基于人機工程學的電動汽車模擬駕駛艙設計

王振宇，李 鑫

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶 400039；2.重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室， 重慶 400054)

虛擬技術被廣泛應用于產品設計。人機工程學在工程產品設計中通過應用人體測量學和人體力學等知識，對人體結構和機能特征進行分析，使得人-機-環境系統的設計更加人性化和科學化，從而改善機械操作的簡潔性和舒適性，同時提高機械整體的工作效率[1]。但是如果只有計算機軟件的虛擬操作而缺少試驗驗證，所設計出的產品不可避免地會出現些許問題。

電動汽車模擬駕駛艙作為一種特殊的虛擬仿真技術[1]，愈來愈受到行業內的重視。在開發新款電動汽車及駕駛艙的設計中應用人機工程學知識，合理規劃駕駛艙布局空間，設計模擬駕駛艙的虛擬樣機模型并且搭建實物模型，通過分析計算機仿真軟件得出的仿真結果與實際操作的驗證結果，得到的數據也更具有說服力[3]，從而可評價設計的合理性與實用性，最終達到提高駕駛員操作效率、減少疲勞程度、降低設計成本、縮短開發周期的目的。

1 駕駛艙布局設計

1.1 總體方案設計

電動汽車與傳統汽車在動力的產生及傳遞方式、踏板以及儀表系統3個方面存在區別，使得電動汽車的模擬駕駛艙與傳統汽車模擬駕駛艙也有一定的區別[6]。電動汽車的動力來自電機，儀表主要是電流表和電壓表，沒有離合器踏板。而傳統燃油汽車動力是靠發動機燃燒燃油獲得，儀表上沒有電流表和電壓表。基于電動汽車與傳統汽車結構上的不同，開展總體功能分析和方案設計：

1) 功能要求。① 集成化的電動汽車模擬駕駛艙；② 模擬駕駛艙可實現車輛的啟動、加速、制動、換擋等模擬操作；③ 可實現駕駛實時狀態的顯示。

2) 方案設計。① 根據駕駛艙的相關設計準則和實車測量數據進行駕駛艙的外部結構布局設計，并對駕駛艙的靜強度進行分析；② 采用可分屏顯示的液晶顯示屏，且顯示屏可進行360°旋轉，其上下左右的位置均可以調整；③ VCU是所有線束的匯聚點，用來接收各種開關信息和模擬信號，將其安裝在地板下面；④ 合理布置制動踏板、加速踏板以及換擋手柄；⑤ 在CATIA V5R20軟件中進行線束走向布置，并預估線束長度。

1.2 結構設計建模及零部件布置

1.2.1 選材

通過分析比較Q235、Q345、鋁材、4130及碳纖維等常用車架材料后，選擇鋁材(6063-T5)中的3030規格，其主要性能參數及截面二維圖分別如表1和圖1所示。

表1 6063-T5材料性能參數

圖1 3030型材二維圖

根據駕駛艙整體框架的具體尺寸來設計鋁型材的三維結構，設計過程中首先參考其他車輛的實際尺寸，在CATIA軟件中大致繪制出整個駕駛艙的外部形狀，然后再根據各零部件的位置進行精準設計，通過T型螺母和各種角碼對各構件進行連接，設計完成后整體駕駛艙的基本雛形如圖2所示。

圖2 駕駛艙基本雛形

1.2.2 汽車座椅布置

汽車座椅是車體和乘員最直接的接觸體，與其他座椅的基本功能一樣，因處于汽車內部這一特定的環境而增加了許多不同的功能，除了可前后、上下調節外，其靠背角度可前傾、后傾，且頭枕也可以上下、前后調節，所以座椅的布置、設計和安裝的好壞將會直接影響到駕駛員和乘員的乘坐舒適性和安全性。

根據圖3中的假人姿態背角，汽車座椅應與周圍零部件的關系進行布置。

圖3 假人姿態背角

1.2.3 安全帶的布置

當車輛行駛在低速狀態下不慎發生安全事故，且汽車沒有配備安全氣囊時，安全帶就成為至關重要的乘客保護裝置。

安全帶的合理布置及佩戴舒適性是評價車輛安全性和乘坐舒適性的重要指標。在布置安全帶時要注意避免以下問題：安全帶收回時被門卡住；冬季衣物稍厚，佩戴安全帶不方便；安全帶鎖舌靠后，乘員不易觸碰到。安全帶固定點的布置要考慮以下3個方面：對駕駛員以及乘客舒適性的影響；安全帶固定點的有效區域；是否影響卷收器的收放[6]。

安全帶的布置是在座椅布置完成之后進行的。

1.2.4 換擋機構的布置

換擋機構對于駕駛人員的操作舒適性有著很大的影響，其布置主要考慮與座椅右側的距離、距地板的高度和距方向盤的距離。

結合人機工程學知識得知人體操作的舒適區間如圖4所示。

圖4 換擋手柄操縱舒適區域

根據換擋機構的操縱舒適區域、布置要求以及駕駛員的相對位置要求，設計了如圖5的結構安裝換擋手柄。

圖5 換擋機構安裝結構

1.2.5 儀表盤的布置

電動汽車儀表盤是一種集LED、步進電機控制技術于一體的高新技術產品，是駕駛員與汽車進行信息交流的窗口。根據儀表盤的布置要求和圖6中的眼橢圓與儀表的位置關系進行儀表盤的布置設計。

儀表盤的布置主要考慮方向盤的位置和外徑、下視野的目標值等。

圖6 眼橢圓與儀表位置關系

儀表盤的合理正確安裝有利于駕駛人員的觀察和提高儀表壽命。考慮到駕駛艙結構的特殊性，設計了如圖7所示的零件安裝儀表盤。

圖7 儀表盤安裝-零件

1.2.6 轉向系統的布置

在模擬駕駛艙中，轉向系統的布置設計包括轉向器、方向盤、點火開關三大部分的布置設計。

轉向器主要通過4個固定點安裝固定在設計的鈑金件上，轉向器安裝鈑金件三維模型如圖8所示。

圖8 轉向器安裝鈑金件

方向盤的布置要考慮方向盤的角度、距離人體的位置、駕駛人員進出的方便性、儀表盤的可視性以及座椅的位置關系等，根據方向盤的尺寸及其與周圍零部件的關系進行布置。

點火開關在方向盤布置完成后，根據圖9的布置角布置即可。

圖9 點火開關布置角

1.2.7 踏板總成的布置

電動汽車模擬駕駛艙只需要對制動踏板和加速踏板進行布置設計。根據制動踏板的布置要求和加速踏板的布置要求進行布置。結果如圖10所示。

圖10 踏板布置

1.3 液晶顯示屏的布置設計

由于模擬駕駛艙不需要像真實的汽車一樣在路上行駛，因此在布置顯示屏時不需要考慮駕駛員的前方視野，采用3030型材進行布置設計，既方便安裝，又便于調整顯示屏的上下以及左右安裝位置。

2 模擬駕駛艙分析

2.1 人機工程分析

本設計所涉及的人機工程分析就是將人體模型與電動汽車模擬駕駛艙和周圍環境的相互關系、協調性及人性化聯系起來，使整個設計更加符合實際要求，工作效率更高，舒適性更好，并遵循安全、高效、舒適3個原則[8]。分析內容主要包括可達域分析、可視域分析和舒適度分析。

進行人機功效分析需要2個條件：① 建立人體模型；② 分析對象的建立。

在CATIA中通過選擇Gender(性別)、Percentile(百分位)、Population(國籍)、Model(模型)、Referential(參考點)等參數來建立人體模型。

一般情況下，操作人員以坐姿完成各項操作，因此選擇坐姿對駕駛艙進行仿真和人機功效分析。最舒適的坐姿一般是手握住方向盤后，肘部有一定程度的彎曲，并且手握住方向盤的3點鐘和9點鐘方向左右轉動互換位置仍然能夠保持舒適性，背部應盡量保持和豎直方向成110°左右，并且人體腿部在右腳全力踩實剎車踏板后，腿部仍然有一定程度的彎曲，如圖11所示。

圖11 駕駛姿勢人體各部分合理范圍

本次設計采用合理范圍值的中間值進行仿真校核。在CATIA人機工程模塊中輸入參數導出人體模型后，再確定人體模型在駕駛艙中的空間位置，最后通過人體姿勢編輯來調整人體姿態，判斷是否合理。整體坐姿和局部姿態見圖12、13。

圖12 整體坐姿

圖13 局部姿態

根據50百分位的姿態分析可知該模擬駕駛艙零部件布置的可達域符合實際要求。

當人體頭部平視時，可以看見的區域分別如圖14和圖15所示。

圖14 95百分位人體模型視野

圖15 5百分位人體模型視野

通過上述兩種情況下的可視域分析，很明顯駕駛艙座椅、方向盤、儀表盤的布置是符合要求的。

2.2 有限元穩定性分析

2.2.1 ANSA有限元網格劃分

在ANSA軟件中對駕駛艙進行整體網格劃分以及網格優化，完成后如圖16所示。

圖16 駕駛艙網格

2.2.2 Abaqus后處理分析

在Abaqus軟件中導入網格模型后，依次賦予材料屬性，添加分析步、施加載荷(施加載荷時按最大質量進行加載，座椅質量按500 N,人體按600 N共同加載在座椅的4個立柱，踏板總成按100 N加載在駕駛艙前面2根橫桿上，顯示屏及轉向管柱按500 N加載在駕駛艙前端最上部2根橫桿上，儀表盤按50 N加載在儀表盤安裝的橫桿上)及邊界條件(將駕駛艙豎直的4根立柱的Z方向限制，再將其中1根立柱的X、Y方向限制)，如圖17所示。應力和位移云圖如圖18、19所示。

圖17 載荷及邊界條件

圖18 駕駛艙應力云圖

分析結果表明：在靜止情況下，駕駛艙的最大變形為0.132 2 mm，最大應力為1.236 MPa。說明駕駛艙靜載時總體結構穩定。

3 線束和萬向輪布置設計

3.1 線束布置設計

線束布置設計主要是在CATIA軟件將踏板總成、轉向系統、鑰匙開關、方向盤、換擋機構和VCU在考慮美觀的前提下用最佳的線路連接起來[11]。

根據目前的線束設計規范與線束設計要求按照設計流程對此駕駛艙進行線束走向設計，結果如圖20所示[12]。

圖20 線束布置走向

3.2 萬向輪的布置設計

由于模擬駕駛艙經常用來代替車輛仿真系統中的駕駛員模型，需要兼顧不同的使用場景，應具有較高的機動性；同時為了在操作時使其具有良好的安全性，應將其穩定地固定在地面上，因此我們選用帶剎車的萬向輪作為其底部的支撐部件。考慮到駕駛艙以及各零部件的質量，選擇萬向輪的規格為101.6 mm，采用如圖21中的結構安裝。

圖21 萬向輪安裝結構

圖22為模擬駕駛艙的實物全景圖。該實物模型的搭建考慮了電動汽車駕駛艙的功能需求、相關設計標準以及試驗的便捷性，可以很好地模擬實時駕駛狀況，對虛擬樣機模型和人機工程學設計的合理性提供充分的驗證依據。

圖22 駕駛艙實物全景圖

4 結束語

電動汽車模擬駕駛艙作為一種特殊的虛擬技術，在新車型的開發設計及布局優化中發揮著越來越重要的作用。通過實驗人員的實際操作和各種計算機仿真軟件得到的試驗與仿真結果，不僅具備了電動車的各項基本操作，而且不再需要像實車一樣制造所有的零部件，即可完成駕駛艙設計的合理性及人性化驗證，使設計成本大大降低。本文設計的電動汽車模擬駕駛艙基于CATIA軟件的人機工程學模塊，合理的提出駕駛艙內各部件的布置方式及結構形式，并在CATIA軟件中對主要零部件進行布置設計，對駕駛艙的整體結構做了靜強度分析，結果顯示強度可靠，具備一定的安全性及舒適性，具有較高的使用價值，同時為以后駕駛艙的設計提供一定參考。