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基于CATIA知识工程的头部包络模板建立研究

发布时间:2016-03-07 作者:施卢丹 黄正军 徐建军  来源:互联网
为满足汽车总布置的设计需要,使重复性的设计工作参数化,以CATIA V5设计软件为平台,根据SAE标准的相关规定,对汽车驾驶员和乘员头部包络进行数字化建模,实现产品开发过程参数化,并以实例说明模型的实用性。 研究表明,建立汽车驾驶员和乘员的头部包络模板,可以有效提高设计过程中的工作效率。

    随着汽车的日益普及,越来越多的消费者不仅关心车辆的价格、排量、外观、配置等,对车内空间的关注度也日渐提升。其中头部空间的大小是汽车产品的一项重要人机指标,它很大程度上影响了驾乘人员的舒适感;而头部包络位置的确定是整车设计中决定头部空间的必要条件,驾乘人员头部空间的舒适感可用头部包络位置来评价。所以,汽车设计工程师根据头部包络位置确定车身内部顶棚的高度。

    美国机动车工程师学会(Society of Automotive Engineers,以下简称SAE),是国际上最大的汽车工程学会组织,制定的标准具有权威性,是机动车行业的技术标准,我国汽车行业也参照其标准。机动车辆驾驶员或乘客头部包络及定位标准(SAEJ1052)明确了汽车驾乘人员头部位置与座椅行程、驾乘位置等有着密切关系。所以,可以根据标准中的算法分门别类,手动建立不同位置、不同条件下的头部包络。我国整车厂在车辆研发阶段,生成汽车驾驶员及乘员头部包络所参照的企业标准,均按照SAE J1052标准翻译而成,一般采用中英文对照形式表达。

    CATIA V5作为目前汽车设计的主流三维开发软件,提供的二次开发接口可以满足设计者的不同需求,其参数化设计模式可以快速满足设计要求,且效率高、方便运用。为了提高工作效率和精度、简化设计过程及方便使用,在CATIA V5平台基础上根据SAE J1052标准,结合专业知识,开发基于知识工程的头部包络模板,并将之应用于实例。

1 头部包络的定义及新版SAE标准的修订

    头部包络是指不同人体坐于汽车内,将座椅调整到合适的位置,头部运动在整车坐标系下所形成的分布图形,为研究车辆的头部空间提供基准。SAE J1052-2002版标准详细地定义并描述了头部包络的种类及生成方法,但是汽车设计工程师在法规解读上易出现偏差,本文特别强调以下两处:

    (1)标准中明确驾驶员与前排乘客外侧的头部包络(靠近车辆中心面的统称为内侧,远离车辆中心面的统称为外侧,车辆中心面定义如图1所示,从后视图进行观察,外侧比内侧进一步延伸23mm,可以一定程度地减小驾驶人员的A柱视野盲区。需要注意,对于第一排驾乘人员外侧而言,不管座椅是否固定,额外的23mm都存在,头包相对于中心点不对称;而其他座椅位置的人体头部包络不存在23mm的偏差,头包相对于中心点对称。即23mm取决于座椅位置,与座椅是否固定并无绝对关系。

图1 车辆俯视图和后视图

图1 车辆俯视图和后视图

    (2)标准中规定若座椅可调节,在侧视图中,头部位置轮廓则前倾12度。如图2所示,其他情况下,侧视图中头部轮廓无倾斜。即头包的倾斜角度只与座椅是否可调节有关,与座椅位置无关。

图2 头部位置轮廓前倾12度示意图

图2 头部位置轮廓前倾12度示意图

    2002版头部包络标准的改进是为了反衬眼椭圆标准(SAE J941-2002)中机动车辆驾驶员的眼睛位置标准中眼椭圆的变化,其头部包络轴长与头部包络标准97版的一致,但是中心定位不同。两者的具体差别如下:

    (1)97版本中头包中心根据厂家给定的设计靠背角所确定跨点(H)来确定位置,而在2002版本里需要用到相应的眼椭圆中心坐标。

    (2)当座椅移动行程TL23>0时,97版的X轴角度相对于整车X轴向下偏6.4度,小于2002版的12度。

    (3)首次定义了前中心座椅人体的头包位置。2002版的头部包络整体向上向前移动,对车辆的头部空间要求更为苛刻,分类也更加细化。本文参照SAE J1052-2002建立头部包络模板,以便实际调用。

2 头部包络的决定因素及构造

    2.1 头包的决定因素

    考虑到头部包络包含大部分人体正常乘坐状态下的头部运动空间,其大小取决于3个因素,分别是座椅移动行程(TL23)、期望头部运动轮廓的百分点、驾乘人员的座位位置。

    (1)座椅移动行程。头部轮廓的大小和位置均随着座椅运行轨迹的变化而变化。根据座椅可否调整以及调整的大小,对应的座椅行程可分为3大类:0mm(固定座椅)、133mm、大于133mm。其中可调整的座椅(即座椅行程大于0mm),头部轮廓要求往前倾斜12度,反之,头部轮廓相对于固定位置没有倾斜。

    (2)期望的百分点。这里的百分点是指相应比例的人体头部轮廓处于这个范围内,百分点影响了头部轮廓的大小。SAE J1052-2002中提供了第95和99百分点的头部轮廓,显然,第99百分点的轮廓要大于第95百分点。其中第95百分点的头部轮廓满足汽车尺寸标准(SAE J1100)所提供的尺寸要求。

    (3)驾乘人员的座椅位置。通常,对驾驶员和前排外侧乘客来说,后视图中的头部位置轮廓要比其他人的宽23mm,这额外的23mm被定位在乘客中心线的外侧。

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