扶手高度

2.2 動(dòng)作二的仿真

對(duì)人體動(dòng)作進(jìn)行約束，Skin Points中選擇一條腿的鞋底點(diǎn)與中門引道內(nèi)某級(jí)踏步上表面對(duì)齊，彎曲另一條腿的膝關(guān)節(jié)點(diǎn)，調(diào)整角度使鞋底中間點(diǎn)與上一級(jí)踏步的外沿對(duì)齊。

圖4 動(dòng)作二扶手高度

手臂自然下垂?fàn)顟B(tài)抓握扶手，移動(dòng)扶手到手心位置，此位置為扶手最低點(diǎn)，如圖4所示，扶手中心距離中門引道內(nèi)某級(jí)踏步上表面高度為 H3；彎曲肘關(guān)節(jié)，抬高小臂至水平,轉(zhuǎn)動(dòng)腕關(guān)節(jié)，移動(dòng)扶手到手心位置，此位置為扶手最高點(diǎn)，扶手中心距離中門引道內(nèi)某級(jí)踏步上表面高度為H4；經(jīng)測量95百分位男性人體的H3和H4分別為930mm和1170mm。

表3 動(dòng)作二扶手高度

2.3 動(dòng)作三的仿真

對(duì)人體動(dòng)作進(jìn)行約束，Skin point中選擇一條腿的鞋底點(diǎn)與車外地面對(duì)齊，彎曲另一條腿的膝關(guān)節(jié)點(diǎn)，調(diào)整角度使鞋底完全處于一級(jí)踏步表面。

調(diào)整肩關(guān)節(jié)角度，使手臂向前伸直狀態(tài)抓握扶手，移動(dòng)扶手到手心位置。提取扶手中心點(diǎn)創(chuàng)建手心參考點(diǎn)，以肩關(guān)節(jié)點(diǎn)開始點(diǎn)做手伸及界面。如圖5所示，肩關(guān)節(jié)點(diǎn)距離車外地面的高度為H5，肩關(guān)節(jié)點(diǎn)到手心參考點(diǎn)的距離為L1，經(jīng)測量95百分位男性人體的H5和L1分別為1460mm和573mm。

圖5 動(dòng)作三扶手高度

通過以上分析原有結(jié)構(gòu)不能很好的滿足乘客下車舒適性的需求，初步將扶手最后一段朝下的直線段通過圓弧過渡改為朝上，對(duì)其結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行人機(jī)分析。如圖6所示，將三個(gè)人體模型分別進(jìn)行乘客在剛抵達(dá)地面時(shí)動(dòng)作約束，在**模塊**命令作手伸及范圍，取范圍的交集，測量距離車外地面尺寸H5。如表4所示，乘客下車的最后一個(gè)動(dòng)作的扶手高度范圍。

表4 下車扶手高度

3 最終優(yōu)化方案

通過人機(jī)工程學(xué)軟件RAMSIS分析三個(gè)人體模型，分別得到扶手位置區(qū)域范圍并取交集，得到滿足5百分位女性人體到95百分位男性人體范圍內(nèi)的所有人提使用需求。

結(jié)合GB 13094-2017《客車結(jié)構(gòu)安全要求》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于扶手設(shè)計(jì)尺寸要求，繪制中門扶手設(shè)計(jì)區(qū)域，這一區(qū)域是以地面和踏步為基礎(chǔ)來設(shè)定的[4]，包含法規(guī)區(qū)域和人機(jī)區(qū)域兩部分。如圖6所示，法規(guī)區(qū)域面積最大，人機(jī)區(qū)域面積小并且?guī)缀跞刻幱谠诜ㄒ?guī)區(qū)域內(nèi)部，是中門扶手相對(duì)細(xì)化的設(shè)計(jì)范圍。

以地面和踏步為定位基準(zhǔn)，調(diào)整中門扶手的設(shè)計(jì)尺寸，使其位于人機(jī)區(qū)域內(nèi)即為合理的設(shè)計(jì)位置，以此簡化中門扶手設(shè)計(jì)方法。

圖6 中門扶手設(shè)計(jì)區(qū)域

4 結(jié)束語

客車中門扶手作為乘客下車的必要輔助工具，在使用中能提升乘客上下車舒適性，通過持續(xù)不斷的設(shè)計(jì)優(yōu)化，體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)理念。

實(shí)踐證明，本文采用的仿真方法切實(shí)有效，本文通過人機(jī)仿真分析，在相關(guān)法規(guī)的基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，簡化設(shè)計(jì)過程，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。