基于人機(jī)工程學(xué)的地鐵客室零部件實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

丁佳慧 李廣軍 毛湘文

摘要：以地鐵客室零部件為研究對(duì)象，基于人機(jī)工程學(xué)對(duì)地鐵客室零部件進(jìn)行了機(jī)械設(shè)計(jì)，開(kāi)展有關(guān)軌道車(chē)輛工程專業(yè)的相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。運(yùn)用CATIA軟件零件設(shè)計(jì)模塊建立地鐵客室零部件模型，并運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與分析模塊，模擬乘客現(xiàn)實(shí)乘車(chē)場(chǎng)景，通過(guò)評(píng)價(jià)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(jì)的合理性。設(shè)計(jì)的客室座椅能夠保證中國(guó)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(jì)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(wú)障礙通行。因此，地鐵客室零部件機(jī)械設(shè)計(jì)符合人體舒適度要求，地鐵客室零部件模型設(shè)計(jì)合理，對(duì)于軌道車(chē)輛工程專業(yè)的相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：地鐵客室零部件;機(jī)械設(shè)計(jì);CATIA;舒適度;教學(xué)實(shí)驗(yàn)

近年來(lái)，世界各國(guó)在地鐵設(shè)計(jì)中相繼運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)。日本鐵道綜合技術(shù)研究所一直致力于研究車(chē)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(duì)男女性抓握扶手姿勢(shì)進(jìn)行研究，結(jié)果顯示男性乘客習(xí)慣手臂上舉高的姿勢(shì)，而女性乘客習(xí)慣手臂低處抓握扶手的姿勢(shì)。[2]韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)對(duì)其本國(guó)車(chē)輛內(nèi)飾的設(shè)計(jì)研究，提出了一種車(chē)輛座椅與布局設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方法。[3]還有BERKOVICH A等[4]運(yùn)用觀察采樣法研究紐約地鐵內(nèi)室布局設(shè)計(jì)與乘客座位偏好之間的關(guān)系，并提出布局設(shè)計(jì)的改進(jìn)意見(jiàn)。PARK S J運(yùn)用體壓測(cè)試、主觀不適評(píng)定量表和人體測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)地鐵座椅尺寸和不舒適度進(jìn)行分析和評(píng)估。[5]

我國(guó)地鐵車(chē)輛內(nèi)飾設(shè)計(jì)相對(duì)于國(guó)外而言起步較晚，目前已經(jīng)有文獻(xiàn)進(jìn)行了研究[6-15]：文獻(xiàn)【6】運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)原理分析地鐵內(nèi)裝設(shè)備的布局設(shè)計(jì)和尺寸設(shè)計(jì);文獻(xiàn)【7】將車(chē)輛內(nèi)飾設(shè)計(jì)與城市居民的出行行為相結(jié)合進(jìn)行人因分析;文獻(xiàn)【8】提出基于乘坐體驗(yàn)的車(chē)廂內(nèi)裝設(shè)計(jì)方法;文獻(xiàn)【9】通過(guò)多種空間變化手段探討地鐵車(chē)廂內(nèi)部空間布局的設(shè)計(jì);文獻(xiàn)【10】利用CATIA軟件對(duì)地鐵座椅、扶手進(jìn)行人機(jī)工程分析，并提出了尺寸參考值;文獻(xiàn)【11-15】分別給出了進(jìn)行地鐵車(chē)輛內(nèi)飾設(shè)計(jì)的一些標(biāo)準(zhǔn)。分析國(guó)內(nèi)外地鐵內(nèi)飾零部件設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀，為基于人機(jī)工程學(xué)的地鐵客室零部件實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了參考。

1? ? 地鐵客室零部件實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟

應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維人機(jī)互動(dòng)設(shè)計(jì)軟件CATIA設(shè)計(jì)地鐵客室零部件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行舒適度評(píng)估。其設(shè)計(jì)具體流程如圖1所示：步驟1，運(yùn)用我國(guó)地鐵內(nèi)飾設(shè)計(jì)尺寸選取原則和設(shè)計(jì)所需要的人體尺寸，確定座椅等零部件設(shè)計(jì)參數(shù);步驟2，運(yùn)用CATIA零件設(shè)計(jì)模塊建立座椅等零部件;步驟3，將各零部件進(jìn)行裝配，地鐵零部件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)初步完成;步驟4，置入不同百分位數(shù)假人，評(píng)估地鐵零部件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)舒適度;步驟5，若評(píng)估合格，則設(shè)計(jì)完成，反之，則進(jìn)行系統(tǒng)修正。

2? ? 地鐵客室關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

地鐵客室零部件設(shè)計(jì)包括人機(jī)系統(tǒng)性能靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和人機(jī)系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，如：對(duì)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(jì)和人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)。

2.1? ?客室零部件人機(jī)系統(tǒng)性能靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

2.1.1客室座椅安全性與舒適性設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)地鐵無(wú)扶手座椅需根據(jù)我國(guó)地鐵客室內(nèi)飾設(shè)計(jì)尺寸選取原則[5-6]和座椅設(shè)計(jì)所需要的人體尺寸，選取相應(yīng)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(dāng)?shù)男睦硇拚浚螌挾热?50 mm，座椅長(zhǎng)度取515 mm，座椅高度取510 mm。利用CATIA軟件的草圖設(shè)計(jì)模塊，設(shè)計(jì)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(zhǎng)度為515 mm。由于設(shè)計(jì)的座椅是有腰靠而無(wú)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(dá)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(jì)

設(shè)計(jì)地鐵吊環(huán)和扶手時(shí)需考慮以下兩個(gè)問(wèn)題：（1）保證小個(gè)子女性乘客站立時(shí)抓握吊環(huán);（2）保證大個(gè)子男性乘客站立時(shí)頭不碰及橫桿。

通過(guò)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(jì)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(jì)橫豎扶手的斷面直徑尺寸為35 mm。

2.2? ?地鐵車(chē)輛零部件虛擬設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

利用CATIA人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與分析模塊，構(gòu)建不同百分位人體模型，以中國(guó)江蘇成年人1、5、50和95百分位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，直接應(yīng)用于地鐵客室零部件人機(jī)系統(tǒng)的虛擬設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)中。模擬乘客現(xiàn)實(shí)乘車(chē)場(chǎng)景，如圖4所示。在地鐵客室零部件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中建立中國(guó)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(guò)姿態(tài)舒適度分析：該試驗(yàn)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(shí)，該試驗(yàn)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(shí)，該試驗(yàn)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(wú)障礙通行。

3? ? ?結(jié)論

本文基于人機(jī)工程學(xué)，利用CATIA軟件進(jìn)行地鐵客室零部件實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)包括人機(jī)系統(tǒng)性能靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和人機(jī)系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)兩部分。首先，參考我國(guó)地鐵內(nèi)飾設(shè)計(jì)尺寸選取原則和設(shè)計(jì)所需要的人體尺寸，確定座椅等零部件設(shè)計(jì)參數(shù)，并運(yùn)用CATIA軟件零件設(shè)計(jì)模塊建立地鐵車(chē)輛零部件模型;然后，以中國(guó)江蘇為例，運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)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(shí)乘車(chē)場(chǎng)景，評(píng)價(jià)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(jì)的合理性。結(jié)果表明：地鐵客室零部件設(shè)計(jì)符合中國(guó)江蘇地區(qū)人體舒適度要求，地鐵客室零部件設(shè)計(jì)合理，可運(yùn)用于軌道車(chē)輛工程專業(yè)的相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)開(kāi)展人機(jī)系統(tǒng)性能靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和人機(jī)系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟，有利于軌道車(chē)輛工程專業(yè)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)有更為深入的理解，并有利于其掌握設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而為以后的類(lèi)似產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作提供幫助。

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