動(dòng)車(chē)組三自由度電動(dòng)座椅設(shè)計(jì)研究

李 暢，呂志龍，周安德

（中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

司機(jī)座椅的舒適是保證司機(jī)長(zhǎng)時(shí)間正常行車(chē)操作的重要環(huán)節(jié)。目前動(dòng)車(chē)組司機(jī)座椅通常配備的是手動(dòng)調(diào)節(jié)座椅，存在操作不便、舒適性低的問(wèn)題。同時(shí)，當(dāng)座椅調(diào)節(jié)位置受限時(shí)會(huì)影響司機(jī)視野，進(jìn)而影響行車(chē)安全。因此，設(shè)計(jì)提升司機(jī)舒適性的座椅，是一個(gè)十分重要的課題[1-2]。此外，設(shè)計(jì)良好的司機(jī)座椅可以降低司機(jī)長(zhǎng)途駕駛的疲勞。我國(guó)現(xiàn)有的動(dòng)車(chē)組司機(jī)室座椅大多是引進(jìn)國(guó)外原型設(shè)計(jì)完成，一些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)還未能完全符合中國(guó)人的人體尺寸特點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間的保持不正確的坐姿，會(huì)對(duì)背部和脊椎、肌肉造成不良的影響或傷害[3-4]。座椅作為司機(jī)在駕駛過(guò)程中最經(jīng)常接觸的設(shè)備之一，其安全性也是至關(guān)重要。列車(chē)發(fā)生追尾或正面碰撞時(shí)，座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)深刻地影響著司機(jī)的安全，提高座椅的被動(dòng)安全性能，是減輕后碰撞事故中司機(jī)受傷的有效方法[5-6]。

1 電動(dòng)座椅設(shè)計(jì)要求

1.1 符合人機(jī)工程的座椅尺寸

人機(jī)工程學(xué)中要求座椅靠背和坐墊的形狀與人體的形狀可以最大限度的貼合；對(duì)人體的背部和腰部有合理的支撐；座椅的各部分要有合適的軟硬度；合理的振動(dòng)頻率從而防止共振[7]。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 10000—1988《中國(guó)成年人人體尺寸》，表1列出的是我國(guó)男（18～60 歲）第95 百分位以及女（18～55 歲）第5百分位人體基本尺寸的具體數(shù)值。

表1 中國(guó)人體基本尺寸

根據(jù)表1 來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)椅面高度：人體小腿加足高為（342～448）mm。根據(jù)動(dòng)車(chē)組車(chē)內(nèi)的空間和駕駛者的調(diào)節(jié)需求，列車(chē)座椅坐墊的高度可調(diào)節(jié)范圍為（0～120）mm。坐姿臀寬為（310～355）mm。座椅的座寬合理數(shù)值應(yīng)為（370～450）mm。

由于列車(chē)座椅坐墊需要對(duì)駕駛者給予橫向的支撐，以防止在動(dòng)車(chē)組過(guò)彎時(shí)由于離心力的作用使駕駛者臀部產(chǎn)生橫向滑動(dòng)，所以座椅的坐墊兩邊應(yīng)設(shè)計(jì)有凸起的部分起到防滑的作用，椅面總寬度選定（480～520）mm。坐姿頸椎點(diǎn)高（579～701）mm?？纱篌w推算座椅靠背的腰靠長(zhǎng)為（320～340）mm?？紤]到列車(chē)座椅需要為駕駛者腰部和背部提供完全的支撐和定位，所以靠背高度選定（710～730）mm。由表1 可知最大肩寬（363～469）mm，座椅靠背寬度為（320～340）mm。在列車(chē)過(guò)彎時(shí)產(chǎn)生離心力會(huì)影響到駕駛者，使其身體變形，為減小影響，靠背寬度選定（490～510）mm。

根據(jù)人機(jī)工程經(jīng)驗(yàn)，座椅靠背傾角為95°～115°時(shí)會(huì)使乘坐者感到最舒服。在實(shí)際的駕駛過(guò)程中，為了滿足駕駛舒適、安全性以及休息時(shí)的便利性，靠背的傾角調(diào)節(jié)范圍為80°～170°。為了保證人體的舒適和安全，列車(chē)座椅的坐墊也應(yīng)有一定的傾角根據(jù)人機(jī)工程經(jīng)驗(yàn)一般可設(shè)計(jì)為為2°～10°[8]。

1.2 座椅的組成模塊

與手動(dòng)調(diào)節(jié)座椅相比，電動(dòng)座椅擁有方便、快捷、省時(shí)、省力、調(diào)節(jié)精確等優(yōu)點(diǎn)，它主要由座椅電機(jī)、座椅滑軌、座椅調(diào)角器、座椅驅(qū)動(dòng)器、座椅電路等部分組成。列車(chē)在行駛中會(huì)長(zhǎng)期處于一個(gè)小的振動(dòng)狀態(tài)，而且駕駛室內(nèi)的安靜程度也是評(píng)價(jià)一輛列車(chē)好壞的關(guān)鍵因素，所以噪聲小、抗振動(dòng)水平高對(duì)于列車(chē)座椅電機(jī)來(lái)說(shuō)同樣十分重要[9]。座椅滑軌是電動(dòng)座椅上最重要的部件之一，是座椅實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，它往往要承受整個(gè)座椅和座椅上人的全部重力，所以對(duì)它的要求十分高，需要有較大的強(qiáng)度，可以承受較大的靜壓力，擁有較大的抗拉強(qiáng)度。除了對(duì)材料的嚴(yán)格要求外，對(duì)滑軌的設(shè)計(jì)還要注意截面的形狀，以及受力是否均衡[10]。

2 基于Catia 對(duì)列車(chē)電動(dòng)座椅設(shè)計(jì)與建模

利用Catia 軟件完成對(duì)座椅蒙皮、座椅導(dǎo)軌、調(diào)角器齒輪、座椅骨架等的建模及裝配，裝配體如圖1 所示。整個(gè)座椅的水平方向可以向前調(diào)節(jié)100 mm，向后調(diào)節(jié)200 mm，高度可調(diào)節(jié)120 mm，靠背角度可調(diào)節(jié)范圍為85°～180°。整體座椅的尺寸為：頭枕距離靠背頂端為160 mm，靠背長(zhǎng)度為720 mm，坐墊平面距離導(dǎo)軌安裝平面距離為200 mm，坐墊最寬處長(zhǎng)度為540 mm，兩導(dǎo)軌外側(cè)距離為500 mm，坐墊長(zhǎng)度為520 mm，靠背最寬處為500 mm，導(dǎo)軌長(zhǎng)400 mm，兩導(dǎo)軌中心線相距450 mm。

圖1 座椅裝配體

3 主要零件的有限元分析和運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 導(dǎo)軌的有限元分析

座椅的導(dǎo)軌是支撐座椅全部重量的零件，是座椅裝配和安裝的基礎(chǔ)，它的性能直接影響到座椅的舒適性和使用壽命[11]，所以有必要對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行校核。

對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行靜力學(xué)強(qiáng)度分析，應(yīng)用Catia 自帶的有限元插件，導(dǎo)軌選用的材料是GCr15 鋼，楊氏彈性模量是210 GPa，泊松比為0.3，密度是7.83E+3（kg/m3）。分別得出導(dǎo)軌的位移、應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D。導(dǎo)軌位移分析如圖2 所示，導(dǎo)軌應(yīng)變分析如圖3所示，導(dǎo)軌應(yīng)力分析如圖4 所示。由圖2 可以看出，導(dǎo)軌的變形主要集中在中間部位，導(dǎo)軌最大位移為0.006mm，應(yīng)力最大為99 MPa，遠(yuǎn)低于材料強(qiáng)度，在工程應(yīng)用中安全。應(yīng)力與應(yīng)變兩圖應(yīng)在顏色分布上相似，對(duì)比圖3 和圖4 可知分析結(jié)果與實(shí)際理論一致。

3.2 電動(dòng)座椅的運(yùn)動(dòng)仿真

3.2.1 水平導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)仿真

圖2 導(dǎo)軌位移分布

圖3 導(dǎo)軌應(yīng)變分布

圖4 導(dǎo)軌應(yīng)力分布

首先將Catia 中所創(chuàng)建的導(dǎo)軌三維模型，通過(guò)變換格式導(dǎo)入adams 中，然后對(duì)所導(dǎo)入的實(shí)體添加屬性，添加運(yùn)動(dòng)副下軌與地面添加固定，上軌與下軌之間添加滑動(dòng)副，然后再施加原動(dòng)力。生成動(dòng)畫(huà)，如圖5 所示。

3.2.2 調(diào)角器主要部件運(yùn)動(dòng)仿真

對(duì)調(diào)角器進(jìn)行簡(jiǎn)化后，主要是外齒輪與內(nèi)齒輪的運(yùn)動(dòng)，將模型導(dǎo)入adams 中，與水平運(yùn)動(dòng)仿真相似，在賦予屬性后，分別給2 個(gè)齒輪添加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副，2 個(gè)齒輪間添加齒輪副，并設(shè)置原動(dòng)力，如圖6 所示。

圖5 導(dǎo)軌仿真

圖6 調(diào)角器運(yùn)動(dòng)仿真

3.2.3 坐墊高度調(diào)節(jié)的連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

在adams 中采用自上而下的方式進(jìn)行建模，賦予相應(yīng)屬性，設(shè)置運(yùn)動(dòng)副，添加動(dòng)力，如圖7 所示。

圖7 坐墊高度調(diào)節(jié)的連桿機(jī)構(gòu)仿真

3.2.4 座椅整體運(yùn)動(dòng)的仿真

座椅整體一共有3 個(gè)自由度，分別是水平方向自由度，垂直方向自由度和靠背角度調(diào)節(jié)的自由度，將裝配體切換到Catia的運(yùn)動(dòng)仿真模塊，對(duì)整個(gè)裝配體的各個(gè)零件間設(shè)置運(yùn)動(dòng)副，并設(shè)置一個(gè)固定零件，檢驗(yàn)零件的自由度數(shù)，最后設(shè)置一個(gè)輸入，就可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的模擬。通過(guò)調(diào)節(jié)零件的運(yùn)動(dòng)輸入值可以調(diào)節(jié)座椅各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度。通過(guò)對(duì)座椅各個(gè)模塊的仿真分析可以看出，設(shè)計(jì)的三自由度電動(dòng)座椅不會(huì)產(chǎn)生干涉等現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)置的運(yùn)動(dòng)目的，達(dá)到了設(shè)計(jì)效果。

4 總結(jié)

電動(dòng)座椅實(shí)現(xiàn)了6 向調(diào)節(jié)，可以滿足人機(jī)工程學(xué)的要求，提高了列車(chē)司機(jī)駕駛舒適性。通過(guò)對(duì)座椅關(guān)鍵零部件的校核及仿真分析，可以看出電動(dòng)座椅很好的滿足了強(qiáng)度和剛度方面的要求，運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)干涉出現(xiàn)且比較平順。本設(shè)計(jì)以大量的分析計(jì)算以及校核作為理論依據(jù)，并通過(guò)人機(jī)工程中的真實(shí)尺寸模型人進(jìn)行分析和尺寸上的校核，由于動(dòng)車(chē)組是批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，所以一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化往往會(huì)給整個(gè)生產(chǎn)鏈帶來(lái)很大效益，本座椅結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低。因此，本設(shè)計(jì)對(duì)在動(dòng)車(chē)組乃至地鐵的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，奠定了良好的基礎(chǔ)。