基于人機(jī)工程學(xué)的電動(dòng)汽車(chē)模擬駕駛艙設(shè)計(jì)

王振宇，李 鑫

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400039；2.重慶理工大學(xué) 汽車(chē)零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054)

虛擬技術(shù)被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)。人機(jī)工程學(xué)在工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)中通過(guò)應(yīng)用人體測(cè)量學(xué)和人體力學(xué)等知識(shí)，對(duì)人體結(jié)構(gòu)和機(jī)能特征進(jìn)行分析，使得人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加人性化和科學(xué)化，從而改善機(jī)械操作的簡(jiǎn)潔性和舒適性，同時(shí)提高機(jī)械整體的工作效率[1]。但是如果只有計(jì)算機(jī)軟件的虛擬操作而缺少試驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品不可避免地會(huì)出現(xiàn)些許問(wèn)題。

電動(dòng)汽車(chē)模擬駕駛艙作為一種特殊的虛擬仿真技術(shù)[1]，愈來(lái)愈受到行業(yè)內(nèi)的重視。在開(kāi)發(fā)新款電動(dòng)汽車(chē)及駕駛艙的設(shè)計(jì)中應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)知識(shí)，合理規(guī)劃駕駛艙布局空間，設(shè)計(jì)模擬駕駛艙的虛擬樣機(jī)模型并且搭建實(shí)物模型，通過(guò)分析計(jì)算機(jī)仿真軟件得出的仿真結(jié)果與實(shí)際操作的驗(yàn)證結(jié)果，得到的數(shù)據(jù)也更具有說(shuō)服力[3]，從而可評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的合理性與實(shí)用性，最終達(dá)到提高駕駛員操作效率、減少疲勞程度、降低設(shè)計(jì)成本、縮短開(kāi)發(fā)周期的目的。

1 駕駛艙布局設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)在動(dòng)力的產(chǎn)生及傳遞方式、踏板以及儀表系統(tǒng)3個(gè)方面存在區(qū)別，使得電動(dòng)汽車(chē)的模擬駕駛艙與傳統(tǒng)汽車(chē)模擬駕駛艙也有一定的區(qū)別[6]。電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)自電機(jī)，儀表主要是電流表和電壓表，沒(méi)有離合器踏板。而傳統(tǒng)燃油汽車(chē)動(dòng)力是靠發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒燃油獲得，儀表上沒(méi)有電流表和電壓表?；陔妱?dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)上的不同，開(kāi)展總體功能分析和方案設(shè)計(jì)：

1) 功能要求。① 集成化的電動(dòng)汽車(chē)模擬駕駛艙；② 模擬駕駛艙可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的啟動(dòng)、加速、制動(dòng)、換擋等模擬操作；③ 可實(shí)現(xiàn)駕駛實(shí)時(shí)狀態(tài)的顯示。

2) 方案設(shè)計(jì)。① 根據(jù)駕駛艙的相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和實(shí)車(chē)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行駕駛艙的外部結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，并對(duì)駕駛艙的靜強(qiáng)度進(jìn)行分析；② 采用可分屏顯示的液晶顯示屏，且顯示屏可進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，其上下左右的位置均可以調(diào)整；③ VCU是所有線束的匯聚點(diǎn)，用來(lái)接收各種開(kāi)關(guān)信息和模擬信號(hào)，將其安裝在地板下面；④ 合理布置制動(dòng)踏板、加速踏板以及換擋手柄；⑤ 在CATIA V5R20軟件中進(jìn)行線束走向布置，并預(yù)估線束長(zhǎng)度。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模及零部件布置

1.2.1 選材

通過(guò)分析比較Q235、Q345、鋁材、4130及碳纖維等常用車(chē)架材料后，選擇鋁材(6063-T5)中的3030規(guī)格，其主要性能參數(shù)及截面二維圖分別如表1和圖1所示。

表1 6063-T5材料性能參數(shù)

圖1 3030型材二維圖

根據(jù)駕駛艙整體框架的具體尺寸來(lái)設(shè)計(jì)鋁型材的三維結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)過(guò)程中首先參考其他車(chē)輛的實(shí)際尺寸，在CATIA軟件中大致繪制出整個(gè)駕駛艙的外部形狀，然后再根據(jù)各零部件的位置進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，通過(guò)T型螺母和各種角碼對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行連接，設(shè)計(jì)完成后整體駕駛艙的基本雛形如圖2所示。

圖2 駕駛艙基本雛形

1.2.2 汽車(chē)座椅布置

汽車(chē)座椅是車(chē)體和乘員最直接的接觸體，與其他座椅的基本功能一樣，因處于汽車(chē)內(nèi)部這一特定的環(huán)境而增加了許多不同的功能，除了可前后、上下調(diào)節(jié)外，其靠背角度可前傾、后傾，且頭枕也可以上下、前后調(diào)節(jié)，所以座椅的布置、設(shè)計(jì)和安裝的好壞將會(huì)直接影響到駕駛員和乘員的乘坐舒適性和安全性。

根據(jù)圖3中的假人姿態(tài)背角，汽車(chē)座椅應(yīng)與周?chē)悴考年P(guān)系進(jìn)行布置。

圖3 假人姿態(tài)背角

1.2.3 安全帶的布置

當(dāng)車(chē)輛行駛在低速狀態(tài)下不慎發(fā)生安全事故，且汽車(chē)沒(méi)有配備安全氣囊時(shí)，安全帶就成為至關(guān)重要的乘客保護(hù)裝置。

安全帶的合理布置及佩戴舒適性是評(píng)價(jià)車(chē)輛安全性和乘坐舒適性的重要指標(biāo)。在布置安全帶時(shí)要注意避免以下問(wèn)題：安全帶收回時(shí)被門(mén)卡?。欢疽挛锷院?，佩戴安全帶不方便；安全帶鎖舌靠后，乘員不易觸碰到。安全帶固定點(diǎn)的布置要考慮以下3個(gè)方面：對(duì)駕駛員以及乘客舒適性的影響；安全帶固定點(diǎn)的有效區(qū)域；是否影響卷收器的收放[6]。

安全帶的布置是在座椅布置完成之后進(jìn)行的。

1.2.4 換擋機(jī)構(gòu)的布置

換擋機(jī)構(gòu)對(duì)于駕駛?cè)藛T的操作舒適性有著很大的影響，其布置主要考慮與座椅右側(cè)的距離、距地板的高度和距方向盤(pán)的距離。

結(jié)合人機(jī)工程學(xué)知識(shí)得知人體操作的舒適區(qū)間如圖4所示。

圖4 換擋手柄操縱舒適區(qū)域

根據(jù)換擋機(jī)構(gòu)的操縱舒適區(qū)域、布置要求以及駕駛員的相對(duì)位置要求，設(shè)計(jì)了如圖5的結(jié)構(gòu)安裝換擋手柄。

圖5 換擋機(jī)構(gòu)安裝結(jié)構(gòu)

1.2.5 儀表盤(pán)的布置

電動(dòng)汽車(chē)儀表盤(pán)是一種集LED、步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，是駕駛員與汽車(chē)進(jìn)行信息交流的窗口。根據(jù)儀表盤(pán)的布置要求和圖6中的眼橢圓與儀表的位置關(guān)系進(jìn)行儀表盤(pán)的布置設(shè)計(jì)。

儀表盤(pán)的布置主要考慮方向盤(pán)的位置和外徑、下視野的目標(biāo)值等。

圖6 眼橢圓與儀表位置關(guān)系

儀表盤(pán)的合理正確安裝有利于駕駛?cè)藛T的觀察和提高儀表壽命。考慮到駕駛艙結(jié)構(gòu)的特殊性，設(shè)計(jì)了如圖7所示的零件安裝儀表盤(pán)。

圖7 儀表盤(pán)安裝-零件

1.2.6 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置

在模擬駕駛艙中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)包括轉(zhuǎn)向器、方向盤(pán)、點(diǎn)火開(kāi)關(guān)三大部分的布置設(shè)計(jì)。

轉(zhuǎn)向器主要通過(guò)4個(gè)固定點(diǎn)安裝固定在設(shè)計(jì)的鈑金件上，轉(zhuǎn)向器安裝鈑金件三維模型如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)向器安裝鈑金件

方向盤(pán)的布置要考慮方向盤(pán)的角度、距離人體的位置、駕駛?cè)藛T進(jìn)出的方便性、儀表盤(pán)的可視性以及座椅的位置關(guān)系等，根據(jù)方向盤(pán)的尺寸及其與周?chē)悴考年P(guān)系進(jìn)行布置。

點(diǎn)火開(kāi)關(guān)在方向盤(pán)布置完成后，根據(jù)圖9的布置角布置即可。

圖9 點(diǎn)火開(kāi)關(guān)布置角

1.2.7 踏板總成的布置

電動(dòng)汽車(chē)模擬駕駛艙只需要對(duì)制動(dòng)踏板和加速踏板進(jìn)行布置設(shè)計(jì)。根據(jù)制動(dòng)踏板的布置要求和加速踏板的布置要求進(jìn)行布置。結(jié)果如圖10所示。

圖10 踏板布置

1.3 液晶顯示屏的布置設(shè)計(jì)

由于模擬駕駛艙不需要像真實(shí)的汽車(chē)一樣在路上行駛，因此在布置顯示屏?xí)r不需要考慮駕駛員的前方視野，采用3030型材進(jìn)行布置設(shè)計(jì)，既方便安裝，又便于調(diào)整顯示屏的上下以及左右安裝位置。

2 模擬駕駛艙分析

2.1 人機(jī)工程分析

本設(shè)計(jì)所涉及的人機(jī)工程分析就是將人體模型與電動(dòng)汽車(chē)模擬駕駛艙和周?chē)h(huán)境的相互關(guān)系、協(xié)調(diào)性及人性化聯(lián)系起來(lái)，使整個(gè)設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際要求，工作效率更高，舒適性更好，并遵循安全、高效、舒適3個(gè)原則[8]。分析內(nèi)容主要包括可達(dá)域分析、可視域分析和舒適度分析。

進(jìn)行人機(jī)功效分析需要2個(gè)條件：① 建立人體模型；② 分析對(duì)象的建立。

在CATIA中通過(guò)選擇Gender(性別)、Percentile(百分位)、Population(國(guó)籍)、Model(模型)、Referential(參考點(diǎn))等參數(shù)來(lái)建立人體模型。

一般情況下，操作人員以坐姿完成各項(xiàng)操作，因此選擇坐姿對(duì)駕駛艙進(jìn)行仿真和人機(jī)功效分析。最舒適的坐姿一般是手握住方向盤(pán)后，肘部有一定程度的彎曲，并且手握住方向盤(pán)的3點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘方向左右轉(zhuǎn)動(dòng)互換位置仍然能夠保持舒適性，背部應(yīng)盡量保持和豎直方向成110°左右，并且人體腿部在右腳全力踩實(shí)剎車(chē)踏板后，腿部仍然有一定程度的彎曲，如圖11所示。

圖11 駕駛姿勢(shì)人體各部分合理范圍

本次設(shè)計(jì)采用合理范圍值的中間值進(jìn)行仿真校核。在CATIA人機(jī)工程模塊中輸入?yún)?shù)導(dǎo)出人體模型后，再確定人體模型在駕駛艙中的空間位置，最后通過(guò)人體姿勢(shì)編輯來(lái)調(diào)整人體姿態(tài)，判斷是否合理。整體坐姿和局部姿態(tài)見(jiàn)圖12、13。

圖12 整體坐姿

圖13 局部姿態(tài)

根據(jù)50百分位的姿態(tài)分析可知該模擬駕駛艙零部件布置的可達(dá)域符合實(shí)際要求。

當(dāng)人體頭部平視時(shí)，可以看見(jiàn)的區(qū)域分別如圖14和圖15所示。

圖14 95百分位人體模型視野

圖15 5百分位人體模型視野

通過(guò)上述兩種情況下的可視域分析，很明顯駕駛艙座椅、方向盤(pán)、儀表盤(pán)的布置是符合要求的。

2.2 有限元穩(wěn)定性分析

2.2.1 ANSA有限元網(wǎng)格劃分

在ANSA軟件中對(duì)駕駛艙進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分以及網(wǎng)格優(yōu)化，完成后如圖16所示。

圖16 駕駛艙網(wǎng)格

2.2.2 Abaqus后處理分析

在Abaqus軟件中導(dǎo)入網(wǎng)格模型后，依次賦予材料屬性，添加分析步、施加載荷(施加載荷時(shí)按最大質(zhì)量進(jìn)行加載，座椅質(zhì)量按500 N,人體按600 N共同加載在座椅的4個(gè)立柱，踏板總成按100 N加載在駕駛艙前面2根橫桿上，顯示屏及轉(zhuǎn)向管柱按500 N加載在駕駛艙前端最上部2根橫桿上，儀表盤(pán)按50 N加載在儀表盤(pán)安裝的橫桿上)及邊界條件(將駕駛艙豎直的4根立柱的Z方向限制，再將其中1根立柱的X、Y方向限制)，如圖17所示。應(yīng)力和位移云圖如圖18、19所示。

圖17 載荷及邊界條件

圖18 駕駛艙應(yīng)力云圖

分析結(jié)果表明：在靜止情況下，駕駛艙的最大變形為0.132 2 mm，最大應(yīng)力為1.236 MPa。說(shuō)明駕駛艙靜載時(shí)總體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3 線束和萬(wàn)向輪布置設(shè)計(jì)

3.1 線束布置設(shè)計(jì)

線束布置設(shè)計(jì)主要是在CATIA軟件將踏板總成、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、鑰匙開(kāi)關(guān)、方向盤(pán)、換擋機(jī)構(gòu)和VCU在考慮美觀的前提下用最佳的線路連接起來(lái)[11]。

根據(jù)目前的線束設(shè)計(jì)規(guī)范與線束設(shè)計(jì)要求按照設(shè)計(jì)流程對(duì)此駕駛艙進(jìn)行線束走向設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖20所示[12]。

圖20 線束布置走向

3.2 萬(wàn)向輪的布置設(shè)計(jì)

由于模擬駕駛艙經(jīng)常用來(lái)代替車(chē)輛仿真系統(tǒng)中的駕駛員模型，需要兼顧不同的使用場(chǎng)景，應(yīng)具有較高的機(jī)動(dòng)性；同時(shí)為了在操作時(shí)使其具有良好的安全性，應(yīng)將其穩(wěn)定地固定在地面上，因此我們選用帶剎車(chē)的萬(wàn)向輪作為其底部的支撐部件?？紤]到駕駛艙以及各零部件的質(zhì)量，選擇萬(wàn)向輪的規(guī)格為101.6 mm，采用如圖21中的結(jié)構(gòu)安裝。

圖21 萬(wàn)向輪安裝結(jié)構(gòu)

圖22為模擬駕駛艙的實(shí)物全景圖。該實(shí)物模型的搭建考慮了電動(dòng)汽車(chē)駕駛艙的功能需求、相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及試驗(yàn)的便捷性，可以很好地模擬實(shí)時(shí)駕駛狀況，對(duì)虛擬樣機(jī)模型和人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)的合理性提供充分的驗(yàn)證依據(jù)。

圖22 駕駛艙實(shí)物全景圖

4 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)汽車(chē)模擬駕駛艙作為一種特殊的虛擬技術(shù)，在新車(chē)型的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)及布局優(yōu)化中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)人員的實(shí)際操作和各種計(jì)算機(jī)仿真軟件得到的試驗(yàn)與仿真結(jié)果，不僅具備了電動(dòng)車(chē)的各項(xiàng)基本操作，而且不再需要像實(shí)車(chē)一樣制造所有的零部件，即可完成駕駛艙設(shè)計(jì)的合理性及人性化驗(yàn)證，使設(shè)計(jì)成本大大降低。本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車(chē)模擬駕駛艙基于CATIA軟件的人機(jī)工程學(xué)模塊，合理的提出駕駛艙內(nèi)各部件的布置方式及結(jié)構(gòu)形式，并在CATIA軟件中對(duì)主要零部件進(jìn)行布置設(shè)計(jì)，對(duì)駕駛艙的整體結(jié)構(gòu)做了靜強(qiáng)度分析，結(jié)果顯示強(qiáng)度可靠，具備一定的安全性及舒適性，具有較高的使用價(jià)值，同時(shí)為以后駕駛艙的設(shè)計(jì)提供一定參考。