汽车人机工程论文

摘要目前汽车尤其是乘用车设计强调以人为中心，舒适性一直是汽车设计的主体和追求目标。商用车是汽车工业产品型谱中的重要组成部分,在我国国民经济建设和社会发展中发挥着巨大的作用。近年来随着我国国民经济的快速发展、高等级公路的大量修建以及物流业的迅速发展,我国商用车发展迅速。国内商用车企业虽然具有一定的自主研发和科技创新能力,但在商用车人机工程设计开发方面与国外相比还有一定的差距。运用人机工程学原理对商用车驾驶室进行科学合理的设计,改善驾驶员工作环境,对于提高商用车主动安全性,保证驾驶员行车安全和身体健康具有重要意义。本文结合所承担的“十一五”国家高技术发展计划(863计划)项目“重型汽车集成开发先进技术(2006从110105)”,对重型商用车人机工程设计与评价方法和关键技术进行了深入、系统研究,论文完成的主要研究工作如下:对重型商用车驾驶室人机工程学设计的主要内容和过程,以及采用的统计学方法进行了研究总结,建立了重型商用车人机工程设计方法。研究了根据人体测量学数据建立用于商用车人机工程设计和分析数字人体模型的关键技术,包括人体测量学参数描述、运动学和动力学建模、人体肢体运动驱动和姿势求解的正向和反向运动学问题、几何建模和外观可视化、性能建模等,建立了三维数字化人体模型,开发了具有自主知识产权的重型商用车人机工程设计评价系统(SHOVED)。利用该系统对某商用车驾驶室座椅H点位置、前后方视野、A柱盲区、仪表视野和平均观测距离、手伸及性,踏板舒适性,操纵方便性、风窗刮扫面积和上下车方便性等人机性能进行了设计、分析与评价。结果表明,该车型的人机性能满足国内外标准要求,并给出了进一步改善驾驶室人机性能的建议。提出了一种改进的人体姿势舒适度评价方法,即采用人体肌肉负荷作为姿势舒适性的客观量度,而肌肉负荷从宏观上根据关节载荷计算;通过仿真分析获得姿势空间内姿势舒适性的分布;对姿势舒适性分布数据进行统计分析,建立姿势舒适性评价模型。本文将商务车驾驶室作为一个特殊、复杂的人机系统，运用人机工程学理论，借助计算机仿真技术，实现了装载机驾驶室人机系统设计的计算机化。该方法为缩短装载机新机型的开发周期，降低开发成本，也为进行驾驶室设计和性能检验提供了一种有效手段。关键字：人体测量学，驾驶室，人机工程学，数字人体模型ABSTRACTNowadays，themodemvehicleespeciallythecaremphasisonthatmenisthecenter，andthedesigningofVehicleisthemaincontentandtargettoHeavy-dutycommercialvehicleisimportantpartinautomobileproductcatalog,andplaysanimportantroleinournationaleconomicalconstructionandsocialdevelopment.Inrecentyears,withrapiddevelopmentoftheChinesenationaleconomy,extensiveconstructionofhighway,anddevelopmentoflogisticsindustry,Heavy-dutytruckindustrydevelopsrapidlyinChina.Althoughdomesticcommercialvehicleenterpriseshavetheabilitiesofself-R&Dandscienceandtechnologyinnovation,butdomesticcommercialvehicleenterpriseslagbehindoverseaautomobilecompaniesinergonomicdesign.FromthePointofviewofvehicledesign,themostdirectwaytoimprovetheactivesafetyofvehicleandWorkingenvironmentofdrivers’safetyandhealth,istodesignthecabscientificallybyusingtheergonomictheories.Basedonnational’863’high-techdevelopmentProject”AdvancedTechnologyofIntegrationanddevelopmentforHeavy-dutyTruck”(No.2206AAll0105),TheprofoundandsystematicresearchworksarecarriedoutinthisdissertationfocusingmainlyonthekeytechniquesofHeavy-dutycommercialvehiclecabergonomicdesignandevaluationmethod.Themajorresearchcontentsarefinishedasfollows:Asummationisconductedfortheergonomicdesigncontents,ProcessesandStatisticalmethodofcommercialvehiclecab.AergonomicdesignmethodforHeavy-dutytruckisestablished.Inthisdissertation,keytechniquesofmodelingofdigitalhumanusedforHeavy-dutycommercialvehicleergonomicdesignandanalysisarestudied,includinganthropometryParametersdescription,kinematicsanddynamicsmodeling,directandreversekinematicsforlimbsdrivingandPosturecalculation,geometricmodelingandvisualization,Performancemodeling,etc.A3Ddigitalhumanmodelisbuiltup.Byintegratingthesefunctions,togetherwithvehiclemodelingandergonomicanalysisfeatures,aHeavy-dutycommercialvehicleergonomicdesignandevaluationsystemSHOVED(SystemforHeavy-dutyCommercialVehicleErgonomicDesign)isdeveloped.ByusingSHOVED,cabconceptcanbeconstructedbasedonthecabparametersinputted,testsamplesoftargetpopulationforergonomicanalysiscanbegenerated,comfortofupperandlowerextremitiescanbeevaluatedconsideringsteering,shiftandpedaloperations,frontandbackvisionfield,A-Pillardeadground,dashboardvisionfieldandmeanobservationdistance,windshieldsweeparea,andconvenienceforup-anddowntruckcanbeanalyzedandevaluated.ResultsshowthatergonomicPerformanceoftargetvehiclesatisfieddomesticandSAEstandardrequirements.Afewsuggestionsareproposedforimprovingergonomicperformanceofthecabfurther.Inthisstudy,loadercabWastakenasaspecialandcomplexmanmachine．Bytheaidofthetheoryofman·machineengineeringandcomputerizedsimulationtheCADmethodofloadercabWasrealized．Withthenewdesignmethod。Thedevelopmentcycleandcostweredecreased．Anditprovidesaneffectivewayforloadercabdesignandperformancetests．Keywords：AnthropometryHeavy-dutyCommercialVehicleCab第一部分前言1.1论文研究背景商用车发展的潮流是行驶安全性越来越好,技术含量越来越高,驾驶越来越舒适和人性化。在人们生活水平大幅提高的我国,随着汽车工业技术水平的不断提升和消费者的不断成熟,会对商用车的舒适性和安全性有着越来越高的要求,使得进一步研究和改善商用车的人机性能十分必要。在驾驶室布置设计中,人机工程学的研究及应用是提高舒适性、安全性最直接的措施,特别是对驾驶和乘坐环境的改进尤为显著。良好的人机工程设计会充分考虑操作者的生理、心理等因素与人一车一环境系统的状态,是实现汽车人性化设计的重要方面。人机工程布置还会影响整车内外造型的尺寸,进一步影响整车的总体性能和市场竞争力。从某种意义上讲,人机工程设计的好坏直接决定了汽车设计水平的高低。近几年,汽车安全性也成为人机工程学研究热点之一。国外汽车工业重视“以人为本”的同时,加大了汽车安全驾驶的研究力度,强调通过合理设计和车身结构的改进来减少汽车碰撞损失和加强行人保护（1）。目前仍然有许多问题要借助人机工程学手段做传统的汽车设计过程是从概念设计到初步设计、详细设计和分析反复进行的过程,其中概念设计和初步设计中都包含了车身布置设计的内容,它是进行造型和详细设计的基础。随着并行工程、计算机集成制造系统技术和计算机技术在汽车设计中的不断应用和发展,现代汽车设计流程已将造型设计、布置设计、结构分析等内容同步进行。但为减少协调的时间和保证设计效率,在设计初期就以布置设计的要求为依据下达造型等工作的任务书,并不断在布置和其它设计内容之间进行协调,最后完成设计。因此,布置设计是概念设计过程中很重要的内容进一步研究解决。1.2人体模型驾驶室设计需要利用人体模型来尽可能的模拟现实中的人，从而缩短与人体有关的零部件的设计与评价周期。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、试验人机系统不可缺少的重要辅助手段。科学、合理的建立人体模型是人机工程设计的基础。对于像装载机这样比较复杂的设计对象，应用人体模型是一种重要的辅助手段，它既可以表现设计结果，也可以用来调整设计，以确定最终设计尺寸。人体模型按构造方法可以分为物理仿真模型和数学仿真模型两类。我们在人机工程设计领域常用的人体模型有二维人体模板、三维人体模型、人体数学模型和数字人体模型，最后一类人体模型以计算机技术为基础，能够与设计对象的数字模型进行交互，使人机系统三维显示在设计师的面前。其特点是反映的信息量大，便于解决相关的复杂计算，是产品的设计更加直观、快速和可靠。人体模型在装载机驾驶室设计中作为一种辅助手段，它既可以表现设计结果，也可以用来轻松调整设计方案，从而确定最终设计尺寸。将人体模型引入到通过CAD技术建造虚拟的三维作业空间模型中（2），可以对比、分析、评价作业空间的多种设计方案。计算机中产生的三维图形可以使设计师更加方便、快捷的调整人—机—环境之间的相互关系。通过多个设计方案的对比、分析