適用于乘用車人機設計驗證的人機臺架系統(tǒng)開發(fā)

李世海 任金東 高曉嫻 劉永清 米夢東 杜 建 杜曉明

1.長安汽車股份有限公司，重慶，400021 2.吉林大學，長春，130022

0 引言

人機工效是汽車產(chǎn)品非常重要的使用性能，一直是汽車廠商非常重視的內(nèi)容。如同大多數(shù)產(chǎn)品一樣，用戶極少參與汽車的設計過程，這使得在設計中充分考慮用戶特點和需求、以用戶為中心進行人機工程學設計變得尤為重要。企業(yè)在進行設計方案的驗證時，除了采用虛擬驗證之外，還通常要制造產(chǎn)品的物理模型（或樣車），邀請技術(shù)人員和管理人員（乃至目標用戶）對設計方案進行主觀評價。這種物理模型評價試驗稱為物理模型測試，具有直觀、可靠的優(yōu)點。雖然，物理模型測試仍然是目前汽車虛擬設計評價所替代不了的，但模型的制作成本通常較高，為了節(jié)省開支，通常只對少數(shù)認為可行的方案進行物理模型測試。物理模型測試需要在設計方案（甚至是詳細結(jié)構(gòu)）基本成形之后才能夠進行，因此，時間上比較滯后，加之方案的修改和再評價在原物理模型上很難實現(xiàn)，必須返回設計環(huán)節(jié)進行改進，使得設計周期大大延長。此外，上述基于產(chǎn)品物理模型的主觀評價方法不容易與其他評價手段相結(jié)合，并且所制作的物理模型難以用于對一些人機工效問題進行深層次研究［1］。正是因為存在上述問題，一些汽車公司對可調(diào)節(jié)和反復使用的產(chǎn)品物理模型進行了研究和開發(fā)，并應用到了產(chǎn)品開發(fā)實踐中，取得了較好的使用效果［1］，較典型的是福特的一體化布置設計、評價系統(tǒng)（integrated package design and appraisal system）［2－3］。

就可調(diào)節(jié)人機驗證臺架而言，一些研究機構(gòu)曾經(jīng)進行過類似的研究和開發(fā)，例如：國內(nèi)一些研究機構(gòu)就曾經(jīng)針對不同的使用場合開發(fā)了專門驗證前排駕駛工效的試驗臺架，用于模擬汽車或飛機駕駛艙和分析驗證駕駛員人機工效［4－8］。目前的可調(diào)節(jié)人機驗證臺架還存在下述問題：①通常主要用于某種人機工效試驗研究，很少用于實際產(chǎn)品的設計方案呈現(xiàn)；②少數(shù)用于產(chǎn)品驗證的臺架也主要針對某種特定車型進行驗證，同一個臺架不能針對不同類型的車型進行驗證。③一般不具有驗證內(nèi)飾設計的功能，即使有內(nèi)飾驗證功能，通常只適合安裝某種車型的內(nèi)飾，而不能適合安裝不同乘用車型的內(nèi)飾，因而內(nèi)飾驗證方面功能具有局限性。

受長安汽車公司委托，吉林大學汽車工程學院主持開發(fā)了用于乘用車人機工效和內(nèi)飾設計驗證的可調(diào)節(jié)臺架系統(tǒng)，目標是既要克服目前可調(diào)節(jié)人機驗證臺架存在的上述問題，還能在一個臺架上實現(xiàn)乘用車開發(fā)過程中的人機工效和內(nèi)飾設計的雙重驗證功能。

1 設計需求分析和目標定位

1.1 覆蓋車型

覆蓋足夠?qū)挿旱能囆头秶?，快速、準確地呈現(xiàn)各種車型的設計方案，是人機臺架系統(tǒng)最基本的功能要求。本文的人機臺架系統(tǒng)主要面向乘用車（M1類［9］），包括轎跑車、敞篷車、轎車、CRV、SUV、MPV等車型。這些車型的一些典型設計參數(shù)范圍如表1所示。臺架的主體結(jié)構(gòu)和尺寸仿照真實的三廂轎車設計，但可以用于呈現(xiàn)整個乘用車范圍內(nèi)各種車型的設計方案。

1.2 功能要求

為了能夠快速、準確地表達各種乘用車的設計方案，要求座椅、儀表板、操縱件（轉(zhuǎn)向盤、踏板、換擋桿、手制動桿）、立柱、頂蓋和車身閉合件（車門、發(fā)動機艙蓋、后背艙蓋）等能夠按照該車型的設計參數(shù)值在臺架上進行布置，因此，必須將這些部位設計成具有足夠的活動自由度部件，并能夠在各自的自由度方向上進行無級調(diào)節(jié)。主要的調(diào)節(jié)自由度見表2。從轎跑車到各級別轎車，再到SUV、MPV等，表2中很多部位的活動自由度（與絕大多數(shù)汽車布置參數(shù)相對應）都在一個較大的范圍內(nèi)變化。對于本身就帶有調(diào)節(jié)功能的零部件（或車身附件），如座椅、轉(zhuǎn)向盤等，其自身的調(diào)節(jié)范圍遠遠不能滿足要求，必須額外補充調(diào)節(jié)量。所有直線自由度的調(diào)節(jié)精度控制在1mm以內(nèi)。

表2 臺架的調(diào)節(jié)自由度

對于座椅、轉(zhuǎn)向盤、換擋桿、儀表板等，不同車型會采用不同廠家、不同規(guī)格和尺寸的總成，這就要求它們能夠方便地拆裝。由于本臺架的另一主要功能是對部分內(nèi)飾的效果進行驗證，這也要求這些內(nèi)飾能夠方便地安裝和更換。

容納乘員的空間應該能夠適合各種常見的人群，因此，相關(guān)布置參數(shù)的統(tǒng)計計算應考慮極限人體尺度的目標人群。計算所采用的部分人體尺寸參見表3。

表3 人體尺寸

在人機臺架上驗證的主要內(nèi)容包括：①乘員乘坐和活動空間；②駕駛員和后排乘員視野；③駕駛員操縱的方便性和舒適性；④乘員上下車和進出方便性等。

1.3 結(jié)構(gòu)要求

臺架除了要具備足夠的結(jié)構(gòu)強度之外，還要有較高的剛度，以保證各活動部件的調(diào)節(jié)機構(gòu)能正常發(fā)揮作用，避免造成零件磨損和調(diào)節(jié)精度下降；而整體結(jié)構(gòu)則應盡可能輕量化。結(jié)構(gòu)和機構(gòu)的實現(xiàn)應確保使用中無危險。為了便于今后進行維護，各部件及其調(diào)節(jié)機構(gòu)應采用模塊化設計和制造，并盡量采用螺釘連接進行裝配。除此之外，在結(jié)構(gòu)的設計上還力求做到受力均勻、變形協(xié)調(diào)、強度相等和載荷傳遞路徑短等［10］。

2 概念設計

2.1 總體框架

根據(jù)設計需求和目標定位，確定了整個系統(tǒng)的總體概念方案。整個臺架系統(tǒng)所包括的各部分內(nèi)容見圖1。目前的工作主要針對硬件系統(tǒng)的開發(fā)，包括結(jié)構(gòu)框架設計制造、車身零部件改裝、各自由度調(diào)節(jié)機構(gòu)設計制造和控制系統(tǒng)開發(fā)。

圖1 可調(diào)節(jié)人機臺架系統(tǒng)內(nèi)容

2.2 定位基準系統(tǒng)

定位基準的合理選擇對于設計、制造和使用非常重要。設計基準通常采用硬點來實現(xiàn)，能夠直接與現(xiàn)有的標準兼容，如SAE J1100［11］。若某方面尺寸在標準中沒有相關(guān)硬點定義，則需要根據(jù)具體情況自行定義定位基準。制造基準的選取則更多地考慮保證設計和制造精度。使用中的定位基準包括一些硬點和廠商自定義的、用于定位一些形狀不規(guī)則的零部件的基準。限于篇幅，本文只介紹設計中的定位基準，如圖2所示。圖2中，PRP為加速踏板基準點（pedal reference point），AHP為加速踏板踵點（accelerator heel point），SgRP為乘員的乘坐基準點（seating reference point），F(xiàn)RP為后排乘員的踵點（floor reference point）［11］。除此之外，在儀表板、立柱、車門、頂蓋等處還自定義了一些基準，用以表示對應的機構(gòu)的位置，由于涉及一些技術(shù)秘密，本文不予列出。

圖2 設計定位基準

2.3 前排空間設計

本臺架用于人機工效驗證，就必須能夠適應各種身材和體型的人進行工效試驗，故應該按照極限尺寸的人來設計前后排乘員的乘坐空間。本文參照了歐美和亞洲國家的極限尺寸人體數(shù)據(jù)，充分保證對絕大多數(shù)人群的設計適應度不小于99%。圖3為前排乘坐空間設計結(jié)果。圖3中，空間p1－p2－p4－p3為綜合考慮各國人體尺寸之后0.5到99.5百分位駕駛員乘坐空間范圍；空間p1－p2－p6－p5為座椅調(diào)節(jié)機構(gòu)的最小行程范圍；空間p5－p6－p8－p7為臺架補充的調(diào)節(jié)范圍，其中空間p3－p4－p8－p7是容納可能出現(xiàn)的超大尺寸身材駕駛員的乘坐范圍。圖3中，x方向的坐標原點為PRP，z方向的坐標原點為AHP。為了驗證所設計的范圍，圖3中繪出了成年人最短下肢長度（位置Ⅰ）和最長下肢長度（位置Ⅱ），分別對應于亞洲國家女性和荷蘭男性，可見，設計范圍已經(jīng)完全覆蓋目標群體尺寸范圍（完全容納下肢長度），并且前后端都留出了必要的后備范圍。

圖3 前排乘坐空間范圍

2.4 后排空間設計

后排空間設計同樣應保證能夠表現(xiàn)各種乘用車型的設計方案，因此，需要對現(xiàn)有的典型乘用車后排空間大小和位置進行統(tǒng)計分析。圖4中給出了典型的6輛各級別乘用車后排空間（圖中以L50表示，定義為前后排乘坐基準點SgRP之間的前后距離）尺寸。根據(jù)典型乘用車后排空間大小和位置的統(tǒng)計結(jié)果，參照前排座椅的最前和最后位置，最終確定后排所需的最大和最小空間及乘坐位置。

圖4 后排空間尺寸

2.5 其他空間設計

寬度方向需要確定座椅和立柱的調(diào)節(jié)范圍，高度方向需要確定頂蓋高度、發(fā)動機罩C點高度和后備艙D點高度的分布范圍，確定的依據(jù)同樣是對各種乘用車型參數(shù)所進行的統(tǒng)計分析結(jié)果。

3 結(jié)構(gòu)設計

3.1 調(diào)節(jié)機構(gòu)

絕大多數(shù)自由度都是沿著直線方向運動，因此，可采用直線滑動副和絲杠實現(xiàn)自由度調(diào)節(jié)，利用步進電機進行驅(qū)動。各自由度調(diào)節(jié)機構(gòu)的組成件盡量利用成熟的產(chǎn)品進行集成。個別結(jié)構(gòu)和運動形式特殊的零部件則需要進行特殊加工。因此，與絕大多數(shù)活動自由度相關(guān)的零部件結(jié)構(gòu)形式和尺寸就根據(jù)已有產(chǎn)品的規(guī)格尺寸進行選型并確定下來。

3.2 結(jié)構(gòu)驗證

為了保證整個系統(tǒng)運行準確、可靠，在最后確定結(jié)構(gòu)形式和制造之前，需要對結(jié)構(gòu)的強度進行分析計算，確保各個部件受力合理，不會出現(xiàn)局部應力過大的現(xiàn)象。因此，對于承載大的結(jié)構(gòu)，都利用MSC.Nastran軟件進行了分析計算，對結(jié)構(gòu)強度和剛度進行了分析驗證。

3.3 機構(gòu)DMU分析

由于需要調(diào)節(jié)的部位和自由度非常多，一些部位的活動自由度和結(jié)構(gòu)如果設計不當可能還會出現(xiàn)干涉的現(xiàn)象，因此，必須進行各部位自由度調(diào)節(jié)的功能分析，即進行機構(gòu)的DMU分析，一方面驗證自由度的功能和相應結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性，另一方面也驗證不同自由度之間會不會出現(xiàn)干涉。

4 制造和裝配

對經(jīng)過驗證的結(jié)構(gòu)和機構(gòu)進行了制造和裝配驗證，并估算了成本，之后進行了加工、采購和集成。制造采用委托加工的形式。制造完畢的物理模型經(jīng)過了功能評估、初步驗收和最終驗收，結(jié)果表明，本模型的設計和制造符合預期的技術(shù)要求。

5 結(jié)語

本文研究并開發(fā)了專門用于乘用車人機工程學設計和驗證的臺架系統(tǒng)，并申請了相關(guān)專利。本臺架系統(tǒng)目前已經(jīng)實現(xiàn)了硬件和控制軟件部分，未來將要進一步對相配套的評價和分析軟件進行開發(fā)，從而在預期目標的基礎(chǔ)上實現(xiàn)更為復雜、方便的功能。相對于目前的同類臺架，本臺架的優(yōu)勢在于：①能夠非常全面地驗證乘員的人機工效；②能夠針對各種乘用車型進行驗證；③能夠?qū)?nèi)飾設計效果進行驗證。

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