基于人机工程的FSAE赛车驾驶舱设计

基于人机工程的FSAE赛车驾驶舱设计
作者：邵文庆陈万力朱庆良刘运锋
来源：《中国科技博览》2019年第04期
[摘要]大学生方程式赛车（FSAE）驾驶舱设计是大学生方程式赛车设计的重要组成部分，设计是否合理将直接影响到车手的安全性，舒适性，对赛车的操纵感，进而影响赛车比赛的总体成绩。

本文基于人机工程学，对武汉理工大学WUTE电车队2017赛季E11驾驶舱进行设计优化，主要的工作为确定驾驶舱空间以及座椅、方向盘、仪表盘、踏板、头枕的相对位置，并通过制作简易驾驶舱，模拟器驾驶训练得到车手的反馈信息来对设计进行优化。

在设计过程应用CATIA V5 R20软件的人机工程模块建立95%人体模型，确定H点的位置，以H点为参考，确定其他参数。

[关键词]FSAE；人机工程学；驾驶舱设计；CATIA
中图分类号：P635 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0387-02
第1章绪论
1.1研究背景
中国大学生方程式大赛，是由中国汽车工程师协会发起创办的面对中国大学生的方程式赛车比赛。

大赛的宗旨是由各大学车队本科生和研究生在一年中完成一辆小型赛车的构想，设计，制造，开发以及调校。

由于赛车运动的极限性，赛车在赛场上能取得的成绩很大程度上依赖于车手的表现，因此保障车手驾驶时的舒适性，减少驾驶疲劳，提高车手对赛车的操纵感就显得十分重要了。

汽车人机工程学以人——机——环境系统为研究对象，经过多年的研究探索，已经建立起一系列比较成熟的理论，为现代汽车的设计提供了一定的理论指导，设计规范和标准。

1.2主要研究内容
本项目以武汉理工大学WUTE车队的赛车驾驶舱布置为研究对象，主要包括：
按照赛事规则要求，利用CATIA软件人机工程模块中的中国人体95百分位模型确定座椅，方向盘，仪表盘，踏板，头枕的相对位置。

在CATIA软件中完成三维模型设计，并进行装配布置。

制作1：1实物驾驶舱，车手进行模拟器模拟驾驶感受，根据车手反馈的数据返回CATIA 中进行优化设计。

第2章基于CATIA人机对驾驶舱的空间布置
方程式赛车驾驶舱的布置主要包括座椅，头枕，方向盘，仪表盘，踏板等，我们利用CATIA V5 R20软件来确定各部件的位置。

2.1人体关节角度选取
将选取的中国台湾95百分位人体模型与赛事规则3.10.4要求的模板（图2.1）进行拟合，以赛事要求的座椅底部圆心与人体模型H点重合。

由于方程式赛车的极限性，驾驶舱空间局限，因此将座椅设计成不可调节的，此时座椅R点即为H点。

结合人机工程学人体关节舒适角度的经验值（图2.2）对人体模型进行调整，在CATIA的人机模块中初步确定的各关节角度如表2.3，规则人体模型简图与CATIA人机模块人体模型拟合三维图如图2.4。

2.2踏板位置确定
一般方程式赛车中的踏板设计为可调节和不可调节，前者可以在沿赛车方向进行小位移的移动，满足不同车手的需求。

根据规则所要求的H点到踏板最后面的距离不少于915mm，保留设计余量，设计值为920mm。

2.3仪表盘位置确定
仪表盘位置需要根据人机工程学中的手伸及界面和眼椭圆球来确定。

通过查阅已公开的文献，得到目视距离的经验值为460-710mm，仪表盘中心与眼椭圆中心连线与水平方向经验值为10°，左右20°区间内，而且研究表明，视觉体验最好的状态是视线垂直所观察的物体表面，允许10°左右的误差。

本设计结合前几届仪表盘的布置，设计取值如图2.5所示，其中目视距离为588mm，仪表盘中心与眼椭圆中心连线与水平夹角24°，仪表盘角度100°，考虑到实际加工的误差，设计中的数值为方便均取整。

2.4防滚架位置确定
赛事规则要求驾驶舱开口需要足够大，为此驾驶舱需要通过前舱检测模板（图2.6）与驾驶舱检测模板（图2.7）。

为了保证驾驶舱的空间，防滚架（前环与主环）的设计应该以模板为基础，需要确定的数据为防滚架平面到H点的距离。

主环的位置大致在头部附近，主环平面与H点距离取取
480mm，以驾驶舱模板两侧延长线确定前环与主环的距离，确定方式如图2.8，前环位置以前
舱模板的宽度350mm为极限，保留设计余量，初步确定为前环距离主环为780mm，如图2.9所示。

第3章实测数据与优化设计
由于舒适性是一个模糊的概念，并没有一个明显的确定的界限，车手的主观感受对设计起到很大影响，因此本文基于CATIA的三维模型搭建1：1的简易驾驶舱装置让车手通过主观感受来校验设计方案。

综合车手的反馈和评价指标对设计的参数进行优化。

3.1搭建简易驾驶装置测量车手舒适驾驶数据
在材料方面常见的搭建驾驶舱装置材料有木条、铝型材、PVC 管，木条可以选择钉子连接、铝型材用螺栓连接、PVC管用胶水粘接，在模拟过程需要不断的调整坐姿，这就要求驾驶舱空间是可调节的，因此选取方便调节且经济的铝型材来搭建驾驶舱简易装置。

搭建好的模型如图3.2，图中三个竖直平面从左依次代表主环平面，前环平面，踏板平面，以铰接的木板模拟座椅背板和坐板，车手进行模拟驾驶（图3.3），测量车手的舒适的驾驶姿势的主要数据。

3.2优化设计
驾驶舒适性更多的趋于主观感受，每个车手的感受都不尽相同，因此设计的驾驶舱很难让每个车手都满意。

为此本文首先建立一个评价体系，确定评价指标，对评价指标的主次地位做出权衡，根据评价系统对测量到的数据进行处理，优化设计。

本文以座椅角度和方向盘位置为主要指标，其他测量参数为次要指标，同时根据不同车手的发挥情况，对其进行加权，使加权平均倾向优秀车手。

以加权后的数据（表3.5）对设计值进行修改，其中主环平面到H点的距离由初始设计的480mm修改为476mm，座椅背板角度47.8°，座椅地板角度16.8°，方向盘高度相对H点420.7mm，踵点相对H点886mm，小于规则的915mm，此项数据保持设计的920mm不变，其为次要数据。

第4章基于人机工程学对驾驶舱内饰物设计
4.1座椅设计
在赛车运动中，座椅的特性决定了其功能--固定车手和辅助转向。

座椅将赛车手与赛车紧密联系在一起，车手通过座椅感知赛车的震动和轮胎的附着情况，判断赛车的极限。

在保障其功能外，还应要求座椅具有一定的舒适性，以减少车手的驾驶疲劳。

在CATIA中利用自由曲面对座椅进行建模，主要参数为背板角度47.8°，坐板角度为16.8°，腿部支撑高度为大腿高度四分之三左右，如图4.1
4.2方向盘设计
方程式大赛规则6.5.6对方向盘的形状有严格的限制——方向盘轮廓必须为连续闭合的近圆形或近椭圆形。

从简易驾驶舱中测量到的方向盘中点位置结合规则要求便可以确定方向盘的最大尺寸，本设计取260mm作为方向盘最大尺寸。

WUTE E11以碳纤维制作方向盘盘体，碳纤维不仅具有较强的刚度，而且满足轻量化的设计思想。

实际加工辅以油泥捏制，成型固化后即有手握感，实物如图4.2。

4.3仪表盘体设计
方程式赛车仪表盘的设计要求主要表现为：1.在功能上简单实用，指示清楚，一类功能的按钮不易过于分散；2.在视觉上应该做到外观上整齐美观，操纵按钮布置协调合理；3.在结构上应该具有一定的强度且具有较轻的质量；4.在制造工艺上具有可行性；5.在装配上要满足便利性。

考虑到在单体壳承载式车身上仪表盘的装配固定复杂，本文设计将仪表盘集成到单体壳车身上，如图4.3，4.4所示
第5章总结
本文应用人机工程学知识，结合其他学者的研究成果，对基于人机工程的FSAE赛车驾驶舱设计方法进行了研究，并将之应用在武汉理工大学WUTE车队E11的驾驶舱设计上，本文主要研究工作如下：
（1）总结了武汉理工大学方程式赛车驾驶舱设计，对驾驶舱的主要参数进行了设计。

（2）搭建简易驾驶舱，根据车手舒适性驾驶的反馈对设计进行优化，其中对车手反馈的数据进行了主观评价，对数据进行加权平均。

（3）基于人机工程学对座椅、仪表盘、方向盘进行设计，有效减少了车手的驾驶疲劳。

参考文献
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