基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) i 基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng)作者李國富吉林大學論文分類號 U463.82 單 位 代 碼 10183 密 級 內(nèi) 部 研 究 生 學 號 2990133 吉 林 大 學 碩 士 學 位 論 文 基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) CATIA Based Driver Position Optimization System for Passenger Car 作 者 姓 名 李 國 富 專 業(yè) 車 輛 工 程 導 師 姓 名 宋 傳 學 教 授 及 職 稱 黃 金 陵 教 授 論文起止年月2001年9月至2002年1月 基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) ii 提 要 本文主要內(nèi)容是根據(jù)人機工程學的理論和方法以CATIA軟件為支撐利用GII語言和C語言開發(fā)了一套車身總布置系統(tǒng)在該系統(tǒng)中包括了各種車身總布置工具如眼橢圓頭廓包絡線手伸及界面等和各種法規(guī)要求如風窗玻璃刮水器刮掃面積和區(qū)域安全帶固定點位置等另外本文分析了SAE所推薦的確定駕駛員H點的適意線法的適用條件和不足提出了綜合考慮駕駛員舒適性視野性腿部操縱空間方向盤頂蓋等因素的H點區(qū)域法利用該方法可以快速準確的確定出滿足以上所有約束的H點優(yōu)化域 在系統(tǒng)完成后對于系統(tǒng)的實用性可靠性等作了大量的測試測試結果表明該系統(tǒng)應用靈活操作簡單運行可靠程序中的理論和方法與實際設計過程相吻合本系統(tǒng)的完成對于提高車身總布置的質(zhì)量效率縮短產(chǎn)品開發(fā)周期具有非常大的現(xiàn)實意義 關鍵詞人機工程學 CATIA 車身總布置 基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) iii ABSTRACT The main content of the paper is to develop an Auto-body Packaging system according to the theory and method of ergonomics. This system is developed on the platform of CATIA by GII program and C program. In this system you can get all kinds of tools used in Auto-body Packaging work such as eyellipse, head contour, hand reach envelop and so on. In SAE J941 there is a method to work out the H point and we call it drivers comfort curves, we analyze the strongpoint and shortcomings and we put forward a new method to work out the H point. This method takes into account the effects of drivers comfort, visibility, steering wheel, roof and so on. With this method you can get a optimized H point zone satisfying with requests of the drivers comfort, visibility, steering wheel, roof. We have done a lot of experiments after finished this system to validate the practicability reliability of this system and we get excellent results. With this system you can finish Auto-body Packaging work with high speed and high efficiency, and it is very helpful to shorten develop period of a new project. Key Words Ergonomics CATIA Auto-body Packaging 基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) iv 目 錄 第一章 緒論 - 1 1.1 CAD/CAM技術應用 - 1 1.1.1 國際汽車行業(yè)對于CAD/CAM技術的應用 - -1 1.1.2 國內(nèi)汽車行業(yè)對于CAD/CAM技術的應用 - 2 1.2 汽車車身總布置 - 2 1.3 人體工程學在車身總布置中的應用 - 4 1.4 本課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 -6 1.5 本課題主要內(nèi)容及意義 -7 1.5.1本課題主要內(nèi)容 -7 1.5.2本課題的研究意義 -7 1.6本章小節(jié) - 8 第二章 轎車車身總布置工具 - 9 2.1駕駛員眼橢圓 -9 2.2乘員及駕駛員的頭廓包絡線 - 12 2.3駕駛員手伸及界面 -13 2.4轎車前風窗玻璃刮水器刮掃面積及位置 - 17 2.5安全帶固定點位置 -19 2.6 轎車車身硬點數(shù)據(jù)庫 -22 2.7 本章小結 -23 第三章 駕駛員H點設計與優(yōu)化 -24 3.1 H點及其意義 -24 3.1.1 H點的定義及不同表達方式 -24 3.1.2 H點在車身設計中的意義 -25 基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) v 3.2 H點的確定方法 -25 3.2.1 SAE推薦H點適意線方法 -25 3.2.2 H點功能區(qū)域法 -29 3.2.3 H點的優(yōu)化 -53 3.2.4 H點的選擇 -55 3.2.5 SAE適意線與H點區(qū)域法比較 -56 3.3 本章小結 -57 第四章 系統(tǒng)應用實例 -60 4.1 確定最后最前H點 -69 4.1.1 SAE推薦駕駛員H點適意線方法 -61 4.1.2 全關節(jié)角度變化時的H點區(qū)域法 -61 4.1.3 |874 =a條件下的H點區(qū)域法 -68 4.2 前風窗刮掃區(qū)域 -70 4.3安全帶固定點 -70 4.4 本章小結 -72 全文總結 -73 致謝 -75 參考文獻-76 摘要- ABSTRACT- 基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) vi 第一章 緒論 1.1 CAD/CAM技術 CAD/CAM技術的應用水平是衡量一個國家汽車工業(yè)水平的重要指標之一汽車工業(yè)作為國家支柱產(chǎn)業(yè)一直是CAD/CAM技術應用的先鋒和大戶CAD/CAM技術的不斷發(fā)展和廣泛應用不僅僅在于它能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和縮短產(chǎn)品的周期更主要的是CAD/CAM技術是當代最杰出的工程技術成就之一它從根本上改變了過去用手工繪圖依靠圖紙組織整個生產(chǎn)過程的技術管理模式因此它對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造新興技術和產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展均能產(chǎn)生巨大的推動作用進入90年代后國際市場的競爭更加激烈汽車公司對CAD/CAM技術的需要更加迫切為此世界上很多國家和汽車公司都把發(fā)展CAD/CAM技術集成化作為它們的戰(zhàn)略目標 1.1.1國際汽車行業(yè)對于CAD/CAM技術的應用 國際上美國福特汽車公司在CAD/CAM技術方面處于領先地位早在80年代初福特公司就著手CAD/CAM系統(tǒng)的規(guī)劃建成了以工作站為主體的環(huán)形網(wǎng)絡系統(tǒng)1985年已經(jīng)有一半以上的產(chǎn)品設計工作使用圖形終端實現(xiàn)1986年新開發(fā)的TARUS和SABLE轎車大約70%的外板件采用CAD/CAM設計90年代初全面實行產(chǎn)品開發(fā)的CAD/CAM應用可達100%福特公司1990年工作站已達2000臺以FGS工作站約占70%和CV工作站約占18%為主其應用軟件主要為自行開發(fā)的PDGS和CAD/CAM 1993年以后福特汽車公司提出了C3P CAD/CAM/CAE/PDM概念并決定今后將采用I-DEAS軟件作為其主流核心軟件美國通用汽車公司應用CAD/CAM技術的情況與福特類似其硬件主要為APPLO SUN HP IBM DEC的產(chǎn)品軟件主要為自行開發(fā)的CGS CorporateGraphicsSystem CADAM公司的CADAM系統(tǒng)和MCD公司的Unigraphics系統(tǒng)這三種軟件系統(tǒng)構成公司的三維CAD/CAM數(shù)據(jù)庫基礎以供全部設計工程和制造使用該公司采用CAD/CAM進行產(chǎn)品的設計制造CAD軟件與CAM軟件用以太網(wǎng)相連日本三菱汽車公司1960年從沖模的數(shù)控加工著手以CAD/CAE/CAM為動力對從設計到制造的各項工程踏踏實實地進行了改革至今已形成了從車型款式設計到車身組裝的新車型開發(fā)的完整的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)法國雷諾汽車公司應用EUCLID軟件系統(tǒng)作為CAD/CAM的主導軟件目前已有95%的設計工作量用該軟件完成基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) vii 雷諾公司在EUCLID主導軟件的基礎上開發(fā)出很多適合汽車工業(yè)需求的模塊如用于干涉檢查的Megavision用于鈑金成型分析的OPTRIS等德國各大汽車公司普遍采用CATIA作為其CAD/CAM系統(tǒng)的主導軟件1994年德國大眾集團決定用CATIA和Pro/Engineer作為其將來開發(fā)新車型的主導CAD系統(tǒng) 1.1.2國內(nèi)汽車行業(yè)對于CAD/CAM技術的應用 我國的CAD/CAM產(chǎn)業(yè)的發(fā)展大致從1975年開始經(jīng)歷了三個發(fā)展階段第一階段從1975年到1986年其主要工作為CAD/CAM技術的研究參與人員主要在大學和科研院所產(chǎn)業(yè)特征是產(chǎn)生了一批CAD/CAM的著名學者并培養(yǎng)了CAD/CAM的后備力量第二階段是1986年到1992年其主要工作是CAD/CAM技術的深入研究和原型試驗系統(tǒng)的開發(fā)參與人員主要在大學和科研院所產(chǎn)業(yè)特征是產(chǎn)生了若干的試驗性系統(tǒng)第三階段是1992年到現(xiàn)在主要工作已經(jīng)從單純的研究開發(fā)拓展到營銷咨詢服務及大面積應用已經(jīng)是全社會參與包括政府院校中介結構和企業(yè)等產(chǎn)業(yè)特征是產(chǎn)生了CAD/CAM產(chǎn)品形成了CAD/CAM軟件產(chǎn)業(yè)的市場現(xiàn)在我國的一些企業(yè)如一汽二汽上汽等已建立起了比較完整的CAD/CAM系統(tǒng)許多中小汽車生產(chǎn)廠家應用CAD/CAM技術在保證產(chǎn)品質(zhì)量提高勞動生產(chǎn)率等方面也取得了顯著的經(jīng)濟效益一些科研院所陸續(xù)推出了一批CAD/CAM軟件并得到了一定的應用如吉林工業(yè)大學開發(fā)的車身總布置系統(tǒng)總的說來國內(nèi)汽車行業(yè)在CAD/CAM技術應用的深度和廣度等方面與國外先進水平相比還有很大的差距尤其在CAD/CAM集成應用等方面的工作還剛剛開始隨著社會主義市場經(jīng)濟的發(fā)展國有汽車生產(chǎn)廠家需要對傳統(tǒng)的產(chǎn)品結構生產(chǎn)設備和管理模式進行改造以提高企業(yè)的活力和適應市場的應變能力其中首當其沖的是進行產(chǎn)品結構的調(diào)整提高產(chǎn)品的技術檔次縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量降低物耗和造價要實現(xiàn)上述目標采用CAD/CAM技術被認為是最有效的方法之一1231.2 汽車車身總布置 汽車車身總布置屬于汽車設計中的一部分它是在整車總布置的基礎上進行的整車的總布置提供了汽車的長寬高等控制尺寸軸荷分布范圍以及水箱動力總成前后橋傳動軸與車輪等的輪廓尺寸和位置據(jù)此參考同類車型有關數(shù)據(jù)作為借鑒即可初步確定前懸和后懸的長度前后風窗位置和角度發(fā)動機罩高度地板平面高度前圍板位置座椅布置內(nèi)部空間控制尺基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) viii寸方向盤位置角度及操縱機構和踏板的相互位置等然后將布置結果傳遞回底盤總布置和造型進行校核協(xié)商修改汽車車身總布置是汽車整個設計流程的入口只有確定了總布置方案后才能進行汽車各部件的詳細設計因此車身總布置的好壞在很大程度上決定著整個汽車設計的成敗4汽車車身總布置是汽車概念設計階段的一項相當重要的方案設計工作在汽車車身總布置過程中需要確定的特征參數(shù)和控制硬點繁多空間關系和約束條件復雜實現(xiàn)方法和評價指標模糊設計方案具有多解性經(jīng)驗性和綜合性的特點如何高效地進行汽車車身總布置應當是整個汽車周期中急需解決的一個環(huán)節(jié)汽車車身總布置的設計流程是相當復雜的設計過程在SAE J1100中定義了三百多個硬點信息來控制整車總布置其中控制整車外形和第一排二排駕駛和乘坐空間的主要硬點信息就有70多個此外這些硬點信息之間又具有復雜的關聯(lián)性因此車身總布置是一個不斷反復迭代修改尋求到最佳折衷方案的設計過程 汽車車身總布置應遵循一定的設計原則 null 外部尺寸盡量小內(nèi)部空間盡量大 null 滿足各項功能要求 null 滿足人機工程學要求 null 滿足法規(guī)標準及技術條件要求 在實際設計過程中一般采用由內(nèi)到外和由外到內(nèi)兩種設計方法5這兩種方法有其自身的特點適用于不同的設計條件 null 從內(nèi)到外法Inside-out Approach 從內(nèi)到外設計方法簡單地說即是人的位置定義到車身定義(Postural Definition to Vehicle Definition)6SAE有關標準推薦的眼橢圓頭廓包絡線手伸及界面等都說明了以H點為核心的從內(nèi)到外的布置方法這些標準都是基于一個思想從一些布置工具(如眼橢圓等)的創(chuàng)建和定位來一步一步地定義駕駛員和乘員的乘坐空間和車內(nèi)附件件的布置這也是從內(nèi)到外布置方法的基本思想具體實現(xiàn)過程如下 1由SAE推薦的適意線或區(qū)域法來確定不同百分位人體模型的H點位置 2確定座椅參考點(SgRP)的位置座椅靠背角和座椅調(diào)節(jié)行程 3調(diào)用頭廓包絡線結合內(nèi)部空間控制尺寸確定頂蓋的位置以及完成對車身內(nèi)部寬度的確定 基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) ix 4調(diào)用眼橢圓手伸及界面等設計布置工具設計儀表盤的斷面形狀及其操縱件的布置 5而后進行方向盤操縱機構踏板等的布置 6進行駕駛員的視野設計 7前后風窗玻璃的設計和后圍的布置等 對于上述的步驟并不是嚴格的固定不變的過程在真正的布置中它們往往是反復交叉進行 a) 從外到內(nèi)法Outside-in Approach 從內(nèi)到外的布置方法實際上是一種從零開始的設計方法是一個反復設計和檢驗的過程當今隨著市場全球一體化以及商業(yè)競爭的日益激烈反復冗長汽車開發(fā)周期和昂貴的成本是不允許的現(xiàn)在的汽車設計一般在參考同類型車或基于某一平臺的基礎上運用專家設計經(jīng)驗進行變型車設計這就是從外到內(nèi)的布置方法如在不對乘員空間做改動的前提下布置合理地滿足舒適性視野性操縱方便性的座椅71.3人體工程學在車身總布置中的應用 人體工程學是從20紀50年代開始迅速發(fā)展起來的一門新興的邊緣學科是從人的生理特點出發(fā)研究在提高人體機器環(huán)境系統(tǒng)的總體效能的目標中人體機器環(huán)境相互關系的一門科學8人機工程學的主要研究內(nèi)容包括 1機器系統(tǒng)中直接由人操作或使用的部件應設計成適合于人的使用以保證機器系統(tǒng)的工作效能達到最優(yōu) 2從保證人的安全健康舒適和高工作效率出發(fā)提出環(huán)境控制和安全保護裝置的設計要求與數(shù)據(jù) 3人機系統(tǒng)總體設計的優(yōu)化 我國的人機工程學正處于初始發(fā)展階段由國家標準局標準化研究所主持成立了全國工效學標準化技術委員會1985年成立了全國工業(yè)造型設計學會下設人機工程學專業(yè)委員會各行業(yè)對人機工程學的應用研究越來越重視有關的研究機構和高等院校也在開展人機工程學方面的研究各項人機工程學的技術標準也在陸續(xù)制定 指導汽車車身總布置設計的核心理念是人機環(huán)境思想在人機環(huán)境理論中人是作為主體機是指人所控制的一切對象的總稱環(huán)基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) x 境是指人機共處的特殊條件它即包括物理化學因素的效應也包括社會因素的影響在汽車車身總布置設計系統(tǒng)中人對應為駕駛員和乘員機對應為駕駛員和乘員操作控制的對象如方向盤踏板變速桿制動手柄以及操作鈕件等的控制對象集環(huán)境對應為駕駛員和乘員乘坐的空間車身外型控制以及光線道路等外部因素汽車車身總布置采用以人為中心的設計思想尤其是在轎車設計中確保駕駛員與乘員的舒適性居住性上下車方便性安全性以及駕駛員的操縱方便性視野性等非常重要 根據(jù)對國內(nèi)外有關文獻的分析研究在汽車設計中應當考慮的人體因素大致可歸納為以下四個方面 1人體尺度 人體尺度的靜態(tài)和動態(tài)測量數(shù)據(jù)是合理設計操縱者的作業(yè)空間操作姿勢操縱機構及座椅尺寸的基礎只有考慮人體尺度的精心設計才能使操縱者工作時處于舒適的狀態(tài)和適宜的環(huán)境之中達到能量消耗最少疲勞程度最低和工作效率最高的目標在汽車的總布置設計中方向盤座椅的設計及布置各種操縱件的布置汽車頂蓋的設計都要考慮到人體尺度的因素人體工程學上的百分位主要是根據(jù)人體尺寸的不同來定義的 2:人體的生物力學特性 設計適合于駕駛員的操縱機構以及確定合理的操縱力操縱速率操縱位移操縱節(jié)拍操縱準確度等都必須以人體的生物力學特性為依據(jù)方能實現(xiàn)人機關系的最優(yōu)匹配例如在踏板布置過程中必須考慮人的腳蹬力與坐姿的關系 3人的感知反映特性 人的感知反映過程實質(zhì)上就是向人體的信息輸入傳遞和人對信息的分析處理并做出反應的過程是人體機器環(huán)境系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)它關系到人和機器的安全人的健康和舒適操縱質(zhì)量及作業(yè)效率等一系列問題是機器設計所必須認真考慮的最重要的因素汽車儀表板的設計及布置前風窗的設計等都要考慮人的感知反映特性 4人的適宜勞動姿勢 駕駛員在工作中保持舒適自然和方便操作的勞動姿勢將有利于身體健康有助于減輕疲勞提高工作質(zhì)量和勞動效率因此汽車設計時必須首先基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) xi 確定駕駛員的工作姿勢和體位然后按照保持人的最適宜的勞動姿勢的要求合理進行總布置設計和相關部件的設計 在駕駛員汽車環(huán)境系統(tǒng)中駕駛員是人機工程所研究的核心對象其中駕駛員的主要職能是 null 用手和腳操縱各種操縱機構以操縱汽車和各種功能部件 null 觀察汽車和各種功能部件的工作情況監(jiān)控它們的技術狀態(tài) null 觀察汽車以外的環(huán)境確保行車的安全 null 確定合理而有效的作業(yè)任務操作順序 1.4本課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外對汽車人體工程學的研究起始于本世紀五十年代并且已經(jīng)做了大量的測繪分析和基礎性研究工作尤其是美國提出了很多推薦標準有的已被國際標準組織所采用如三維H點人體模型眼橢圓等國外汽車設計行業(yè)對于人體工程的應用極為重視如日本美國等在設計新車型時都要做相應的人機工程檢查和校核并且抽取不同的人群進行主觀評價德國大眾開發(fā)的RAMSIS軟件建立了詳細的三維人體模型從德國到SAE等并提供各種年限參考用戶還可以根據(jù)自己的數(shù)據(jù)建立自己的三維人體模型 我國人機工程學的研究起步比較晚但也做了一些基礎性工作如對人體尺寸的測量統(tǒng)計和分析141516這些都對中國人機工程學的研究起到了一些推動作用但我國的人體測量數(shù)據(jù)沒有隨著時間的變化和社會的發(fā)展得到及時的更新在GB10000-1988中的某些數(shù)據(jù)已經(jīng)不適合于當今社會人體尺寸的實際情況因此我國的人體工程學研究還有待于更加進一步的深入和發(fā)展 我國的大部分汽車行業(yè)依舊沿用傳統(tǒng)的設計方法雖然在硬件條件上已經(jīng)實現(xiàn)了CAD但大部分的CAD軟件由于各方面原因的限制沒有真正發(fā)掘CAD巨大潛力以提高設計開發(fā)效率因此我國汽車行業(yè)的現(xiàn)狀勢必造成人力物力資源上的浪費所幸的是國內(nèi)的一些大學和科研院所經(jīng)過數(shù)年的研究和積累工作已經(jīng)形成了一套完整的汽車車身內(nèi)部布置理論和方法123并完成在數(shù)個CAD平臺上的開發(fā)工作有的汽車廠家做的開發(fā)也是在這一理論和方法的基礎上的進行的吉林工業(yè)大學已經(jīng)在AUTOCAD EUCLID I-DEAS等平臺上完成了該車身總布置系統(tǒng)現(xiàn)根據(jù)CATIA在國內(nèi)汽車行業(yè)的廣泛應用情況需要以CATIA作為平臺開發(fā)車身總布置系統(tǒng) 基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) xii 1.5本課題主要內(nèi)容及意義 1.5本課題主要內(nèi)容 本課題的主要工作是在CATIA軟件平臺上進行二次開發(fā)以建立實用的車身布置系統(tǒng)主要有三大部分本人完成的主要是第二部分即以H點為中心的車身內(nèi)部布置設計系統(tǒng)對于該部分上一級師兄已經(jīng)作了一定的探討本人主要是在此基礎上做進一步研究使該部分更加完善更加符合實際設計過程主要內(nèi)容包括 1 適意H點的研究和H點優(yōu)化方法其中H點優(yōu)化從五個方面對H點 進行約束分別為 null 舒適性約束 null 方向盤的約束 null 視野的約束 null 頂蓋的約束 null 操作空間的約束主要考慮小腿空間(L34) 2 汽車內(nèi)部布置工具建立主要包括 null 安全帶規(guī)定的位置 null 轎車前風窗雨刮器刮凈率校核 null 駕駛員手伸及界面創(chuàng)建及校核 null 轎車車身硬點數(shù)據(jù)庫 整個系統(tǒng)是基于CATIA平臺而建立的在系統(tǒng)開發(fā)過程中到企業(yè)作了大量的調(diào)研工作以使該系統(tǒng)更加符合實際設計過程在系統(tǒng)完成后做了大量的實例并對系統(tǒng)進行了測試 1.5本課題的研究意義 1 國內(nèi)的汽車車身內(nèi)部布置大部分還是照搬國外的技術本軟件的建立對 國內(nèi)進行自主開發(fā)的能力的提高起到推動和借鑒作用 2 國內(nèi)的好多汽車廠家應用的CAD軟件大多是通用的設計軟件在用來 進行車身內(nèi)部布置時除了將手工的工作搬到計算機上并無什么區(qū)別這樣基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) xiii 設計的效率還是非常低勞動強度還是非常大本軟件的開發(fā)可以在一定程度上對車身內(nèi)部布置實現(xiàn)自動化對于提高設計效率降低勞動強度都是非常有作用的 3本系統(tǒng)是以CATIA軟件作為開發(fā)平臺由于國內(nèi)不少大汽車廠和研究 機構都以CATIA作為主流設計軟件故軟件的開發(fā)適應當前國內(nèi)形勢的需要 4 本系統(tǒng)的完成是企業(yè)和大學產(chǎn)學研結合的成果是開發(fā)者多年研究工作的積累它對國內(nèi)汽車人機工程學的研究和汽車車身內(nèi)部布置系統(tǒng)的實現(xiàn)起到很大的指導作用和提高作用 1.6本章小節(jié) 在本章中對于國際國內(nèi)汽車行業(yè)CAD/CAM技術的發(fā)展和應用作了簡要的敘述對于人機工程學在車身總布置中的應用也作了扼要的簡述從汽車車身總布置的主要內(nèi)容CAD/CAM技術的優(yōu)勢等角度闡述了在CATIA上進行汽車車身總布置系統(tǒng)開發(fā)的必要性該系統(tǒng)對于國內(nèi)CAD/CAM技術在汽車車身上的應用和汽車車身總布置技術的研究和發(fā)展具有現(xiàn)實的意義 基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) xiv 第二章 轎車車身總布置工具 轎車車身總布置是在整車總布置的基礎上進行的其指導思想是以人為本在轎車設計中車身內(nèi)部布置應當能夠滿足駕駛員和乘員的乘坐舒適性操縱性行車安全性視野性等為保證各項性能指標具有統(tǒng)一的規(guī)范和標準SAE ISO GB等組織中對于車身總布置工具中常用的工具等制定了一定的規(guī)范如眼橢圓手伸及界面等對于一些車身附件在車身中的布置位置和功能作了一定的規(guī)定而作為法規(guī)實施如雨刮器的刮掃面積安全帶固定點的位置等本系統(tǒng)將這些法規(guī)作為設計工具集成在CATIA系統(tǒng)中使用時既可以應用它們來布置附件和控制布置空間尺寸也可以應用它們來對已布置好的附件進行校核為了方便設計者在設計過程中查詢相關車型的設計硬點值系統(tǒng)中開發(fā)了轎車車身硬點數(shù)據(jù)庫集成在CATIA界面下作為設計參考應用該數(shù)據(jù)庫可以實施在線查詢從而方便設計過程以提高設計效率 2.1駕駛員眼橢圓121. 眼橢圓定義 汽車駕駛員眼橢圓是指不同身材的駕駛員按自己的意愿將座椅調(diào)整到適意位置并以正常的駕駛姿勢入座后他們的眼睛位置在車身坐標系中的統(tǒng)計分布圖形由于統(tǒng)計分布圖形呈橢圓狀因此被稱為駕駛員眼橢圓駕駛員眼橢圓的確立為研究汽車視野性能提供了科學的視野原點基準 2. 眼橢圓的提出 以往在汽車駕駛員的視野校核中以平均身材的駕駛員的眼睛位置作為基準由于駕駛員的身材坐姿及駕駛習慣的不同視野原點不可能是一個點故上述方法只能滿足中等身材的人的需要缺乏統(tǒng)計意義在實際中視野原點不是某個固定的點而是呈某種形狀的分布圖形為此人機工程學研究人員及車身設計師從60年代中期就開始研究這一問題其中以美國福特汽車公司的洛依R.W.Roe及通用汽車公司的哈蒙特D.C.Hammond等人的研究最為突出其研究成果成為美國汽車工程師協(xié)會SAE的推薦實施標準SAE J941后來基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) xv 國際標準組織引用美國SAE J941制定了國際標準ISO4513因此眼橢圓所代表的是所有人群的視野性眼橢圓的形狀如圖2-1所示 3. 眼橢圓的含義 視切比如圖2-2所示由某目標點向某百分位眼橢圓作一切線視線切線將圖形分為上下兩方即含眼橢圓一方區(qū)和不含眼橢圓的另一方區(qū)被測駕駛員的眼睛在切線上下兩方均有散布視切比定義為含眼橢圓的切線一方的區(qū)域內(nèi)的眼睛數(shù)與切線上下方區(qū)域內(nèi)的眼睛總數(shù)之比記作p這樣落在含眼橢圓一方的眼睛數(shù)百分比為%100p落在不含眼橢圓一方的眼睛數(shù)百分比為%100)1( p 眼橢圓是汽車視野設計的基準它只有與視線切線一起使用時方有意義因此用視切比來定義眼橢圓的百分位值如圖2-3所示設該眼橢圓為第95百分位的眼橢圓由目標點O相眼橢圓作視線則意味著有總數(shù)%95的眼睛位于該視線的下方另有%5的眼睛位于該視線的上方即有%95的人群可以通過該視線下方看到目標O而有%5的人群則不能通過該視線下方看到目標O 4. 眼橢圓樣板及其定位 眼橢圓樣板的尺寸與人體百分位及座椅水平調(diào)節(jié)行程L23有關根據(jù)座椅水平調(diào)節(jié)行程的不同將其分為兩套一套為L23在100mm圖2-2 眼橢圓視切比的意義 O 區(qū) 區(qū) 視線 第p百分位眼橢圓 圖2-1 三維眼橢圓示意圖 ZZYXXY 圖2-3 定位后的駕駛員眼橢圓 基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) xvi 和133mm之間時的眼橢圓另一套為L23大于133mm時的眼橢圓眼橢圓的尺寸數(shù)據(jù)如表2-1所示 車身總布置中在已知SgRP點座椅水平行程和座椅靠背角的條件下便可唯一的定位眼橢圓眼橢圓的尺寸與座椅水平調(diào)節(jié)行程有關而眼橢圓在車身坐標系中的位置與座椅靠背角有關 第95百分位 第99百分位 項目 100133 100133 長軸 173 198 241 267 俯視 105 105 149 149 短軸 側(cè)視 86 86 122 122 根據(jù)SAE J1100中的規(guī)定設SgRP在車身坐標系中的坐標為)70,20,31( HWL座椅水平調(diào)節(jié)行程為L23座椅靠背角為L40則根據(jù)這些參數(shù)我們可以得到左右眼橢圓中心在車身坐標系中的坐標為 null 當13323 L時 +=+=+=22)40(059301.0)40(398747.071757.653705.32205.3220)40(032032.0)40(281641.1091472.25931LLHZZWYWYLLLXXRCLCRCLCRCLC2-1 null 當13323100 1.25三種男女駕駛員的比例分別是50/50 75/25 90/10每張表格以表2-2 的形式給出表中手伸及界面的GLd則基準面HR位于SgRP處 iv. 在基準面HR上找到手伸及截面自身坐標系原點定位手伸及界面 5. 駕駛員手伸及界面的應用 圖2-8 操作鈕件的布置合理性檢查 校核點 投影點 基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) xxii 為保證駕駛員的行車安全駕駛員在行車過程中用到的各種操縱件應布置在駕駛員的手伸及范圍內(nèi)駕駛員手伸及界面就可以用來檢驗操縱件在車室中的布置位置合理與否當操縱件在手伸及界面的內(nèi)側(cè)靠近駕駛員一側(cè)時操縱件的布置可以滿足手伸及性的要求 2.4轎車前風窗玻璃刮水器刮掃面積及位置 為確保良好的汽車視野性能雨刮系統(tǒng)不僅應有足夠的刮掃能力而且要有正確的刮掃部位有些系統(tǒng)盡管刮掃面積符合要求但部位過于偏對于汽車視野仍然無益另外刮掃面積內(nèi)不同區(qū)域的清晰度要求亦不同汽車風擋玻璃雨刮系統(tǒng)的刮掃面積大小和部位要以駕駛員眼橢圓或眼點為基準來確定在SAE J903和GB15085 94中對于雨刮系統(tǒng)的刮掃區(qū)域位置及刮凈率均作了不同的規(guī)定 2.4.1 GB15085-94 汽車風窗玻璃刮水器的性能要求171819在GB15085-94中規(guī)定了A B兩個區(qū)域來控制雨刮器的刮刷面積和位置其中對于A B區(qū)域所要求的刮凈率是不同的該標準是以視原點1V2V為基準點求作的 1. 刮刷面積及位置 1.1. A區(qū)域是下述從V點即指1V和2V點向前延伸的4個平面與風窗玻璃外表面相交的交線所封閉的面積圖2-9 1.1.1. 通過1V點和2V點且在X軸的左側(cè)與X軸成|13角的鉛垂平面 1.1.2. 通過1V點與X軸成|3仰角且與Y軸平行的平面 1.1.3. 通過2V點與X軸成|1俯角且與Y軸平行的平面 1.1.4. 通過1V點和2V點向X軸的右側(cè)與X軸成|20角的鉛垂平面 1.2. B區(qū)域是指由下述4個平面所圍成的風窗外表面的面積且距風窗玻璃透明部分面積邊緣向內(nèi)至少mm25以較小面積為準圖2-10 1.2.1. 通過1V點與X軸成|7仰角且與Y軸平行的平面 1.2.2. 通過2V點與X軸成|5俯角且與Y軸平行的平面 1.2.3. 通過1V點和2V點且在X軸的左側(cè)與X軸成|17角的鉛垂平面 1.2.4. 以汽車縱向中心平面為基準面與1.2.3對稱的平面 基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) xxiii 2. 雨刮器刮刷性能要求 2.1. 刮水器的刮刷面積應覆蓋A區(qū)域的98%以上B區(qū)域的80%以上 2.2. 刮水器系統(tǒng)至少應具備兩種刮刷頻率高頻必須不小于45次/min低頻不得小于20次/min且高頻與低頻之差應不小于15次/min刮水器工作時的一個往返運動為一次 圖2-9 前風窗刮掃區(qū)域A區(qū)域示意圖 圖2-10 前風窗刮掃區(qū)域B區(qū)域示意圖 基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) xxiv 2.3. 刮水器關閉時刮片應自動返回至最初位置 2.4. 刮水器工作時能承受15s的外力阻擋負荷之后所有部件仍能正常工作 2.5. 刮水器在外界溫度C|318的干燥風窗上仍能持續(xù)工作2min對刮刷面積不作特定要求 2.4.1 SAE J903 汽車風窗玻璃刮水器的性能要求20與GB15085-93所不同的是SAE J903是以眼橢圓為基準求作雨刮器刮刷面積和位置并對刮凈率做出要求的 根據(jù)下表中的規(guī)定分別作眼橢圓上下切平面在側(cè)視圖上為直線和左右切平面在俯視圖上為直線這四個切平面與風擋玻璃相交的四條交線構成了汽車視野要求的刮掃面積不同的刮掃區(qū)內(nèi)清晰度要求并不一樣A區(qū)受順刮式或?qū)问接旯纹骷帮L擋玻璃曲面形狀的限制其清晰度要求最低其次為B區(qū)C區(qū)清晰度要求最高各刮掃區(qū)域的位置及刮凈率的規(guī)定如表2-3所示 2.5安全帶固定點位置 2.5.1 安全帶的種類及特點 1. 兩點式安全帶 兩點式安全帶也稱為腰帶它是汽車安全帶中最基本的一種型式它能防止汽車碰撞時乘員下身過大的相對位移避免乘員被甩出車外的危險但是它不能約束乘員上身的運動因此只在后排座椅使用在前排座椅使用時應與設置在方向盤內(nèi)的安全氣囊一起使用即依靠兩點式安全帶約束下身的運動同時依靠氣墊來保護頭胸部 角度deg 區(qū) 域 刮凈率 % 眼橢圓 百分位 左 右 上 下 A 80 95 18 10 10 5 B 95 95 14 5 5 3 C 100 95 10 5 5 1 表2-3 SAE J903轎車雨刮器的刮掃部位和要求 基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) xxv 2. 肩帶 肩帶可以避免在發(fā)生汽車碰撞時乘員上身的運動但是它不能避免乘員下身向前擠出的趨勢為防止下身向前擠出近年來有些轎車上在儀表板下部裝置了緩沖性能良好的膝墊彌補了單獨使用肩帶的缺點 3. 三點式安全帶 三點式安全帶由腰帶和肩帶組合而成兼有上述兩種安全帶的優(yōu)點安全保護性能良好是目前前排座椅中最常用的一種型式 4. 四點式安全帶 四點式安全帶亦稱全背帶式安全帶在兩點式安全帶上再加上兩根背帶構成這種安全帶多用于賽車上 2.5.2 安全帶固定點位置 安全帶對于駕駛員及乘員有著良好的保護作用但安全帶固定裝置在車內(nèi)的固定位置即固定點的位置對佩帶方便性和安全保護作用有重要影響因此各國對安全帶固定點的位置都有明確的規(guī)定安全帶固定點的位置主要是考慮在發(fā)生碰撞時安全帶的受力方向各種標準就是從安全帶的受力角度來約束固定點區(qū)域的系統(tǒng)主要針對在轎車上廣泛應用的三點固定式安全帶 1. GB 14167-93汽車安全帶安裝固定點211.1. 下部安裝固定點位置 1.1.1. 在座椅所有調(diào)節(jié)位置1a和2a角應在|7520之間 1.1.2. 平行與汽車縱向中心平面而且分別通過1L和2L點的兩鉛垂平面之間的距離不應小于350mm但由于汽車結構所限可在300mm以上1L和2L點應在座椅中心面兩側(cè)且任圖2-11安全帶固定點位置圖 B C D E F G H I Y 450mm|20 |120 1a2a1L 2L)1RR 1L2LS140 120 120 350 下部安裝位置固定點 上部安裝位置固定點 注對于1a2a角為H點 A 基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) xxvi 一點距該平面不得小于120mm 1.2. 上部安裝固定點位置 上部安裝固定點位置應在下列個平面所圍成的DEFG范圍內(nèi),各平面均垂直于汽車縱向中心面且S不得小于140 mm ED平面通過軀干基準線上A點的水平面且SmmAR 8.1315 += EF平面通過軀干基準線上B點與軀干基準線成|120角且SmmBR += 260 FG平面通過R點鉛垂上方mm450處的C點與水平面成|20角 但由于汽車結構所限上部安裝固定點位置可以在下列兩平面圍成的HID范圍內(nèi) HI通過B點的鉛垂平面 ID即ED平面 如果上部安裝固定點在通過C點的水平面CY下方則座椅靠背上端與織帶的切點應在CY平面的上方且必須裝導向件使安全帶不會從乘員肩部滑落 2. SAE J383 汽車座椅安全帶固定點2223242.1. 腰帶固定點位置 對于前后方向可調(diào)節(jié)座椅且固定點設置在車體上時應按圖2-12中所示來確定腰帶固定點的位置方法如下在座椅參考點H點前方mm64上方mm10處找到安全帶夾角點從該點向固定點連接一條直線該線與水平線間夾角應在|7520范圍之內(nèi)此時安全帶不與座椅框架接觸 對于前后方向不可調(diào)節(jié)座椅且固定點設置在車體上時應按圖2-13所示來確定固定點的位置方法為由座椅參考點直接向固定點作直線該直線與水平線之間的夾角應在|7020范圍之內(nèi)此時安全帶不與座椅框架有接觸點 對于固定點設置在座椅骨架上的情況座椅參考點向固定點的連線與水平線夾角亦應在|7020范圍之內(nèi) 2.2. 肩帶固定點位置 如圖12所示座椅調(diào)節(jié)至最后和最下位置座椅靠背調(diào)節(jié)至最小傾角位置由肩部參考點向上量取mm2.154并作與水平線呈|80的夾角線肩帶固定點應落在通過肩部參考點的水平線與|80夾角線所包圍的范圍內(nèi) 基于CATIA的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) xxvii 如果車體結構上不可能在上述范圍內(nèi)設置肩帶固定點則可設置在肩部參考點水平線以下|40夾角的范圍內(nèi)其中 H點座椅參考點H點 X點安全帶夾角點 S點肩部參考點 D點安全帶在下部的固定點 M點安全帶與座椅框架的接觸點 2.6 轎車車身硬點數(shù)據(jù)庫 轎車車身總布置實際上是確定車身各部分之間的硬點關系SAE J1100推薦了一系列車身硬點的定義測量方法等汽車車身內(nèi)部的各種硬點之間的約束數(shù)目眾多關系復雜評價指標模糊其中很多硬點的確定是依靠設計者的經(jīng)驗而確定因此在設計一種車型時其它同種車型的車的設計硬點尺寸對于設計有很大的幫助意義為了使設計者在應用CATIA進行車身總布置設計時可以即時地查詢到相關車型的設計硬點我們基于CATIA的標準MOTIF界面開發(fā)轎車車身硬點數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)利用它可以快速地查詢到同種車型的設計硬點的具體數(shù)值及經(jīng)驗范圍平均值等也可以查詢到某一個硬點的定義等對于某些硬點也作了相應的圖示說明 2.6.1 轎車車身硬點代號的含義24車身硬點數(shù)據(jù)庫中的硬點的代號定義測量方法等都按照SAE J1100中的推薦而執(zhí)行代號采用大寫英文字母+數(shù)字的形式如H30其中大寫英