人機工程學(xué)在轎車車身安全性設(shè)計中的應(yīng)用

1、人機工程學(xué)在轎車車身安全性設(shè)計中的應(yīng)用摘 要: 從車身的主動與被動安全兩個方面 ,分別概述了人機工程學(xué)在轎車車身結(jié)構(gòu)、車燈、方向 盤、座椅、視野和制動穩(wěn)定性等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀 ,總結(jié)了提高汽車正面、側(cè)面、后面碰撞保護(hù)能力以 及車頂耐撞強度的一些方法 ,介紹了世界各大著名汽車公司的最新相關(guān)產(chǎn)品。 最后 ,預(yù)測了應(yīng)用人 機工程學(xué)原理設(shè)計安全車身結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞: 人機工程學(xué);安全性; 轎車車身結(jié)構(gòu); 附件The man-machine engineering in the application of the safety design of car bodyPick to: from the

2、 body of both active and passive safety, respectively, summarizes the ergonomics in the direction of car body structure, lights, disc, seat, vision, and the present situation of the application of braking stability, etc, are summarized to improve automobile front, side and back collision protection

3、in some way and the intensity of the roof bruise, introduces the world famous automobile company's latest products. Finally, forecasts the application principle of man machine engineering design security the development trend of car body structure.Keywords: ergonomics; Security; The car body str

4、ucture; The attachment引言人機工程學(xué)是第二次世界大戰(zhàn)以后發(fā)展起來的 一門交叉性、邊緣性學(xué)科 ,主要研究人與機器相互關(guān) 系的合理方案 ,即對人的知覺顯示、操作控制、人機 系統(tǒng)的設(shè)計及其布置、作業(yè)系統(tǒng)的組合等進(jìn)行有效 的研究 ,其目的在于獲得最高效率及作業(yè)時感到安 全和舒適1 。國外在應(yīng)用人機工程學(xué)原理進(jìn)行轎車車身及其 附件的設(shè)計方面已進(jìn)行了長期卓有成效的工作 ,但 主要研究成果多集中在提高駕駛舒適性方面。如: 應(yīng) 用人體 H點模型確定車身內(nèi)部座椅的位置、高度及 相關(guān)尺寸; 根據(jù)駕駛員眼橢圓范圍確定風(fēng)窗玻璃刮 掃面積和部位 ;根據(jù)駕駛員的手伸及界面確定操作 按紐、儀表板的布置

5、等。 然而 ,轎車車身不僅要滿足 乘客的乘座舒適性 ,更重要的是要保證乘員的安全。從 20世紀(jì) 50年代開始 ,美、歐、日先后制定了 FMV SS、 ECE和保安基準(zhǔn)法等各種安全法規(guī) ,美國 還于 1971年提出實驗安全車 ( ESV)計劃 ,通過大量 撞車試驗改善車身構(gòu)造、提高汽車安全性。他們通過 在被撞試驗車上安裝“假人”來改進(jìn)與提高車身保護(hù) 乘員的能力 ,使車身結(jié)構(gòu)的布置、強度和剛度分布與 乘員或行人被撞部位的身體結(jié)構(gòu)特點相適應(yīng) ,達(dá)到 事半功倍之效。進(jìn)入 20世紀(jì) 90年代以來 ,美國、日本和歐洲各 大汽車公司按照“以人為本”的設(shè)計理念 ,比以往更 重視應(yīng)用人機工程學(xué)的研究成果 ,其原

6、理不僅用于 提高汽車的操作方便性和乘座舒適性 ,而且正越來 越多地被引入安全性車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中 2 6 。 符合人 機工程學(xué)的安全性轎車車身結(jié)構(gòu)將在保證車身輕量化的前提下 ,在車身關(guān)鍵部位采用與人體結(jié)構(gòu)相適 應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ,使人員傷害最小化。中國在應(yīng)用人機 工程學(xué)設(shè)計轎車車身結(jié)構(gòu)方面與國外發(fā)達(dá)國家差距很大7 。1 車身主動安全性設(shè)計主動安全性是指汽車防止事故的能力。 車身的 主動安全性能包括: 照明燈、信號燈的性能 ,汽車的 前、后視野性能 ,實現(xiàn)操縱穩(wěn)定性及制動性的能力 等。1. 1 照明燈與信號燈前照燈的燈光強弱、照射距離及防眩目裝置就 是根據(jù)人眼的生理特點和人機工程學(xué)原理設(shè)計而 成。 為了

7、滿足不同駕駛環(huán)境 (雨、霧和雪等 )、路面狀 況、交通密集以及駕駛條件 (高速、轉(zhuǎn)彎等 )下自動控 制前照燈的光束模式 ,日本 KOITO公司研究的智 能燈光系統(tǒng) ( ILS)、歐洲研究的先進(jìn)前照燈系統(tǒng)( AFS)、本田和 Stanley Electric公司的可動式前照 燈系統(tǒng)、博世公司的光線疊加自適性前照燈系統(tǒng)以 及 V ALEO公司的燈光系統(tǒng)等都能根據(jù)不同的外 界條件自動控制前照燈所發(fā)出的光束形狀、強度和 發(fā)光方向。此外 ,霧燈、示寬燈、倒車燈、牌照燈、踏步 燈、檢修用燈以及轉(zhuǎn)彎指示燈等也都是根據(jù)駕駛員 的不同需要而設(shè)計的。1. 2 視野為保證駕駛?cè)藛T有盡可能寬廣的視野 ,前支柱 ( A

8、柱 )、中央支柱 ( B柱 )和后支柱 ( C柱 )的粗細(xì)及 位置很重要。設(shè)計上 ,必須根據(jù)駕駛員的眼橢圓范圍 確定風(fēng)窗玻璃刮掃面積和部位 ,并在滿足翻車安全 保障和前窗振動抑制要求的前提下 ,以最細(xì)的支柱 來減小視野死角。 提供后視野的后視鏡也要保證駕 駛員有足夠的后視范圍。FIAT 公司的 M U LTIPLA采用的雙片可調(diào)式 后視鏡不僅可以使駕駛員看到車后其它車輛的行駛 狀況 ,而且也可觀察后車胎與路面的接觸情況。1. 3 操縱穩(wěn)定性與制動性制動踏板和手柄的行程和位置 ,必須滿足一般 身材人體的需要 ,踏板力、手柄等也應(yīng)適應(yīng)一般人 群 ,因為這些都對制動性能影響較大。據(jù)報道 ,美國有 5

9、% 的女性司機由于身材矮小 , 為踩上腳踏板而使身體與方向盤的距離小于 25 cm,當(dāng)氣囊膨脹時 ,脖子常受到傷害。此外 ,車身總質(zhì)量大小及軸荷分配、整體轉(zhuǎn)動慣 量、車身空氣動力學(xué)特性、車身重心高度和相關(guān)部件剛度等也都對操縱穩(wěn)定性有一定影響。2 車身被動安全性設(shè)計被動安全性是指事故發(fā)生時 ,汽車保護(hù)乘員的 能力。2. 1 基本原則除了使用安全帶、安全氣囊、能量吸收轉(zhuǎn)向柱 (二次伸縮式方向盤 )和膝墊等外 ,為保證碰撞發(fā)生 時乘員的安全 ,車身前部設(shè)計還必須滿足以下兩點:( 1)盡量緩解乘員受到的沖擊 ,盡可能地吸收車 輛及乘員的運動能量 8, 9 ;( 2)確保乘員的有效生存空間 ,并保證碰撞

10、后乘 員易于逃脫和進(jìn)行車外救護(hù)。為此 ,車身前部 (如方向盤 )在碰撞發(fā)生時必須 能迅速退到規(guī)定的范圍內(nèi) ,而且受壓各部件的變形 形式也必須得到控制 , 以防止車輪、發(fā)動機、變速箱 等剛性部件侵入駕駛室而傷害駕駛?cè)藛T。此外 ,還必 須保證駕駛室堅固、不易變形以利于乘員快速逃脫。2. 2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計2. 2. 1 減少正面碰撞造成的傷害為提高正面碰撞時乘員的安全性 ,在安裝前保 險杠并保證車身前部剛度與前部其它剛性元件 (如 發(fā)動機、變速箱等 )相匹配的情況下 ,可采取如下措 施: 優(yōu)化邊梁截面參數(shù) ,在邊梁上布置凸 (凹 )臺或 在某些部位加工出壓花 ,來增加能量吸收能力 (圖 1) ;采用

11、凸焊縫結(jié)構(gòu)和高張力鋼板 ,在保證重量輕 的前提下提高耐沖擊性; 增強車廂 ,特別是防火墻 的剛性; 利用三叉形構(gòu)件將沖擊力分散到傳輸通道、地板及側(cè)圍面板。 S AAB公司對正面碰撞的防 護(hù)還制訂了車身設(shè)計必須遵守的三條原則 ,即: 具有 穩(wěn)定的變形特性 ;采用粗壯的縱向梁元; 在前碰撞載 荷和后面結(jié)實的安全倉之間 ,預(yù)備三條載荷傳遞路 線。 并且這些原則已在 SAAB公司的 9-5車型上得 到應(yīng)用。該車通過將三條載荷傳遞路線連接在一起 ,來優(yōu)化和分配碰撞載荷 ,使碰撞發(fā)生時車身按預(yù)定 的變形方式吸收能量。大眾公司新近開發(fā)的 Lupo 雖然外形尺寸比 Polo 還短 190 mm ,但卻有相同的

12、擱腳空間。在如此 小的空間中 ,要保證乘員在正面碰撞時的安全 ,在兩 個前輪罩之間設(shè)置的十字形構(gòu)件可阻擋擱腳空間的 變形。同時 ,在門的開口處設(shè)加強板與輪罩一起將力 傳至車身后部 ,并抵抗側(cè)撞時車門被擠入室內(nèi)。DAIM LER-BEN Z 公 司首次在MERCEDES-BENZ190上采用了三叉 式碰撞緩沖機構(gòu) (圖 2)。 并且在該承載式車身中最大受力部分是有普通鋼板強度 1. 6倍的高張力鋼板 ,從而提高車廂空間周圍的強度。 同時 ,車身 前部和后部由高張力鋼板構(gòu)成的縱向零件常被沖壓 成波紋型面和加強筋 ,以提高吸收沖擊能力。BMW 公司的車身工程師們認(rèn)為 , “車身 車 架”式結(jié)構(gòu)不能足

13、夠快速擴(kuò)散碰撞能量 ,而設(shè)計良好的“整體車身結(jié)構(gòu)”能在安全帶與氣囊被觸發(fā)前吸收 更多的碰撞能量。 在 BMW 公司 2000 X5運動車以 及 C HRYSLER公司的 CVV 全塑車身都采用了整 體車身結(jié)構(gòu)。2. 2. 2 減少側(cè)面碰撞造成的傷害 為保證側(cè)面碰撞時乘員的安全 ,應(yīng)設(shè)法將側(cè)碰 力有效地轉(zhuǎn)移到車身具有保護(hù)作用的梁、柱、地板、 車頂及其他構(gòu)件上 ,使撞擊力被這些構(gòu)件分散、吸 收。 為此 ,可采取以下措施: 增加防撞橫梁提高車 門強度; 合理設(shè)計側(cè)圍 A、 B、 C柱的截面形狀及增 加板厚及相應(yīng)部位聯(lián)結(jié)剛度 ,保證側(cè)碰力有效傳遞 到整個車身; 增加門檻梁強度 ,保證將碰擊力有效 分散

14、給地板等其他構(gòu)件; 在 B立柱及儀表板下面 及后風(fēng)窗下面安裝加強橫梁等; 合理設(shè)計門鎖及 門鉸 ,既要防止側(cè)碰時車門自動打開 ,又要保證碰撞 后車門容易開啟 ,以利于救護(hù)。 為增強車門的吸能性也可嘗試采用新材料如 ,FRP( Fiber-Reinforced Plastics)材料由于具有較高 的吸能性、更好的 NV H性、重量輕以及成本低等特 點 ,有時也可用于車門制造。 由 FRP材料制成的拉 伸元件 ,起到了加固帶的作用。此外 ,根據(jù)人體不同部位的易傷害程度不同 ,可 有效控制側(cè)面變形形式。 如 ,由于人體頭部、胸部和 肋骨是最易被傷害的部分 , SAAB公司 8 將側(cè)面結(jié)構(gòu)設(shè)計成具有“

15、鐘擺式”特點 ,使 B柱底部發(fā)生大的 變形 ,而上部相當(dāng)于鐘擺的“擺心” ,使危險部位降到 人的腿部 ,而減輕側(cè)撞造成的傷害。在 M ERCEDES-BEN Z 190上采取了以下防側(cè) 撞措施: 在各立柱或車頂構(gòu)架中 ,采用了高張力鋼 板;對地板進(jìn)行了強度改進(jìn) ,并采用了貫通其左右 兩端的橫梁結(jié)構(gòu) ,既能增加強度 ,又改善和提高了對 沖擊的吸收能力 ,地板采用中央通道結(jié)構(gòu)作為傳動 通道貫通于地板前后 ,而車架十字梁把整個地板進(jìn) 行縱向截交 ,從而加強地板的剛度; 儀表板內(nèi)側(cè)設(shè) 有橫梁可以減少車身撓曲 ,減少車廂變形;側(cè)門橫 梁設(shè)計成既可以吸收沖擊能量 ,而后又能自行斷裂 , 防止其彎曲后向車廂

16、內(nèi)穿刺; 取消座椅扶手 ,減少 內(nèi)部凸起物;車門與其內(nèi)飾間插入緩沖墊 ,增加橫 向緩沖能力。日產(chǎn)公司開發(fā)的西馬高級轎車車身分為碰撞部 分與安全保護(hù)兩大部分。 其“高強度駕駛室”在碰撞 部位吸收沖擊能量 ,限制車廂碰撞后發(fā)生變形 ,還具 有“沖擊能量分散型車身側(cè)向構(gòu)造”及“沖擊能量吸 收型車門構(gòu)造”。2. 2. 3 減少后面碰撞造成的傷害 由于車身后部不存在質(zhì)量大、剛性大的部件 ,所 有碰撞能量都由車身本體吸收。 在保證車廂剛性前 提下 ,盡量將力分散到后地板、后翼子板、后立柱內(nèi) 板等車身面板上。 具體措施與防止前撞相似。此外 , VO LV O和 M ITSUBISHI公司合資生產(chǎn) 的 S40

17、 /V 40以及其它更大的 V OLVO產(chǎn)品 ,都采用 了 V OLVO 公司的用來緩沖后面碰撞對乘員頭部 沖擊而設(shè)計的頭部保護(hù)座椅 ( W HIPS)。DElPHI開發(fā)的“主動頭部約束系統(tǒng)”也是很好 的產(chǎn)品 ,它能減輕后部碰撞對乘員頭部造成的傷害。2. 2. 4 防止傷害行人 為保證低速行駛時保險杠撞擊行人造成下肢傷 害 ,以及避免汽車重要部件的損壞及維修 ,多采用能 量吸收式保險杠。為減輕行人與發(fā)動機罩、風(fēng)窗玻璃 等二次碰撞時的傷害 ,尤其是頭部傷害 ,可將風(fēng)窗玻 璃框架外部設(shè)計成軟結(jié)構(gòu) ,并盡量將門把手等裝置 設(shè)計成內(nèi)凹式 ,以及將后視鏡配備緩沖結(jié)構(gòu)。BEN Z的車牌照、后視鏡等受沖擊后

18、均可向后 傾轉(zhuǎn) ,而且保險杠、車頭前端部曲面造型設(shè)計也考慮 了對行人的安全性。 碰撞時 ,前照燈也可向后移動。2. 2. 5 減少翻車傷害 為防止翻車傷害 ,可加強車頂縱梁及立柱的剛杠。 現(xiàn)代轎車在頂蓋兩側(cè)表面使用的壓筋式凹槽不 僅可使側(cè)圍表面平滑 ,同時也可提高縱向的抗彎剛 度。2. 3 方向盤的安全性設(shè)計 為保證駕駛員安全 ,方向盤設(shè)計應(yīng)做如下考慮: ( 1)使用軟體材料制作方向盤的外層輪緣; ( 2)方向盤上的安全氣囊不僅在碰撞發(fā)生時能自動打開 ,保護(hù)司機的面部和胸部 ,同時還應(yīng)該及時 排氣 ,以免造成司機窒息;( 3)采用可壓縮式方向盤立柱 ,以吸收沖擊力。2. 4 座椅的安全性設(shè)計在

19、 SAAB開發(fā)的 900型車身中 ,首次應(yīng)用了 LEAR制造的“ SAAB安全座椅”。 這種座椅在側(cè)撞 和后撞發(fā)生時 ,能在每個乘員周圍形成一個保護(hù) ,并 對緩沖身體上部而布置于靠背的側(cè)面安全氣囊起到 穩(wěn)定的支撐作用。此座椅不僅在 B立柱上端前座椅 安全帶上安置了出色的預(yù)拉伸器 ,還12具有防水斜坡 和前、側(cè)安全氣囊。 為了使靠背受力均勻，座椅將根據(jù)撞力的幅值、乘客重量和車速將碰撞力盡可能大的區(qū)域上加以分布。3 結(jié) 語美國人機工程公司在動平衡概念基礎(chǔ)上 ,發(fā)明 了一種新式反向平衡運動 ( CBM )式座椅 ,該座椅在 碰撞發(fā)生時能使乘員與座椅一起沿曲線形滑軌運 動 ,使人體陷入座椅底部的“深谷

20、”中而使軀干向后 倒 ,從反向抵消人的前沖運動。 同時也可降低安全 帶、膝墊和氣囊等安全裝置的作用力。BEN Z公司為避免調(diào)節(jié)座椅舒適性的零件過多 而使座椅破壞概率增大 ,安裝了使座椅滑動的導(dǎo)軌 , 其上設(shè)有高強度的鋼制座椅輔助支架 ,并在座椅兩 側(cè)裝有傳動機構(gòu) ,保證撞車時座椅仍能牢固地固定 在原位 ,從而保證安全帶最大限度地發(fā)揮作用。將人機工程學(xué)原理應(yīng)用于汽車車身結(jié)構(gòu)及其附 件的安全性設(shè)計中 ,可以在車身結(jié)構(gòu)輕量化的前提 下大大提高汽車的主動與被動安全性能 ,達(dá)到事半 功倍之效 ,從而把車禍對人員造成的傷害降到最低。 根據(jù)世界各大汽車公司應(yīng)用人機工程學(xué)原理設(shè) 計安全性車身的現(xiàn)狀 ,可以預(yù)計

21、 ,今后的車身及其附 件設(shè)計將更加體現(xiàn)“以人為本”的設(shè)計理念 ,并將在 以下幾方面得到發(fā)展。 1)車身將由“軟 硬 軟”的結(jié)構(gòu)組成 ,即: 為 保護(hù)行人與乘員的安全 ,減少二次碰撞的傷害 ,凡是車身與人的接觸界面多有“軟化”趨勢; 而為了給乘 員構(gòu)造一個“安全艙” ,車身骨架的相應(yīng)部位盡可能 “剛化” ,保證碰撞發(fā)生時駕駛室不變形。( 2)大量使用能高效吸收沖擊能量的輕質(zhì)新型 材料 ,如: 鋁、 FRP等。( 3)凸 (凹 )臺、壓花、波紋型面和吸能性強的截 面形狀將被用于縱梁及橫梁的設(shè)計中 ,以防止正面、 后面和側(cè)面撞車造成的傷害。( 4)三叉形碰撞緩沖機構(gòu)將被大量應(yīng)用于各種 轎車車身的設(shè)計

22、中 ,通過三條能量傳輸通道分散沖 擊力 ,使碰撞能量快速釋放。( 5)為保證碰撞力快速傳遞到各承力構(gòu)件 , 各 梁、柱及面板間聯(lián)結(jié)剛度將被增強。而整體式車身結(jié) 構(gòu)由于傳力特性好、零件少及重量輕 ,將被廣泛使 用。( 6)大量輔助安全的電子設(shè)備將被用于車身附 件設(shè)計 ,如: ILS(智能燈光系統(tǒng) )、 AFS(先進(jìn)前照燈 系統(tǒng) )和 ITS(智能交通系統(tǒng) )等。參考文獻(xiàn): 1 馬江彬 .人機工程學(xué)及其應(yīng)用 M .北京: 機械工業(yè)出 版社 , 1993.2 e tall Design rules for structural safety E o TZH of passenger-J.Inter nationalJournal ofV e -car bodies hi c l e Design, Special Issue on VehicleSafety , 1986:95