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)

李世海 任金東 高曉嫻 劉永清 米夢東 杜 建 杜曉明

1.長安汽車股份有限公司，重慶，400021 2.吉林大學(xué)，長春，130022

0 引言

人機(jī)工效是汽車產(chǎn)品非常重要的使用性能，一直是汽車廠商非常重視的內(nèi)容。如同大多數(shù)產(chǎn)品一樣，用戶極少參與汽車的設(shè)計(jì)過程，這使得在設(shè)計(jì)中充分考慮用戶特點(diǎn)和需求、以用戶為中心進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)變得尤為重要。企業(yè)在進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證時(shí)，除了采用虛擬驗(yàn)證之外，還通常要制造產(chǎn)品的物理模型（或樣車），邀請技術(shù)人員和管理人員（乃至目標(biāo)用戶）對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。這種物理模型評(píng)價(jià)試驗(yàn)稱為物理模型測試，具有直觀、可靠的優(yōu)點(diǎn)。雖然，物理模型測試仍然是目前汽車虛擬設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)所替代不了的，但模型的制作成本通常較高，為了節(jié)省開支，通常只對(duì)少數(shù)認(rèn)為可行的方案進(jìn)行物理模型測試。物理模型測試需要在設(shè)計(jì)方案（甚至是詳細(xì)結(jié)構(gòu)）基本成形之后才能夠進(jìn)行，因此，時(shí)間上比較滯后，加之方案的修改和再評(píng)價(jià)在原物理模型上很難實(shí)現(xiàn)，必須返回設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，使得設(shè)計(jì)周期大大延長。此外，上述基于產(chǎn)品物理模型的主觀評(píng)價(jià)方法不容易與其他評(píng)價(jià)手段相結(jié)合，并且所制作的物理模型難以用于對(duì)一些人機(jī)工效問題進(jìn)行深層次研究［1］。正是因?yàn)榇嬖谏鲜鰡栴}，一些汽車公司對(duì)可調(diào)節(jié)和反復(fù)使用的產(chǎn)品物理模型進(jìn)行了研究和開發(fā)，并應(yīng)用到了產(chǎn)品開發(fā)實(shí)踐中，取得了較好的使用效果［1］，較典型的是福特的一體化布置設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)系統(tǒng)（integrated package design and appraisal system）［2－3］。

就可調(diào)節(jié)人機(jī)驗(yàn)證臺(tái)架而言，一些研究機(jī)構(gòu)曾經(jīng)進(jìn)行過類似的研究和開發(fā)，例如：國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)就曾經(jīng)針對(duì)不同的使用場合開發(fā)了專門驗(yàn)證前排駕駛工效的試驗(yàn)臺(tái)架，用于模擬汽車或飛機(jī)駕駛艙和分析驗(yàn)證駕駛員人機(jī)工效［4－8］。目前的可調(diào)節(jié)人機(jī)驗(yàn)證臺(tái)架還存在下述問題：①通常主要用于某種人機(jī)工效試驗(yàn)研究，很少用于實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)；②少數(shù)用于產(chǎn)品驗(yàn)證的臺(tái)架也主要針對(duì)某種特定車型進(jìn)行驗(yàn)證，同一個(gè)臺(tái)架不能針對(duì)不同類型的車型進(jìn)行驗(yàn)證。③一般不具有驗(yàn)證內(nèi)飾設(shè)計(jì)的功能，即使有內(nèi)飾驗(yàn)證功能，通常只適合安裝某種車型的內(nèi)飾，而不能適合安裝不同乘用車型的內(nèi)飾，因而內(nèi)飾驗(yàn)證方面功能具有局限性。

受長安汽車公司委托，吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院主持開發(fā)了用于乘用車人機(jī)工效和內(nèi)飾設(shè)計(jì)驗(yàn)證的可調(diào)節(jié)臺(tái)架系統(tǒng)，目標(biāo)是既要克服目前可調(diào)節(jié)人機(jī)驗(yàn)證臺(tái)架存在的上述問題，還能在一個(gè)臺(tái)架上實(shí)現(xiàn)乘用車開發(fā)過程中的人機(jī)工效和內(nèi)飾設(shè)計(jì)的雙重驗(yàn)證功能。

1 設(shè)計(jì)需求分析和目標(biāo)定位

1.1 覆蓋車型

覆蓋足夠?qū)挿旱能囆头秶焖佟?zhǔn)確地呈現(xiàn)各種車型的設(shè)計(jì)方案，是人機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)最基本的功能要求。本文的人機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)主要面向乘用車（M1類［9］），包括轎跑車、敞篷車、轎車、CRV、SUV、MPV等車型。這些車型的一些典型設(shè)計(jì)參數(shù)范圍如表1所示。臺(tái)架的主體結(jié)構(gòu)和尺寸仿照真實(shí)的三廂轎車設(shè)計(jì)，但可以用于呈現(xiàn)整個(gè)乘用車范圍內(nèi)各種車型的設(shè)計(jì)方案。

1.2 功能要求

為了能夠快速、準(zhǔn)確地表達(dá)各種乘用車的設(shè)計(jì)方案，要求座椅、儀表板、操縱件（轉(zhuǎn)向盤、踏板、換擋桿、手制動(dòng)桿）、立柱、頂蓋和車身閉合件（車門、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋、后背艙蓋）等能夠按照該車型的設(shè)計(jì)參數(shù)值在臺(tái)架上進(jìn)行布置，因此，必須將這些部位設(shè)計(jì)成具有足夠的活動(dòng)自由度部件，并能夠在各自的自由度方向上進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)。主要的調(diào)節(jié)自由度見表2。從轎跑車到各級(jí)別轎車，再到SUV、MPV等，表2中很多部位的活動(dòng)自由度（與絕大多數(shù)汽車布置參數(shù)相對(duì)應(yīng)）都在一個(gè)較大的范圍內(nèi)變化。對(duì)于本身就帶有調(diào)節(jié)功能的零部件（或車身附件），如座椅、轉(zhuǎn)向盤等，其自身的調(diào)節(jié)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，必須額外補(bǔ)充調(diào)節(jié)量。所有直線自由度的調(diào)節(jié)精度控制在1mm以內(nèi)。

表2 臺(tái)架的調(diào)節(jié)自由度

對(duì)于座椅、轉(zhuǎn)向盤、換擋桿、儀表板等，不同車型會(huì)采用不同廠家、不同規(guī)格和尺寸的總成，這就要求它們能夠方便地拆裝。由于本臺(tái)架的另一主要功能是對(duì)部分內(nèi)飾的效果進(jìn)行驗(yàn)證，這也要求這些內(nèi)飾能夠方便地安裝和更換。

容納乘員的空間應(yīng)該能夠適合各種常見的人群，因此，相關(guān)布置參數(shù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算應(yīng)考慮極限人體尺度的目標(biāo)人群。計(jì)算所采用的部分人體尺寸參見表3。

表3 人體尺寸

在人機(jī)臺(tái)架上驗(yàn)證的主要內(nèi)容包括：①乘員乘坐和活動(dòng)空間；②駕駛員和后排乘員視野；③駕駛員操縱的方便性和舒適性；④乘員上下車和進(jìn)出方便性等。

1.3 結(jié)構(gòu)要求

臺(tái)架除了要具備足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之外，還要有較高的剛度，以保證各活動(dòng)部件的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能正常發(fā)揮作用，避免造成零件磨損和調(diào)節(jié)精度下降；而整體結(jié)構(gòu)則應(yīng)盡可能輕量化。結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)確保使用中無危險(xiǎn)。為了便于今后進(jìn)行維護(hù)，各部件及其調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)和制造，并盡量采用螺釘連接進(jìn)行裝配。除此之外，在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上還力求做到受力均勻、變形協(xié)調(diào)、強(qiáng)度相等和載荷傳遞路徑短等［10］。

2 概念設(shè)計(jì)

2.1 總體框架

根據(jù)設(shè)計(jì)需求和目標(biāo)定位，確定了整個(gè)系統(tǒng)的總體概念方案。整個(gè)臺(tái)架系統(tǒng)所包括的各部分內(nèi)容見圖1。目前的工作主要針對(duì)硬件系統(tǒng)的開發(fā)，包括結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)制造、車身零部件改裝、各自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)制造和控制系統(tǒng)開發(fā)。

圖1 可調(diào)節(jié)人機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)內(nèi)容

2.2 定位基準(zhǔn)系統(tǒng)

定位基準(zhǔn)的合理選擇對(duì)于設(shè)計(jì)、制造和使用非常重要。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)通常采用硬點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，能夠直接與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)兼容，如SAE J1100［11］。若某方面尺寸在標(biāo)準(zhǔn)中沒有相關(guān)硬點(diǎn)定義，則需要根據(jù)具體情況自行定義定位基準(zhǔn)。制造基準(zhǔn)的選取則更多地考慮保證設(shè)計(jì)和制造精度。使用中的定位基準(zhǔn)包括一些硬點(diǎn)和廠商自定義的、用于定位一些形狀不規(guī)則的零部件的基準(zhǔn)。限于篇幅，本文只介紹設(shè)計(jì)中的定位基準(zhǔn)，如圖2所示。圖2中，PRP為加速踏板基準(zhǔn)點(diǎn)（pedal reference point），AHP為加速踏板踵點(diǎn)（accelerator heel point），SgRP為乘員的乘坐基準(zhǔn)點(diǎn)（seating reference point），F(xiàn)RP為后排乘員的踵點(diǎn)（floor reference point）［11］。除此之外，在儀表板、立柱、車門、頂蓋等處還自定義了一些基準(zhǔn)，用以表示對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)的位置，由于涉及一些技術(shù)秘密，本文不予列出。

圖2 設(shè)計(jì)定位基準(zhǔn)

2.3 前排空間設(shè)計(jì)

本臺(tái)架用于人機(jī)工效驗(yàn)證，就必須能夠適應(yīng)各種身材和體型的人進(jìn)行工效試驗(yàn)，故應(yīng)該按照極限尺寸的人來設(shè)計(jì)前后排乘員的乘坐空間。本文參照了歐美和亞洲國家的極限尺寸人體數(shù)據(jù)，充分保證對(duì)絕大多數(shù)人群的設(shè)計(jì)適應(yīng)度不小于99%。圖3為前排乘坐空間設(shè)計(jì)結(jié)果。圖3中，空間p1－p2－p4－p3為綜合考慮各國人體尺寸之后0.5到99.5百分位駕駛員乘坐空間范圍；空間p1－p2－p6－p5為座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的最小行程范圍；空間p5－p6－p8－p7為臺(tái)架補(bǔ)充的調(diào)節(jié)范圍，其中空間p3－p4－p8－p7是容納可能出現(xiàn)的超大尺寸身材駕駛員的乘坐范圍。圖3中，x方向的坐標(biāo)原點(diǎn)為PRP，z方向的坐標(biāo)原點(diǎn)為AHP。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的范圍，圖3中繪出了成年人最短下肢長度（位置Ⅰ）和最長下肢長度（位置Ⅱ），分別對(duì)應(yīng)于亞洲國家女性和荷蘭男性，可見，設(shè)計(jì)范圍已經(jīng)完全覆蓋目標(biāo)群體尺寸范圍（完全容納下肢長度），并且前后端都留出了必要的后備范圍。

圖3 前排乘坐空間范圍

2.4 后排空間設(shè)計(jì)

后排空間設(shè)計(jì)同樣應(yīng)保證能夠表現(xiàn)各種乘用車型的設(shè)計(jì)方案，因此，需要對(duì)現(xiàn)有的典型乘用車后排空間大小和位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。圖4中給出了典型的6輛各級(jí)別乘用車后排空間（圖中以L50表示，定義為前后排乘坐基準(zhǔn)點(diǎn)SgRP之間的前后距離）尺寸。根據(jù)典型乘用車后排空間大小和位置的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，參照前排座椅的最前和最后位置，最終確定后排所需的最大和最小空間及乘坐位置。

圖4 后排空間尺寸

2.5 其他空間設(shè)計(jì)

寬度方向需要確定座椅和立柱的調(diào)節(jié)范圍，高度方向需要確定頂蓋高度、發(fā)動(dòng)機(jī)罩C點(diǎn)高度和后備艙D點(diǎn)高度的分布范圍，確定的依據(jù)同樣是對(duì)各種乘用車型參數(shù)所進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

絕大多數(shù)自由度都是沿著直線方向運(yùn)動(dòng)，因此，可采用直線滑動(dòng)副和絲杠實(shí)現(xiàn)自由度調(diào)節(jié)，利用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。各自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的組成件盡量利用成熟的產(chǎn)品進(jìn)行集成。個(gè)別結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式特殊的零部件則需要進(jìn)行特殊加工。因此，與絕大多數(shù)活動(dòng)自由度相關(guān)的零部件結(jié)構(gòu)形式和尺寸就根據(jù)已有產(chǎn)品的規(guī)格尺寸進(jìn)行選型并確定下來。

3.2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

為了保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)確、可靠，在最后確定結(jié)構(gòu)形式和制造之前，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算，確保各個(gè)部件受力合理，不會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力過大的現(xiàn)象。因此，對(duì)于承載大的結(jié)構(gòu)，都利用MSC.Nastran軟件進(jìn)行了分析計(jì)算，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了分析驗(yàn)證。

3.3 機(jī)構(gòu)DMU分析

由于需要調(diào)節(jié)的部位和自由度非常多，一些部位的活動(dòng)自由度和結(jié)構(gòu)如果設(shè)計(jì)不當(dāng)可能還會(huì)出現(xiàn)干涉的現(xiàn)象，因此，必須進(jìn)行各部位自由度調(diào)節(jié)的功能分析，即進(jìn)行機(jī)構(gòu)的DMU分析，一方面驗(yàn)證自由度的功能和相應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性，另一方面也驗(yàn)證不同自由度之間會(huì)不會(huì)出現(xiàn)干涉。

4 制造和裝配

對(duì)經(jīng)過驗(yàn)證的結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)進(jìn)行了制造和裝配驗(yàn)證，并估算了成本，之后進(jìn)行了加工、采購和集成。制造采用委托加工的形式。制造完畢的物理模型經(jīng)過了功能評(píng)估、初步驗(yàn)收和最終驗(yàn)收，結(jié)果表明，本模型的設(shè)計(jì)和制造符合預(yù)期的技術(shù)要求。

5 結(jié)語

本文研究并開發(fā)了專門用于乘用車人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的臺(tái)架系統(tǒng)，并申請了相關(guān)專利。本臺(tái)架系統(tǒng)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了硬件和控制軟件部分，未來將要進(jìn)一步對(duì)相配套的評(píng)價(jià)和分析軟件進(jìn)行開發(fā)，從而在預(yù)期目標(biāo)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜、方便的功能。相對(duì)于目前的同類臺(tái)架，本臺(tái)架的優(yōu)勢在于：①能夠非常全面地驗(yàn)證乘員的人機(jī)工效；②能夠針對(duì)各種乘用車型進(jìn)行驗(yàn)證；③能夠?qū)?nèi)飾設(shè)計(jì)效果進(jìn)行驗(yàn)證。

［1］Hartwich G.Optimizing the Product Design Process by Computer Aided Ergonomics［J］.SAE Paper，981310，1998.

［2］Wang Nanxin，Wan Jian，Gianna G L，et al.An Integrated Design and Appraisal System for Vehicle Interior Packaging［J］.SAE Paper，2007－01－0459，2007.

［3］Richards A L，Bhise V D.Evaluation of the PVM Methodology to Evaluate Vehicle Interior Packages［J］.SAE Paper，2004－01－0370，2004.

［4］袁泉，劉文超，章森.多參數(shù)可調(diào)節(jié)汽車人機(jī)界面實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)構(gòu)建［J］.中國機(jī)械工程，2008，19（10）：1257－1259.Yuan Quan，Liu Wenchao，Zhang Sen.Design and Construction of Automotive Human－machine Interface Experimental Platform with Multi－parameter and Adjustable Function［J］.China Mechanical Engineering，2008，19（10）：1257－1259.

［5］宋正河，毛恩榮，林建，等.機(jī)械系統(tǒng)人機(jī)界面優(yōu)化匹配仿真試驗(yàn)臺(tái)的研制［J］.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，3（2）：85－88.Song Zhenghe，Mao Enrong，Lin Jian，et al.Development of a Simulator Stand for Dynamic Optimal Matching of Man－machine Interface in Mechanical System［J］.Journal of China Agricultural University，1998，3（2）：85－88.

［6］金哲，成波，金曉萍，等.汽車駕駛舒適性評(píng)價(jià)平臺(tái)的研制［J］.中國機(jī)械工程，2009，20（17）：2132－2137 Jin Zhe，Cheng Bo，Jin Xiaoping，et al.Development of a Test Bench for Automobile Seating Comfort E－valuation［J］.China Mechanical Engineering，2009，20（17）：2132－2137.

［7］張鄂，洪軍，吳文武，等.汽車乘駕體位生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)分析［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40（5）：234－535 Zhang E，Hong Jun，Wu Wenwu，et al.Design and Analysis of a Test Stand for Biomechanics of Manmachine Interface in Automobile Driving［J］.Journal of Xi’an Jiaotong University，2006，40（5）：234－535.

［8］劉偉，袁修干，莊達(dá)民，等.駕駛工效綜合評(píng)定座艙實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研制［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，13（11）：9－12.Liu Wei，Yuan Xiugan，Zhuang Damin，et al.Development of a Simulated Cockpit for Synthetic Ergonomic Evaluation of Pilot［J］.China Safety Science Journal，2003，13（11）：9－12.

［9］中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì).GB／T 15089－機(jī)動(dòng)車輛及掛車分類［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

［10］楊文斌.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［11］Society of Automotive Engineers.Recommended Practice J1100Motor Vehicle Dimensions［S］.Warrendale PA：Society of Automotive Engineers，Inc.，2002.