基于人机工程学suv车乘坐舱设计学士学位论文.docx
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基于人机工程学suv车乘坐舱设计学士学位论文
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摘要
随着轿车在人们生活中的普及,人们对轿车驾驶室也相应提出了安全、舒适、健康、高效等新的要求。
因此有必要探讨一种驾驶室新的设计思想和设计方法,以满足人们对现代轿车的要求。
本课题以汽车人机工程学的理论为基础,结合计算机技术,提出了基于人机工程学原理的轿车驾驶室设计方法。
在论文中通过收集大量资料和借助于CATIA软件的帮助主要进行了H点优化设计,手操纵件的校核和手伸及界面的校核。
1)论文中利用CATIA建模和分析H点的具体位置,提出H点的优化设想,调整H的位置来改善其舒适性和视野性等。
2)论文中提出对手操纵件的校核,主要对手操纵件、指示器及信号显示装置进行校核,以GB/T17867-1999法规为标准,校核是否满足法规的要求。
3)论文中提出对手伸及界面的校核,检验重要操作件、按钮是否在驾驶员手伸及范围之内,是否满足SAEJ287(1988)、ISO3958:
1996法规的要求。
整个设计过程都是为了实现驾驶室人机工程学的设计目标:
安全、舒适、健康、高效。
关键词:
驾驶室人机工程学人体尺寸计算机辅助设计
ABSTRACT
Withthecar’popularizationincommonliving,peoples’requestmenttoCABhasgoneuptosafety,easiness,healthandhighefficiency,etc.SoprobingintoanewCAB’sdesigningideaandmethodisnecessarytomeetwiththerequestment.
BasedonCarMan-MechineEngineeringtheories,usingcomputertechnology,thethesisgivesacarCABdesigningmethodbasedonMan-MechineEngineeringtheories,andbuildsadatabaseofourcountrypeoples’bodysizeinrelationtoCABdesignding.InthisgraduationprojectIdomyworkthroughcollecttingmassivematerialsandusingCATIA.Mainlyhascarriedonthebelowwork:
1)H-pointoptimization,adjustsH-pointposition,improvesitscomfortablenessandthefieldofvisionandsoon.
2)Handcontrolexamination.ExamineswhethersatisfiestherequestmentofthelawGB/T17867-1999.
3)Thehandextendsandthecontactsurfaceexamination.ExamineswhethersatisfiestherequestmentofthelawSAEJ287(1988)、ISO3958:
1996.
Theentiredesignprocessallisforachievethecabman-machinedesigngoal.
Safe,comfortable,healthy,ishighlyeffective
Keywords:
CAB,Man-Mechine,Bodysize,EngineeringCAD
基于人机工程学SUV车乘坐舱设计
陈澄061103259
0引言
人体工程学是从20纪50年代开始迅速发展起来的一门新兴的边缘学科,是从人的生理特点出发,研究在提高人体-机器-环境系统的总体效能的目标中人体-机器-环境相互关系的一门科学。
指导汽车车身总布置设计的核心理念是“人-机-环境”思想。
在人-机-环境理论中,“人”是作为主体:
“机”是指人所控制的一切对象的总称:
“环境”是指人、机共处的特殊条件,它即包括物理、化学因素的效应,也包括社会因素的影响。
在汽车车身总布置设计系统中,“人”对应为驾驶员和乘员:
“机”对应为驾驶员和乘员操作控制的对象,如方向盘、踏板、变速杆、制动手柄以及操作钮件等的控制对象集:
“环境”对应为驾驶员和乘员乘坐的空间,车身外型控制以及光线、道路等外部因素。
汽车车身总布置采用“以人为中心”的设计思想,尤其是在轿车设计中,确保驾驶员与乘员的舒适性、居住性、安全性,以及驾驶员的操纵方便性、视野性等非常重要。
1绪论
1.1汽车车身内部布置方法概述
1.1.1车身开发设计过程
一辆新轿车从构思设计至成批投产,耗资十分巨大。
车身开发设计的费用及时间约占整辆汽车开发费用和时间的70%。
其主要包括:
⑴车身边界及总布置方案;⑵基型开发;⑶批量开发。
车身边界是指车身的基本技术数据及车内主要部件安装坐标位置的初步或精确设定。
车身的基本技术数据如长、宽、高、轮距、轴距、最小转弯半径等。
基型开发主要目的是找出车身外型、总布置设计方案及空气动力学特性三者之间的最佳关系。
车身开发应注意以下几点:
⑴先进的空气动力学特性;⑵高质量及可靠性;⑶操纵方便及乘坐舒适性;⑷尽量宽敞的乘坐空间;⑸高的主动安全性及被动安全性等。
1.1.2汽车车身总布置及内部布置设计的主要内容
汽车总布置应完成车身内外尺寸、发动机、传动系统、车身的悬置形式、转向传动机构、车架和汽车车身的总布置以及一些附件如电瓶、油箱、备胎的布置。
汽车车身总布置设计时应考虑整车型式、车身与整车总布置的关系,然后根据各总成型式和整车性能的要求基础上,确定车身内、外尺寸,驾驶员与乘客的操纵与乘坐空间,以及对车室各种部件和附件的位置参数的确定,以满足相关的各项性能及法规要求,并协调各种性能指标之间的矛盾,实现总体优化的布置过程;其特征参数和硬点尺寸繁多,空间关系和制约因素复杂,实现方法和评价指标具有模糊性、多解性、经验性等特点。
1.2本课题的主要内容及意义
1.2.1本课题主要内容
本课题主要是基于CATIA软件的计算机辅助汽车车身内部布置系统,研究总结汽车车身内部布置设计方法。
其主要内容包括:
(1)由SAE推荐的适意线或区域法来确定不同百分位人体模型的H点位置;
(2)确定座椅参考点(SgRP)的位置、座椅靠背角和座椅调节行程;
(3)调用头廓包络线,结合内部空间控制尺寸,确定顶盖的位置以及完成对车身内部宽度的确定;
(4)调用眼椭圆、手伸及界面等设计布置工具设计仪表盘的断面形状及其操纵件的布置;
(5)而后进行方向盘、操纵机构、踏板等的布置;
(6)进行驾驶员的视野设计。
1.2.2本课题的研究意义
国内的汽车车身内部布置大部分还是照搬国外的技术,本课题的研究是建立在我国大量专家学者研究的基础上,结合我国汽车行业的现状而系统研究车身内部布置设计的方法。
本课题的研究对国内进行自主开发的能力的提高起到推动和借鉴作用。
国内的好多汽车厂家应用的CAD软件大多是通用的设计软件,在用来进行车身内部布置时,除了将手工的工作搬到计算机上并无什么区别。
这样,设计的效率还是非常低、劳动强度还是非常大。
本软件的开发,可以在一定程度上对车身内部布置实现自动化,对于提高设计效率、降低劳动强度都是非常有作用的。
本系统是以CATIA软件作为开发平台,由于国内不少大汽车厂和研究机构都以CATIA作为主流设计软件,故软件的开发适应当前国内形势的需要。
1.3人机工程学在汽车车身总布置上的应用
人机工程学是二十世纪五十年代迅速发展起来的一门新兴科学,它主要研究工程技术设计如何与人体尺寸、生理和心理特性相适应的问题。
人机工程学最大的特点是:
把人看成系统中的一个元素,以人为主体详细分析人与机械之间的协调关系,使整个系统工作达到最优。
合理的人机工程布置设计,不仅关系到有效的利用车内空间及提高乘坐舒适性,而且会影响车内、外部造型和整车尺寸参数,进一步会影响整车性能和市场竞争力。
人机工程设计主要借助于SAE的方法和工具。
汽车车身总布置考虑的人机工程问题大致归纳为以下五个主要方面:
(1)汽车驾驶操纵系统人机界面的优化匹配;
汽车驾驶操纵系统是一种有驾驶员参与反馈控制系统。
这类人机界面的优化匹配问题,在人机工程学科领域最有代表性,因为驾驶操纵是驾驶员最基本、最频繁、最重要的操作。
(2)汽车行车安全性及车内乘员的人体保护技术;
汽车车辆的撞车、翻车事故严重的威胁乘员的安全性。
在进行汽车车身总布置时,一定要考虑到安全技术性能,利用有效的车内乘员人体保护技术来避免或减轻乘员可能遭受到严重的伤害。
(3)汽车乘员的乘坐舒适性
汽车驾驶员和乘员的乘坐舒适性,主要取决于座椅与人体的人机界面能否为人提供舒适稳定的坐姿、驾驶员(或乘员)——座椅——汽车系统能否有效地隔离或衰减来自路面不平度的激励而产生的振动、驾驶员(或乘员)——座椅——驾驶室系统的几何位置关系能否为驾驶员提供良好的视野和相对于各种操纵机构与显示装置的舒适位置。
(4)汽车驾驶员的驾驶适宜性
进行车身总布置也应该考虑到驾驶适宜性,所谓驾驶适宜性是指人具备圆满、不出差错地完成驾驶工作的素质。
考虑到不同车型适合何种人群使用,相应地进行车身布置。
(5)汽车的道路交通适应性
我们认为,应该把人——车——路作为一个系统来研究,设计汽车性能时既要充分考虑到人的因素,如人体尺寸、人的生理和心理特征、人的习惯等人——车的关系,又要考虑到道路交通特性。
进行车身总布置时,考虑到人——车——路系统的综合优化。
1.4汽车CAD/CAM技术的应用
1.4.1汽车CAD/CAM技术的概述
CAD/CAM技术的应用水平是衡量一个国家汽车工业水平的重要指标之一。
汽车工业作为国家支柱产业,一直是CAD/CAM技术应用的先锋和大户。
CAD/CAM技术的不断发展和广泛应用,不仅仅在于它能提高产品的质量和缩短产品的周期,更主要的是:
CAD/CAM技术是当代最杰出的工程技术成就之一,它从根本上改变了过去用手工绘图、依靠图纸组织整个生产过程的技术管理模式。
因此,它对传统产业的改造、新兴技术和产业的兴起和发展、我国汽车工业国际竞争力的增强等方面,均能产生巨大的推动作用。
进入90年代后国际市场的竞争更加激烈,汽车公司对CAD/CAM技术的需要更加迫切,为此,世界上很多国家和汽车公司都把发展CAD/CAM技术集成化作为它们的战略目标。
1.4.2汽车CAD/CAM技术的应用情况
国际上,美国福特汽车公司在CAD/CAM技术方面处于领先地位。
早在80年代初,福特公司就着手CAD/CAM系统的规划,建成了以工作站力主体的环形网络系统,1985年己经有一半以上的产品设计工作使用图形终端实现,1986年新开发的TAURUS和SABLE轿车,大约70%的外板件采用CAD/CAM设计,90年代初全面实行产品开发的CAD/CAM应用可达100%、福特公司1990年工作站己达2000台,以FGS作站(约占70%)和CV工作站(约占18%)力主,其应用软件主要为自行开发的PDGS和CAD/CAM。
1993年以后,福特汽车公司提出了C3P(CAD/CAM/CAE/PDM)概念,并决定今后将采用I-DEAS软件作为其主流核心软件。
美国通用汽车公司应CAD/CAM技术的情况与福特类似,其硬件主要为APPLO、SUN、HP、IBM、DEC的产品;软件主要为自行开发的CGS(CorporateGraphicsSystem),CADAM公司的CADAM系统和MCD公司的UG系统,这三种软件系统构成公司的三维CAD/CAM数据库基础,以供全部设计、工程和制造使用。
该公司采用CAD/CAM进行产品的设计制造,CAD软件与CAM软件用以太网相连。
日本三菱汽车公司1960年从冲模的数控加工着手,以CAD/CAE/CAM为动力,对从设计到制造的各项工程踏踏实实地进行了改革,至今,已形成了从车型款式设计到车身组装的新车型开发的完整的CAD/CAE/CAM系统。
法国雷诺汽车公司应用EUCLID软件系统作为CAD/CAM的主导软件,目前已有95%的设计工作量用该软件完成。
雷诺公司在EUCLID主导软件的基础上,开发出很多适合汽车工业需求的模块,如用于干涉检查的Megavision,用于钣金成型分析的OPTRIS等。
德国各大汽车公司普遍采用CATIA作为其CAD/CAM系统的主导软件。
1994年,德国大众集团决定用CATIA和Pro/E作为其将来开发新车型的主导CAD系统。
1.4.3我国汽车CAD技术应用与开发
我国的CAD/CAM工作始于70年代,发展迅速,己取得了良好的经济效益、少数大型企业,如一汽、二汽等,己建立起比较完整的CAD/CAM系统,其应用水平也己接近国际先进水平。
许多中小汽车生产厂家应用CAD/CAM技术在保证产品质量、提高劳动生产率等方面也取得了显著的经济效益。
一些科研院所陆续推出了一批CAD/CAM软件,并得到了一定的应用、总的说来,国内汽车行业在CAD/CAM技术应用的深度和广度等方面与国外先进水平相比还有很大的差距,尤其在CAD/CAM集成应用等方面的工作还刚刚开始,随着社会主义市场经济的发展,国有汽车生产厂家需要对传统的产品结构、生产设备和管理模式进行改造,以提高企业的活力和适应市场的应变能力。
其中,首当其冲的是进行产品结构的调整,提高产品的技术档次,缩短新产品的开发周期,提高产品的设计质量,降低物耗和造价。
要实现上述目标,采用CAD/CAM技术被认为是最有效的方法之一。
但是,任何通用的CAD软件,甚至面向某一类对象的专用的、商品化的CAD软件,都难于满足形形色色具体产品设计的需要。
所以,对引进的CAD软件还要进行适合各行业不同需要的专业开发。
我国在CAD开发领域做了不少的工作并取得了一些成果,如已完成的国家重点科技攻关项目“重点机械产品计算机铺助设计(CAD)系统开发”取得了一系列在国内具有开创性的成果,包括5个适用于工作站环境和微机环境的CAD支持系统;机械产品共性数据库8个;重点产品专用CAD系统24个。
各行业的企业也纷纷开始使用CAD技术并进行了有关的开发工作,取得了CAD技术开发与应用的宝贵经验并培养造就了一支CAD科技队伍。
虽然我国CAD技术的应用已取得了一定的成就,但与发达国家相比还存在着许多不足之处,主要表现在:
●软件开发的目标不明确,实用性不强;
●CAD软件开发与生产未形成规模;
●CAD软件标准制订不严和不完善,质量问题较多;
●CAD软件营销工作手段落后;
●企业CAD技术应用缺乏长期规划和整体科技管理;
●CAD技术人才培养不足;
如今,CAD技术正向集成化、智能化、网络化、标准化、可视化等方向发展。
我国CAD技术要发展,就要抓住机遇,迎接挑战,一方面要大力开展CAD技术的应用与开发以积累宝贵的经验,另一方面要注重对CAD技术人才的培养,努力培养自己的高水平的开发科研队伍。
这是企业最宝贵的财富,也是我国与国外差距根源之所在。
1.5本课题的国内外研究现状
我国汽车工业《九五规划纲要》明确提出要以车身开发为突破口,形成我国轿车自主开发的能力,车身开发要达到国际90年代先进水平。
车身占整车总成本的比例约为1/3,甚至接近1/2;而且它又是汽车商品性的重要标志;汽车车身内部布置是车身开发的关键步骤,占有非常重要的位置,我国的车身内部布置的研究起步比较晚,但也做了一些工作,我国的许多汽车研究机构中,车身内部布置仍然采用传统的设计方法,甚至还采用手工的方法进行布置,这样势必造成设计周期长、工作强度大、效率低、准确性差等缺点。
许多小型厂家对舒适型、视野性、安全性等根本不重视,在较大的汽车厂中,技术一般都从国外照搬过来,自己做开发的除了一些研究所外几乎没有。
没有在充分的人体工程学分析的基础上进行车身总布置设计,很难满足现代汽车高水平的驾驶操纵性、乘坐舒适性、居住性和易维修性等方面的要求;也没有在这一阶段投入较多的的人力和时间,认真地、详细地进行车身总布置设计方法的总结分析,进行可行性研究、评价工作,因而新车方案很可能有严重的缺陷。
我国的汽车行业应该投入大量人力物力组建自己的研究与开发机构,培养自己的开发人才,这样才能使中国的汽车工业有希望发展起来。
在国外,人机工程在汽车车身内部布置中的应用越来越广泛和成熟,SAE和EEC是被广为采用两种标准,日本和德国在这方面也制定了自己的标准。
在CAD技术高速发展的今天,国外的汽车内部总布置早已从二维发展到三维,从一般的CAD设计发展到基于知识的工程(KBE)设计。
德国大众开发的RAMSIS软件建立了详细的三维人体模型,并提供各种年限参考。
用户还可以根据自己的数据建立自己的三维人体模型。
该软件可适用的范围也是非常广泛的。
以汽车为例,它可以根据一定的约束如人的H点和座椅参考点(SgRP)重合等,来定义人体模型的坐姿,而后进行舒适性分析、视野分析、手与脚的伸及性检查等。
国外很多汽车公司还专门成立了KBE设计部门。
1.6本章小结
本章对汽车车身开发设计过程、车身内部布置设计方法及内容、人体工程学在汽车车身内部布置的应用作了简要的叙述,最后对本课题的主要内容和意义作了阐述。
2汽车车身内部布置工具
汽车车身内部布置工具是指为保证各项性能指标具有统一的规范和标准,SAE、ISO、GB等组织中对于车身总布置工具中常用的工具等制定了一定的规范,如眼椭圆、手伸及界面等。
汽车车身布置工具包括人体模型、眼椭圆、头廓包络线、手伸及界面等,对于B类车,还有膝部包络线、胃部包络线等。
除人体模型外,其他设计工具都是驾驶员人体特征点(汽车驾驶员的眼睛、头部、胯部、膝部及胃腹部上一些与车身设计有关的特殊点)在车身坐标系中的分布图形,这些分布图形已经被做成现成的样板以供内部布置使用。
2.1人体模型
2.1.1人体模型的概述
以人体参数为基础建立的人体模型是描述人体形态特征和力学特征的有效工具,是研究、分析、评价、人机系统不可缺少的辅助手段。
用于车身设计的H点人体模型是车身总布置设计的工具之一。
汽车车身总布置的核心理念就是以人为中心的设计,指导设计的理论基础是人机工程学。
因此,人体模型在汽车车身总布置中起着举足轻重的作用。
利用人体模型可以进行乘坐舒适性校核,可以检查踏板、方向盘、座椅等部件布置的合理性。
驾驶员的视野检查、手伸及性检查等也与人体模型有关。
2.1.2人体尺寸的研究
人体尺寸因地区和民族发展历史不同而千差万别的,受到环境、气候、生活状况的影响,必须从测量统计中寻找规律。
大量的数据证明:
人体各部分的数据是呈正态分布的。
目前人体尺寸多是以百分位的形式给出的。
最简单的百分位分为三档:
第5百分位,第50百分位,第95百分位,分别对应于小个子身材,中等个子身材,大个子身材。
在车身设计中,常把第95百分位人体尺寸作为设计上限,第5百分位人体尺寸作为设计下限,因此设计就可以满足90%的人的需要。
中国人体模型的研究起步比较晚,但也做了一些统计和分析工作。
这些都对与研究中国人机工程学的研究起到了推动作用。
中国成年人人体尺寸的国家标准GB10000-88的制定并实施为人机工程设计提供了基础数据GB/T15759-1995国家标准中规定了人体模板设计和使用要求,为车身设计中人体模型的应用提供了有力的依据。
2.1.3人体模型的分类
(1)SAE人体模型
它是根据北美地区的人体数据建立的。
共分为三档:
5th,50th,95th分别对应为小个子身材,中等个子身材,大个子身材。
(2)欧洲人体模型
它是适合德国等欧洲人,其特点是身材差别大,第5百分位的身材特别小,而第95百分位的身材有特别大。
表2.1SAE人体模型基础数据(单位mm)
项目
躯干
长度
大腿
长度
小腿
长度
上臂
长度
下臂
长度
手的
长度
踵点到踝点
的距离
95th
480
452
445
300
267
81
151
50th
442
407
398
275
244
75
244
5th
404
362
351
250
221
69
120
(3)中国人体模型
中国人体模型分为四个身高等级,分别为女子第5百分位,男子第5百分位(相当于女子第50百分位),男子第50百分位(相当于女子第95百分位),男子第95百分位。
详细人体尺寸见GB10000-88。
2.2眼椭圆
2.2.1眼椭圆的定义
眼椭圆是由美国汽车工程师协会制定成标准SAEJ941,国际标准组织引用该标准制定了国际标准ISO4513。
汽车驾驶员眼椭圆是指不同身材的驾驶员按自己的意愿将座椅调整到适意位置,并以正常的驾驶姿势入座后,他们的眼睛位置在车身坐标系中的统计分布图形,即等概率密度线(见图2.1)。
眼椭圆的确立为研究汽车视野性能提供了科学的视野原点基准(见图2.2)。
2.2.2眼椭圆的意义
眼椭圆的建立为汽车视野设计和校核提供了科学依据,在汽车概念设计中起着重要的作用。
其主要应用有:
图2.1三维眼椭圆示意图图2.2眼椭圆视切比的定义
◆汽车前风挡玻璃及除霜部位的确定。
◆汽车风窗遮阳带位置的确定。
◆汽车后视镜位置设计及视野校核。
◆计及眼睛与头部转动时车身A、B、C立柱盲区的求作。
◆汽车仪表板盲区的求作。
2.2.3眼椭圆的含义
在实际应用中只有和视线(眼椭圆的切线)一起使用才有意义,下面简单介绍视切比的含义。
根据图2.2设O为目标点,过O作眼椭圆的切线,它将图形分为两部分,不含眼椭圆的一方称为I区,含眼椭圆的一方称为II区视切比p的定义为:
理论证明,视切比p实际上就是落在视切线的包含眼椭圆一侧的眼睛的概率。
故从(2-1)可知,落在II区的眼睛的概率为p,即可以看到目标O的驾驶员眼睛数为眼睛总数的p×100%;落在I区的眼睛的概率为1−p,即看不到目标O的驾驶员眼睛数为眼睛总数(1−p)×100%。
以第95百分位的眼椭圆为例,此时p=0.95,即有95%的驾驶员可以看到目标点,另有5%的驾驶员看不到目标点。
2.2.4眼椭圆的样板
眼椭圆样板的尺寸与人体百分位及座椅水平调节行程(L23)有关,根据座椅水平调节行程的不同,将其分为两套。
一套为L23在100mm和133mm之间时的眼椭圆,另一套为L23大于133mm时的眼椭圆。
眼椭圆的尺寸数据如表2.2所示。
表2.2眼椭圆的三维尺寸mm
项目
第95百分位
第99百分位
100 L23>133 100 L23>133 长轴 173 198 241 267 短轴 俯视 105 105 149 149 侧视 86 86 122 122 2.3驾驶员的头廓包络线(面) 2.3.1平均头廓线 平均头廓线是由美国工程师协会(SAE)根据第50百分位身材的男女驾驶员及乘员头部特征点在车身坐标系中的位置统计而得出的两条圆弧(侧视图、后视图),用于表示乘坐状态下的头部外廓线。 如图2.4所示。 图中的坐标轴X,Y,Z是头廓线的自身坐标系,也就是绘制眼椭圆时所用的自身坐标系,或者说眼椭圆样板上的自身坐标系与头廓线样板上的自身坐标系是同一坐标系。 这是因为头廓包络
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