郭上清

摘 要：在整車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段，前期的整車(chē)布置關(guān)鍵參數(shù)沒(méi)有鎖定，伴隨著創(chuàng)意方案評(píng)選、產(chǎn)品定位的調(diào)整而發(fā)生變化，其中的駕駛艙、乘員艙布置方案需要通過(guò)制作人機(jī)驗(yàn)證實(shí)物模型來(lái)評(píng)審確定。當(dāng)前市場(chǎng)環(huán)境下，時(shí)間、經(jīng)濟(jì)成本已經(jīng)是汽車(chē)公司重點(diǎn)關(guān)心的因素，通過(guò)開(kāi)發(fā)柔性化人機(jī)驗(yàn)證模型，可以更經(jīng)濟(jì)更高效完成模型制作并開(kāi)展產(chǎn)品的人機(jī)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：柔性化 人機(jī)驗(yàn)證模型

0 引言

隨著人們對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品的體驗(yàn)要求越來(lái)越高，車(chē)企越來(lái)越注重體驗(yàn)開(kāi)發(fā)；車(chē)內(nèi)乘員的人機(jī)環(huán)境舒適性是自主研發(fā)的重要內(nèi)容[1]。對(duì)于乘坐舒適性的評(píng)價(jià)，可以采用物理人機(jī)空間模型，為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供重要參考依據(jù)，這種采用物理模型驗(yàn)證的方法已經(jīng)逐步應(yīng)用到各大車(chē)企產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程當(dāng)中[2]。在造型設(shè)計(jì)階段，造型師根據(jù)總布置參數(shù)開(kāi)展初步數(shù)模搭建，在這種造型數(shù)據(jù)狀態(tài)下，上下車(chē)、駕駛操作、視野、空間是否合適不能主觀(guān)看出，同時(shí)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期短，實(shí)物制作需要追求最高性?xún)r(jià)比，傳統(tǒng)人機(jī)模型設(shè)計(jì)制作已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足時(shí)間、經(jīng)濟(jì)的需求。文章通過(guò)柔性化人機(jī)驗(yàn)證模型的設(shè)計(jì)研究，采用模型骨架可調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了模型的重復(fù)利用。通過(guò)人機(jī)模型反復(fù)評(píng)審及優(yōu)化分析，確定最終最優(yōu)的產(chǎn)品人機(jī)布置參數(shù)，避免后期因人機(jī)體驗(yàn)不符合市場(chǎng)需求而進(jìn)行顛覆性設(shè)計(jì)更改[3]。

1 人機(jī)模型設(shè)計(jì)輸入

總布置工程師通過(guò)對(duì)優(yōu)質(zhì)標(biāo)桿車(chē)開(kāi)展分析及測(cè)量，獲得主要人機(jī)尺寸總置參數(shù)[4]，現(xiàn)有產(chǎn)品的方向盤(pán)及管柱、腳踏板、座椅可借用到新研發(fā)產(chǎn)品上，造型數(shù)據(jù)師基于總布置參數(shù)及初版創(chuàng)意方案，快速搭建初版內(nèi)飾座艙數(shù)據(jù)，在模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，關(guān)鍵總布置參數(shù)、初版內(nèi)飾座艙數(shù)據(jù)、借用件數(shù)據(jù)，作為模型設(shè)計(jì)的輸入。

1.1 總布置參數(shù)

關(guān)鍵截面是開(kāi)展人機(jī)模型設(shè)計(jì)的主要總布置數(shù)據(jù)如圖1所示，其中駕駛員縱向截面約束模型地板、踏板、座椅等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；YO截面提供了地面線(xiàn)，整車(chē)尺寸數(shù)據(jù)，約束模型的高度及骨架尺寸；門(mén)檻截面線(xiàn)約束模型寬度及門(mén)板支撐柱的設(shè)計(jì)。

圖1 總布置參數(shù)

1.2 內(nèi)飾座艙數(shù)據(jù)

造型數(shù)據(jù)師根據(jù)總布置參數(shù)及效果圖搭建座艙數(shù)據(jù)，總布置工程師、設(shè)計(jì)師及數(shù)字師一起協(xié)作，在總布置參數(shù)的框架下，平衡好效果圖的設(shè)計(jì)意圖完成造型數(shù)據(jù)的搭建工作，這版數(shù)據(jù)不用太精細(xì)，小特征、小圓角、小分縫及曲面質(zhì)量可以不必太糾結(jié)。

1.3 借用件工程數(shù)據(jù)

方向盤(pán)及管柱、腳踏板、座椅等借用件直接用到人機(jī)驗(yàn)證模型上，可以節(jié)省很多設(shè)計(jì)制作資源，也可以實(shí)現(xiàn)一些功能性驗(yàn)證。以總布置參數(shù)為驅(qū)動(dòng)，工程師把借用件工程數(shù)據(jù)擬合到新產(chǎn)品的整車(chē)布置位置，完成校核分析后的借用件工程數(shù)據(jù)，輸出到人機(jī)驗(yàn)證模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

2 柔性化人機(jī)模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柔性化人機(jī)模型的優(yōu)勢(shì)是重復(fù)利用，結(jié)構(gòu)特性是自由調(diào)節(jié)。絕大多數(shù)自由度都是沿著直線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)，可采用直線(xiàn)滑動(dòng)副和絲杠實(shí)現(xiàn)自由度調(diào)節(jié)[5]。在造型階段，通過(guò)對(duì)模型臺(tái)架上的快速樣件進(jìn)行換裝，驗(yàn)證造型過(guò)程中的重點(diǎn)人機(jī)問(wèn)題[6]。實(shí)現(xiàn)這些快速換裝及借用的方式都需要在模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮，并設(shè)計(jì)模型可變及不變的區(qū)域邊界。

2.1 底盤(pán)骨架設(shè)計(jì)

底盤(pán)骨架是主要的支撐平臺(tái)，也是柔性化人機(jī)模型不變的區(qū)域如圖2所示，它基于總布置參數(shù)及內(nèi)飾座艙數(shù)據(jù)搭建，底盤(pán)采取一側(cè)骨架可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)模型Y向?qū)挾瓤烧{(diào)，滿(mǎn)足模型重復(fù)利用到不同尺寸車(chē)型上，在骨架上設(shè)計(jì)20mm木板，用于承載儀表臺(tái)、副儀表、B柱后側(cè)圍、汽車(chē)地板等。

2.2 儀表臺(tái)骨架設(shè)計(jì)

儀表臺(tái)骨架采取軌道滑塊設(shè)計(jì)如圖3所示，這是實(shí)現(xiàn)柔性化關(guān)鍵部件之一，也是模型不變的區(qū)域，其中主、副駕儀表臺(tái)骨架采用分體式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)骨架在X方向、Y方向獨(dú)立滑動(dòng)，進(jìn)而滿(mǎn)足不同尺寸車(chē)型的人機(jī)模型使用。骨架本體采用鋁型材方管，方管之間利用角鐵、螺栓固定，這樣的骨架為模型重復(fù)利用提供便利性。

2.3 B柱骨架設(shè)計(jì)

B柱骨架也是模型不變的區(qū)域，設(shè)計(jì)有B柱本體及門(mén)板固定點(diǎn)。骨架設(shè)計(jì)方型管，表面為平整面適合B柱本體固定，方管結(jié)構(gòu)采用T型槽設(shè)計(jì)，門(mén)板的安裝通過(guò)滑塊固定在B柱骨架T型槽內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)門(mén)板Z向調(diào)整，適應(yīng)不同高度的需求，B柱骨架采用角鐵及螺栓固定在底盤(pán)骨架上。

2.4 借用件安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主要借用件包含方向盤(pán)及管柱、腳踏板、座椅等零件，它們是人機(jī)模型可變的區(qū)域。方向盤(pán)需要上下調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足不同人的空間感受，所以方向盤(pán)管柱需要設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)滿(mǎn)足角度調(diào)節(jié)。腳踏板的安裝結(jié)構(gòu)需要儀表板骨架方管作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，有利于腳踏板調(diào)節(jié)固定。座椅的安裝結(jié)構(gòu)基于座椅骨架工程數(shù)據(jù)與底盤(pán)骨架數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，座椅承載工程師們進(jìn)行人機(jī)體驗(yàn)，所以座椅安裝結(jié)構(gòu)必須牢固，安裝機(jī)構(gòu)通常采用樹(shù)脂材料進(jìn)行3D打印，相應(yīng)的借用件安裝結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.5 整艙模型數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

模型數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，內(nèi)飾拆分為儀表板、副儀表、車(chē)頂、后側(cè)圍、地板、A/B柱、尾門(mén)等數(shù)據(jù)，每個(gè)部件設(shè)計(jì)時(shí)依托對(duì)應(yīng)的骨架數(shù)據(jù)，例如：儀表板需要在儀表板骨架數(shù)據(jù)上開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。整艙模型制作材料由硬質(zhì)泡沫、樹(shù)脂打印、輕質(zhì)代木組成，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要就不同的材料及制作工藝開(kāi)展相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。整艙模型各部件之間的搭接固定機(jī)構(gòu)非常重要，設(shè)計(jì)合適的固定結(jié)構(gòu)可以保障模型的精度及穩(wěn)定性，平坦區(qū)域泡沫部件之間采用凹凸穿插的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，易拼接又牢固，而A柱與車(chē)頂?shù)拇罱硬捎娩N(xiāo)孔固定的結(jié)構(gòu)，銷(xiāo)孔結(jié)構(gòu)適用于硬質(zhì)泡沫部件之間的搭接，卡扣固定、磁吸固定適用于打印樣件與金屬骨架之間的固定。

3 人機(jī)模型的制作

模型制作包括骨架制作、模型主體加工、樣件3D打印、表面處理及裝飾、各部件裝配等過(guò)程。在骨架制作過(guò)程中，底盤(pán)骨架采用方鋼焊接并加工基準(zhǔn)面，骨架表面覆蓋20mm木板作為整體支撐，儀表板及B柱的骨架采用高強(qiáng)度鋁材，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)加工T型槽，加工L型加強(qiáng)鋁塊及螺栓用于模塊之間搭接。

模型主體由硬質(zhì)白泡沫加工，因硬質(zhì)泡沫具備比較高效率的切削性能，通常車(chē)頂、儀表臺(tái)、副儀表、后側(cè)圍、地板等采用泡沫加工。對(duì)于腳碰、承重部件，如前后門(mén)檻、A柱、B 柱需采用代木加工或樹(shù)脂打印。借用件的安裝機(jī)構(gòu)采用樹(shù)脂打印，一體式打印更好控制安裝精度。采用白泡沫加工的部件，需進(jìn)一步表面處理為涂裝做準(zhǔn)備，各部件在底盤(pán)骨架上試裝并測(cè)量精度，完成整車(chē)模型試配以后，各部件進(jìn)行表面涂裝。

4 人機(jī)模型的評(píng)審

模型完成后，由總布置牽頭，召集項(xiàng)目、造型、市場(chǎng)、感知等區(qū)域進(jìn)行評(píng)審，并形成問(wèn)題決議給到相關(guān)區(qū)域開(kāi)展優(yōu)化工作。本文結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)審照片，對(duì)于部分人機(jī)評(píng)審進(jìn)行說(shuō)明。

上下車(chē)的人機(jī)評(píng)審如圖5所示。前后排都需要評(píng)價(jià)上下車(chē)的人機(jī)狀態(tài)。在進(jìn)行上下車(chē)評(píng)審時(shí)，不同身高的人感受腿部與門(mén)檻裙邊的位置情況，考慮門(mén)檻Y方向是否太寬影響跨步，上下車(chē)裙邊會(huì)不會(huì)咯小腿，后排下車(chē)的時(shí)候后側(cè)圍咯不咯大腿以及前后排上門(mén)框的Z向高度的影響。

組合儀表視野評(píng)審如圖6所示。組合儀表視野主要的影響因素有個(gè)人身高、方向盤(pán)的位置、座椅的空間等。評(píng)審人員覆蓋不同的身高，同時(shí)結(jié)合自身的視野角度，考慮方向盤(pán)管柱和座椅的角度，全面性對(duì)組合儀表的可視范圍進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)在方向盤(pán)處于直行位置時(shí)，組合儀表不被方向盤(pán)遮擋。

前排乘坐人機(jī)評(píng)審如圖7所示，乘坐舒適性以及腿部空間是評(píng)審考慮點(diǎn)，座椅的造型輪廓及接觸面料對(duì)乘坐舒適性影響比較大，感受座椅包裹性及海綿的軟硬程度。前排副駕人機(jī)空間影響的區(qū)域比較多，比如IP儲(chǔ)物盒、副儀表、門(mén)飾板及門(mén)上儲(chǔ)物盒，前排腿部空間評(píng)價(jià)時(shí)，需考慮IP儲(chǔ)物盒型面大小、副儀表的寬度和門(mén)板上儲(chǔ)物區(qū)域，手肘的空間需要考慮門(mén)飾板的厚度、門(mén)扶手的寬窄等問(wèn)題，中央扶手的高低，也是影響前排乘坐舒適性的要素。

5 總 結(jié)

柔性化人機(jī)驗(yàn)證模型最核心的價(jià)值就是實(shí)物模型循環(huán)重復(fù)利用，柔性化的整車(chē)骨架設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用的關(guān)鍵；本文介紹了人機(jī)模型設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路，提到了驗(yàn)證模型設(shè)計(jì)時(shí)需要關(guān)注的問(wèn)題及期望的要求，其中模型設(shè)計(jì)所需的輸入數(shù)據(jù)包括總布置關(guān)鍵界面線(xiàn)、內(nèi)飾造型數(shù)據(jù)、借用零部件等數(shù)據(jù)，而且這些都需要統(tǒng)一坐標(biāo)空間。闡述了設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)作為模型骨架設(shè)計(jì)、模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)和限制邊界，接著重點(diǎn)介紹了儀表板、底盤(pán)（側(cè)面）、B柱等滑動(dòng)式骨架設(shè)計(jì)方案，這些設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了整個(gè)模型的柔性化。柔性化人機(jī)驗(yàn)證模型主要應(yīng)用于人機(jī)驗(yàn)證評(píng)審，文章也對(duì)部分人機(jī)體驗(yàn)評(píng)審的一些議題操作進(jìn)行說(shuō)明。新產(chǎn)品的人機(jī)模型借用原實(shí)物模型進(jìn)行制作，大大減少產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間和成本的投入。

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