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基于UG 平台的汽车驾驶舒适性评价

基于UG平台的汽车驾驶舒适性评价

杨德一,张秋月,郭 钢

(重庆大学机械工程学院,重庆 400030)

摘 要:在介绍汽车驾驶人体舒适姿势的基础上,利用人机工程学原理和三维CAD软件U G (U n igrap h ics),建立了可用于汽车设计和校核的三维人体模型;利用U G二次开发工具开发了汽车驾驶员驾驶姿势校核系统,最后给出了应用该系统和三维人体模型的一个实例。

关键词:人机工程学;汽车;计算机辅助设计;评价

Abstract:O n base of in troducing the com fo rtab le po se of the au tomob ile driver,the hum an modeling is modeled by the p rinci p le of hum an engineering and3D CAD softw are U G(U n igraph ics)1A s a resu lt,the system of analyzing the po se of driver is estab lished,and an analyzing examp le is show n1

Key words:H um an engineering;A u tomob ile;CAD;Evaluati on

中图分类号:U64114 文献标识码:A 文章编号:100623331(2004)022*******

 

人机工程是上世纪50年代迅速发展起来的一门新兴学科,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,因此,又称宜人设计法、人类工程学或人体工程学等。人机工程的最大特点是把人看成是系统中的一个组成元素,以人为主体来详细分析人与机器之间的相互协调的工作,使整个系统工作达到最优化。这就要求设计机器和环境时要考虑人的因素,即要适宜于人体尺寸、生理和心理特性,适宜于人的使用和操作,给人创造一个舒适、安全可靠的工作环境,保证高效率工作。也就是说,人体工程所要研究的任务是建立最佳的人—机器—环境系统[122]。

人驾驶汽车在道路上行驶时所建立的人—汽车—道路系统是典型的人—机器—环境系统。因此,在汽车设计中,为了使车内布置有利于减轻驾驶和乘坐的疲劳程度,设计中必须考虑人体的舒适姿势要求。

根据上述要求,结合汽车企业实际情况,以三维CAD软件U G(U n igrap h ics)为平台进行二次开发,研制出了汽车驾驶员驾驶舒适姿势评价系统。该系统操作简单,并在实际应用中取得了满意的效果。

1 人体的舒适姿势

人体驾驶的舒适和疲劳程度与设计中选择的人体各关节角度所确定的驾驶姿势有关。图1给出了驾驶员舒适驾驶姿势所要求的人体生理角度范围。

驾驶员的舒适驾驶随着车型的不同而变化,往往各自选择的舒适姿势下的关节角度有较大的差别。对于轿车,通常脚角A1为87°,最大不超过130°;膝角A2从112°~118°为好;人体躯干与大腿的交角A3最小以105°为宜,在110°~115°的范围为最理想;背角A4最大不超过33°,最舒适为23°;肘角A6最好为105°

角度范围

A185°~110°

A295°~155°

A390°~125°

A410°~35°

A510°~50°

A680°~160°

A7170°~190°图1 舒适驾驶姿势下的人体生理角度范围

2 三维人体模型的建立

211 坐标系的建立

三维坐标系指汽车制造厂在最初设计阶段确定的由三个正交的基准平面组成的坐标系统。这三个基准平面是:

X基准平面——垂直于Y基准平面的铅垂平面,通常规定通过左右前轮中心;

Y基准平面——汽车纵向对称平面;

Z基准平面——垂直于Y和X基准平面的水平面。

三维坐标系用来确定图样上设计点的位置和实

客车技术与研究

第26卷 第2期BUS TECHNOLOG Y AND RESEARCH V o l126 N o12 2004

作者简介:杨德一(1976-),男,重庆大学硕士研究生;主要从事CAD CAM和智能CAD方面的研究。

车上这些点位置之间的尺寸关系。

在三维动态人体模型中,以人体的H点为坐标系的原点,X基准平面为垂直于Y基准平面的铅垂平面,Y基准平面为人体纵向对称平面,Z基准平面为垂直Y和X基准平面的水平面,所以人体模型的三维坐标系与汽车三维坐标系是一致的。

212 三维人体模型骨架的建立

人体模型由头、颈部、上身、上臂、前臂、手、大腿、小腿和脚等部分组成。人体骨架线框图见图2,其中点19表示人体模型的H点,同时也是人体模型的坐标原点,并利用SQL server2000建立人体基本测量数据数据库。下面以人体模型的左腿来说明其运动及参数驱动的原理。

在一个sketch(草图)上作出12、23和34等几条线段,将12与23线段的重合点约束为Co inciden t,同样也将23与34线段的重合点约束为Co inciden t。把12、23和34线段的长度按50百分位的男子人体测量数据进行D i m en si onal Con strain t(尺寸约束),同时将点4的Geom etric Con strain t(几何约束)定为F ix(固定),对点2和点4进行水平和垂直两个方向的D i m en si onal Con strain t(尺寸约束),最后把∠432和∠123设置为几何角度angle(1)和angle(2)。当点2(踵点)上下移动时,等效于点2相对于点4在sketch(草图)中的运动,即是点2和点4进行水平和垂直两个方向的D i m en si onal Con strain t(尺寸约束)的变化,也可以从几何角度angle(1)和angle(2)等中得到人体的姿势角度。对于其他不同的百分位男女,可利用从数据库中的人体测量基本数据来驱动线段12、23和34等,从而得到不同百分位的三维人体模型。对于其它部分的结构采取类似的方法,这样就可以得到一个三维全参数驱动的运动的人体模型骨架。

213 三维人体模型的逼真模拟

上面得到了三维人体模型的骨架,如果只是一个骨架,就会影响三维人体模型的主观感和立体感。考虑到汽车设计和校核的实际应用,并不需要复杂的曲面造型,多边形状就可以满足其要求。根据这种实际要求,在三维人体骨架模型的基础上,利用U G 的Ex truded body命令,采用分段Ex truded,从而得到符合实际情况的人体模型的躯干、腿和臂等三维实体模型。对于人体模型的关节连接处,采用以骨架的关节点为圆心,以一定半径的圆经过Ex truded body命令得到三维人体模型的球关节。其实际生成的三维人体模型见图3

图2 三维人体骨架 图3 三维人体模型

3 汽车驾驶舒适性评价

驾驶区(轿车和微型车)设计的主要内容是三维人体模型在驾驶室内的定位,即确定设计H点。根据加速踏板、地板的位置确定踵点A H P,以它作为人体布置基准,分别将95%、50%和5%百分位的人体模型放入,调整各人体模型的姿势,使人体的躯干和上、下肢均处于最佳的活动范围;得到3种人体百分位布置的设计H点H95、H50和H5;由H95和H5确定座椅的水平和垂直调节量;根据95%人体模型画出人体布置的轮廓形状曲线。

驾驶员驾驶姿势校核是对已有车辆采用三维人体模型进行人机工程学方面的验证,其流程如图4所示,先确定踵点位置,根据座椅参考点R,95%百分位人体模型的踵点和H点分别与实际踵点(根据踏板位置确定)和R点重合,躯干姿势由座椅靠背角确定,即可确定人体躯干和下肢的位置,获得坐姿角;判断各坐姿角是否在舒适姿势或便于施力的角度范围内

图4 驾驶员姿势校核流程图

在U G平台下,利用U G二次开发工具开发出对汽车驾驶区驾驶员驾驶姿势校核,从而验证汽车布置中脚踏板和驾驶员座椅布置是否合理,其评价主对话框如图5所示。利用该校核系统,对某微型车

 第2期杨德一等:基于U G平台的汽车驾驶舒适性评价7 

进行校核,其校核结果如图6所示

图5 驾驶区驾驶员姿势校核主对话框

图6 系统应用实例

 

4 结束语

运用人体工程学理论,基于三维CAD 系统开发了驾驶员驾驶姿势分析软件,可用于对汽车驾驶区的踏板、座椅等的布置进行校核,从而获得舒适的驾驶姿势。参考文献:

[1]刘军,秦洪武1计算机辅助车辆人机工程学软件开发

[J ]1机械设计与制造工程,2000,(5):462481[2]孙凌玉,陈全世1人机工程学在轿车车身安全性设计中的应用[J ]1中国公路学报,2001,(2):10721101[3]丁兰玉1人机工程学[M ]1北京:北京理工大学出版社,20001

[4]

陈萌,陈立平1基于人机工效学的人体建模和运动仿真[J ]1机械科学与技术,2001,(4):59726021

修改稿日期:2003212212

国家客车质量监督检验中心已研制出

性能可靠的ABS (制动防抱死系统)试验装置CVTC -ABS

我国已从2003年11月1日起强制实行GB 12676—1999中有关AB S 要求的内容,并要求新产品公告申报时必须做相应实验。国家客车质量监督检验中心自上世纪80年代就开始开发大客车及挂车用AB S 及其试验装置。积20多年丰富的理论知识和实践经验,现已成功开发出满足试验标准要求的AB S 试验装置CV TC 2AB S 。

该试验装置的特点是:适应性强,安装方便,可靠性好;能够采集5个通道的数据(4个轮速、1个车速);高速采样,能够真实反映车辆制动过程中AB S 系统工作的情况;实时显示制动曲线;与便携计算机进行普通通信,对计算机没有特殊要求;软件工作于W indow s (W in 95、W in 98、W in 2000、W indow s XP );数据采用普通文本格式,方便数据后处理;功能扩充和修改非常容易,并可根据客户需要进行修改、补充;价格便宜。该装置是厂家进行AB S 摸底测试和检测机构进行法规检则的理想仪器,国家客车质量监督检验中心已用之进行了上百次汽车新产品的公告申报试验。

国家客车质量监督检验中心 联系人:李裕民(023-******** 133********)

 8客车技术与研究第26卷 

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