基于人机工程学的电动汽车模拟驾驶舱设计

王振宇，李 鑫

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400039；2.重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室， 重庆 400054)

虚拟技术被广泛应用于产品设计。人机工程学在工程产品设计中通过应用人体测量学和人体力学等知识，对人体结构和机能特征进行分析，使得人-机-环境系统的设计更加人性化和科学化，从而改善机械操作的简洁性和舒适性，同时提高机械整体的工作效率[1]。但是如果只有计算机软件的虚拟操作而缺少试验验证，所设计出的产品不可避免地会出现些许问题。

电动汽车模拟驾驶舱作为一种特殊的虚拟仿真技术[1]，愈来愈受到行业内的重视。在开发新款电动汽车及驾驶舱的设计中应用人机工程学知识，合理规划驾驶舱布局空间，设计模拟驾驶舱的虚拟样机模型并且搭建实物模型，通过分析计算机仿真软件得出的仿真结果与实际操作的验证结果，得到的数据也更具有说服力[3]，从而可评价设计的合理性与实用性，最终达到提高驾驶员操作效率、减少疲劳程度、降低设计成本、缩短开发周期的目的。

1 驾驶舱布局设计

1.1 总体方案设计

电动汽车与传统汽车在动力的产生及传递方式、踏板以及仪表系统3个方面存在区别，使得电动汽车的模拟驾驶舱与传统汽车模拟驾驶舱也有一定的区别[6]。电动汽车的动力来自电机，仪表主要是电流表和电压表，没有离合器踏板。而传统燃油汽车动力是靠发动机燃烧燃油获得，仪表上没有电流表和电压表。基于电动汽车与传统汽车结构上的不同，开展总体功能分析和方案设计：

1) 功能要求。① 集成化的电动汽车模拟驾驶舱；② 模拟驾驶舱可实现车辆的启动、加速、制动、换挡等模拟操作；③ 可实现驾驶实时状态的显示。

2) 方案设计。① 根据驾驶舱的相关设计准则和实车测量数据进行驾驶舱的外部结构布局设计，并对驾驶舱的静强度进行分析；② 采用可分屏显示的液晶显示屏，且显示屏可进行360°旋转，其上下左右的位置均可以调整；③ VCU是所有线束的汇聚点，用来接收各种开关信息和模拟信号，将其安装在地板下面；④ 合理布置制动踏板、加速踏板以及换挡手柄；⑤ 在CATIA V5R20软件中进行线束走向布置，并预估线束长度。

1.2 结构设计建模及零部件布置

1.2.1 选材

通过分析比较Q235、Q345、铝材、4130及碳纤维等常用车架材料后，选择铝材(6063-T5)中的3030规格，其主要性能参数及截面二维图分别如表1和图1所示。

表1 6063-T5材料性能参数

图1 3030型材二维图

根据驾驶舱整体框架的具体尺寸来设计铝型材的三维结构，设计过程中首先参考其他车辆的实际尺寸，在CATIA软件中大致绘制出整个驾驶舱的外部形状，然后再根据各零部件的位置进行精准设计，通过T型螺母和各种角码对各构件进行连接，设计完成后整体驾驶舱的基本雏形如图2所示。

图2 驾驶舱基本雏形

1.2.2 汽车座椅布置

汽车座椅是车体和乘员最直接的接触体，与其他座椅的基本功能一样，因处于汽车内部这一特定的环境而增加了许多不同的功能，除了可前后、上下调节外，其靠背角度可前倾、后倾，且头枕也可以上下、前后调节，所以座椅的布置、设计和安装的好坏将会直接影响到驾驶员和乘员的乘坐舒适性和安全性。

根据图3中的假人姿态背角，汽车座椅应与周围零部件的关系进行布置。

图3 假人姿态背角

1.2.3 安全带的布置

当车辆行驶在低速状态下不慎发生安全事故，且汽车没有配备安全气囊时，安全带就成为至关重要的乘客保护装置。

安全带的合理布置及佩戴舒适性是评价车辆安全性和乘坐舒适性的重要指标。在布置安全带时要注意避免以下问题：安全带收回时被门卡住；冬季衣物稍厚，佩戴安全带不方便；安全带锁舌靠后，乘员不易触碰到。安全带固定点的布置要考虑以下3个方面：对驾驶员以及乘客舒适性的影响；安全带固定点的有效区域；是否影响卷收器的收放[6]。

安全带的布置是在座椅布置完成之后进行的。

1.2.4 换挡机构的布置

换挡机构对于驾驶人员的操作舒适性有着很大的影响，其布置主要考虑与座椅右侧的距离、距地板的高度和距方向盘的距离。

结合人机工程学知识得知人体操作的舒适区间如图4所示。

图4 换挡手柄操纵舒适区域

根据换挡机构的操纵舒适区域、布置要求以及驾驶员的相对位置要求，设计了如图5的结构安装换挡手柄。

图5 换挡机构安装结构

1.2.5 仪表盘的布置

电动汽车仪表盘是一种集LED、步进电机控制技术于一体的高新技术产品，是驾驶员与汽车进行信息交流的窗口。根据仪表盘的布置要求和图6中的眼椭圆与仪表的位置关系进行仪表盘的布置设计。

仪表盘的布置主要考虑方向盘的位置和外径、下视野的目标值等。

图6 眼椭圆与仪表位置关系

仪表盘的合理正确安装有利于驾驶人员的观察和提高仪表寿命。考虑到驾驶舱结构的特殊性，设计了如图7所示的零件安装仪表盘。

图7 仪表盘安装-零件

1.2.6 转向系统的布置

在模拟驾驶舱中，转向系统的布置设计包括转向器、方向盘、点火开关三大部分的布置设计。

转向器主要通过4个固定点安装固定在设计的钣金件上，转向器安装钣金件三维模型如图8所示。

图8 转向器安装钣金件

方向盘的布置要考虑方向盘的角度、距离人体的位置、驾驶人员进出的方便性、仪表盘的可视性以及座椅的位置关系等，根据方向盘的尺寸及其与周围零部件的关系进行布置。

点火开关在方向盘布置完成后，根据图9的布置角布置即可。

图9 点火开关布置角

1.2.7 踏板总成的布置

电动汽车模拟驾驶舱只需要对制动踏板和加速踏板进行布置设计。根据制动踏板的布置要求和加速踏板的布置要求进行布置。结果如图10所示。

图10 踏板布置

1.3 液晶显示屏的布置设计

由于模拟驾驶舱不需要像真实的汽车一样在路上行驶，因此在布置显示屏时不需要考虑驾驶员的前方视野，采用3030型材进行布置设计，既方便安装，又便于调整显示屏的上下以及左右安装位置。

2 模拟驾驶舱分析

2.1 人机工程分析

本设计所涉及的人机工程分析就是将人体模型与电动汽车模拟驾驶舱和周围环境的相互关系、协调性及人性化联系起来，使整个设计更加符合实际要求，工作效率更高，舒适性更好，并遵循安全、高效、舒适3个原则[8]。分析内容主要包括可达域分析、可视域分析和舒适度分析。

进行人机功效分析需要2个条件：① 建立人体模型；② 分析对象的建立。

在CATIA中通过选择Gender(性别)、Percentile(百分位)、Population(国籍)、Model(模型)、Referential(参考点)等参数来建立人体模型。

一般情况下，操作人员以坐姿完成各项操作，因此选择坐姿对驾驶舱进行仿真和人机功效分析。最舒适的坐姿一般是手握住方向盘后，肘部有一定程度的弯曲，并且手握住方向盘的3点钟和9点钟方向左右转动互换位置仍然能够保持舒适性，背部应尽量保持和竖直方向成110°左右，并且人体腿部在右脚全力踩实刹车踏板后，腿部仍然有一定程度的弯曲，如图11所示。

图11 驾驶姿势人体各部分合理范围

本次设计采用合理范围值的中间值进行仿真校核。在CATIA人机工程模块中输入参数导出人体模型后，再确定人体模型在驾驶舱中的空间位置，最后通过人体姿势编辑来调整人体姿态，判断是否合理。整体坐姿和局部姿态见图12、13。

图12 整体坐姿

图13 局部姿态

根据50百分位的姿态分析可知该模拟驾驶舱零部件布置的可达域符合实际要求。

当人体头部平视时，可以看见的区域分别如图14和图15所示。

图14 95百分位人体模型视野

图15 5百分位人体模型视野

通过上述两种情况下的可视域分析，很明显驾驶舱座椅、方向盘、仪表盘的布置是符合要求的。

2.2 有限元稳定性分析

2.2.1 ANSA有限元网格划分

在ANSA软件中对驾驶舱进行整体网格划分以及网格优化，完成后如图16所示。

图16 驾驶舱网格

2.2.2 Abaqus后处理分析

在Abaqus软件中导入网格模型后，依次赋予材料属性，添加分析步、施加载荷(施加载荷时按最大质量进行加载，座椅质量按500 N,人体按600 N共同加载在座椅的4个立柱，踏板总成按100 N加载在驾驶舱前面2根横杆上，显示屏及转向管柱按500 N加载在驾驶舱前端最上部2根横杆上，仪表盘按50 N加载在仪表盘安装的横杆上)及边界条件(将驾驶舱竖直的4根立柱的Z方向限制，再将其中1根立柱的X、Y方向限制)，如图17所示。应力和位移云图如图18、19所示。

图17 载荷及边界条件

图18 驾驶舱应力云图

分析结果表明：在静止情况下，驾驶舱的最大变形为0.132 2 mm，最大应力为1.236 MPa。说明驾驶舱静载时总体结构稳定。

3 线束和万向轮布置设计

3.1 线束布置设计

线束布置设计主要是在CATIA软件将踏板总成、转向系统、钥匙开关、方向盘、换挡机构和VCU在考虑美观的前提下用最佳的线路连接起来[11]。

根据目前的线束设计规范与线束设计要求按照设计流程对此驾驶舱进行线束走向设计，结果如图20所示[12]。

图20 线束布置走向

3.2 万向轮的布置设计

由于模拟驾驶舱经常用来代替车辆仿真系统中的驾驶员模型，需要兼顾不同的使用场景，应具有较高的机动性；同时为了在操作时使其具有良好的安全性，应将其稳定地固定在地面上，因此我们选用带刹车的万向轮作为其底部的支撑部件。考虑到驾驶舱以及各零部件的质量，选择万向轮的规格为101.6 mm，采用如图21中的结构安装。

图21 万向轮安装结构

图22为模拟驾驶舱的实物全景图。该实物模型的搭建考虑了电动汽车驾驶舱的功能需求、相关设计标准以及试验的便捷性，可以很好地模拟实时驾驶状况，对虚拟样机模型和人机工程学设计的合理性提供充分的验证依据。

图22 驾驶舱实物全景图

4 结束语

电动汽车模拟驾驶舱作为一种特殊的虚拟技术，在新车型的开发设计及布局优化中发挥着越来越重要的作用。通过实验人员的实际操作和各种计算机仿真软件得到的试验与仿真结果，不仅具备了电动车的各项基本操作，而且不再需要像实车一样制造所有的零部件，即可完成驾驶舱设计的合理性及人性化验证，使设计成本大大降低。本文设计的电动汽车模拟驾驶舱基于CATIA软件的人机工程学模块，合理的提出驾驶舱内各部件的布置方式及结构形式，并在CATIA软件中对主要零部件进行布置设计，对驾驶舱的整体结构做了静强度分析，结果显示强度可靠，具备一定的安全性及舒适性，具有较高的使用价值，同时为以后驾驶舱的设计提供一定参考。