FSAE赛车车架的人机工程设计.pdf

FSAE 赛车车架的人机工程设计赛车车架的人机工程设计 赵帅 隰大帅 王世朝 王达 姜莽 吉林大学 摘要 摘要 在赛车开发过程中 人机工程设计是及其重要的设计工作 FSAE 赛车是单人驾驶 的方程式赛车 在满足大赛规则规定的前提下 应尽量保证车手具有合适的驾驶姿势 可以方 便地进行各项驾驶操作 并合理安排赛车驾驶舱的空间布置 使整辆赛车紧凑而高效 在本次 FSAE 赛车的设计过程中 吉林大学 FSAE 车队依照 V 字形开发流程 主要利用 CATIA 软件进 行初步设计并搭建木条模型完成设计工作 关键词 关键词 FSAE 车架 人机工程设计 Ergonomics Design for FSAE Race Car Frame Zhao Shuai Xi Dashuai Wang Shichao Wang Da Jiang Mang Jilin University Abstract During the process of designing a race car ergonomics is a very important part Considering FSAE race car is for one racer we should ensure that the racer has a right posture to control expediently On the other hand a more reasonable cabin space layout can make the whole car compact and efficient Based on the V design flow JLU racing team finished the work by Dassault CATIA engineering software and manual wooden model Key words FSAE Frame Ergonomics 1 引言 FSAE 赛车的人机工程主要关系到赛车车架的结构设计 车队从大赛的相关规则规定入 手 同时满足车手的驾驶条件 利用 CATIA 软件逐步设计出满足最低条件的车架模型 之 后通过搭建 1 1 木条模型进行修改完善 最终确定车架的人机结构 开发流程如图 1 大赛的基本要求 确定车架的结构和尺寸 车手的驾驶姿势 多次完善修改 驾驶舱的空间布置 腿部空间 搭建 1 1 木条模型 满足条件的 车架模型 图 1 V 字形开发的基本流程 1 1 中国大学生方程式汽车大赛规则 以下简称 规则 相关规定 1 1 中国大学生方程式汽车大赛规则 以下简称 规则 相关规定 1 规则 3 9 当车手正常乘坐并且在车手约束系统的约束下 一个第 95 百分位 男性和该车队所有车手的头盔 a 必须与前环顶端和主环顶端的连线有至少 50 8 毫米 2 英寸 的距离 图 2a b 如果主环支撑置后 头盔必须与主环顶部和主环支架底端末尾连线至少有 50 8 毫米 的间距 图 2b c 如果主环支撑置前 头盔不可以超过主环后表面 2 规则 3 17 车手的双脚必须完全包裹在框架的主体结构之中 当车手的脚接 触踏板时 从侧面和前面看 车手脚的任意部分都不准伸出或高于车架之外 3 规则 4 1 驾驶舱开放规定 为了给驾驶舱的开口有足够的尺寸 大赛模板将 被插入开放的驾驶舱内 4 规则 4 2 驾驶舱内部横断面规定 一个自由垂直的横断面允许大赛模板可以 被水平的通过从驾驶舱内距离踏板后端面之后 100mm 处的内操纵舱的位置 并且在其整个 长度内都要保持这个状态 5 规则 4 7 车手视野规定 车手必须具有车前面与车侧面良好的可见度 当车 手坐在正常位置时 他的视角需为 200 度 左右各 100 度 要求的视角可以包括车手转头 或使用反视镜所看到的角度 图 2a 图 2b 2 2 车手的驾驶姿势 车手模型使用 1988 年中国 95 百分位男性和 5 百分位女性人体尺寸数据制作 考虑可容 纳 95 男性模型 身高 178cm 1 H30 H30 是人机工程设计的最基本参考点 取为 H 点 胯部关节点 到 AHP 踵点 脚跟与车内地板接触点 的垂直距离 根据乘用车推荐数据 跑车的 H30 为 120mm 170mm 考虑到赛车垂直方向上空间紧张 选定 H30 120mm 2 踏平面角度 踏平面角度是加速踏板在未踏下时 与地板平面所成夹角 可以通 过 H30 代入公式求得 本例中 以 H30 120mm 计算得 踏平面角度 74 86deg 3 踏板位置 经过人体模型推移定位 可以确定加速踏板 制动踏板和离合器踏板 的中心点坐标 以整车坐标系原点为基准 三个踏板的中心坐标分别是 300 100 290 30 295 80 4 踏板行程 根据舒适范围计算得 所有踏板踏到底的踏平面角度不能低于 45deg 5 方向盘位置 L6 L6 表示方向盘中心到 AHP 的水平距离 根据总布置酌情选取 在方向盘不干涉人体的情况下 选定 L6 595 10mm 6 方向盘倾角 根据眼椭圆倾角 方向盘平面与水平面之间的夹角应为 78 2deg 7 方向盘尺寸 方向盘外缘直径不可大于 330mm 13inch 8 仪表盘位置 仪表盘应平行于方向盘平面 另外 在该方向盘位置下 方向盘平 面是最适合布置仪表的位置 距离眼点 550mm 倘若不便于在方向盘上布置仪表 则仪 表盘应距离方向盘平面 150mm 以内 根据以上几条限定 在 CATIA V5 中确定的人体坐姿模型如图 3a 图 3b 图 3a 坐姿模型 1 图 3b 坐姿模型 2 3 3 基于人体坐姿的车架设计及空间布置 3 1 车架的初步设计车架的初步设计 根据规则的设计要求及初期悬架硬点和各总成的位置要求 首先完成车架的整体框架 即在 CATIA 软件中依据坐标建立点线模型 然后赋予模型截面属性 从而生成三维车架模型 此时主环高度 前环高度 驾驶舱宽度以及腿部空间长度尚不确定 均为待调整量 主 环与前环的高度应保证车手头部与主环前环顶部连线的距离 驾驶舱宽度应满足规则的测试 模板 腿部空间长度除满足测试模板外 还应考虑车手踩踏踏板时便利性 初步设计的车架模型如图 4 3 2 车架相关尺寸的确定车架相关尺寸的确定 3 2 1 主环与前环的高度 图 4 车架初步模型 图 5 头盔约束示意图 打开 CATIA 装配模块 并将人体坐姿模型与车架的三维模型一起导入装配环境下 调整 人体与车架模型的相对位置 使其符合驾驶姿态 将主环顶端与前环顶端连线 考虑头盔的厚度为 20mm 为达到车手头盔与连线 主环 支架的距离不得小于 50mm 调整主环前环高度 如图 5 所示 此时人体头部距离连线 105 5mm 距离主环支架 76mm 距离足够 确定后的主环前环高度见表 1 车架的人机尺 寸 3 2 2 驾驶舱尺寸的确定 建立大赛规定用的空间测试模板 并将其导入装配图中 要求驾驶舱测试板能够垂直插入直到穿过侧防撞结构的顶端管件的底部 图 6 要求横断面测试板能够水平的通过从驾驶舱内距离踏板后端面之后 100mm 处的内操纵 舱的位置 图 7 图 6 驾驶舱测试 图 7 驾驶舱横断面测试 3 2 3 腿部空间尺寸 腿部空间关系到车手踩动制动踏板的便利性 逃离驾驶空间所需的时间 以及转向系统 以及制动系的布置形式甚至 upright 的结构形式 根据 95 百分位中国男子模型的腿长 暂定 车架前隔板距离前环下焊点的距离为 850mm 转向系统布置方式为下置 4 4 搭建木条模型 图 8a 第一版木模 图 8b 第二版木模 根据 CATIA 人体坐姿模型的设计结果 我们搭建了车架 1 1 比例的木条模型 图 8a 图 8b 各位车手进入车架进行模拟驾驶 根据车手反馈的信息 在原有车架模型的基础上进 行修改和完善 通过搭建模型 发现了软件建模欠准确的地方 人体模型仅是人体身高的统计值 在某种程度上具有一定的准确性 但并不能完全替 代车手的实际身材 人体模型的空间位置是通过摆放确定的 然而无法模拟出车手的实际感受 所以搭建 木条模型获取车手真实的驾驶感受是十分必要的 搭建模型后 做出了以下修改 缩短了腿部空间的位置 修改了转向系统的布置形式 使整车结构更加紧凑 降低了主环高度 修改了前环前部的杆系结构 5 5 车架人机尺寸确定 经过上述设计过程和后期的多次修改 车架的人机尺寸确定 具体尺寸如表 1 所示 项目 数据 项目 数据 主环高度 1170mm 腿部空间长度 700mm 主环宽度 818mm 腿部空间宽度 400mm 主环倾角 0deg 驾驶舱最小长度 612mm 前环高度 562mm 驾驶舱最大长度 725mm 前环宽度 400mm 驾驶舱最小宽度 400mm 前环倾角 12deg 驾驶舱最大宽度 818mm 表 1 车架尺寸 6 6 结束语 车架的人机工程设计过程中 利用 CATIA 软件建立了 95 百分位人体坐姿模型 完成了 车架