3005+公交车扶手的人性化设计

竞赛小组：载运工具运用工程、道路与铁道工程及其它
公交车扶手的人性化设计
--分段式公交车扶手
作者：方雪文，钟滢斌，韦梦柳，张玉品，艾承
指导老师：段爱媛
（华中科技大学土木工程与力学学院交通运输工程系，武汉430074）
摘要：随着城市化进程的不断加快，越来越多的市民乘坐公交车出行，城市公交和人们生活关系的日益密切，但是由于公交车内环境缺少人性化设计，因此带来了很多安全隐患和乘客的不良体验。

本文通过结合实际，了解了公交车扶手的设计现状，并分析了人机工程学中相关人体尺寸及乘客使用扶手的习惯，从而设计出了一款能满足不同身高段人群需求的公交扶手，这款公交扶手可以实现三个高度的调节，并且能满足身高较矮的弱势群体的需要。

关键词：人性化；人机工程；分段式公交扶手
User-friendly Design of Bus Handrails
-- Segmented Bus Handrails （Fang Xuewen ,Zhong Yingbin ,Wei Mengliu ,Zhang Yupin , Ai Cheng）
Instructor : Duan Aiyuan
(Huazhong University of Science and Technology , School of Civil Engineering and
Mechanics Department of Transportation,Wuhan 430074）
Abstract
With the accelerating process of urbanization, more and more people travel by bus, urban transport and the relationship among people's lives have become increasingly close. However, due to the lack of public transportation vehicle environment Ergonomics Design, it brings a lot of security risks and the pain experience for passengers. In this paper, we combine the actual, understanding the current situation of the bus handrail design, and analyzes related to human ergonomics in size and habits of passengers using handrails, thus devised a crowd to meet the different segments of the bus handrail height. The bus armrest can be adjusted three heights and to meet the needs of vulnerable groups lower height.
Keywords: human nature, man-machine engineering, Segmented bus handrails
1.研究背景
随着中国城市化水平提高、城市交通恶化，越来越多的人主动或被动的乘公交车出行。

公交车不仅是一个城市发展水平的象征，更是城市对外形象的一扇窗口【1】。

近几年来，由于城市拥堵问题日趋严重，大量市民逐渐转移到“挤公交”，从而产生了许多问题，尤其是生活在武汉这座拥挤的城市的人们更是深刻体会到了坐公交“难”的苦楚。

这里的“难”并不是说搭不上公交车，而是指公交车的扶手设计这一方面，不仅让人望“高”兴畏，还让人左右摇摆。

于是我们针对如何解决公交车扶手问题进行了深入的探讨，设计出了更为安全舒适、更适合人们使用的公交车扶手。

自公交车产生以来，其扶手就存在了，这不禁让我们思考为什么公交车上要配备公交扶手。

在大洋彼岸的de Graff和van Weperen给了我们答案。

他们发现乘客很难在移
动的车辆上保持平衡，因为车辆的加速过程导致位置的基础支持(BOS)和身体投影在BOS的质量中心快速的变化，所以公交车上需要配备扶手，乘客通过抓扶手能增加支持力和允许个人产生的基础力量来抵消车辆行进过程中的扰动【2】。

那么我国的公交车的生产厂家们是基于什么样的理论来生产车内的扶手的呢？
经查阅资料我们知道公交车生产公司在进行公交车内扶手设计时缺乏对人体尺寸及乘客使用舒适性的全面考虑。

因而就出现了《信息时报》上载入的一则新闻一样：家住江岸区兴业路的市民杨女士近日反映“319路公交车的横杆扶手太高了，我根本够不着！”，杨女士每天搭乘319路公交车上下班，发现车内横杆扶手高得有些离谱，人多无座时又找不到其他好扶的地方，没法“站稳扶好”。

【3】
从扶手的使用功能来说，扶手首先应保证大多数乘客都能够使用，即必须保证人群中的大多数能够舒适抓握；另一方面扶手的设计要保证使用人群的安全，即必须保证扶手高于大多数人群身高。

综合以上因素，扶手的高度要满足两方面的要求，即舒适抓握和不碰头。

于是我们可以得到如下计算：
1）按乘客“抓得住”的要求设计计算
舒适抓握即要求扶手应保证大多数人够得着，应该有公式：h≤J10女+x+z-t；
式中h: 大多数乘客舒适抓握扶手时，扶手横杆中心距离车内地板的高度；
J10女：上举功能高的10百分位1766mm；x：女子穿鞋修正量，取x=20mm；
t：人体上举功能高与人体舒适抓握扶手高度相差量，此时取150mm；
z：人体平均身高增长量，取z=42mm；代入得h≤1664mm;
表1【4】
2）按乘客“不碰头”的要求设计计算
不碰头即要求扶手高度应高于大多数人身高，应该有公式：h≥H99男+x+y+z；
式中h：扶手横杆不碰大多数乘客头部时，扶手横杆中心距离车内地板的高；
H99男：男性身高99百分位，由表可得H99男性身高为1814mm；
x：男性的穿鞋修正量，取x=25mm；y：扶手半径（根据扶手实际尺寸确定）；
z：人体平均身高增长量，取42mm；代入得h≥1896m m。

表2【4】
从以上的分析知，乘客“抓得住”和“不碰头”的两个要求是相互矛盾的，舒服的抓握要求横杆中心低于1664mm，不碰头要求横杆中心高于1896mm，这两者是不能同时被满足的【5】。

我们小组经过一段时间的研究，最终提出了一种分三段高度的公交车扶手，在满足“抓得住”和“不碰头”的基础上，为在身高上的弱势群体提供便利性。

2.公交扶手改进方案及设计：
2.1可变高度的扶手设计的市场基础：
Tachibanaki和MedicalCo研究调查发现垂直高度可调的扶手在多功能和易用性上具有广泛的评价。

他们通过三个阶段的分析和调查，证明了可变高度的公交扶手是适合城市居民的生活需要的【6】。

从Tachibanaki和MedicalCo的研究调查中，我们可以很清楚地知道：对于可变高度的扶手设计是很有市场的，是被城市居民所需要的。

2.2设计原理：
2.2.1“拉绳子”原理：
从图1可知，当你拉公交扶手某边的尼龙带时，你所拉的边的尼龙带下降的高度即另一边尼龙带上升的高度，实现了高度上的相互转换。

2.2.2 “卡缝”原理：
只有当通过缝隙的物体的大小小于该缝隙时，物体才能顺利通过。

我们的方案里将尼龙带的某一位置处的表面设计成有凸起，从而使尼龙带在该位置处不能通过该缝隙。

2.2.3实现过程：
初始时，假定两边吊环的高度一样高（为保证
初始时公交车吊环的高度一样，每到一个站点，公交
车广播就提醒要下车的乘客把吊环拉回原位），此时
有三种情况：若此时一位高个子的乘客上车了，那么
他直接抓握该扶手即可；若此时一个中等个子的乘客
上车，那么他可以选择把左侧吊环下拉，这样就能适
合他的身高；若此时是一个矮个子乘客，那么他需要
把右侧吊环下拉，这样就能获得适合他身高的高度。

图1设计原理图
2.3尺寸构造设计：
2.3.1整体构造：
如图2所示，整个分段式扶手可以划分为三部分组成：左边吊环、上部连接件、右边吊环（左右吊环的尼龙带上有小凸起）。

2.3.2细部构造：
（1）.连接件构造：从图2中的上部连接细部图中，我们可以看出截开后的连接件由连接头（用来连接横杆）、滚动轴（用来提供尼龙带调节高度的部件）、铆钉（用来连接
滚动轴和连接头）组成。

（2）.凸起构造：
从图2中我们可以看出小凸起被铆钉
锚固在尼龙带上，该凸起只存在于尼龙带
表面，并不是把它所在的尼龙带部位包起
来，节约了材料。

（3）.吊环构造：
从图2中我们可以看出，吊环是被尼
龙带所包裹起来的。

并且尼龙带末端在包
裹吊环后被铆钉锚固在该尼龙带上。

2.3.3具体尺寸：图2构造图
如左图3所示：横杆直径取
34mm（经查资料横杆直径在
32~35mm之间，横杆离公交车站
人处高度取为1900mm）。

上部连接件外部长30mm；宽
35mm；高50mm；上部连接件内
滚动轴半径12mm，滚动轴长度为
30mm（外部长度应大于尼龙带的
厚度与滚动轴直径的和，取为
30mm，而宽度也应大于尼龙带的图3尺寸标注图（单位mm）宽度取为35mm，高度则需大于滚动轴直径，取为50mm）。

尼龙带长度260mm；宽度28mm；厚度3mm（现在的公交车使用的尼龙带是28mm 的，我们同样取为28mm，而厚度则根据力学分析，为满足大于400kg的静态拉力，所以取为3mm，至于长度为了满足三个高度的调节，使最低的乘客都能够得着即：
L=[(1900-1606)-(75+50)-(74-15)+20]*2=260mm）。

凸起宽28mm；厚3mm；高15mm；使用耐磨型塑料（由于凸起经常摩擦缝隙，因而要耐磨，选择塑料是因为塑料质轻，凸起的厚度要大于缝隙大小，故取为3mm，而宽度与尼龙带的宽度一致即可，凸起上部分别距离外部件下端74mm（左）和39mm（右））。

吊环高度75mm；厚度15mm；（生产厂家生产的椭圆形吊环，它的高度75mm，厚度15mm左右，我们就取为75mm的高度，15mm的厚度）。

所用铆接的铆钉的螺帽半径5mm；厚度2mm；螺钉半径2.5mm；厚度15mm；（使用跟现状公交车同样尺寸的螺帽和螺钉的铆钉）。

2.4可行性分析：
1）安全性分析：
（1）力学分析：
尼龙带力学分析：经查阅资料，我们得知公交车吊环设计的极限静态拉力是400kg，也就是说明只要尼龙带的设计静态拉力高于400kg，那么尼龙带就不会被拉断（因为在吊环还完好的状态下，尼龙带也是完好的）。

在我们的设计中尼龙带的厚度为3mm，它可以承受大于400kg的拉力，所以尼龙带的力学性质是符合要求的。

上部连接件力学分析：上部连接件可进行整体的强度设计，上部连接件的滚轴与上部连接件整体将力传至横杆，而横杆作为公交车构件，可以满足强度要求。

（2）运行状态分析：
图4示意图
如图4所示假定吊环的初始状态为两边等高（我们可以通过公交车广播，在每到一个站点的时候告诉下车乘客把公交扶手拉到两边等高），由于此时吊环高度为1680mm，比现阶段的公交吊环高度还高，现阶段的公交吊环也可以满足吊环晃动不伤人的条件，我们的方案就更容易满足了。

假定吊环被拉下，并且乘客忘记拉回原始位置，那么我们方案里的中间高度为1641mm，也比现阶段吊环高度高，因此运行状态还是安全的，而对于方案里的第三个高度1606mm，它比现阶段的高度要低1664mm，约6cm的高度，反映在横向上约增加了5cm左右，由于这样的距离并不太大，所以与大部分人的碰撞概率很小（当公交车上人很少时，人群不密集根本不会打到人，第二在人很多时，此时吊环全被拉住根本不会出现碰撞，那么对于乘客数处于不多和不少之间的情况而言，离吊环越近碰撞就越痛，我们把人离吊环的距离取为5cm的一半来做研究，此时吊环对人的碰撞痛感是很小的，再者吊环是轻质且没有尖锐凸起的，对人的伤害进一步降低）。

2）经济性分析：
改进后的分段式公交扶手相比于现阶段的公交车扶手在构造上而言，只是增加了一个吊环、一定长度的尼龙带、上部连接件中的细小部分。

那么就其成本而言，分段式公交扶手增加的价格等于吊环的单价与尼龙带单价和上部连接件单价的和。

从淘宝中我们可以查得公交车吊环的价格在几块钱到十几块钱以内，而尼龙带的价格也在十块钱以内，
至于上部连接件的价格也在十几块钱左右。

那么改进后的分段式公交扶手的造价最多就是相当于两个现阶段的公交车扶手的造价，但这对于公交车的单价而言是九牛一毛的，因为一辆公交车的单价从几十万到上百万不等，改进后的分段式公交车扶手造价连公交车单价的万分之一都没有达到。

因此改进后的分段式公交扶手是经济的。

3）与公交车融合程度分析：
改进后的公交车扶手跟现阶段的公交车扶手是极其相似的，它与横杆连接、它的吊环的外形都跟原来的公交车扶手一样，并不需要做很大变动就能轻松安装，所以它与公交车的融合程度很高。

3创新特色
【1】通过公交车内部环境的现状调查，发现公交车扶手普遍存在的不利之处。

【2】提出了公交车扶手的改良方案，优化了公交车扶手的设计。

【3】运用3D动画效果，模拟了新公交扶手的特点。

【4】通过实地考察和理论计算，拟定了改良公交扶手尺寸。

【5】根据公交车扶手的人性化设计要求，使新公交扶手更利于矮个子群体使用。

【6】通过力学分析、安全性分析，确定新公交扶手的材料组合，让人们在公交车上能安全舒适地抓握。

【7】通过对购买来的吊环进行改装，我们最终得到了实物模型。

4应用前景
公交车作为公共设施，应设计的尽量满足民众的需求，我们团队本着“以人为本，服务群众”的原始想法，我们查阅了大量资料、并对实际情况进行了考察，分析了人机工程学中的人体相关尺寸及乘客使用扶手的习惯，最终得到了一个设计良好的可以实现高度上的三个分段公交扶手（在高度方面要满足不碰头与舒适的抓握）。

我们团队所设计的三个分段的公交扶手，可以广泛地应用于公交、地铁、有轨电车和无轨电车等需要用到扶手的公共交通车辆，可以很好地迎合个子矮小的人的需求，还可以解决公交车扶手的使用痛点。

在应用前景方面，我相信我们的设计方案是很有市场的，因为它制作简便，成本低廉，且能切实符合人们需求。

参考文献
【1】朱旭涛、王伟涛.浅谈公交车扶手设计[J].汽车实用技.2010,4:21-23
【2】Thiago A.Sarraf、Daniel S.Marigold、Stephen N.Robinovitch. Maintaining standing balance by handrail grasping [J].Gait & Posture.2014,39(1):258-264
【3】王智汛. 公交扶手高高在上矮个乘客无从下手[N]. 信息时报. 2013-04-11.
【4】GB/T 10000-1988《中国成年人人体尺寸》
【5】阮宝湘、邵祥华.《工业设计人机工程学》第二版[M].北京：机械工业出版社.2005. 【6】Satomi Kinoshita.Handrail position and shape that best facilitate sit-to-stand movement.Journal of Back and Musculoskeletal Rehabilitation.2012,25(1):33-45。