柔性化人機驗證模型的設計及應用

郭上清

摘 要：在整車設計開發(fā)階段，前期的整車布置關鍵參數(shù)沒有鎖定，伴隨著創(chuàng)意方案評選、產品定位的調整而發(fā)生變化，其中的駕駛艙、乘員艙布置方案需要通過制作人機驗證實物模型來評審確定。當前市場環(huán)境下，時間、經濟成本已經是汽車公司重點關心的因素，通過開發(fā)柔性化人機驗證模型，可以更經濟更高效完成模型制作并開展產品的人機驗證。

關鍵詞：柔性化 人機驗證模型

0 引言

隨著人們對汽車產品的體驗要求越來越高，車企越來越注重體驗開發(fā)；車內乘員的人機環(huán)境舒適性是自主研發(fā)的重要內容[1]。對于乘坐舒適性的評價，可以采用物理人機空間模型，為設計改進提供重要參考依據，這種采用物理模型驗證的方法已經逐步應用到各大車企產品研發(fā)過程當中[2]。在造型設計階段，造型師根據總布置參數(shù)開展初步數(shù)模搭建，在這種造型數(shù)據狀態(tài)下，上下車、駕駛操作、視野、空間是否合適不能主觀看出，同時項目開發(fā)周期短，實物制作需要追求最高性價比，傳統(tǒng)人機模型設計制作已經無法滿足時間、經濟的需求。文章通過柔性化人機驗證模型的設計研究，采用模型骨架可調節(jié)的設計，實現(xiàn)了模型的重復利用。通過人機模型反復評審及優(yōu)化分析，確定最終最優(yōu)的產品人機布置參數(shù)，避免后期因人機體驗不符合市場需求而進行顛覆性設計更改[3]。

1 人機模型設計輸入

總布置工程師通過對優(yōu)質標桿車開展分析及測量，獲得主要人機尺寸總置參數(shù)[4]，現(xiàn)有產品的方向盤及管柱、腳踏板、座椅可借用到新研發(fā)產品上，造型數(shù)據師基于總布置參數(shù)及初版創(chuàng)意方案，快速搭建初版內飾座艙數(shù)據，在模型結構設計工作中，關鍵總布置參數(shù)、初版內飾座艙數(shù)據、借用件數(shù)據，作為模型設計的輸入。

1.1 總布置參數(shù)

關鍵截面是開展人機模型設計的主要總布置數(shù)據如圖1所示，其中駕駛員縱向截面約束模型地板、踏板、座椅等數(shù)據結構設計；YO截面提供了地面線，整車尺寸數(shù)據，約束模型的高度及骨架尺寸；門檻截面線約束模型寬度及門板支撐柱的設計。

圖1 總布置參數(shù)

1.2 內飾座艙數(shù)據

造型數(shù)據師根據總布置參數(shù)及效果圖搭建座艙數(shù)據，總布置工程師、設計師及數(shù)字師一起協(xié)作，在總布置參數(shù)的框架下，平衡好效果圖的設計意圖完成造型數(shù)據的搭建工作，這版數(shù)據不用太精細，小特征、小圓角、小分縫及曲面質量可以不必太糾結。

1.3 借用件工程數(shù)據

方向盤及管柱、腳踏板、座椅等借用件直接用到人機驗證模型上，可以節(jié)省很多設計制作資源，也可以實現(xiàn)一些功能性驗證。以總布置參數(shù)為驅動，工程師把借用件工程數(shù)據擬合到新產品的整車布置位置，完成校核分析后的借用件工程數(shù)據，輸出到人機驗證模型的結構設計中。

2 柔性化人機模型結構設計

柔性化人機模型的優(yōu)勢是重復利用，結構特性是自由調節(jié)。絕大多數(shù)自由度都是沿著直線方向運動，可采用直線滑動副和絲杠實現(xiàn)自由度調節(jié)[5]。在造型階段，通過對模型臺架上的快速樣件進行換裝，驗證造型過程中的重點人機問題[6]。實現(xiàn)這些快速換裝及借用的方式都需要在模型結構設計時考慮，并設計模型可變及不變的區(qū)域邊界。

2.1 底盤骨架設計

底盤骨架是主要的支撐平臺，也是柔性化人機模型不變的區(qū)域如圖2所示，它基于總布置參數(shù)及內飾座艙數(shù)據搭建，底盤采取一側骨架可調節(jié)設計，實現(xiàn)模型Y向寬度可調，滿足模型重復利用到不同尺寸車型上，在骨架上設計20mm木板，用于承載儀表臺、副儀表、B柱后側圍、汽車地板等。

2.2 儀表臺骨架設計

儀表臺骨架采取軌道滑塊設計如圖3所示，這是實現(xiàn)柔性化關鍵部件之一，也是模型不變的區(qū)域，其中主、副駕儀表臺骨架采用分體式設計，實現(xiàn)骨架在X方向、Y方向獨立滑動，進而滿足不同尺寸車型的人機模型使用。骨架本體采用鋁型材方管，方管之間利用角鐵、螺栓固定，這樣的骨架為模型重復利用提供便利性。

2.3 B柱骨架設計

B柱骨架也是模型不變的區(qū)域，設計有B柱本體及門板固定點。骨架設計方型管，表面為平整面適合B柱本體固定，方管結構采用T型槽設計，門板的安裝通過滑塊固定在B柱骨架T型槽內，可實現(xiàn)門板Z向調整，適應不同高度的需求，B柱骨架采用角鐵及螺栓固定在底盤骨架上。

2.4 借用件安裝結構設計

主要借用件包含方向盤及管柱、腳踏板、座椅等零件，它們是人機模型可變的區(qū)域。方向盤需要上下調節(jié)，滿足不同人的空間感受，所以方向盤管柱需要設計調節(jié)機構來滿足角度調節(jié)。腳踏板的安裝結構需要儀表板骨架方管作為設計基準，有利于腳踏板調節(jié)固定。座椅的安裝結構基于座椅骨架工程數(shù)據與底盤骨架數(shù)據進行設計，座椅承載工程師們進行人機體驗，所以座椅安裝結構必須牢固，安裝機構通常采用樹脂材料進行3D打印，相應的借用件安裝結構如圖4所示。

2.5 整艙模型數(shù)據設計

模型數(shù)據設計過程中，內飾拆分為儀表板、副儀表、車頂、后側圍、地板、A/B柱、尾門等數(shù)據，每個部件設計時依托對應的骨架數(shù)據，例如：儀表板需要在儀表板骨架數(shù)據上開展結構設計。整艙模型制作材料由硬質泡沫、樹脂打印、輕質代木組成，設計過程中需要就不同的材料及制作工藝開展相應的結構設計。整艙模型各部件之間的搭接固定機構非常重要，設計合適的固定結構可以保障模型的精度及穩(wěn)定性，平坦區(qū)域泡沫部件之間采用凹凸穿插的結構設計，易拼接又牢固，而A柱與車頂?shù)拇罱硬捎娩N孔固定的結構，銷孔結構適用于硬質泡沫部件之間的搭接，卡扣固定、磁吸固定適用于打印樣件與金屬骨架之間的固定。

3 人機模型的制作

模型制作包括骨架制作、模型主體加工、樣件3D打印、表面處理及裝飾、各部件裝配等過程。在骨架制作過程中，底盤骨架采用方鋼焊接并加工基準面，骨架表面覆蓋20mm木板作為整體支撐，儀表板及B柱的骨架采用高強度鋁材，按照結構設計數(shù)據加工T型槽，加工L型加強鋁塊及螺栓用于模塊之間搭接。

模型主體由硬質白泡沫加工，因硬質泡沫具備比較高效率的切削性能，通常車頂、儀表臺、副儀表、后側圍、地板等采用泡沫加工。對于腳碰、承重部件，如前后門檻、A柱、B 柱需采用代木加工或樹脂打印。借用件的安裝機構采用樹脂打印，一體式打印更好控制安裝精度。采用白泡沫加工的部件，需進一步表面處理為涂裝做準備，各部件在底盤骨架上試裝并測量精度，完成整車模型試配以后，各部件進行表面涂裝。

4 人機模型的評審

模型完成后，由總布置牽頭，召集項目、造型、市場、感知等區(qū)域進行評審，并形成問題決議給到相關區(qū)域開展優(yōu)化工作。本文結合產品實際的現(xiàn)場評審照片，對于部分人機評審進行說明。

上下車的人機評審如圖5所示。前后排都需要評價上下車的人機狀態(tài)。在進行上下車評審時，不同身高的人感受腿部與門檻裙邊的位置情況，考慮門檻Y方向是否太寬影響跨步，上下車裙邊會不會咯小腿，后排下車的時候后側圍咯不咯大腿以及前后排上門框的Z向高度的影響。

組合儀表視野評審如圖6所示。組合儀表視野主要的影響因素有個人身高、方向盤的位置、座椅的空間等。評審人員覆蓋不同的身高，同時結合自身的視野角度，考慮方向盤管柱和座椅的角度，全面性對組合儀表的可視范圍進行評價，同時在方向盤處于直行位置時，組合儀表不被方向盤遮擋。

前排乘坐人機評審如圖7所示，乘坐舒適性以及腿部空間是評審考慮點，座椅的造型輪廓及接觸面料對乘坐舒適性影響比較大，感受座椅包裹性及海綿的軟硬程度。前排副駕人機空間影響的區(qū)域比較多，比如IP儲物盒、副儀表、門飾板及門上儲物盒，前排腿部空間評價時，需考慮IP儲物盒型面大小、副儀表的寬度和門板上儲物區(qū)域，手肘的空間需要考慮門飾板的厚度、門扶手的寬窄等問題，中央扶手的高低，也是影響前排乘坐舒適性的要素。

5 總 結

柔性化人機驗證模型最核心的價值就是實物模型循環(huán)重復利用，柔性化的整車骨架設計是實現(xiàn)重復利用的關鍵；本文介紹了人機模型設計的設計思路，提到了驗證模型設計時需要關注的問題及期望的要求，其中模型設計所需的輸入數(shù)據包括總布置關鍵界面線、內飾造型數(shù)據、借用零部件等數(shù)據，而且這些都需要統(tǒng)一坐標空間。闡述了設計輸入數(shù)據作為模型骨架設計、模型結構設計的主要依據和限制邊界，接著重點介紹了儀表板、底盤（側面）、B柱等滑動式骨架設計方案，這些設計方案實現(xiàn)了整個模型的柔性化。柔性化人機驗證模型主要應用于人機驗證評審，文章也對部分人機體驗評審的一些議題操作進行說明。新產品的人機模型借用原實物模型進行制作，大大減少產品研發(fā)時間和成本的投入。

參考文獻：

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[2] 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.

[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.

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[5]李世海，任金東，高曉嫻，劉永清，米夢東，杜建，杜曉明.適用于乘用車人機設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.

[6]張冬冬，夏衛(wèi)群，黃潔，李一澤，黃建軍，龍從林.人機柔性臺架的建立及應用[C].2021，2021中國汽車工程學會年會暨展覽會.