動車組三自由度電動座椅設計研究

李 暢，呂志龍，周安德

（中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

司機座椅的舒適是保證司機長時間正常行車操作的重要環節。目前動車組司機座椅通常配備的是手動調節座椅，存在操作不便、舒適性低的問題。同時，當座椅調節位置受限時會影響司機視野，進而影響行車安全。因此，設計提升司機舒適性的座椅，是一個十分重要的課題[1-2]。此外，設計良好的司機座椅可以降低司機長途駕駛的疲勞。我國現有的動車組司機室座椅大多是引進國外原型設計完成，一些細節設計還未能完全符合中國人的人體尺寸特點，長時間的保持不正確的坐姿，會對背部和脊椎、肌肉造成不良的影響或傷害[3-4]。座椅作為司機在駕駛過程中最經常接觸的設備之一，其安全性也是至關重要。列車發生追尾或正面碰撞時，座椅結構設計參數深刻地影響著司機的安全，提高座椅的被動安全性能，是減輕后碰撞事故中司機受傷的有效方法[5-6]。

1 電動座椅設計要求

1.1 符合人機工程的座椅尺寸

人機工程學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；合理的振動頻率從而防止共振[7]。根據國家標準GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》，表1列出的是我國男（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值。

表1 中國人體基本尺寸

根據表1 來驗證設計椅面高度：人體小腿加足高為（342～448）mm。根據動車組車內的空間和駕駛者的調節需求，列車座椅坐墊的高度可調節范圍為（0～120）mm。坐姿臀寬為（310～355）mm。座椅的座寬合理數值應為（370～450）mm。

由于列車座椅坐墊需要對駕駛者給予橫向的支撐，以防止在動車組過彎時由于離心力的作用使駕駛者臀部產生橫向滑動，所以座椅的坐墊兩邊應設計有凸起的部分起到防滑的作用，椅面總寬度選定（480～520）mm。坐姿頸椎點高（579～701）mm。可大體推算座椅靠背的腰靠長為（320～340）mm。考慮到列車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。在列車過彎時產生離心力會影響到駕駛者，使其身體變形，為減小影響，靠背寬度選定（490～510）mm。

根據人機工程經驗，座椅靠背傾角為95°～115°時會使乘坐者感到最舒服。在實際的駕駛過程中，為了滿足駕駛舒適、安全性以及休息時的便利性，靠背的傾角調節范圍為80°～170°。為了保證人體的舒適和安全，列車座椅的坐墊也應有一定的傾角根據人機工程經驗一般可設計為為2°～10°[8]。

1.2 座椅的組成模塊

與手動調節座椅相比，電動座椅擁有方便、快捷、省時、省力、調節精確等優點，它主要由座椅電機、座椅滑軌、座椅調角器、座椅驅動器、座椅電路等部分組成。列車在行駛中會長期處于一個小的振動狀態，而且駕駛室內的安靜程度也是評價一輛列車好壞的關鍵因素，所以噪聲小、抗振動水平高對于列車座椅電機來說同樣十分重要[9]。座椅滑軌是電動座椅上最重要的部件之一，是座椅實現水平運動的基礎，它往往要承受整個座椅和座椅上人的全部重力，所以對它的要求十分高，需要有較大的強度，可以承受較大的靜壓力，擁有較大的抗拉強度。除了對材料的嚴格要求外，對滑軌的設計還要注意截面的形狀，以及受力是否均衡[10]。

2 基于Catia 對列車電動座椅設計與建模

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

圖1 座椅裝配體

3 主要零件的有限元分析和運動仿真

3.1 導軌的有限元分析

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

對導軌進行靜力學強度分析，應用Catia 自帶的有限元插件，導軌選用的材料是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）。分別得出導軌的位移、應力、應變云圖。導軌位移分析如圖2 所示，導軌應變分析如圖3所示，導軌應力分析如圖4 所示。由圖2 可以看出，導軌的變形主要集中在中間部位，導軌最大位移為0.006mm，應力最大為99 MPa，遠低于材料強度，在工程應用中安全。應力與應變兩圖應在顏色分布上相似，對比圖3 和圖4 可知分析結果與實際理論一致。

3.2 電動座椅的運動仿真

3.2.1 水平導軌的運動仿真

圖2 導軌位移分布

圖3 導軌應變分布

圖4 導軌應力分布

首先將Catia 中所創建的導軌三維模型，通過變換格式導入adams 中，然后對所導入的實體添加屬性，添加運動副下軌與地面添加固定，上軌與下軌之間添加滑動副，然后再施加原動力。生成動畫，如圖5 所示。

3.2.2 調角器主要部件運動仿真

對調角器進行簡化后，主要是外齒輪與內齒輪的運動，將模型導入adams 中，與水平運動仿真相似，在賦予屬性后，分別給2 個齒輪添加旋轉運動副，2 個齒輪間添加齒輪副，并設置原動力，如圖6 所示。

圖5 導軌仿真

圖6 調角器運動仿真

3.2.3 坐墊高度調節的連桿機構運動仿真

在adams 中采用自上而下的方式進行建模，賦予相應屬性，設置運動副，添加動力，如圖7 所示。

圖7 坐墊高度調節的連桿機構仿真

3.2.4 座椅整體運動的仿真

座椅整體一共有3 個自由度，分別是水平方向自由度，垂直方向自由度和靠背角度調節的自由度，將裝配體切換到Catia的運動仿真模塊，對整個裝配體的各個零件間設置運動副，并設置一個固定零件，檢驗零件的自由度數，最后設置一個輸入，就可以進行運動的模擬。通過調節零件的運動輸入值可以調節座椅各個方向的運動速度。通過對座椅各個模塊的仿真分析可以看出，設計的三自由度電動座椅不會產生干涉等現象，可以實現預期設置的運動目的，達到了設計效果。

4 總結

電動座椅實現了6 向調節，可以滿足人機工程學的要求，提高了列車司機駕駛舒適性。通過對座椅關鍵零部件的校核及仿真分析，可以看出電動座椅很好的滿足了強度和剛度方面的要求，運動時無干涉出現且比較平順。本設計以大量的分析計算以及校核作為理論依據，并通過人機工程中的真實尺寸模型人進行分析和尺寸上的校核，由于動車組是批量生產的產品，所以一個結構設計的簡化往往會給整個生產鏈帶來很大效益，本座椅結構相對簡單，生產成本較低。因此，本設計對在動車組乃至地鐵的實際生產應用，奠定了良好的基礎。