[發(fā)明專利]一種方程式賽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310323654.3
• 申請日: 2013-07-30
• 公開（公告）號: CN103399999A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王豐元;何建勇;鄒旭東;孫剛;柳江;隋學(xué)智
• 申請（專利權(quán)）人: 青島理工大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 青島高曉專利事務(wù)所 37104
• 代理人: 張世功

1.一種方程式賽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于采用常規(guī)計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)賽車結(jié)構(gòu)的人機(jī)工程設(shè)計，包括工況設(shè)定、參數(shù)設(shè)定、人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計、賽車手模型輸出和設(shè)計優(yōu)化五個步驟，其具體工藝過程為：

第一步，工況設(shè)定包括行駛工況設(shè)定、安全工況設(shè)定、視野工況設(shè)定和賽道工況設(shè)定：

（1）行駛工況設(shè)定：根據(jù)賽車典型賽道行駛關(guān)系曲線設(shè)定賽車的行駛工況，F(xiàn)SC賽車行駛于特定的賽道，每條賽道由多個賽段組成，每個賽段包括一個彎道、一條直道和另一個彎道；賽道行駛關(guān)系曲線表示賽車在多個賽段中速度的變化，其中橫坐標(biāo)軸表示賽車在賽道上所行駛的距離，縱坐標(biāo)軸表示賽車的行駛速度；

（2）安全工況設(shè)定：安全工況的設(shè)定包括賽車駕駛過程賽車手所需的安全裝備和賽車的安全裝置，賽車手所需的安全裝備包括國際汽聯(lián)認(rèn)證的頭盔、賽車服、手套、眼部保護(hù)、鞋子、手臂束縛帶、毛發(fā)包裹、防火內(nèi)衣和襪子，賽車的安全裝置包括頭枕、防滾架、安全帶和主環(huán)包裹；

（3）視野工況設(shè)定：在分析賽車手視線時，要依據(jù)標(biāo)記的路邊線位置、道路指示錐位置、車體最高點位置；

（4）賽道工況設(shè)定：賽道工況的設(shè)定以測試賽車的轉(zhuǎn)向性能、直線加速性能和綜合性能為基礎(chǔ)，將FSC賽車的賽道分為三組不同賽道滿足測試的需求，賽車轉(zhuǎn)向性能的測試采用8字繞環(huán)賽道，8字繞環(huán)賽道設(shè)計在停車場上并安放交通錐，測試賽車在平地上做定半徑轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向性能；直線加速性能的測試選擇擺放有交通錘的75m長的平直路面賽道，平直路面賽道設(shè)計在停車場上；綜合性能的測試采用高速避障測試，評價賽車在沒有其它賽車的緊湊賽道上的機(jī)動性和操縱性；

第二步，參數(shù)設(shè)定包括賽車基本參數(shù)設(shè)定、賽車手模型參數(shù)設(shè)定和賽車手參數(shù)輸入：

（1）賽車基本參數(shù)設(shè)定：根據(jù)美國機(jī)動車工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)SAE?J1100-2005機(jī)動車輛尺寸規(guī)范定義，選取坐標(biāo)系，分別選取賽車前后方向、左右方向、垂直方向為X軸、Y軸、Z軸，且各坐標(biāo)軸與車輛地板夾角均為0；定義參考點，選取髖關(guān)節(jié)連線的中間點，即三維人體模型的軀干線與大腿線的交點作為H點，三維H點裝置放置在座椅上時的H點位置為座椅參考點簡稱S點；定義距離坐高，即H點到踵點的垂直距離H30和方向盤參考點到踏板參考點的距離L6，踵點為腳跟與車內(nèi)地板接觸點；

（2）賽車手模型參數(shù)設(shè)定：參照美國機(jī)動車工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)SAE?J826-2008中H點機(jī)械和設(shè)計工具規(guī)程和規(guī)格定義基本參數(shù)，基本參數(shù)包括R點到踵點的垂直距離、R點到踵點的水平距離、靠背角、軀干與大腿夾角、大腿與水平面夾角、膝蓋角、踝角和頭部有效空間；

（3）賽車手參數(shù)輸入：在賽車人機(jī)工程設(shè)計軟件的界面中輸入賽車手的身高、體重、坐高、大腿長、小腿長、肩寬、坐姿胸寬、胸圍、上臂長、前臂長、胸厚、坐姿大腿厚、足長和足寬相關(guān)參數(shù)；

第三步，人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計包括賽車座椅設(shè)計、賽車操作裝置設(shè)計和賽車顯示裝置設(shè)計：

（1）賽車座椅設(shè)計：

①分析賽車座椅的基本功能：賽車座椅是將賽車手和賽車聯(lián)系起來的最重要的部件之一，一方面，賽車座椅為車手提供足夠的支撐，以及保護(hù)車手的生命安全；另一方面，車手通過賽車座椅感受賽車的側(cè)向力和加速度，感知賽車車身的姿態(tài)，從而準(zhǔn)確的進(jìn)行方向和速度的輸入。

②定位H點：首先，確定H點的水平方向位置，其次，確定H點的垂直方向的位置，H點到踵點的垂直距離；

③參數(shù)定義，先確定坐姿模型的角度，坐姿模型的參考角度如表1所示：

表1：坐姿模型的參考角度

再確定座椅座面的深度、座面的寬度、座面的高度、靠背的寬度、靠背的高度和座椅側(cè)邊支撐的高度；

（2）賽車操縱裝置設(shè)計：

①分析踏板的功能：踏板是接收車手操作命令向賽車輸入加速、減速的指令的關(guān)鍵部件，也是與車手實際接觸的三個部件座椅、方向盤、踏板之一，F(xiàn)SC賽車的踏板按功能可分三類，分別是加速踏板、離合踏板和制動踏板；

②設(shè)計踏板尺寸：受賽車工況影響，F(xiàn)SC賽車的踏板大小不可調(diào)節(jié)，僅距離賽車手的距離可以調(diào)節(jié)，在踏板模型選擇時，踏板的角度選擇SAE?J826-2008模型，踏板大小根據(jù)實際情況選擇中國男性95%足部尺寸或者賽車手的尺寸進(jìn)行設(shè)計；

③分析踏板踏板力：FSC賽車的踏板力無液壓助力，力的數(shù)值較大，其中，制動踏板的最大行程為30-60mm，最大力為500-800N；加速踏板的最大行程為50-70mm，最大力為100N；離合器踏板的最大行程為50-70mm，最大力為300N；

④確定踏板傾斜角度:踏板傾斜角度是加速踏板在未踏下時，與地板平面所成夾角，H30是人機(jī)工程設(shè)計的最基本參考點，取為胯部關(guān)節(jié)點H點到踵點的垂直距離，根據(jù)乘用車推薦數(shù)據(jù)，考慮到賽車垂直方向上空間緊張，選定H30值，可以求得踏板傾斜角度；

⑤確定踏板位置尺寸：前后位置是踏板前平面到HP，即hard?point的距離，由于FSC賽車的踏板前后位置可調(diào)，根據(jù)人體模型推移定位和H30確定；左右位置為加速踏板與剎車踏板的間距，剎車踏板與離合踏板的間距為，參照人體腳部施力特性確定，同時確定剎車踏板與H點的軸向距離；

⑥設(shè)計方向盤：方向盤是賽車手向賽車傳達(dá)轉(zhuǎn)向命令的唯一部件，方向盤的大小和形式是方向盤設(shè)計的重點，確定方向盤直徑、方向盤夾角、向盤到H點的水平距離和方向盤到H點的垂直距離，其中，方向盤直徑為方向盤最大外輪廓的直徑數(shù)值；方向盤夾角為方向盤與豎直平面的夾角，順時針為正，逆時針為負(fù)；方向盤到H點的水平距離用于確定方向盤的水平位置；方向盤到H點的垂直距離用于確定方向盤的豎直位置；

（3）賽車顯示裝置設(shè)計：

①分析顯示裝置的功能：FSC賽車顯示裝置是指能通過可視化的數(shù)值、文字、曲線、符號、標(biāo)志、圖形、可聽的聲波以及其他人體可感知的刺激信號向賽車手提供賽車各種運行信息的器具，在視覺顯示裝置類型的劃分中，可按其顯示形式的不同劃分為儀表顯示裝置和信號燈顯示裝置，儀表顯示裝置的參數(shù)包括發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油量、車速、水溫和檔位；信號燈顯示裝置的參數(shù)包括發(fā)動機(jī)故障、機(jī)油指示、換擋提示燈和空擋指示燈，其中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速儀表、檔位顯示和換擋提示燈在賽車手駕駛過程中起到的作用最大，幫助賽車手選擇合適的換擋時機(jī)；

②確定顯示裝置的布置區(qū)域：儀表板的視距為560-750mm，視距越近越好；儀表板與車輛地板的夾角為60°-75°；儀表板視區(qū)的水平視野為20°-40°，垂直視野為視平線下30°；視野中心為3°。

③布置儀表信號燈：儀表參數(shù)讀取時，視線與儀表垂直時準(zhǔn)確率最高，斜向45°觀察是垂直觀察讀取誤差的2-5倍，根據(jù)儀表顯示燈在賽車比賽中的重要程度，將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速顯示、車速顯示和水溫顯示在視野中間，將發(fā)動機(jī)故障顯示、空擋顯示和制動燈顯示布置在視野20°-40°范圍內(nèi)，視野距離為46～71cm；

第四步，賽車手模型輸出：輸入設(shè)定的參數(shù)后，結(jié)合人機(jī)數(shù)據(jù)庫和人機(jī)工程基本原理輸出賽車手三維模型；

第五步，設(shè)計評價：賽車人機(jī)分析軟件為用戶提供設(shè)計評價功能，滿足用戶評價與優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)計方案的需求，設(shè)計評價功能的實現(xiàn)根據(jù)FSC賽車模型參數(shù)建立相應(yīng)的三維模型，記錄參數(shù)參考點的坐標(biāo)值，將坐標(biāo)值輸入到軟件中，軟件通過對比模板庫數(shù)據(jù)給出優(yōu)化結(jié)果；在輸入時，主要參數(shù)包括H點、R點到踵點的垂直距離、R點到踵點的水平距離、靠背角、軀干與大腿夾角、大腿與水平面夾角、膝蓋角、踝角、頭部有效空間、座椅參考點、踵點、H點到踵點的垂直距離、方向盤參考點到踏板參考點的距離。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方程式賽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于涉及的計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)及賽車人機(jī)分析軟件包括基礎(chǔ)支持軟件CATIA?V5、SQL?Server?2000和Microsoft?Visual?Studio?2010，CATIA?V5用來建立FSC賽車模型、賽車手三維模型以及賽車座椅、操縱裝置和顯示裝置的三維模型，SQL?Server用來實現(xiàn)賽車人機(jī)設(shè)計中駕駛艙模型數(shù)據(jù)的管理，Microsoft?Visual?Studio?2010用于軟件的編程和接口設(shè)計；軟件的基本功能包括：

（1）創(chuàng)建FSC賽車車手模型：當(dāng)用戶輸入人體身高、體重和坐高基本尺寸后，軟件自動建立相應(yīng)賽車手的三維模型；用戶可以根據(jù)賽車工況分析和人體坐姿的特點選擇調(diào)整賽車手模型的坐姿；

（2）創(chuàng)建FSC賽車模型：用戶輸入賽車車架設(shè)計中的駕駛艙開口的尺寸數(shù)據(jù)以及主環(huán)和前環(huán)的尺寸數(shù)據(jù)后，軟件通過后臺函數(shù)分析創(chuàng)建合適的賽車駕駛艙模型；

（3）優(yōu)化已有設(shè)計方案：根據(jù)界面提示，用戶輸入賽車模型和賽車手模型的關(guān)鍵數(shù)據(jù)參數(shù)，軟件通過數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)分析用戶的設(shè)計方案，并給出優(yōu)化結(jié)果；

（4）設(shè)計方案管理功能：根據(jù)用戶設(shè)計操作，將不同的設(shè)計方案保存管理，并可以對已經(jīng)完成的設(shè)計方案進(jìn)行維護(hù)和變更。

（5）啟動其他軟件：啟動在建模中使用的CATIA?V5。