柔性人機工程檢驗模型的自主研發與制造

沈衛東 林芳

（上汽大眾汽車有限公司）

以人為本已成為當前車輛設計的主流，人機工程對于車內乘員的舒適性、保護人的身心健康和生命安全、提高車輛的人性化和運行效率，都有著舉足輕重的促進作用。汽車車身人機布置是一個需要反復協調、修改、完善及評價的過程，為了能夠在產品研發初期充分滿足這一要求，采用內外飾合一的整車柔性人機工程檢驗模型設計，通過這樣一個模型，車身內部設計可以在內飾設計初期就能夠得到檢驗，進行乘坐舒適性評價并判斷初期的布置是否合理，以便及時更改尺寸來重新布置。

1 柔性人機工程檢驗模型

1.1 技術原理

柔性人機工程檢驗模型用于在研發初期對于車身內部總體布置的舒適性和操縱便利性做出體驗和評價。該模型通常采用硬質泡沫材料，以內飾單件邊界為零件分界銑削單件，安裝在鋁型材搭建的主骨架上，需要評價的單件，如儀表板、座椅、安全帶及后視鏡等則可以進行靈活的替換和匹配，既可以采用批量零件和沿用件，也可以采用銑削零件進行匹配安裝，還可以將幾種工藝有機融合，隨意搭配。柔性人機工程檢驗模型更是將參數化設計以及柔性骨架的概念與人機工程檢驗進行了巧妙地融合，可適用于各種不同項目。

1.2 制造流程及工作進度

相較于傳統樣車19周的制造周期，全新柔性人機工程檢驗模型的6周制造周期，明顯取得了質的飛躍。前期準備工作為4周，各周期的詳細工作進度及制造流程，如圖1所示。

圖1 柔性人機工程檢驗模型制造流程及工作進度示意圖

2 柔性人機工程檢驗模型的技術特點

2.1 內外飾合一的模塊化設計制造工藝

由于柔性人機工程檢驗模型的節點處于整車開發流程的初期階段，因此需要反復的評價驗證以便修改完善總布置設計。由于評價重點在內部空間，針對這一需求采用了內外飾合一的模塊化設計制造工藝，即以內飾需要評價考量范圍的邊界做為銑削單件的分割面來切割外覆蓋件型面，如A柱內飾包含了內飾單件、側圍鈑金區域及側圍密封條，在滿足人機工程評價的前提下，采用這一工藝大大節省了后期銑削與匹配調整的時間，并且內外一體的設計，使得單件的強度也得到大幅提升，解決了諸如密封條之類零件的匹配問題。以A柱模塊單件為例，如圖2所示，與采用傳統模型制造工藝（需要制作A柱內飾單件、側圍鈑金A柱區域及密封條3種零件）相比較，從設計到銑削加工直至測量匹配，總計可節省約2周的工時。此工藝延伸推廣至整個模型所產生的經濟效益及時間成本是相當可觀的。

圖2 A柱單件模塊化設計

針對不同項目，在模塊化零件的拆分上，基于評價需求采用了靈活多樣的分件制造工藝。如在某款已上市車型的人機工程檢驗模型中，考慮到C柱內飾與周圍內飾件的分縫及匹配型面后續將不斷地優化和更新，在設計初期劃分模塊邊界時應充分考慮到這一點，將需要優化的區域劃分為一個統一模塊，即將C柱內飾、部分行李箱內飾及部分車頂內飾作為一個零件單獨加工，如圖3所示。

圖3 C柱區域模塊化設計

采用這種工藝可以避免在后期更改中替換整個行李箱內飾和車頂內飾，大大節省了更改時間，降低了制造費用，徹底擺脫了只能依賴白車身作為平臺來進行人機工程檢查的歷史，優化了流程，降低了成本。

2.2 車身單件定位點及測量定位點的有效布置

柔性人機工程檢驗模型主骨架上安裝需要評價的功能件，如儀表盤、踏板、方向盤及內外后視鏡等，它們的位置作為人機評價的重點，需要保證有較高的精度，使其能真實地反映設計要求的人機位置關系。同時，為了方便H點的測量，需要確定相應的測量定位點。H點是汽車內部布置最重要的基準點，對于進行駕駛室人機工程設計和參數測量，輔助進行駕駛室其它零件安裝基準點的定位有重要意義。

在柔性人機工程檢驗模型的主骨架上，科學地采用了靈活多樣的測量點布置方式，如圖4所示，由總成到單件層層遞進均覆蓋在測量范圍內，保證了單件在安裝及匹配時，可以通過測量的方式進行精確定位，最大限度地降低累積誤差，達到較好地控制總成匹配精度的目的。

圖4 層層遞進的測量點標準件

2.3 采用主骨架鋁型材及標準化連接件

以往的骨架都是基于已經制造好的白車身而搭建的，使汽車內部布置受制于白車身的生產，不能及時地發現設計中的缺陷。以白車身作骨架比較適用于已有車型的內飾小改，而不能滿足一款全新車型的內飾開發。因此，選擇APS（上海比迪工業鋁型材料配件有限公司）鋁合金型材搭建，獨立于具體的車型，變得更加靈活，給設計師以更多的快速便捷的改造空間。選用APS標準化的鋁型材和連接部件，將大大縮短框架的設計組裝時間，有效控制骨架的成本和工程精度。主體骨架主要采用了3種規格的APS鋁型材，分別為APS-8-40160、APS-8-4080 及 APS-8-4040，每種型材的規格和斷面結構尺寸分別如圖5，圖6及圖7所示。以某款已上市車型的人機工程檢驗模型的技術參數為模板，成功的建立了標準數據庫，為后期柔性人機工程檢驗模型的設計打下了堅實的技術基礎。

圖5 APS-8-40160鋁型材

圖6 APS-8-4080鋁型材

圖7 APS-8-4040鋁型材

2.4 柔性人機工程檢驗模型多樣化材料的選擇

在柔性人機工程檢驗模型的設計與制造中，充分發揮了輕量化原則，在確保強度的情況下，采用多種材料相結合的設計理念。主體骨架采用了APS鋁型材。非承重區域采用了高密度硬質泡沫材料，該材料具有質輕，硬度較高，表面縮孔少的特點，既符合單件安裝的強度要求，也滿足減重的要求。如圖8所示，在承重區域，如座椅導軌支架，其踏板機構過渡塊，則采用高密度樹脂材料加強其強度，此種材料強度相對較高，可以充分滿足鑲嵌螺紋套和支撐件的強度要求。

圖8 座椅導軌代木過渡塊

另外，也可以根據每個項目不同的項目基礎及數據條件，有針對性的選擇和切換安裝零件材料，如對于改型車，則意味著有部分批量零件可以沿用，基于時間與成本因素考慮，會采用沿用件結合過渡塊的制造方式，而對于全新開發的車型，則會優先采用高密度硬質泡沫的制造工藝。

2.5 根據不同車型快速簡易切換柔性主骨架

柔性人機工程檢驗模型主骨架的設計采用了參數化設計，以方便滿足根據不同的車型快速調整骨架尺寸的要求。主骨架的設計主要采用了穩固性好通用性高的框型結構，拼接區域采用APS-8-4040或APS-8-4080的標準角件進行連接或加固，如圖9所示。骨架的長度可以根據車身長度而進行長短變化調整，頂部采用鋁制角件（APS-8-4040）來緊固和調整整體式泡沫車頂，在底部骨架上鋪設30 mm厚的木板，以增加地板部分強度及緊固底板泡沫零件。在A柱骨架區域進行局部加強，用于安裝前門鉸鏈過渡塊，過渡塊采用硬鋁銑削。B柱骨架上部與下部區域采用合頁連接方式，以方便B柱的安裝與緊固，并在骨架底部輔以帶有自鎖功能的承重輪和固定鉤，便于骨架的運輸及固定使用。

圖9 柔性主骨架

柔性骨架的設計具有極大的通用性，在輪距方向只需要對加強件及支撐件進行簡易調節，適用范圍便涵蓋了A0級，A級，B級以至C級的各款車型，在軸距方向只需要對尾部骨架進行收縮操作，如圖10所示。骨架可在箭頭所示范圍內進行調整，以適應不同車型，滿足不同車型的長度需求。由于參數化的引入和標準庫的建立，大大縮短了工時。

圖10 尾部骨架軸距方向收縮示意圖

2.6 多適應性的門板平臺的設計

作為人機工程評價重點之一的門內飾總成，柔性人機工程檢驗模型設計創新地采用根據門內飾輪廓進行線切割的鋁板作為載體，進行試制樣件、沿用件及硬質泡沫銑削件之間的任意切換。

設計時，根據門內飾厚度及輪廓模擬出安裝平臺形狀，采用3 mm的鋁板進行線切割，如圖11所示。

圖11 線切割鋁板平臺

針對樣件，采用過渡塊方式連接樣件與鋁板；針對泡沫件，采用銷定位及螺栓緊固的方式進行安裝。模塊化鋁板平臺，則采用鉸鏈通過鋁過渡塊與主體骨架連接，并具備三向可調的特性，其中下部鉸鏈采用帶限位功能的批量門鉸鏈，而上鉸鏈則可以簡化為一般門合頁，如圖12所示。

圖12 合頁與門鉸鏈相結合方式

通過磁鐵吸附功能的方式實現了門的關閉鎖緊功能，如圖13所示。

圖13 磁鐵緊固方式

采用這種模塊化的設計制造方式，極大地增強了模型的適用性，延長了模型的生命周期，在沒有樣件的情況下，先采用銑削零件進行首輪評價，樣件制作完成后可以輕松地進行切換，進行第2輪甚至更多輪評價。采用合頁及磁鐵，真正實現了通用性，以簡單零件實現了復雜的工藝，在滿足功能的同時，大大降低了制造成本。

2.7 功能件的布置與調整

雖然柔性人機工程檢驗模型中的內飾件大都是由泡沫模型組成的，但是方向盤、踏板及座椅等裝置依然優先采用樣件或沿用件，使人能獲得實際的操縱手感。采用過渡塊連接方式來連接樣件和主骨架，其中根據零件的不同又有著各自不同的連接方式，這些過渡件均具備三向調節功能，安裝時便于在一定公差范圍內進行微調，提高裝配精度，同時可在功能件內部設計修改時快速調整，大大縮短模型搭建時間。

以踏板機構為例，在主骨架進行布置之初，充分考慮了自動與手動迅速切換的可能性。另外，為了確保踏板腳感的真實性，對批量踏板機構進行改造，通過采用在踏板下部增加接地氣彈簧的方法，巧妙地利用現有資源解決了在樣車上必須通過安裝真空助力泵才可以解決的復雜問題。

3 結論

綜上所述，柔性人機工程檢驗模型是自主研發設計的，它為汽車人機工程檢驗及新車型開發總布置的開展提供了新的載體。此模型可以快速、便捷地進行各種有關汽車人機工程理論和設計的檢驗，使新車型總布置研發擺脫了只能以樣車白車身為平臺的歷史，并在人機方案驗證節點提前的同時大幅度地降低試驗費用，縮短驗證周期。同時，還具有數據依賴性低及通用性強的特點。柔性人機工程檢驗模型在今后的車輛工程研發設計領域中必將得到廣泛的應用。