微型轿车后备箱人机工程评价

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date微型轿车后备箱人机工程评价微型轿车后备箱人机工程评价微型轿车后备箱人机工程评价杜子学，郭庆祥(重庆交通大学 机电工程学院，重庆 400074）摘要：以立姿状态下驾驶员在常态时取用后备胎为例，利用RAMSIS人体模型，在轿车数字模型上进行人机工程布置，计算驾驶员的操作力与不舒适性指标值，进行人机工程分析。为提高评价的科学性，运用了模糊综合评价方法来分析驾驶员的舒适性，使评价结果更加清晰、全面、合理。关键词：轿车后备箱；RAMSIS；人机工程；模糊综合评价中图分类号：TP391.9 文献标志码：A 文章编号：1674-0696(2011)01-0000-00Ergonomic Evaluation to Car TrunkDU Zi-xue，GUO Qing-xiang(School of Mechanic Electronics & Automotive Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)Abstract：This paper introduce a method to evaluate the ergonomic analysis, with the typical example that by use of RAMSIS to calculate the drivers operating scale and uncomforting index when he accesses to the spare tire in normal standing state, with the aid of RAMSIS human body and car model. And on the other hand, fuzzy comprehensive evaluation method is also used to analysis the drivers comfort index to improve the scientific and accurate of the evaluation, and so on to make the evaluation more comprehensive, clear and reasonable.Key words：the luggage compartment; RAMSIS; ergonomics; fuzzy comprehensive evaluation;-前言在新车型的开发中，为获得高效安全的人机系统，保证驾驶员的舒适性，探索一种全面客观的评价方法非常重要。本文对驾驶员立姿取用物品进行舒适性评价，目前国内在汽车开发中对驾驶员坐姿的人机工程分析比较深入，但对驾驶员立姿的研究还不够，特别是在短时间内驾驶员处于恶劣环境下的人机工程操作性分析，还没有一个明确的标准，因此本文利用RAMSIS软件对某公司新开发轿车进行立姿人机工程分析，并运用模糊综合评价方法进行了人机工程评价。1轿车的建模运用CATIA V5 R18软件对轿车建立适合人机工程的数学模型。该轿车是针对于中国的二三级市场开发的经济型轿车产品。总体尺寸达到4110mm1630mm1450mm,轴距2400mm，整车及后备箱建模如下图 1。 图1 轿车整车数模收稿日期：2010-11-08；修订日期：2010-11-24作者简介：杜子学(1962-)，男，河北邯郸人，教授，博士，主要从事现代汽车设计方法与理论、人机工程学、汽车空气动力学方面的研究。E-mail：dzxdzxl；电话023-62650377。Fig.1 Cars CAD model2驾驶员取用备胎舒适性及操作力分析2.1 驾驶员人体模型的选取1根据校核项目、产品满足度要求和产品使用对象的要求，分别选取第5百分位、第50百分位及第95百分位的RAMSIS中国男性人体模型，对驾驶员使用后备箱进行人机工程校核分析。由于选用尺寸范围越大，产品设计难度就越大，因此没有考虑女性取用后备胎的情况。2.2 工作环境利用RAMSIS软件，分析驾驶员从汽车后备箱取用轮胎的舒适性。驾驶员的工作环境为处于站立姿势从后备箱取出轮胎，其中轿车后备箱主要数据如图2。图2 轿车后备箱相关尺寸Fig.2 Car trunk sizes2.3 操作力分析原理与结果应用RAMSIS人体模型，取用轮胎的操作力分析结果按maximum100%（最大力）、permanent15%（持续力）、tolerable60%（可忍受力） 3种力的类型情况以图表形式显示，图3为50百分位左手maximum100%情况下操作力情况，用户可以清楚地看到驾驶员的操作力的数值。同理可以得出其他3种情况下不同百分位的人体操作力的数值简化表，如表1。在立姿操作时，手臂处于不同角度和不同方位时的推力及拉力是不同的。由图4说明，手臂的最大推力在肩上方0方向上，而最大拉力在肩下方180方向上。人体在前臂伸直时，向侧面的推力值略小于向前的推力值。因此，应该尽量将推拉形式的操作装置布置在有利于发挥最大操纵力的方向和位置上2。表1 驾驶员操作力情况Tab 1 Drivers operation force人体模型5%人体模型50%人体模型95%人体模型操作力类型最大力持续力可忍受力最大力持续力可忍受力最大力持续力可忍受力左手最大力（N）最大消极力N148.322.289.0189.228.4113.5194.129.1116.5最大肌肉力N124.418.774.687.213.152.373.911.144.3支撑力N-5.113.019.5-5.113.019.5-5.113.019.5-11.1 -28.2-42.1-11.1 -28.2-42.1-11.1 -28.2-42.125.6-65.4-97.625.6-65.4-97.625.6-65.4-97.6右手最大力（N）最大消极力N184.327.6101.6156.923.594.1121.518.372.9最大肌肉力N121.818.373.1105.015.86390.613.654.3支撑力N-13.3 -34.0-50.8-13.3 -34.0-50.8-13.3 -34.0-50.8-11.1 -28.2-42.1-11.1 -28.2-42.1-11.1 -28.2-42.1-6.6-16.8-25.1-6.6-16.8-25.1-6.6-16.8-25.1人体处于立姿且手臂水平向前伸直的情况下，一般男性的平均瞬时拉力可达689N；手做前后方向的运动时，推力小于拉力，连续操作的拉力约294N，平均的瞬时拉力可达1078N。手做左右方向的运动时，则拉力小于推力，最大推力可达392N。根据工作环境要求，取用备胎属于短时行为，所以只考虑最大操作力要求，即Maximum(100%)情况下的操作力，由表1可看出，第50百分位中国男性左手最大肌力和最大消极力分别是189.2N和87.2N，右手最大肌力和最大消极力分别是156.9N和105N，由此可推断50百分位的人体操作力符合要求。同理可以得出5百分位和95百分位人体操作力也符合要求。 图3 左手maximum100%情况下的50百分位人体模型的操作力情况 Fig.3 Left hand operate force of 50% human under the max100%图4 立姿手臂伸直时的操纵力的分布Fig.4 Standing position unbend arm and operatingforce distribution 图5 应用RAMSIS软件布置假人模型 图6 50百分位的舒适性图Fig.5 Layout model by RAMSIS Software Fig.6 50% body comfort diagram 表2 驾驶员取用备胎不同百分位舒适性简化表Tab 2 Different body of comfort simplified table各百分位人体模型5百分位人体模型50百分位人体模型95百分位人体模型舒适性整体不舒适感疲劳度4.54.64.4不舒适感5.25.35.1身体部位不舒适感劲部5.15.14.8肩膀5.25.75.5背部2.42.32.4臀部1.21.41.5左腿5.14.84.9右腿5.35.34.7左臂3.53.63.0右臂3.13.03.2健康指数脊柱健康指数4.74.34.22.4 舒适性分析原理与结果3RAMSIS假人模型取用轿车后备箱轮胎姿态如图5。由于轿车数模数据较大，为提高计算速度，只保留轿车后备箱以及部分侧围数模，而将轿车其它部分隐去。采用RAMSIS舒适性分析工具对人体模型取用轮胎舒适性进行分析，其显示结果以图表形式显示，图6为50百分位的舒适性图表，用户可以清楚地看到代表驾驶员的舒适性指标的数值。利用相同方法可以得出其他百分位的数值，简化后如表2。从表2可看出第5、50、95百分位男性人体模型的各不舒适性指标值均在较大的范围，只有颈部、臀部在可接受范围。但是，对于驾驶员立姿取用备胎状态，属于在恶劣环境下操作且短时行为，仅仅使用软件对驾驶员舒适性进行评价不够全面。所以本文应用模糊评价法进一步评价驾驶员的舒适性情况。3驾驶员取备胎舒适性模糊综合评价3.1 模糊综合评价基本原理模糊综合评价分为单级模糊评价和多级模糊综合评价法；多级模糊综合评价法多应用于解决复杂问题。考虑到舒适性的影响因素比较复杂，因此对驾驶员取用备胎的舒适性评价，采用二级模糊综合评价模型。二级模糊综合评价模型依据的基本原理是将众多要考虑的因素为成两层，并保证各层里包含较少的影响因素，首先评价第一层中因素，再依据第一层的评价结果对第二层进行综合评价。所以，根据二级模糊综合模糊评价的基本原理，将驾驶员取用轮胎舒适性评价分为2层：第一层评判驾驶员舒适性因素为第95百分位、第50百分位及第5百分位男性驾驶员；第二层进行综合评判4。舒适性的模糊综合评价，必须确定出能够反映舒适性的评价集、因素集、权重集和隶属函数。3.1.1 因素集在第一级评价中，立姿舒适性的因素集由人体的各舒适性指标值来组成，由此，可确定其子因素集为X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，其中X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11依次代表疲劳程度、不舒适程度、劲部舒适度、肩膀舒适度、背部舒适度、臀部舒适度、左腿舒适度、右腿舒适度、左臂舒适度、右臂舒适度及脊柱健康指数。在二级评价中，因素集是由人体的不同百分位来组成，因此，因素集可确定为第5百分位、第50百分位、第95百分位。3.1.2 评价集评判者对评判的对象可能作出的各种评判结果所组成的集合即评价集。立姿舒适性的评价集可以用V=优；良好；较差；糟糕进行描述。这里 “优”代表立姿舒适性为最佳；“良好”代表立姿状态可接受；“较差”代表立姿状态不舒适，需对设计进行部分改进；“糟糕”代表舒适性不佳，需要完全修改设计。在RAMSIS中，不舒适评价刻度定级为8级，其中8为最不舒适级别。将不舒适性指标变量用Xi表示，又因为评价集为4级，所以设定X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10的子因素评价区间为： 0，2 =优，2，4 =良好，4，6 =较差，6，8 =糟糕；而脊柱健康指数，这一指标变量的评价区间定为：0，4 =优，4，6 =良好，6，7 =较差，7，8 =糟糕 5。3.1.3 隶属函数在实数集范围内，隶属函数一般有3种类型：偏小型、中间型、偏大型6。另外，隶属函数必须要能体现出因素变化对舒适性的影响。由于只有在相邻等级结果之间才会存在判断模糊性，而在其它评价区间，隶属度取常数0或1。因此，在舒适性的评价模型中，采用半梯形分布的偏小型和偏大型隶属度函数进行计算。这样我们可以得出指标值越大舒适程度越差的隶属度函数为： (1) (2)3.1.4 两级因素权值的确定对各因素赋予相应的权值具有极其重要的意义。权值能够反映出各因素的重要程度，对于相同的因素，若权值不同，则评价的最后结果也可能不同。在舒适性的评价中，要素X1，X2,X11评价的权重值为A，各权值可视作各因素Xi对“重要程度”的隶属度，这里要满足非负性和归一性条件。采用下列公式确定第一级因素的权值7： (3) (4) (5)第二级的综合评价需要确定第5百分位、50百分位和95百分位中国男性人体模型的权值。这其中，权值的确定主要考虑的是3种百分位人体模型各自重要程度。除此之外，人口百分比、车型、地域也对权值有影响。由于我国大部分男性身高处在第50百分位附近，因此50百分位的权值取最高。由此确定，第5、50、95百分位人体模型权值为：A=0.25，0.45，0.3 。3.2 模糊综合评价系统应用由上节，在确定了评价集、因素集、隶属函数及权值后，就可以对立姿状态下驾驶员取用备胎的舒适性进行综合评价。由表2可知第5、50、95百分位中国男性人体模型在正常情况下的立姿取用备胎不舒适性指标值。根据4个等级评价标准，由式(1)、(2)可建立4个隶属函数8 9：优： ； (6)良好： ； (7) 较差： ； (8)糟糕： ； (9) 通过隶属函数公式(6)、(7)、(8)、(9)可求得第5百分位、第50百分位、第95百分位立姿状态下人体模型的舒适性子因素评价矩阵： 表 3 95%人体模型第一级因素权值系数计算表Tab 3 First-level factors weights on the 95% human系数疲劳不舒适感劲部肩膀背部臀部左腿右腿左臂右臂脊柱4.45.14.85.52.41.54.94.73.03.24.211.214.55.255.472.371.374.935.13.373.14.41.021.021.040.990.990.911.011.091.120.971.050.0910.0910.0930.0880.0880.0810.090.0970.09990.870.094根据公式(3)、(4)、(5)能够确定95百分位的人体模型第一级因素权值系数，结果如表3。所以，第95百分位人体模型的第一级因素权值为：A95%=(0.091 0.091 0.093 0.088 0.088 0.081 0.090 0.097 0.0999 0.087 0.094).同理得第5百分位和第50百分位的第一级因素权值为：A5%=(0.091 0.091 0.089 0.096 0.09 0.103 0.088 0.087 0.087 0.091 0.086) A50%=(0.09 0.09 0.09 0.088 0.095 0.09 0.095 0.088 0.086 0.095 0.094)利用模糊运算子“o”，其中在本文“o”选用加权平均算子，该算子与其它算子相比能最大限度的保留过程信息，信息失真最少，这样可求得3种不同百分位人体模型的坐姿舒适性一级评价向量：取二级因素权值A=0.3，0.45，0.25，可得二级综合评价向量：其中，R为子因素X1，X2，X11评判矩阵所组成的综合评判矩阵。由综合评价向量B可知，隶属度为优的评价为0.2405，隶属度为良好的评价为0.4632，隶属度为较差的评价为0.2963，隶属程度为糟糕的评价为0.2963根据最大隶属度原则，良好的隶属度最大，可得出对该车后备箱取用轮胎的评价为良好。 4结 语应用RAMSIS人体模型，可有效进行立姿下的轿车操作舒适性和操作力分析。分析表明，所分析的轿车后备箱备胎布置符合车辆人机工程设计要求。在分析的同时，本文建立了适合在短时恶劣情况下立姿状态舒适性设计方法，可为以后车型的人机工程设计方法提供参考。 参考文献(References)：1 GB/T15759-1995. 人体模板设计和使用要求S. 北京：中国标准出版社，1996. 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