地铁车辆纵向客室座椅设计

地铁车辆纵向客室座椅设计
陈群
【摘要】从设计角度介绍了地铁车辆纵向布置客室座椅的组成、材料、结构,重点分析了椅面、骨架、端板的设计特点,且通过有限元模拟的方法对客室座椅进行强
度分析,从理论上验证了客室座椅的安全性.
【期刊名称】《技术与市场》
【年(卷),期】2012(019)006
【总页数】3页(P128-129,131)
【关键词】客室座椅;设计;有限元模拟;强度分析
【作者】陈群
【作者单位】南车株洲电力机车有限公司,湖南株洲 412001
【正文语种】中文
0 引言
现代化的地铁车辆越来越注重“以人为本”的设计理念，不仅要求车辆具备较高的安全性，更需要车辆的设计体现人性化、舒适性。

客室座椅作为地铁车辆内饰的重要部件，其基本功能是为乘客提供舒适的休息场所和愉悦的乘车体验，因此设计舒适、安全的客室座椅越来越受到人们的重视。

国内城市的地铁车辆为保证其载客量的最大化，客室座椅一般沿车体侧墙纵向布置。

本文以纵向布置座椅为例，介绍客室座椅的分类、组成、结构设计和强度分析。

1 客室座椅的分类
根据材料或者安装方式的不同，纵向布置座椅可以分为多种类型。

按照座椅的椅面材料分类，可分为不锈钢椅面座椅和玻璃钢椅面座椅；按照座椅的安装方式分类，可以分为落地式座椅和悬臂式座椅。

另外，作为对座椅功能性的延伸，北方或者沿海城市的地铁车辆中，客室座椅下安装了电加热器。

2 客室座椅的结构
纵向布置座椅一般是6人座椅，为一个整体结构，主要由椅面、骨架、端板等部分组成。

椅面的作用是提供舒适的乘坐界面，骨架的作用是提供安全的承载结构，端板的作用是提供美观的造型和隔断。

下面分别从椅面、骨架、端板三部分介绍客室座椅的结构设计。

图1 椅面断面设计图
影响椅面的造型因素有椅面高度、椅面宽度、座深、椅面倾角、椅面弧度、靠背倾角和靠背高度等。

在选定具体的造型参数时，需要根据人机工程学的相关原理和与人体尺寸相关的标准进行设计，使设计出的座椅舒适、合理。

对于国内项目，一般采用GB 10000作为设计依据，选择椅面设计中涉及的人体尺寸和相应的人体百分位数（5百分位的成年女性和95百分位的成年男性），并结合功能修正量和心理修正量，确定参数的最终尺寸。

如果产品考虑国际化，则采用UIC 651和EN 547-3中的人体尺寸为设计参考。

确定椅面参数时，也需要综合考虑侧窗大小对椅面高度、车门间距对椅面宽度的影响，确保实现整个内饰的协调美观和人-机-环境这个系统配置的最优化。

椅面材料的选择上，主要有不锈钢和玻璃钢两种材料，如图2、图3所示。

使用不锈钢材料防滑耐磨、寿命长；使用玻璃钢材料成型方便、乘坐舒适。

不锈钢椅面座椅由于其材料导热性好，一般用于气温较高的南方。

设计座椅时为避免乘客乘坐时滑溜串动，不锈钢椅面压制成花纹板，玻璃钢椅面采用凹坑处理。

图2 不锈钢椅面
2.1 椅面设计
为保持脊柱正常的生理曲线，减轻疲劳，人体应该靠在座椅的靠背上，处于放松状态，因此座椅的椅面设计最能体现人性化和舒适性。

在椅面设计上，应符合人机工程学。

图1是椅面断面设计图。

从图中可以看出，椅面向后倾斜，既可以防止乘客从椅面滑出，又由于重力后移，使腰背部能获得较大面积支撑，有利于肌肉放松，减轻乘客疲劳。

图3 玻璃钢椅面
2.2 骨架设计
纵向布置座椅一般通过螺栓连接固定到车体侧墙或者地板上。

落地式座椅在座椅骨架两端都有支撑点，结构简单可靠；悬臂式座椅固定到车体的侧墙上，整体座椅形成一个半包围结构，美观大方，易于清洁。

座椅骨架作为承载结构，一般由铝型材、折弯铝板焊接组装而成，铝型材是EN AW 6060-T6材质，铝板是EN AW 5083-H111材质，图4所示的是悬臂式座椅骨架。

悬臂式座椅只固定到侧墙上，因此要求车体侧墙能够提供足够的强度，其安全性能的要求较之落地式座椅更高，在设计时需进行仿真计算，分析其强度是否满足标准要求。

图4 悬臂式座椅骨架
2.3 端板设计
纵向布置座椅设计中，端板的设计最能展示美观性。

端板的材料分为铝铸件和玻璃钢两种，如图5、图6所示。

铝铸件端板强度好、寿命长；玻璃钢端板造型多变，重量轻。

端板设计时，特别要注意扶手和屏风玻璃的安装，以及端板与门立柱罩或者侧墙的
连接处理，这些都是座椅设计中与安装固定相关的难点。

图5 铝铸件端板
图6 玻璃钢端板
3 座椅有限元仿真与强度校核
根据座椅的实际尺寸，对整个座椅利用HyperMesh软件进行建模并进行边界条件加载，利用ANSYS软件对其进行强度计算。

在单元选择上，座椅骨架和椅面选用了壳单元（Shell181），
连接骨架和椅面的部分选用了体单元（Solid45）。

悬臂式座椅通过螺栓固定到车体侧墙上，所以在螺栓连接处分别施加了全约束，其有限元模型如图7所示。

根据UIC 566标准，在座椅结构计算中所考虑的计算载荷主要包括：水平载荷1 500 N，垂直向下载荷1 000 N，该座椅为6人座椅，因此按照6人载荷进行计算。

图7 座椅有限元模型
进行建模和计算的是不锈钢一体椅面的悬臂式座椅。

图8为座椅的垂向位移图，座椅在均布水平载荷9 000 N和垂直向下载荷6 000 N的情况下，最大位移量为3.16 mm，这样的位移量不会对乘客造成不适的感觉。

图9为座椅椅面和骨架的等效应力云图，座椅（包括椅面和骨架）的最大应力为155.5 MPa，位于不锈钢椅面上，而不锈钢椅面的材料为X5CrNi18-10，其屈服强度为263.8 MPa，最大应力远小于屈服应力，因此椅面的强度满足使用要求。

座椅骨架的最大应力位于骨架与车体侧墙的固定点处，最大应力86.3MPa，其材料为ENAW5083-H111，许用应力为125MPa。

根据EN 12663规定，材料的许用应力与计算等效应力之比应不小于1.15，而座椅骨架的许用应力与最大应力的比值为1.45，大于安全系数值1.15，因此骨架的强度满足安全要求。

综合得出，座椅强度能够满足标准要求。

图8 座椅的垂向位移图
图9 座椅的等效应力云图
4 结语
随着我国城市化进程的加速和人民生活水平的提高，地铁将成为城市的一张名片，内饰设计特别是座椅设计的进步就是这张名片中对“以人为本”理念的一种诠释。

本文通过介绍纵向布置客室座椅的结构和设计方法，提炼出了客室座椅设计中的重点和难点。

在客室座椅设计中，除了对舒适性、安全性和美观性要求的进一步优化外，对防火和轻量化的研究也是一种发展方向。

【相关文献】
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