基于人機(jī)工程的駕駛艙柔性實(shí)驗(yàn)臺(tái)架研究

支希帆　張學(xué)明

摘 要：為了研究駕駛員操作件相關(guān)的人機(jī)工程，找到與相應(yīng)車型H點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的三踏板、方向盤和手剎換擋機(jī)構(gòu)的合理布置位置區(qū)間，使汽車駕駛員相關(guān)操作件的人機(jī)工程達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，以及上下車方便性同樣達(dá)到人機(jī)工程的最優(yōu)狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)了可以調(diào)節(jié)高度及前后位置的座椅來適應(yīng)不同車型的H點(diǎn)，采用了六自由度可調(diào)節(jié)的三踏板機(jī)構(gòu)和三向調(diào)節(jié)的手剎及換擋機(jī)構(gòu)，通過無級(jí)調(diào)節(jié)來找到其合理的布置位置。找到這些操作件的合理位置之后可以通過逆向掃描的方式把這些位置以數(shù)據(jù)的形式反饋到設(shè)計(jì)中相應(yīng)調(diào)整其設(shè)計(jì)位置。使用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)架可以方便快捷的找到合理的人機(jī)工程設(shè)計(jì)位置，相對(duì)于制作內(nèi)飾模型可以大大縮短設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)成本。

關(guān)鍵詞：人機(jī)工程 柔性 臺(tái)架

Research on Cockpit Flexible Test Bench Based on Ergonomics

Zhi Xifan Zhang Xueming

Abstract： In order to study the ergonomics related to the driver's operating parts， the article finds the reasonable arrangement position interval of the three pedals， the steering wheel and the handbrake shifting mechanism corresponding to the H point of the corresponding car model， so that the ergonomics of the relevant operating parts of the car driver can reach the optimal state and the convenience of getting on and off the vehicle also reach the optimal state of ergonomics. The test bench is designed with seats that can adjust the height and front and rear positions to adapt to the H point of different models. It uses a six-degree-of-freedom adjustable three-pedal mechanism and a three-way adjustable handbrake and shift mechanism. After finding the reasonable positions of these operating parts， the positions can be fed back to the design in the form of data by means of reverse scanning， and their design positions can be adjusted accordingly. Using this test bench can quickly and easily find a reasonable ergonomic design position， which can greatly shorten the design cycle and design cost compared to making interior models.

Key words：Ergonomics， flexibility， bench

1 引言

國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)比較傾向模仿參考車型的空間，而未考慮對(duì)空間進(jìn)行前期評(píng)估和近一步優(yōu)化。長(zhǎng)安、江鈴、廣汽等主機(jī)廠都在研究人機(jī)工程臺(tái)架，但是他們都是做比較少的幾種零件的驗(yàn)證，例如奇瑞汽車公司曾經(jīng)申請(qǐng)的專利《一種面向汽車正向開發(fā)的車輛人機(jī)工程試驗(yàn)平臺(tái)》，僅能對(duì)三踏系統(tǒng)的人機(jī)工程進(jìn)行試驗(yàn)。SGMW在每個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中均需要開發(fā)一輛以上乘員艙實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用以評(píng)價(jià)內(nèi)空、操縱性等相關(guān)性能，這種不可調(diào)模型主要存在以下一些問題：1）模型不可調(diào)節(jié)，僅供某個(gè)項(xiàng)目某一、兩種方案進(jìn)行模擬，由于車型設(shè)計(jì)的差異性，造成內(nèi)空模型反復(fù)開發(fā);2）模型的操縱機(jī)構(gòu)的駕駛性評(píng)價(jià)與造型的舒適性評(píng)價(jià)未能整合在一起;3）造型模型與空間布置的不同步，造成空間布置設(shè)計(jì)、驗(yàn)證周期較長(zhǎng)。本柔性實(shí)驗(yàn)臺(tái)架由于具有可以適用很多不同平臺(tái)的H點(diǎn)及車輛寬度，并且人機(jī)操作件可以多向無級(jí)調(diào)節(jié)，大部分車型都可以在可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)找到其合適的人機(jī)工程設(shè)計(jì)位置。并且對(duì)于乘坐空間的驗(yàn)證可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各零件的位置，并且反饋給造型更改相關(guān)型面，因此可以很好的解決這些問題。

該臺(tái)架由立柱頂蓬框架、底盤框架、儀表板框架、座椅框架和換擋框架組成。

該臺(tái)架是由鋁合金型材、連接件、螺釘、螺母以及鉸鏈搭接而成，由于鋁合金型材有四面可以埋螺釘?shù)拈L(zhǎng)槽，因此各個(gè)連接點(diǎn)可以在長(zhǎng)槽中任意位置固定，因此裝在其上的機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)該長(zhǎng)槽方向無級(jí)調(diào)節(jié)。

2 立柱頂蓬框架

立柱頂蓬框架由頂蓬框架和立柱組成。頂篷懸掛于鋁合金頂篷框架之下，頂篷框架與立柱框架使用鉸鏈和鋁合金樞軸連接。每個(gè)立柱支架采用5根鋁型材與樞軸的組合實(shí)現(xiàn)。最下部樞軸1和樞軸2的旋轉(zhuǎn)軸心與Y軸平行，樞軸3的旋轉(zhuǎn)軸心在Y平面內(nèi)，樞軸4的旋轉(zhuǎn)軸心在Y平面內(nèi)，由于鋁型材安裝完成之后可以繞樞軸軸心旋轉(zhuǎn)，因此可以實(shí)現(xiàn)在X平面和Y平面內(nèi)不同角度的空間位置內(nèi)安裝立柱。采用立柱斜拉桿固定，立柱斜拉桿與鋁型材組成三角形結(jié)構(gòu)從而固定整個(gè)系統(tǒng)。當(dāng)車型發(fā)生變化時(shí)，只需要按照立柱的角度變化調(diào)節(jié)立柱的位置，并且沿鋁型材滑槽調(diào)節(jié)頂篷高度。

3 底盤框架

底盤框架可以根據(jù)車寬的不同把框架左右調(diào)節(jié)來達(dá)到加寬或者減窄的要求。并且第三排座椅安裝框架有一個(gè)獨(dú)立的框架，如果要驗(yàn)證的車型有第三排則可以把該框架安裝上去，如果沒有第三排可以拆下，這樣對(duì)于不同的車型可以靈活運(yùn)用。

4 儀表板框架

儀表板框架由離合、制動(dòng)踏板安裝機(jī)構(gòu)和油門踏板安裝機(jī)構(gòu)組成。

離合、制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式如下：

1.底座可以繞圓孔轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡為圓弧長(zhǎng)孔，從而可以實(shí)現(xiàn)踏板繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.角度調(diào)節(jié)支架可以繞圓孔轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡為角度調(diào)節(jié)支架上的圓弧長(zhǎng)孔，從而可以實(shí)現(xiàn)踏板繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.緩沖器通過圓孔固定在緩沖器安裝支架上，由于緩沖器本身帶有全螺紋，因此可以通過改變緩沖器的伸出長(zhǎng)度調(diào)節(jié)踏板的初位置;并且可以通過調(diào)節(jié)緩沖器的阻尼來調(diào)節(jié)踏板阻力。

4.踏板通過角度調(diào)節(jié)支架的長(zhǎng)孔安裝，緩沖器的伸縮桿末端與踏板的根部相接觸，可以為踏板提供阻尼力，通過調(diào)節(jié)阻尼力可以模擬實(shí)際踩踏板的感覺。

5.底座上的長(zhǎng)孔與角度調(diào)節(jié)支架上的長(zhǎng)孔的組合，可以實(shí)現(xiàn)安裝不同安裝孔位置的踏板。

油門踏板機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式如下：

1.角度調(diào)節(jié)支架可以繞圓孔轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡為角度調(diào)節(jié)支架上的圓弧長(zhǎng)孔，從而可以實(shí)現(xiàn)踏板繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.角度調(diào)節(jié)支架上有很多橫向與縱向的長(zhǎng)孔，可以實(shí)現(xiàn)安裝不同安裝孔位置的踏板。

5 座椅框架

采用剪式升降平臺(tái)，包括下支座，在該下支座上設(shè)有滑塊，該滑塊上設(shè)有支撐桿，該支撐桿上設(shè)有上支座，在該上支座上設(shè)有后橫梁和前橫梁，座椅固定在后橫梁和前橫梁上。解決了平面連桿機(jī)構(gòu)存在不能垂直調(diào)整的問題，絲桿導(dǎo)柱機(jī)構(gòu)存在行程太小、承載能力不足的問題，液壓頂桿機(jī)構(gòu)存在位置調(diào)整不精準(zhǔn)的問題。采用剪式升降平臺(tái)，確保能夠精準(zhǔn)的垂直調(diào)整，升降高度范圍大，并確?？煽康膭偠群统休d能力。并且可以適用于不同車型的座椅位置驗(yàn)證，可以顯著降低成本和時(shí)間周期。

6 換擋框架

換擋框架結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式如下：

1.左右支撐架連接在底座上;

2.中間框架一端連接在左支撐架，另一端連接在右支撐架，中間框架可以繞安裝點(diǎn)旋轉(zhuǎn);

3.換擋桿安裝支架安裝在中間框架上，并且可以繞安裝點(diǎn)旋轉(zhuǎn);

4.底座的“王”字型槽為換擋安裝支架底部端頭的運(yùn)行軌跡;

5.通過調(diào)節(jié)換擋桿的長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)安裝在其上的換擋球頭的行程。

該臺(tái)架各個(gè)框架在設(shè)計(jì)足夠的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)行程條件先，然后通過各個(gè)框架的組合可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)不同的車型的人機(jī)工程校核。比如需要驗(yàn)證三踏板的設(shè)計(jì)是否合理，首先需要把臺(tái)架中的座椅和三踏板的相對(duì)位置調(diào)節(jié)到與數(shù)模中相同，然后找其各個(gè)百分位的人體分別去試下該位置他們能否接受，如果接受不了再做調(diào)整，由于該調(diào)節(jié)范圍是無級(jí)的，因此總能在行程中找到一個(gè)合適的位置，然后把該位置反饋到數(shù)模中做出相應(yīng)更改即可。

該技術(shù)的成功運(yùn)用，達(dá)到了同類技術(shù)的先進(jìn)水平，能夠充分滿足人機(jī)工程設(shè)計(jì)的需求，能夠?qū)φ囋O(shè)計(jì)提供充分的實(shí)踐驗(yàn)證，同時(shí)具有足夠的柔性，可以滿足不同的人機(jī)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證需求。該技術(shù)涉及的人及試驗(yàn)臺(tái)架達(dá)到了模塊化和通用性的要求，能夠滿足貨車、轎車、SUV、MPV等不同車型的試驗(yàn)要求，且座椅、踏板等零件形成模塊化設(shè)計(jì)和管理。

該臺(tái)架為手動(dòng)調(diào)節(jié)模型，調(diào)節(jié)難度較大，后期可以在此模型基礎(chǔ)上拓展增加電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，并且在該臺(tái)架的物理架構(gòu)上增加攝像頭及傳感器就可以捕捉人體上下車和操作一些按鍵及機(jī)構(gòu)的動(dòng)作軌跡，從而作為數(shù)據(jù)庫(kù)用以后續(xù)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴旭東，曹海燕. 汽車設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)[J]. 汽車與駕駛維修（維版），2017，（04）：118.

[2]朱衛(wèi)鋼. 基于人機(jī)工程學(xué)的汽車布置方法研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2016.

[3]喬明星.微型客車駕駛室座椅的人機(jī)工程設(shè)計(jì)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016，（13）：132.

[4]王吉.基于人機(jī)工程學(xué)的工程機(jī)械駕駛室優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].石家莊鐵道大學(xué)，2016.

[5]鄧麗. 艙室人機(jī)界面布局設(shè)計(jì)與評(píng)估優(yōu)化方法研究[D].西北工業(yè)大學(xué)，2016.

[6]喻少高. 某皮卡選換擋操縱裝置人機(jī)工程設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2015，（12）：35-39.