汽車人機(jī)工程設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用研究

李慶雯 曹旭 劉偉東

摘 要 本文研究了根據(jù)人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)建立用于商用車人機(jī)工程設(shè)計(jì)和分析數(shù)字人體模型的關(guān)鍵技術(shù)，包括人體測(cè)量學(xué)參數(shù)描述、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模、人體肢體運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)和姿勢(shì)求解的正向和反向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題、幾何建模和外觀可視化、性能建模等，建立了三維數(shù)字化人體模型，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重型商用車人機(jī)工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

關(guān)鍵字 人體測(cè)量學(xué) 駕駛室 人機(jī)工程學(xué) 數(shù)字人體模型

中圖分類號(hào)：U46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1論文研究背景

汽車發(fā)展的潮流是行駛安全性越來越好，技術(shù)含量越來越高，駕駛越來越舒適和人性化。在人們生活水平大幅提高的我國(guó)，隨著汽車工業(yè)技術(shù)水平的不斷提升和消費(fèi)者的不斷成熟，會(huì)對(duì)汽車的舒適性和安全性有著越來越高的要求，使得進(jìn)一步研究和改善汽車的人機(jī)性能十分必要。從某種意義上講，人機(jī)工程設(shè)計(jì)的好壞直接決定了汽車設(shè)計(jì)水平的高低。

2人體模型

駕駛室設(shè)計(jì)需要利用人體模型來盡可能的模擬現(xiàn)實(shí)中的人，從而縮短與人體有關(guān)的零部件的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)周期。以人體參數(shù)為基礎(chǔ)建立的人體模型是描述人體形態(tài)特征和力學(xué)特征的有效工具，是研究、分析、評(píng)價(jià)、試驗(yàn)人機(jī)系統(tǒng)不可缺少的重要輔助手段。科學(xué)、合理的建立人體模型是人機(jī)工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。對(duì)于像裝載機(jī)這樣比較復(fù)雜的設(shè)計(jì)對(duì)象，應(yīng)用人體模型是一種重要的輔助手段，它既可以表現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，也可以用來調(diào)整設(shè)計(jì)，以確定最終設(shè)計(jì)尺寸。

3商用車人機(jī)設(shè)計(jì)工作原理

人機(jī)工程設(shè)計(jì)通常始于概念設(shè)計(jì)初期。了解目標(biāo)駕駛員群體特點(diǎn)和人體尺寸，作為人機(jī)工程設(shè)計(jì)的依據(jù)，商用貨車具有底盤高，駕駛室為平頭，駕駛室內(nèi)部高度方向空間大、長(zhǎng)度方向空間緊湊等特點(diǎn)。此外，商用貨車的駕駛員群體多數(shù)為男性。對(duì)于全新開發(fā)車型，商用貨車人機(jī)工程設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和流程。

3.1踏板布置

加速踏板的安裝位置和駕駛員座椅高度決定了駕駛員的基本乘坐姿態(tài)，對(duì)駕駛員坐姿舒適性和各項(xiàng)功能操作具有重要影響。此外，加速踏板位置還決定了駕駛室其它部件的布置位置，是車內(nèi)布置的重要參考元素。加速踏板布置分析主要關(guān)注以下問題：

（1）踏板中心高度。會(huì)影響駕駛員踩關(guān)節(jié)舒適性。由于加速踏板踩踏頻繁，其布置必須考慮長(zhǎng)時(shí)間操作的舒適性。加速踏板未踩下時(shí)，應(yīng)保證跺關(guān)節(jié)角度合適，以保證駕駛員踩關(guān)節(jié)舒適；

（2）踏板表面傾斜角度要合適，否則會(huì)影響踏板表面和腳底面的貼合；

（3）要保證駕駛員腳底施力位置始終處于踏板中心附近。

3.2轉(zhuǎn)向盤布置

轉(zhuǎn)向盤布置，包括確定中心位置、傾角和輪緣直徑。合理地布置轉(zhuǎn)向盤，對(duì)于改善駕駛員操縱姿勢(shì)、減小操舵力，從而降低駕駛疲勞程度具有重要意義。確定轉(zhuǎn)向盤的位置要考慮與儀表板和駕駛員之間的距離合適。轉(zhuǎn)向盤輪緣到駕駛員軀干的距離不宜小于250mm，這個(gè)間隙是安全的重要保證。最終所確定的轉(zhuǎn)向盤中心位置、傾角和轉(zhuǎn)向盤直徑，是通過反復(fù)進(jìn)行駕駛員人體、座椅、轉(zhuǎn)向盤布置和位置校核后得到的?，F(xiàn)代轉(zhuǎn)向盤上還集成了許多操縱鈕鍵，如雨刮器開關(guān)，風(fēng)擋玻璃洗滌器噴水開關(guān)，大燈、轉(zhuǎn)向燈、小燈開關(guān)，喇叭按鈕，巡航按鈕等。布置這些的時(shí)候要考慮手指操作的伸及性。適當(dāng)選擇這些鈕件的形式和操作順序，保證操作方便性。

3.3儀表布置

儀表盤和儀表在寬度方向的位置應(yīng)布置在可視區(qū)域內(nèi)。為此，應(yīng)該作出不受方向盤阻擋的可視區(qū)域。在可視區(qū)中心附近應(yīng)該布置最常用、最主要的儀表，如：

車速里程表。在最重要的儀表周圍布置一般性儀表，如：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表、燃油表、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫表等。有些汽車儀表盤上還集成了發(fā)電機(jī)狀態(tài)、燈光、變速檔位、環(huán)境溫度、路面傾斜度等儀表。

儀表罩要有足夠的深度，以遮住射向儀表玻璃的光線。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行眩目檢查。如果入射光經(jīng)過儀表面反射后不會(huì)與眼橢圓相交，就不會(huì)產(chǎn)生眩目現(xiàn)象。儀表罩的布置不能影響前方下視野，其斷面應(yīng)該布置在前方下視野線Ld以下、公切線Ll的上方。儀表罩最前端與轉(zhuǎn)向盤要保持一定的距離，免發(fā)生干涉。

4總結(jié)

本文是對(duì)商務(wù)汽車駕駛室設(shè)計(jì)方法構(gòu)架及其相關(guān)參數(shù)評(píng)價(jià)方法的有益探索，以人機(jī)工程學(xué)為基本原理，對(duì)駕駛室進(jìn)行人機(jī)工程設(shè)計(jì)，能夠提供給駕駛員舒適的駕駛姿勢(shì)，良好的視野和合理的操縱裝置布局，以實(shí)現(xiàn)安全、舒適、健康、高效的人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。本課題的主要研究工作和成果如下：

（1）在駕駛室人機(jī)工程設(shè)計(jì)方法研究中，根據(jù)商用車和駕駛員群體的特點(diǎn)，研究了人機(jī)設(shè)計(jì)的前期條件、設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)流程、具體設(shè)計(jì)原理和基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的設(shè)計(jì)工具，建立了適用于商用車任意目標(biāo)駕駛員群體的通用人機(jī)工程設(shè)計(jì)方法。

（2）深入研究了駕駛員駕駛和乘坐姿勢(shì)的舒適性。提出了采用人體肌肉負(fù)荷作為姿勢(shì)舒適性的客觀量度，而肌肉負(fù)荷從宏觀上根據(jù)關(guān)節(jié)載荷計(jì)算來評(píng)價(jià)舒適度的方法。

（3）某商用車樣車的人機(jī)性能進(jìn)行了客觀評(píng)價(jià)，分析了該車型踏板舒適性、儀表視野、駕駛室進(jìn)出方便性和乘坐空間等方面的人機(jī)工程性能。

參考文獻(xiàn)

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