适用于乘用车人机设计验证的人机台架系统开发

李世海 任金东 高晓娴 刘永清 米梦东 杜 建 杜晓明

1.长安汽车股份有限公司，重庆，400021 2.吉林大学，长春，130022

0 引言

人机工效是汽车产品非常重要的使用性能，一直是汽车厂商非常重视的内容。如同大多数产品一样，用户极少参与汽车的设计过程，这使得在设计中充分考虑用户特点和需求、以用户为中心进行人机工程学设计变得尤为重要。企业在进行设计方案的验证时，除了采用虚拟验证之外，还通常要制造产品的物理模型（或样车），邀请技术人员和管理人员（乃至目标用户）对设计方案进行主观评价。这种物理模型评价试验称为物理模型测试，具有直观、可靠的优点。虽然，物理模型测试仍然是目前汽车虚拟设计评价所替代不了的，但模型的制作成本通常较高，为了节省开支，通常只对少数认为可行的方案进行物理模型测试。物理模型测试需要在设计方案（甚至是详细结构）基本成形之后才能够进行，因此，时间上比较滞后，加之方案的修改和再评价在原物理模型上很难实现，必须返回设计环节进行改进，使得设计周期大大延长。此外，上述基于产品物理模型的主观评价方法不容易与其他评价手段相结合，并且所制作的物理模型难以用于对一些人机工效问题进行深层次研究［1］。正是因为存在上述问题，一些汽车公司对可调节和反复使用的产品物理模型进行了研究和开发，并应用到了产品开发实践中，取得了较好的使用效果［1］，较典型的是福特的一体化布置设计、评价系统（integrated package design and appraisal system）［2－3］。

就可调节人机验证台架而言，一些研究机构曾经进行过类似的研究和开发，例如：国内一些研究机构就曾经针对不同的使用场合开发了专门验证前排驾驶工效的试验台架，用于模拟汽车或飞机驾驶舱和分析验证驾驶员人机工效［4－8］。目前的可调节人机验证台架还存在下述问题：①通常主要用于某种人机工效试验研究，很少用于实际产品的设计方案呈现；②少数用于产品验证的台架也主要针对某种特定车型进行验证，同一个台架不能针对不同类型的车型进行验证。③一般不具有验证内饰设计的功能，即使有内饰验证功能，通常只适合安装某种车型的内饰，而不能适合安装不同乘用车型的内饰，因而内饰验证方面功能具有局限性。

受长安汽车公司委托，吉林大学汽车工程学院主持开发了用于乘用车人机工效和内饰设计验证的可调节台架系统，目标是既要克服目前可调节人机验证台架存在的上述问题，还能在一个台架上实现乘用车开发过程中的人机工效和内饰设计的双重验证功能。

1 设计需求分析和目标定位

1.1 覆盖车型

覆盖足够宽泛的车型范围，快速、准确地呈现各种车型的设计方案，是人机台架系统最基本的功能要求。本文的人机台架系统主要面向乘用车（M1类［9］），包括轿跑车、敞篷车、轿车、CRV、SUV、MPV等车型。这些车型的一些典型设计参数范围如表1所示。台架的主体结构和尺寸仿照真实的三厢轿车设计，但可以用于呈现整个乘用车范围内各种车型的设计方案。

1.2 功能要求

为了能够快速、准确地表达各种乘用车的设计方案，要求座椅、仪表板、操纵件（转向盘、踏板、换挡杆、手制动杆）、立柱、顶盖和车身闭合件（车门、发动机舱盖、后背舱盖）等能够按照该车型的设计参数值在台架上进行布置，因此，必须将这些部位设计成具有足够的活动自由度部件，并能够在各自的自由度方向上进行无级调节。主要的调节自由度见表2。从轿跑车到各级别轿车，再到SUV、MPV等，表2中很多部位的活动自由度（与绝大多数汽车布置参数相对应）都在一个较大的范围内变化。对于本身就带有调节功能的零部件（或车身附件），如座椅、转向盘等，其自身的调节范围远远不能满足要求，必须额外补充调节量。所有直线自由度的调节精度控制在1mm以内。

表2 台架的调节自由度

对于座椅、转向盘、换挡杆、仪表板等，不同车型会采用不同厂家、不同规格和尺寸的总成，这就要求它们能够方便地拆装。由于本台架的另一主要功能是对部分内饰的效果进行验证，这也要求这些内饰能够方便地安装和更换。

容纳乘员的空间应该能够适合各种常见的人群，因此，相关布置参数的统计计算应考虑极限人体尺度的目标人群。计算所采用的部分人体尺寸参见表3。

表3 人体尺寸

在人机台架上验证的主要内容包括：①乘员乘坐和活动空间；②驾驶员和后排乘员视野；③驾驶员操纵的方便性和舒适性；④乘员上下车和进出方便性等。

1.3 结构要求

台架除了要具备足够的结构强度之外，还要有较高的刚度，以保证各活动部件的调节机构能正常发挥作用，避免造成零件磨损和调节精度下降；而整体结构则应尽可能轻量化。结构和机构的实现应确保使用中无危险。为了便于今后进行维护，各部件及其调节机构应采用模块化设计和制造，并尽量采用螺钉连接进行装配。除此之外，在结构的设计上还力求做到受力均匀、变形协调、强度相等和载荷传递路径短等［10］。

2 概念设计

2.1 总体框架

根据设计需求和目标定位，确定了整个系统的总体概念方案。整个台架系统所包括的各部分内容见图1。目前的工作主要针对硬件系统的开发，包括结构框架设计制造、车身零部件改装、各自由度调节机构设计制造和控制系统开发。

图1 可调节人机台架系统内容

2.2 定位基准系统

定位基准的合理选择对于设计、制造和使用非常重要。设计基准通常采用硬点来实现，能够直接与现有的标准兼容，如SAE J1100［11］。若某方面尺寸在标准中没有相关硬点定义，则需要根据具体情况自行定义定位基准。制造基准的选取则更多地考虑保证设计和制造精度。使用中的定位基准包括一些硬点和厂商自定义的、用于定位一些形状不规则的零部件的基准。限于篇幅，本文只介绍设计中的定位基准，如图2所示。图2中，PRP为加速踏板基准点（pedal reference point），AHP为加速踏板踵点（accelerator heel point），SgRP为乘员的乘坐基准点（seating reference point），FRP为后排乘员的踵点（floor reference point）［11］。除此之外，在仪表板、立柱、车门、顶盖等处还自定义了一些基准，用以表示对应的机构的位置，由于涉及一些技术秘密，本文不予列出。

图2 设计定位基准

2.3 前排空间设计

本台架用于人机工效验证，就必须能够适应各种身材和体型的人进行工效试验，故应该按照极限尺寸的人来设计前后排乘员的乘坐空间。本文参照了欧美和亚洲国家的极限尺寸人体数据，充分保证对绝大多数人群的设计适应度不小于99%。图3为前排乘坐空间设计结果。图3中，空间p1－p2－p4－p3为综合考虑各国人体尺寸之后0.5到99.5百分位驾驶员乘坐空间范围；空间p1－p2－p6－p5为座椅调节机构的最小行程范围；空间p5－p6－p8－p7为台架补充的调节范围，其中空间p3－p4－p8－p7是容纳可能出现的超大尺寸身材驾驶员的乘坐范围。图3中，x方向的坐标原点为PRP，z方向的坐标原点为AHP。为了验证所设计的范围，图3中绘出了成年人最短下肢长度（位置Ⅰ）和最长下肢长度（位置Ⅱ），分别对应于亚洲国家女性和荷兰男性，可见，设计范围已经完全覆盖目标群体尺寸范围（完全容纳下肢长度），并且前后端都留出了必要的后备范围。

图3 前排乘坐空间范围

2.4 后排空间设计

后排空间设计同样应保证能够表现各种乘用车型的设计方案，因此，需要对现有的典型乘用车后排空间大小和位置进行统计分析。图4中给出了典型的6辆各级别乘用车后排空间（图中以L50表示，定义为前后排乘坐基准点SgRP之间的前后距离）尺寸。根据典型乘用车后排空间大小和位置的统计结果，参照前排座椅的最前和最后位置，最终确定后排所需的最大和最小空间及乘坐位置。

图4 后排空间尺寸

2.5 其他空间设计

宽度方向需要确定座椅和立柱的调节范围，高度方向需要确定顶盖高度、发动机罩C点高度和后备舱D点高度的分布范围，确定的依据同样是对各种乘用车型参数所进行的统计分析结果。

3 结构设计

3.1 调节机构

绝大多数自由度都是沿着直线方向运动，因此，可采用直线滑动副和丝杠实现自由度调节，利用步进电机进行驱动。各自由度调节机构的组成件尽量利用成熟的产品进行集成。个别结构和运动形式特殊的零部件则需要进行特殊加工。因此，与绝大多数活动自由度相关的零部件结构形式和尺寸就根据已有产品的规格尺寸进行选型并确定下来。

3.2 结构验证

为了保证整个系统运行准确、可靠，在最后确定结构形式和制造之前，需要对结构的强度进行分析计算，确保各个部件受力合理，不会出现局部应力过大的现象。因此，对于承载大的结构，都利用MSC.Nastran软件进行了分析计算，对结构强度和刚度进行了分析验证。

3.3 机构DMU分析

由于需要调节的部位和自由度非常多，一些部位的活动自由度和结构如果设计不当可能还会出现干涉的现象，因此，必须进行各部位自由度调节的功能分析，即进行机构的DMU分析，一方面验证自由度的功能和相应结构参数的合理性，另一方面也验证不同自由度之间会不会出现干涉。

4 制造和装配

对经过验证的结构和机构进行了制造和装配验证，并估算了成本，之后进行了加工、采购和集成。制造采用委托加工的形式。制造完毕的物理模型经过了功能评估、初步验收和最终验收，结果表明，本模型的设计和制造符合预期的技术要求。

5 结语

本文研究并开发了专门用于乘用车人机工程学设计和验证的台架系统，并申请了相关专利。本台架系统目前已经实现了硬件和控制软件部分，未来将要进一步对相配套的评价和分析软件进行开发，从而在预期目标的基础上实现更为复杂、方便的功能。相对于目前的同类台架，本台架的优势在于：①能够非常全面地验证乘员的人机工效；②能够针对各种乘用车型进行验证；③能够对内饰设计效果进行验证。

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