基于人機(jī)工程學(xué)的BSC賽車設(shè)計(jì)研究

石懷升

摘 要：根據(jù)中國汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽（BSC）賽車的比賽要求對BSC賽車展開人機(jī)設(shè)計(jì)，以人機(jī)工程學(xué)為指導(dǎo)理論，總結(jié)BSC賽車的人機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程；對BSC賽車設(shè)計(jì)及使用過程中存在的問題進(jìn)行人機(jī)分析；以參賽車手為服務(wù)對象，進(jìn)一步對BSC賽車的外觀造型、空間布置等進(jìn)行人機(jī)設(shè)計(jì)，提出合理的造型設(shè)計(jì)方案和駕駛舒適調(diào)研結(jié)果；從而對“車手-賽車-場地”的人機(jī)系統(tǒng)有更好的把握，提高BSC賽車的舒適性、安全性和美觀性。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)的BSC賽車，從造型和人機(jī)適配上都體現(xiàn)了人性化的人機(jī)設(shè)計(jì)理念，為后續(xù)模擬仿真提供了參照。

關(guān)鍵詞：中國汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽賽車；人機(jī)工程學(xué)；造型設(shè)計(jì)；人機(jī)分析

中圖分類號(hào)：U469 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）04-0015-02

Abstract： According to the requirements of car race of Baja SAE-China （BSC）， the human-machine design of BSC car is carried out， and the human-machine innovation design flow of BSC car is summarized based on the theory of ergonomics. This paper analyzes the problems existing in the design and use of BSC racing car and designs the appearance and space layout of BSC racing car with the drivers in the race as the service object. The reasonable design scheme and the results of driving comfort investigation are put forward， which can improve the comfort， safety and beauty of the BSC car by better conforming with the man-machine system of "the driver， the racing car and the ground". The BSC racing car designed based on the ergonomics， which represents the user-friendliness conception in terms of style and human-computer adaptation， provides a reference for the follow-up simulation.

Keywords： Baja SAE-China； ergonomics； style design； man-machine analysis

由中國汽車工程學(xué)會(huì)（SAE China）主辦的BSC大賽，主要針對小型越野賽車進(jìn)行設(shè)計(jì)。作為常規(guī)越野車和方程式汽車賽的衍生產(chǎn)物，BSC賽測的投入成本相對較低，但設(shè)計(jì)程序卻嚴(yán)格遵循汽車的生產(chǎn)要求。隨著各高校的研發(fā)投入，BSC賽車設(shè)計(jì)逐漸從“仿制”轉(zhuǎn)為“創(chuàng)新”，并對常規(guī)越野車的生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。因此，在滿足車手使用BSC賽車駕駛功能的基礎(chǔ)上，其設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)變?yōu)檐嚿斫Y(jié)構(gòu)的美觀、舒適度等人機(jī)設(shè)計(jì)；同時(shí)，靜態(tài)項(xiàng)目下的BSC賽車人機(jī)仿真及測試需由多軟件構(gòu)成的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)完成，其設(shè)計(jì)思路也逐漸趨于科學(xué)性。

1 概述

1.1 汽車人機(jī)工程學(xué)

人機(jī)工程學(xué)（Ergonomics）研究人在生產(chǎn)或操作過程中合理地、適度地勞動(dòng)和用力的規(guī)律問題；它把“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)作為研究的基本對象，運(yùn)用生理學(xué)、心理學(xué)等，根據(jù)人和機(jī)器的特點(diǎn)，合理分配人和機(jī)器承擔(dān)的職能，并使之相適應(yīng)，為人創(chuàng)造出舒適和安全的工作環(huán)境，使工效達(dá)到最優(yōu)[1]。

汽車人機(jī)工程學(xué)在此基礎(chǔ)上以“人性化”為前提，為駕駛者提供舒適的體驗(yàn)，并兼顧安全性。由于汽車的外形和內(nèi)部空間的環(huán)境較為單一，而駕駛者的身材有所差異，要在相同的空間中設(shè)計(jì)出能讓不同身材的駕駛者都感受舒適、便捷，就要結(jié)合人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)已達(dá)到人機(jī)適配的目的[2]。作為汽車分支的一類，BSC賽車具備了越野車和比賽房車的優(yōu)勢，其設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循汽車人機(jī)工程學(xué)。

1.2 BSC賽車的設(shè)計(jì)問題

BSC大賽包括靜態(tài)與動(dòng)態(tài)項(xiàng)目測試，車輛需達(dá)單座、全地形、運(yùn)動(dòng)汽車的要求，并符合人機(jī)工程學(xué)的要求。目前多數(shù)BSC賽車設(shè)計(jì)的研究停留在車身及結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，其研究方法可參照成熟車輛。筆者通過對國內(nèi)高校的設(shè)計(jì)方案及其他賽事對比分析，總結(jié)出BSC賽車設(shè)計(jì)當(dāng)中存在的問題：

（1）造型設(shè)計(jì)單一，部分車隊(duì)形體受鋼架結(jié)構(gòu)限制而呈現(xiàn)同質(zhì)化問題。

（2）涂裝配色辨識(shí)度度低，未能在體現(xiàn)使用者視覺方面的人機(jī)需求。

（3）部分零件裸露，且未采取良好的保護(hù)措施，在風(fēng)沙的比賽環(huán)境當(dāng)中存在安全性問題。

（4）駕駛室布置簡陋，座椅因?yàn)楣?jié)約成本而采用普通汽車座椅，大大降低了使用者的舒適性和安全性。

2 BSC賽車的人機(jī)設(shè)計(jì)分析

筆者將BSC賽車的人機(jī)設(shè)計(jì)內(nèi)容分為車身的造型設(shè)計(jì)和駕駛室的空間布局設(shè)計(jì)。以上兩者共同構(gòu)成了BSC賽車的內(nèi)外飾設(shè)計(jì)，在一定程度上反映出賽車與使用者的人機(jī)適配關(guān)系；同時(shí)，兩者又與比賽環(huán)境密切聯(lián)系，在實(shí)際比賽當(dāng)中能夠與所處環(huán)境和諧統(tǒng)一，進(jìn)而完善了整個(gè)人機(jī)系統(tǒng)。據(jù)此，筆者對調(diào)研所得的問題提出如下解決辦法：

（1）將有關(guān)團(tuán)隊(duì)的符號(hào)納入到BSC賽車座椅的造型設(shè)計(jì)中，并在符合人機(jī)尺寸的前提下對其具有特色的元素進(jìn)行推演、物化，從視覺角度滿足使用者的人機(jī)需求。

（2）運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)中的色彩理論對整車進(jìn)行重新涂裝，將符合作業(yè)環(huán)境的明快色調(diào)作為主色，并配以互補(bǔ)色作為對比、修飾。選擇適合的材質(zhì)或噴涂方式增強(qiáng)其辨識(shí)度，以達(dá)到相應(yīng)的審美需求。

（3）在進(jìn)行造型設(shè)計(jì)和空間布置時(shí)對于可隱藏的零件進(jìn)行外殼保護(hù)設(shè)計(jì)，從而提高比賽時(shí)的安全作業(yè)環(huán)境。

（4）在人機(jī)工程學(xué)前提下，對賽車座椅進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，采用合適的可塑性材料，從而滿足參賽選手的人機(jī)舒適度需求。

（5）針對多項(xiàng)改良舉措，提供一種人機(jī)校核的方法，從而確保設(shè)計(jì)的產(chǎn)物符合人機(jī)原理，并服務(wù)于后續(xù)的生產(chǎn)和進(jìn)一步的研究。

3 BSC賽車的人機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 BSC賽車的舒適值

根據(jù)汽車人機(jī)工程學(xué)的駕駛室布置明確需要設(shè)計(jì)的內(nèi)容，并總結(jié)為示意圖，經(jīng)過比較不同資料的舒適值范圍，提供一種汽車普遍使用的關(guān)節(jié)舒適度作為參照：背角為20°-30°、臀角為95°-120°、膝角為95°-135°、足角為78°-105°、臂角為0°-50°、肘角為80°-170°、腕角為170°-190°，可在BSC賽車座椅設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用。

3.2 BSC賽車的人機(jī)設(shè)計(jì)方案

BSC賽車的人機(jī)設(shè)計(jì)尺寸主要集中在整車設(shè)計(jì)尺寸及座椅駕駛舒適度兩部分內(nèi)容，兩部分?jǐn)?shù)據(jù)可參閱SAE制車標(biāo)準(zhǔn)[3]得出。筆者通過查閱資料及汽車人機(jī)工程集團(tuán)的造車經(jīng)驗(yàn)在設(shè)計(jì)之初對整車尺寸進(jìn)行了繪，以此作為其造型設(shè)計(jì)的約束。以燕山大學(xué)BSC賽車設(shè)計(jì)為例，首先提取了?；债?dāng)中的海燕元素和學(xué)院藍(lán)作為設(shè)計(jì)點(diǎn)，對符合人機(jī)性能的車架進(jìn)行外觀造型設(shè)計(jì)，使其從視覺上滿足使用者需求，并將一些裸露部位進(jìn)行外殼設(shè)計(jì)，最終完成渲染圖（如圖1）。

3.3 BSC賽車的人機(jī)設(shè)計(jì)仿真

輸出的BSC賽車座椅方案需要經(jīng)過仿真模擬以驗(yàn)證其是否解決了使用者的人機(jī)適配問題。可根據(jù)虛擬仿真軟件Jack的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，按照：采集/重設(shè)數(shù)據(jù)、定義人機(jī)要素及作業(yè)任務(wù)、人因工效分析、優(yōu)化方案進(jìn)行。在設(shè)計(jì)實(shí)例基礎(chǔ)上，該人機(jī)工學(xué)分析的思路與技巧具有較強(qiáng)的可操作性，可廣泛應(yīng)用于各類人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析與評價(jià)[4]。同時(shí)針對BSC賽車座椅的特定部位可將有限元分析應(yīng)用到該仿真分析流程當(dāng)中[5]，通過確定有限元分析方案、建立汽車結(jié)構(gòu)模型信息、建立有限元模型等校核。

4 結(jié)束語

人機(jī)工程學(xué)是研究賽車設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，經(jīng)過人機(jī)適配的BSC賽車設(shè)計(jì)，對現(xiàn)階段該類賽車存在的問題分析并解決，使其安全性、舒適性和美觀性得到進(jìn)一步的提升；將人機(jī)尺寸納入前期的設(shè)計(jì)研究可減少不規(guī)范的方案輸出，提升設(shè)計(jì)效率；最終提出的仿真結(jié)合有限元分析的優(yōu)化方法可為后續(xù)的BSC賽車人機(jī)設(shè)計(jì)研究提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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