可調(diào)式人機驗證模型的方案設(shè)計

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)式人機驗證模型的方案設(shè)計

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）

針對各大車企均采用的一種乘員舒適性評價驗證手段人機驗證模型（Seating Buck）進行研究。對相關(guān)產(chǎn)品調(diào)研和學習，確定可調(diào)式人機驗證模型的研究方向。通過確定控制條件、模型制作等手段，完成可調(diào)式人機驗證模型的方案設(shè)計和制作，使得產(chǎn)品在設(shè)計初期便具備合理的人機空間設(shè)計指標。研究重點是確定人機驗證模型的調(diào)整方案，需要充分分析對標數(shù)據(jù)，參考對應項目的市場定位，理解對產(chǎn)品性能最有影響的尺寸參數(shù)，同時考慮機構(gòu)的可實現(xiàn)性。

人機驗證模型；可調(diào)式；控制邊界

0 引 言

車內(nèi)乘員的人機環(huán)境舒適性是自主研發(fā)的重要內(nèi)容。對于乘坐舒適性的評價，可以采用物理人機空間模型，為設(shè)計改進提供重要參考依據(jù)，這種采用物理模型驗證的方法已經(jīng)逐步應用到各大車企產(chǎn)品研發(fā)過程當中[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)品的目標值也在頻繁發(fā)生變化，此時無法通過靜態(tài)的人機驗證模型來進行目標值的測評和確定，無法有效地指導產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的方向[2]。為解決此問題，前期架構(gòu)概念階段的人機驗證模型需要制作成主要參數(shù)可調(diào)節(jié)的型式，依據(jù)已有的對標數(shù)據(jù)和概念造型數(shù)據(jù)，確定初步目標值范圍，并通過模型反復評審分析，選出最優(yōu)方案，最終確定產(chǎn)品設(shè)計指標，使產(chǎn)品在設(shè)計初期最大限度保證與市場定位相符合，避免后期因指標不符合市場需求而進行顛覆性更改[3]。

1 可調(diào)式人機模型控制邊界設(shè)計

通過標桿車分析測量，獲得競品車主要人機尺寸參數(shù)，在實際設(shè)計工作中，參考這些參數(shù)，確定主要人機布置指標參數(shù)，并以此作為人機驗證模型的設(shè)計輸入，即人機驗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

通過初期對標分析，根據(jù)初步的地板及前圍控制面，選定駕駛員踵點位置，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，還應確定駕駛員H點的曲線，以控制座椅調(diào)節(jié)行程，其調(diào)節(jié)行程應覆蓋第5百分位到第95百分位的H點范圍。不同百分位人體對應的H點曲線按照式（1）計算。

式中，為H點到踏點的水平距離，mm；為H點到踵點的垂直距離，mm。

1.1.2 乘員乘坐空間限制邊界

根據(jù)初期對標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，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 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

對于轉(zhuǎn)向盤的布置，應考慮轉(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

踏板組的布置應以加速踏板為基礎(chǔ)進行布置，因為在駕駛過程中，加速踏板的使用非常頻繁，如果布置不當，則長時間操作必定會影響駕駛舒適性。

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，其主要功能在提高風險管理、信息擴散、所有權(quán)控制、資本配置等。Stulz發(fā)現(xiàn)，金融市場能夠在投資前對該項目生產(chǎn)出足夠的信息，并在過程中進行有效的監(jiān)控(如信息披露制度設(shè)定等)，從而提升研發(fā)投入，進而影響實體經(jīng)濟的創(chuàng)新。[8]Hsu et al的研究表明，在股票市場相對發(fā)達的國家，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，而信貸市場相對發(fā)達的國家則無此特征。[9]

表5 踏板組相關(guān)尺寸控制參數(shù)

1.2.3 換擋操縱機構(gòu)

換擋操縱機構(gòu)在布置的時候，應考慮駕駛員操縱的人機舒適區(qū)域。一般來說，整個換擋操縱機構(gòu)所在的區(qū)域范圍應該以人體肩關(guān)節(jié)點為中心，做出的最小限制區(qū)域球面和最大限制區(qū)域球面之間的一個范圍，應包含整個換擋機構(gòu)各個擋位的位置包絡(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)進行控制邊界最大值max和最小值min的計算，即

表6 人體尺寸參數(shù)

2 主要硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計

對于可調(diào)式人機驗證模型，可調(diào)整性是模型必備的條件。模型的設(shè)計應該保證可以準確、方便地實現(xiàn)所要求的調(diào)節(jié)功能，同時附帶標尺，以便清晰地指示部件的位置。

2.1 踏板組調(diào)節(jié)機構(gòu)

踏板組的合理布置是人機驗證模型的關(guān)鍵部分之一，在模型中應能實現(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，無法布置下單獨的調(diào)節(jié)機構(gòu)，所以在驗證模型中將踏板組安裝在同一個平臺上，蝸輪絲桿升降機可以實現(xiàn)向調(diào)節(jié)，升降機托起十字直線滑臺，轉(zhuǎn)動十字直線滑臺手輪，可以實現(xiàn)、兩個方向調(diào)節(jié)。相應的子平臺安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 踏板組子平臺

2.2 座椅調(diào)節(jié)機構(gòu)

一般情況下，主、副駕駛座椅的調(diào)節(jié)要求實現(xiàn)前后、左右和上下方向的調(diào)節(jié)；因此，采用升降機托起十字滑臺安裝板，實現(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 座椅機構(gòu)

2.3 門板機構(gòu)

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

圖3 門板安裝機構(gòu)

2.4 換擋操縱安裝機構(gòu)

換擋操縱安裝機構(gòu)如圖4所示，將換擋、中控扶手等部件放在同一個平臺上安裝，減少中控區(qū)域的機構(gòu)，避免機構(gòu)之間的干涉，合理利用空間。平臺的調(diào)節(jié)機構(gòu)與座椅調(diào)節(jié)機構(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上的安裝孔位來調(diào)節(jié)。

圖4 換擋操縱安裝機構(gòu)

2.5 轉(zhuǎn)向盤調(diào)整機構(gòu)

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

圖5 轉(zhuǎn)向管柱安裝機構(gòu)

2.6 頂棚

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

可單獨調(diào)節(jié)頂棚的示意圖如圖6所示。為保證前、后排乘員對應的頂棚結(jié)構(gòu)能夠單獨調(diào)節(jié)，整個頂棚設(shè)計為9塊可獨立調(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)機構(gòu)示意圖

2.7 模型骨架

模型骨架如圖7所示，整個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。為便于活動機構(gòu)的拆卸，這些機構(gòu)采用螺栓與主骨架連接。子平臺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)點是質(zhì)量輕，組裝方便，可調(diào)節(jié)，強度高以及美觀不生銹。

圖7 模型骨架示意圖

3 驗證模型的制作

由于驗證模型尺寸較大，結(jié)構(gòu)復雜，因此整個模型的加工制作在專業(yè)的車間進行，因為模型涉及表面噴涂，所以車間環(huán)境應保證清潔衛(wèi)生。制作模型的工作人員應具備職業(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 人機驗證模型分解示意圖

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

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

圖9 制作完成的驗證模型

4 小 結(jié)

依據(jù)前期對標確定的設(shè)計指標，梳理并設(shè)計包括乘員坐姿、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)的人機驗證模型的相關(guān)控制條件和邊界，作為可調(diào)式人機驗證模型設(shè)計開發(fā)的主要依據(jù)和限制條件，指導模型的制作和應用。

同時，介紹了可調(diào)式人機驗證模型總體設(shè)計思路，闡述了驗證模型設(shè)計時需要注意的主要問題及需要達到的要求。著重介紹了人機驗證模型主要機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，討論各個調(diào)整機構(gòu)的實現(xiàn)方法，完成可調(diào)式人機驗證模型的設(shè)計及制作。

[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．適用于乘用車人機設(shè)計驗證的人機臺架系統(tǒng)開發(fā)[J]．中國機械工程，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

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10.14175/j.issn.1002-4581.2018.04.002