FSAE赛车车架的人机工程设计
赵帅, 隰大帅, 王世朝, 王达, 姜莽
吉林大学
【摘要】在赛车开发过程中，人机工程设计是及其重要的设计工作。
FSAE赛车是单人驾驶的方程式赛车，在满足大赛规则规定的前提下，应尽量保证车手具有合适的驾驶姿势、可以方
便地进行各项驾驶操作，并合理安排赛车驾驶舱的空间布置，使整辆赛车紧凑而高效。
在本次
FSAE赛车的设计过程中，吉林大学FSAE车队依照V字形开发流程，主要利用CATIA软件进
行初步设计并搭建木条模型完成设计工作。
【关键词】 FSAE ，车架，人机工程设计
Ergonomics Design for FSAE Race Car Frame
Zhao Shuai, Xi Dashuai, Wang Shichao, Wang Da, Jiang Mang
Jilin University
Abstract:During the process of designing a race car, ergonomics is a very important part. Considering FSAE race car is for one racer, we should ensure that the racer has a right posture to control expediently. On the other hand, a more reasonable cabin-space layout can make the whole car compact and efficient. Based on the V design flow, JLU racing team finished the work by Dassault CATIA engineering software and manual wooden model.
Key words: FSAE, Frame, Ergonomics
1引言
FSAE赛车的人机工程主要关系到赛车车架的结构设计。
车队从大赛的相关规则规定入手，同时满足车手的驾驶条件，利用CATIA软件逐步设计出满足最低条件的车架模型，之后通过搭建1:1木条模型进行修改完善，最终确定车架的人机结构。
开发流程如图1。
大赛的基本要求确定车架的结构和尺寸
①车手的驾驶姿势 多次完善修改
②驾驶舱的空间布置
③腿部空间 搭建1:1
…… 木条模型
满足条件的
车架模型
图1 V字形开发的基本流程
1.1《中国大学生方程式汽车大赛规则》（以下简称《规则》）相关规定
（1）《规则》3.9：当车手正常乘坐并且在车手约束系统的约束下，一个第95百分位男性和该车队所有车手的头盔：
a）必须与前环顶端和主环顶端的连线有至少50.8毫米(2英寸)的距离（图2a）
b) 如果主环支撑置后，头盔必须与主环顶部和主环支架底端末尾连线至少有50.8毫米的间距（图2b）
c）如果主环支撑置前，头盔不可以超过主环后表面。
（2）《规则》3.17：车手的双脚必须完全包裹在框架的主体结构之中。
当车手的脚接触踏板时，从侧面和前面看，车手脚的任意部分都不准伸出或高于车架之外。
（3）《规则》4.1：驾驶舱开放规定，为了给驾驶舱的开口有足够的尺寸，大赛模板将被插入开放的驾驶舱内。
（4）《规则》4.2：驾驶舱内部横断面规定，一个自由垂直的横断面允许大赛模板可以被水平的通过从驾驶舱内距离踏板后端面之后100mm处的内操纵舱的位置，并且在其整个长度内都要保持这个状态。
（5）《规则》4.7：车手视野规定，车手必须具有车前面与车侧面良好的可见度。
当车手坐在正常位置时，他的视角需为200度（左右各100度）。
要求的视角可以包括车手转头或使用反视镜所看到的角度。
图2a 图2b
2车手的驾驶姿势
车手模型使用1988年中国95百分位男性和5百分位女性人体尺寸数据制作，考虑可容纳95%男性模型（身高178cm）。
（1） H30：H30是人机工程设计的最基本参考点，取为H点（胯部关节点）到AHP （踵点，脚跟与车内地板接触点）的垂直距离。
根据乘用车推荐数据，跑车的H30为120mm～170mm，考虑到赛车垂直方向上空间紧张，选定H30=120mm。
（2）踏平面角度：踏平面角度是加速踏板在未踏下时，与地板平面所成夹角。
可以通过H30代入公式求得。
本例中，以H30=120mm计算得，踏平面角度74.86deg。
（3）踏板位置：经过人体模型推移定位，可以确定加速踏板、制动踏板和离合器踏板的中心点坐标。
以整车坐标系原点为基准，三个踏板的中心坐标分别是：（-300，100）（-290，30）（-295，-80）。
（4）踏板行程：根据舒适范围计算得，所有踏板踏到底的踏平面角度不能低于45deg。
（5）方向盘位置L6：L6表示方向盘中心到AHP的水平距离，根据总布置酌情选取。
在方向盘不干涉人体的情况下，选定L6=595±10mm。
（6）方向盘倾角：根据眼椭圆倾角，方向盘平面与水平面之间的夹角应为78±2deg.
（7）方向盘尺寸：方向盘外缘直径不可大于330mm（13inch）。
（8）仪表盘位置：仪表盘应平行于方向盘平面，另外，在该方向盘位置下，方向盘平面是最适合布置仪表的位置（距离眼点550mm）。
倘若不便于在方向盘上布置仪表，则仪表盘应距离方向盘平面150mm以内。
根据以上几条限定，在CATIA V5中确定的人体坐姿模型如图3a、图3b。
图3a：坐姿模型1 图3b：坐姿模型2
3基于人体坐姿的车架设计及空间布置
3.1车架的初步设计
根据规则的设计要求及初期悬架硬点和各总成的位置要求，首先完成车架的整体框架。
即在CATIA软件中依据坐标建立点线模型，然后赋予模型截面属性。
从而生成三维车架模型。
此时主环高度、前环高度、驾驶舱宽度以及腿部空间长度尚不确定，均为待调整量。
主环与前环的高度应保证车手头部与主环前环顶部连线的距离，驾驶舱宽度应满足规则的测试模板，腿部空间长度除满足测试模板外，还应考虑车手踩踏踏板时便利性。
初步设计的车架模型如图4。
3.2车架相关尺寸的确定
3.2.1主环与前环的高度
图4：车架初步模型 图5：头盔约束示意图
打开CATIA装配模块，并将人体坐姿模型与车架的三维模型一起导入装配环境下，调整人体与车架模型的相对位置，使其符合驾驶姿态。
将主环顶端与前环顶端连线，考虑头盔的厚度为20mm，为达到车手头盔与连线、主环
支架的距离不得小于50mm，调整主环前环高度，如图5所示，此时人体头部距离连线105.5mm，距离主环支架76mm，距离足够。
确定后的主环前环高度见表1（车架的人机尺寸）。
3.2.2驾驶舱尺寸的确定
建立大赛规定用的空间测试模板，并将其导入装配图中。
要求驾驶舱测试板能够垂直插入直到穿过侧防撞结构的顶端管件的底部。
（图6）
要求横断面测试板能够水平的通过从驾驶舱内距离踏板后端面之后100mm处的内操纵舱的位置。
（图7）
图6：驾驶舱测试 图7：驾驶舱横断面测试
3.2.3腿部空间尺寸
腿部空间关系到车手踩动制动踏板的便利性，逃离驾驶空间所需的时间，以及转向系统以及制动系的布置形式甚至upright的结构形式。
根据95百分位中国男子模型的腿长，暂定车架前隔板距离前环下焊点的距离为850mm，转向系统布置方式为下置。
4搭建木条模型
图8a：第一版木模 图8b：第二版木模 根据CATIA人体坐姿模型的设计结果，我们搭建了车架1:1比例的木条模型（图8a、图8b），各位车手进入车架进行模拟驾驶，根据车手反馈的信息，在原有车架模型的基础上进行修改和完善。
通过搭建模型，发现了软件建模欠准确的地方：
①人体模型仅是人体身高的统计值，在某种程度上具有一定的准确性，但并不能完全替代车手的实际身材。
②人体模型的空间位置是通过摆放确定的，然而无法模拟出车手的实际感受，所以搭建木条模型获取车手真实的驾驶感受是十分必要的。
搭建模型后，做出了以下修改：
①缩短了腿部空间的位置，修改了转向系统的布置形式，使整车结构更加紧凑。
②降低了主环高度
③修改了前环前部的杆系结构。
5车架人机尺寸确定
经过上述设计过程和后期的多次修改，车架的人机尺寸确定，具体尺寸如表1所示： 项目 数据 项目 数据
主环高度 1170mm 腿部空间长度 700mm
主环宽度 818mm 腿部空间宽度 400mm
主环倾角 0deg 驾驶舱最小长度 612mm
前环高度 562mm 驾驶舱最大长度 725mm
前环宽度 400mm 驾驶舱最小宽度 400mm
前环倾角 12deg 驾驶舱最大宽度 818mm
表1 车架尺寸
6结束语
车架的人机工程设计过程中，利用CATIA软件建立了95百分位人体坐姿模型，完成了 车架的人机工程初步设计，之后搭建了木条模型，弥补了软件设计的不足。
设计好的车架完全满足驾驶员的驾驶需求，为赛车发挥优异的性能奠定了基础。
参考文献
1中国汽车工程学会.中国大学生方程式汽车大赛规则.2009
2北京兆迪科技有限公司. CATIA V5宝典.电子工业出版社.2009
3郑午.人因工程设计.化学工业出版社。
2006；
4毛恩荣.汽车人机工程学.北京理工大学出版社.1999。