可調(diào)式人機(jī)驗(yàn)證模型的方案設(shè)計(jì)

胡建偉，王 磊，馬忠民，萬 振 Hu Jianwei，Wang Lei，Ma Zhongmin，Wan Zhen

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可調(diào)式人機(jī)驗(yàn)證模型的方案設(shè)計(jì)

胡建偉，王 磊，馬忠民，萬 振 Hu Jianwei，Wang Lei，Ma Zhongmin，Wan Zhen

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

針對(duì)各大車企均采用的一種乘員舒適性評(píng)價(jià)驗(yàn)證手段人機(jī)驗(yàn)證模型（Seating Buck）進(jìn)行研究。對(duì)相關(guān)產(chǎn)品調(diào)研和學(xué)習(xí)，確定可調(diào)式人機(jī)驗(yàn)證模型的研究方向。通過確定控制條件、模型制作等手段，完成可調(diào)式人機(jī)驗(yàn)證模型的方案設(shè)計(jì)和制作，使得產(chǎn)品在設(shè)計(jì)初期便具備合理的人機(jī)空間設(shè)計(jì)指標(biāo)。研究重點(diǎn)是確定人機(jī)驗(yàn)證模型的調(diào)整方案，需要充分分析對(duì)標(biāo)數(shù)據(jù)，參考對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的市場(chǎng)定位，理解對(duì)產(chǎn)品性能最有影響的尺寸參數(shù)，同時(shí)考慮機(jī)構(gòu)的可實(shí)現(xiàn)性。

人機(jī)驗(yàn)證模型；可調(diào)式；控制邊界

0 引 言

車內(nèi)乘員的人機(jī)環(huán)境舒適性是自主研發(fā)的重要內(nèi)容。對(duì)于乘坐舒適性的評(píng)價(jià)，可以采用物理人機(jī)空間模型，為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供重要參考依據(jù)，這種采用物理模型驗(yàn)證的方法已經(jīng)逐步應(yīng)用到各大車企產(chǎn)品研發(fā)過程當(dāng)中[1]。

在產(chǎn)品前期概念階段，大部分參數(shù)及數(shù)據(jù)都沒有最終確定，產(chǎn)品的目標(biāo)值也在頻繁發(fā)生變化，此時(shí)無法通過靜態(tài)的人機(jī)驗(yàn)證模型來進(jìn)行目標(biāo)值的測(cè)評(píng)和確定，無法有效地指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的方向[2]。為解決此問題，前期架構(gòu)概念階段的人機(jī)驗(yàn)證模型需要制作成主要參數(shù)可調(diào)節(jié)的型式，依據(jù)已有的對(duì)標(biāo)數(shù)據(jù)和概念造型數(shù)據(jù)，確定初步目標(biāo)值范圍，并通過模型反復(fù)評(píng)審分析，選出最優(yōu)方案，最終確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)，使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)初期最大限度保證與市場(chǎng)定位相符合，避免后期因指標(biāo)不符合市場(chǎng)需求而進(jìn)行顛覆性更改[3]。

1 可調(diào)式人機(jī)模型控制邊界設(shè)計(jì)

通過標(biāo)桿車分析測(cè)量，獲得競(jìng)品車主要人機(jī)尺寸參數(shù)，在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，參考這些參數(shù)，確定主要人機(jī)布置指標(biāo)參數(shù)，并以此作為人機(jī)驗(yàn)證模型的設(shè)計(jì)輸入，即人機(jī)驗(yàn)證模型控制邊界條件。

1.1 乘員布置

1.1.1 二維人體模型布置

通過初期對(duì)標(biāo)分析，根據(jù)初步的地板及前圍控制面，選定駕駛員踵點(diǎn)位置，并根據(jù)人體軀干關(guān)節(jié)角度舒適值范圍，確定駕駛員乘坐相關(guān)參數(shù)，見表1。

表1 駕駛員乘坐相關(guān)參數(shù)

根據(jù)駕駛員布置位置，還應(yīng)確定駕駛員H點(diǎn)的曲線，以控制座椅調(diào)節(jié)行程，其調(diào)節(jié)行程應(yīng)覆蓋第5百分位到第95百分位的H點(diǎn)范圍。不同百分位人體對(duì)應(yīng)的H點(diǎn)曲線按照式（1）計(jì)算。

式中，為H點(diǎn)到踏點(diǎn)的水平距離，mm；為H點(diǎn)到踵點(diǎn)的垂直距離，mm。

1.1.2 乘員乘坐空間限制邊界

根據(jù)初期對(duì)標(biāo)分析以及乘員初步布置方案，初步確定乘員乘坐空間的主要指標(biāo)，見表2，并在控制邊界中體現(xiàn)。

表2 乘員乘坐空間的主要指標(biāo) mm

1.1.3 駕駛員視野

根據(jù)駕駛員的坐姿參數(shù)，確定駕駛員的眼橢圓位置，并確定駕駛員視野相關(guān)限制區(qū)域，見表3。

表3 駕駛員的視野限制

1.2 主要零部件布置

1.2.1 轉(zhuǎn)向盤

對(duì)于轉(zhuǎn)向盤的布置，應(yīng)考慮轉(zhuǎn)向盤與人體之間的位置關(guān)系，包括轉(zhuǎn)向盤的傾角和直徑，以及轉(zhuǎn)向盤與駕駛員腿部的間隙等因素。表4為轉(zhuǎn)向盤的主要布置參數(shù)。

表4 轉(zhuǎn)向盤的主要布置參數(shù)

1.2.2 踏板組

踏板組的布置應(yīng)以加速踏板為基礎(chǔ)進(jìn)行布置，因?yàn)樵隈{駛過程中，加速踏板的使用非常頻繁，如果布置不當(dāng)，則長(zhǎng)時(shí)間操作必定會(huì)影響駕駛舒適性。

主要踏板組相關(guān)尺寸控制參數(shù)見表5。

而以股市為代表的金融市場(chǎng)，其主要功能在提高風(fēng)險(xiǎn)管理、信息擴(kuò)散、所有權(quán)控制、資本配置等。Stulz發(fā)現(xiàn)，金融市場(chǎng)能夠在投資前對(duì)該項(xiàng)目生產(chǎn)出足夠的信息，并在過程中進(jìn)行有效的監(jiān)控(如信息披露制度設(shè)定等)，從而提升研發(fā)投入，進(jìn)而影響實(shí)體經(jīng)濟(jì)的創(chuàng)新。[8]Hsu et al的研究表明，在股票市場(chǎng)相對(duì)發(fā)達(dá)的國(guó)家，那些更依賴外部融資的企業(yè)表現(xiàn)出異常高的創(chuàng)新水平，而信貸市場(chǎng)相對(duì)發(fā)達(dá)的國(guó)家則無此特征。[9]

表5 踏板組相關(guān)尺寸控制參數(shù)

1.2.3 換擋操縱機(jī)構(gòu)

換擋操縱機(jī)構(gòu)在布置的時(shí)候，應(yīng)考慮駕駛員操縱的人機(jī)舒適區(qū)域。一般來說，整個(gè)換擋操縱機(jī)構(gòu)所在的區(qū)域范圍應(yīng)該以人體肩關(guān)節(jié)點(diǎn)為中心，做出的最小限制區(qū)域球面和最大限制區(qū)域球面之間的一個(gè)范圍，應(yīng)包含整個(gè)換擋機(jī)構(gòu)各個(gè)擋位的位置包絡(luò)。

SAE J833-2003中第95百分位人體的尺寸見表6，依據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行控制邊界最大值max和最小值min的計(jì)算，即

表6 人體尺寸參數(shù)

2 主要硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

對(duì)于可調(diào)式人機(jī)驗(yàn)證模型，可調(diào)整性是模型必備的條件。模型的設(shè)計(jì)應(yīng)該保證可以準(zhǔn)確、方便地實(shí)現(xiàn)所要求的調(diào)節(jié)功能，同時(shí)附帶標(biāo)尺，以便清晰地指示部件的位置。

2.1 踏板組調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

踏板組的合理布置是人機(jī)驗(yàn)證模型的關(guān)鍵部分之一，在模型中應(yīng)能實(shí)現(xiàn)踏板組在一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。由于踏板組之間空間有限，無法布置下單獨(dú)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所以在驗(yàn)證模型中將踏板組安裝在同一個(gè)平臺(tái)上，蝸輪絲桿升降機(jī)可以實(shí)現(xiàn)向調(diào)節(jié)，升降機(jī)托起十字直線滑臺(tái)，轉(zhuǎn)動(dòng)十字直線滑臺(tái)手輪，可以實(shí)現(xiàn)、兩個(gè)方向調(diào)節(jié)。相應(yīng)的子平臺(tái)安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 踏板組子平臺(tái)

2.2 座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

一般情況下，主、副駕駛座椅的調(diào)節(jié)要求實(shí)現(xiàn)前后、左右和上下方向的調(diào)節(jié)；因此，采用升降機(jī)托起十字滑臺(tái)安裝板，實(shí)現(xiàn)座椅向調(diào)節(jié)，再利用絲桿調(diào)節(jié)座椅、向空間位置，如圖2所示。

圖2 座椅機(jī)構(gòu)

2.3 門板機(jī)構(gòu)

前、后門板設(shè)計(jì)為內(nèi)外雙層骨架，外層骨架通過鉸鏈連接主骨架，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能；內(nèi)層骨架通過直線滑臺(tái)連接外層骨架，通過調(diào)節(jié)絲桿使內(nèi)層骨架在向移動(dòng)，帶動(dòng)內(nèi)門板在向平移。門板安裝機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 門板安裝機(jī)構(gòu)

2.4 換擋操縱安裝機(jī)構(gòu)

換擋操縱安裝機(jī)構(gòu)如圖4所示，將換擋、中控扶手等部件放在同一個(gè)平臺(tái)上安裝，減少中控區(qū)域的機(jī)構(gòu)，避免機(jī)構(gòu)之間的干涉，合理利用空間。平臺(tái)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相同，部件可以同步升降和平移。部件的升降高度可以通過增加墊塊來調(diào)節(jié)，平移距離可以通過改變部件在平臺(tái)上的安裝孔位來調(diào)節(jié)。

圖4 換擋操縱安裝機(jī)構(gòu)

2.5 轉(zhuǎn)向盤調(diào)整機(jī)構(gòu)

通過轉(zhuǎn)向管柱的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向盤的調(diào)節(jié)，采用多個(gè)安裝板之間的相互移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)管柱3個(gè)方向移動(dòng)，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)向管柱安裝機(jī)構(gòu)

2.6 頂棚

將頂棚懸掛在車頂上的骨架上，安裝導(dǎo)軌和絲桿滑臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)頂棚上下、前后和左右的移動(dòng)。

可單獨(dú)調(diào)節(jié)頂棚的示意圖如圖6所示。為保證前、后排乘員對(duì)應(yīng)的頂棚結(jié)構(gòu)能夠單獨(dú)調(diào)節(jié)，整個(gè)頂棚設(shè)計(jì)為9塊可獨(dú)立調(diào)節(jié)部分，分別調(diào)節(jié)前、后排乘員頭部空間及斜頭部空間。

圖6 頂棚調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖

2.7 模型骨架

模型骨架如圖7所示，整個(gè)模型骨架選用鋁型材加工制作。主要選擇100mm×50 mm、50 mm×50 mm規(guī)格的矩形管。為便于活動(dòng)機(jī)構(gòu)的拆卸，這些機(jī)構(gòu)采用螺栓與主骨架連接。子平臺(tái)骨架盡量選擇鋁型材，常用規(guī)格為40 mm×40 mm、40 mm×80 mm、50 mm×50mm。鋁型材的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕，組裝方便，可調(diào)節(jié)，強(qiáng)度高以及美觀不生銹。

圖7 模型骨架示意圖

3 驗(yàn)證模型的制作

由于驗(yàn)證模型尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此整個(gè)模型的加工制作在專業(yè)的車間進(jìn)行，因?yàn)槟Ｐ蜕婕氨砻鎳娡?，所以車間環(huán)境應(yīng)保證清潔衛(wèi)生。制作模型的工作人員應(yīng)具備職業(yè)資格，保證模型制作滿足使用要求和生產(chǎn)安全。

模型制作主要分為2個(gè)部分，即骨架制作和內(nèi)外裝飾件制作，如圖8所示。

圖8 人機(jī)驗(yàn)證模型分解示意圖

內(nèi)外裝飾件的制作應(yīng)保證主要位置型面滿足所需驗(yàn)證空間尺寸的要求，確保各區(qū)域具有型面走向特征，不需要具有特別的細(xì)節(jié)特征。在骨架制作過程中，對(duì)于未提供數(shù)據(jù)但需要驗(yàn)證的區(qū)域預(yù)留出更新使用的接口，如儀表板、中控臺(tái)上的開關(guān)以及行李廂開口等內(nèi)容。

對(duì)于承重部件，如A、B、C柱需采用代木或ABS加工，對(duì)于采用硬質(zhì)泡沫加工的部件，需在安裝接口位置鑲嵌代木。骨架需要進(jìn)行防銹處理，零部件需要進(jìn)行噴涂底灰處理。噴涂材料要求安全環(huán)保，交付使用時(shí)無刺激性氣味。制作完成的驗(yàn)證模型如圖9所示。

圖9 制作完成的驗(yàn)證模型

4 小 結(jié)

依據(jù)前期對(duì)標(biāo)確定的設(shè)計(jì)指標(biāo)，梳理并設(shè)計(jì)包括乘員坐姿、乘員乘坐空間、駕駛員視野和手伸及界面、整車外廓尺寸、主要零部件布置等在內(nèi)的人機(jī)驗(yàn)證模型的相關(guān)控制條件和邊界，作為可調(diào)式人機(jī)驗(yàn)證模型設(shè)計(jì)開發(fā)的主要依據(jù)和限制條件，指導(dǎo)模型的制作和應(yīng)用。

同時(shí)，介紹了可調(diào)式人機(jī)驗(yàn)證模型總體設(shè)計(jì)思路，闡述了驗(yàn)證模型設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的主要問題及需要達(dá)到的要求。著重介紹了人機(jī)驗(yàn)證模型主要機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，討論各個(gè)調(diào)整機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，完成可調(diào)式人機(jī)驗(yàn)證模型的設(shè)計(jì)及制作。

[1]Nanxin Wang，Jian Wan，Gianna Gomez-Levi. A Parametric Approach to Vehicle Seating Buck Design[C]//ASME 2004 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. 2004：333-339.

[2]李世海，任金東，高曉嫻，等．適用于乘用車人機(jī)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的人機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)開發(fā)[J]．中國(guó)機(jī)械工程，2014，4（26）：559-561.

[3]Jian Wan，Nanxin Wang，Gianna Gomez-Levi. Parametric Modeling Method for Conceptual Vehicle Design[C]// ASME 2005 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. 2005：403-410.

2017-03-27

1002-4581（2018）04-0005-05

U461.4

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2018.04.002