基于RAMSIS的公路客車中門扶手優化設計

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本部商用車開發院，吉林 長春 130011）

前言

公路客車是指為城間（城鄉）運輸乘客設計和制造、專門從事旅客運輸的客車，結構上具有上層乘客區和下層行李艙，當車長大于9m時應設置兩個乘客門[1]，前門主要用來上車，中門主要用來下車，當在高速公路服務器或旅游景區為了讓乘客快速上車，中門也可以用來上車。車內通道距離地面較高，通常中門在需要通過3到5級踏步臺階實現車內和車外相連接，引道內每級臺階高度在250mm～350mm。如果采用空氣懸架，一級踏步到地面高度小于或等于 380mm，如果采用機械懸架，一級踏步到地面高度小于或等于400mm。

在國內，公路客車最普遍采用的是在中門前立面設置一個中門扶手，方便旅客上下車時抓握，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皮三種，扶手常見外形為倒立U形。

1 現有問題分析

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

目前法規對客車乘客門扶手設計尺寸要求為：

1）抓握點應處于地面或每級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，從第一級踏步的外邊緣向內不超過400mm；

3）為方便踏步上的乘客，抓握點的位置向外不應超過該級踏步的外邊緣，向內不應超過其外邊緣600mm[2]。

如圖1所示，分別為兩個不同廠家的中門扶手，材料分別為滾花噴塑鋼管和自結皮，它們都是以一根扶手為抓握主體。通過測量兩種中門扶手，發現尺寸有很大差別但是都在法規要求的范圍內。目前法規所要求的設計尺寸范圍比較大，如何用一根扶手滿足不同性別、不同身高乘客的抓握需求，這就需要用到人機工程學方面的知識。以RAMSIS人機仿真軟件為平臺，對不同性別和不同百分位人體模型[3]進行中門扶手位置的校核，以優化設計尺寸，具體過程將在下文進行論述。

圖1 中門扶手

2 人機工程分析

RAMSIS人機仿真軟件是種用于人機仿真和工程分析的CAD工具。該軟件可以為設計師提供了詳細的數字人體模型，并模仿不同的操作行為。

因為要考慮到盡可能滿足不同身高乘客的抓握需求，利用RAMSIS軟件建立三個不同身高和性別的人體模型，如圖2所示，分別創建的是第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分別仿真高個乘客、中等身高乘客和矮個乘客，具體編號、性別、百分位、身高等信息見表1。

表1 三個人體模型參數

圖2 RAMSIS人體模型

乘客在中門扶手使用過程中，主要有以下三個動作，分別是：

1）動作一，乘客位于在車內通道最后一級臺階邊緣，直立身體并手握扶手，防止車輛減速導致的身體晃動。

2）動作二，乘客位于踏步區內兩級踏步之間，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）動作三，乘客一條腿位于第一級踏步上，另一條腿接觸地面，手握扶手保持身體平衡。

下文將分別對三個人體模型進行三個動作仿真。

神策門是南京明城墻十三座內城門之一，又稱和平門，位于玄武區中央門以東、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。在戰爭時期，是當時軍事戰略要地。

2.1 動作一的仿真

對人體動作進行約束，姿態模式選擇 Standing symme-trical，抓握模式選擇左手Grasp firmly，Skin point中選擇鞋底點與車內通道地板對齊。

手臂自然下垂狀態抓握扶手，移動扶手到手心位置，此位置為扶手最低點，如圖3所示，扶手中心距離車內通道地板高度為H1；彎曲肘關節，抬高小臂至水平，轉動腕關節，移動扶手到手心位置，此位置為扶手最高點，扶手中心距離車內通道地板高度為 H2；經測量 95百分位男性人體的 H1和H2分別為930mm和1170mm。

圖3 動作一扶手高度

對另外兩個人體模型重復以上操作，分別進行分析和測量，3組高度區間的交集就是扶手高度范圍，具體測量結果見表2。

表2 動作一扶手高度

2.2 動作二的仿真

對人體動作進行約束，Skin Points中選擇一條腿的鞋底點與中門引道內某級踏步上表面對齊，彎曲另一條腿的膝關節點，調整角度使鞋底中間點與上一級踏步的外沿對齊。

圖4 動作二扶手高度

手臂自然下垂狀態抓握扶手，移動扶手到手心位置，此位置為扶手最低點，如圖4所示，扶手中心距離中門引道內某級踏步上表面高度為 H3；彎曲肘關節，抬高小臂至水平,轉動腕關節，移動扶手到手心位置，此位置為扶手最高點，扶手中心距離中門引道內某級踏步上表面高度為H4；經測量95百分位男性人體的H3和H4分別為930mm和1170mm。

表3 動作二扶手高度

2.3 動作三的仿真

對人體動作進行約束，Skin point中選擇一條腿的鞋底點與車外地面對齊，彎曲另一條腿的膝關節點，調整角度使鞋底完全處于一級踏步表面。

調整肩關節角度，使手臂向前伸直狀態抓握扶手，移動扶手到手心位置。提取扶手中心點創建手心參考點，以肩關節點開始點做手伸及界面。如圖5所示，肩關節點距離車外地面的高度為H5，肩關節點到手心參考點的距離為L1，經測量95百分位男性人體的H5和L1分別為1460mm和573mm。

圖5 動作三扶手高度

通過以上分析原有結構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，對其結構和尺寸進行人機分析。如圖6所示，將三個人體模型分別進行乘客在剛抵達地面時動作約束，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動作的扶手高度范圍。

表4 下車扶手高度

3 最終優化方案

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

結合GB 13094-2017《客車結構安全要求》標準中對于扶手設計尺寸要求，繪制中門扶手設計區域，這一區域是以地面和踏步為基礎來設定的[4]，包含法規區域和人機區域兩部分。如圖6所示，法規區域面積最大，人機區域面積小并且幾乎全部處于在法規區域內部，是中門扶手相對細化的設計范圍。

以地面和踏步為定位基準，調整中門扶手的設計尺寸，使其位于人機區域內即為合理的設計位置，以此簡化中門扶手設計方法。

圖6 中門扶手設計區域

4 結束語

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，通過持續不斷的設計優化，體現人性化設計理念。

實踐證明，本文采用的仿真方法切實有效，本文通過人機仿真分析，在相關法規的基礎上對設計參數進行優化，簡化設計過程，提升產品設計準確性。