автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Методологическое обеспечение компоновки рабочего места водителя легкового автомобиля

На правах рукописи

Г

ИСАЕВ ЕВГЕНИЙ УРАЛБАЕВИЧ

МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПОНОВКИ РАБОЧЕГО МЕСТА ВОДИТЕЛЯ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ

Специальность 05.05.03-Колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 г осЗ

Тольятти, 2008

003461130

Работа выполнена в Тольятгинском государственном университете.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

кандидат технических наук, доцент Соломатин Николай Сергеевич

заслуженный машиностроитель РФ, доктор технических наук, профессор Умняшкии Владимир Алексеевич

кандидат технических наук, профессор

Степанов Игорь Сергеевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ООО «ПСА « ВИС-АВТО»

Просим Вас принять участие в заседании диссертационного совета или направить по указанному адресу отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью.

Защита состоится «26» февраля 2009 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.140.01 при Московском государственном техническом университете «МАМИ» по адресу: 107023. г. Москва, ул. Б.Семеновская. 38. МГТУ «МАМИ», ауд. Б-304.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского государственного технического университета «МАМИ».

Автореферат разослан «23» января 2009 г. ^/Ученый секретарь диссертационного совета )

Щетинин Ю.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На этапе эскизной компоновки легкового автомобиля необходимо учитывать ряд потребительских требований, связанных с рациональным распределением его внутреннего пространства между моторным отделением, салоном и багажным отделением, а также с удобным размещением водителя и пассажиров на сиденьях и доступным расположением внутри салона органов управления. В этой связи, актуальны исследования, направленные на разработку расчетных методов решения компоновочных задач, выдающих адекватные эргономическим требованиям результаты решения. В свою очередь, расчетный аппарат позволяет полностью или частично автоматизировать рабочий процесс, тем самым сокращая время и затраты на проектирование. В свете современных подходов в проектировании, наиболее актуальны исследования, основанные на применении 3D графического моделирования.

Цель работы. Разработка методологии компоновки на основе математического и 3D графического моделирования, позволяющей качественно проектировать рабочее место водителя легкового автомобиля.

Методы исследования. Математическое моделирование основывается на методах аналитической геометрии и теории механизмов (раздел - кинематическое движение звеньев). Теоретические исследования реализованы с применением программного продукта 3D графического моделирования CATIA V5, в частности, задействованы такие его модули, как кинематический "DMU Kinematics" и параметрический "Knowledge Adviser". Экспериментальные исследования основаны на методах экспертной оценки рабочего места водителя в процессе эргономических испытаний.

Объекты исследований:

- компоновочная схема рабочего места водителя двухместного комфортабельного особо компактного городского автомобиля 11SC, принятого к разра-' ботке на кафедре «Автомобили и тракторы» Тольяттинского государственного университета;

- компоновочные схемы рабочих мест водителя действующих образцов автомобилей ВАЗ.

Научная новизна:

- разработана пространственная геометрическая модель человека - манекен, обладающий достаточным набором антропометрических параметров и адаптированный для решения компоновочных задач по проектированию рабочего места водителя;

- разработаны математические модели взаимодействия пространственной геометрической модели человека с основными органами управления: педалью

акселератора, педалью тормоза, педалью сцепления, площадкой для отдыха левой ноги, рычагом коробки переключения передач, рычагом стояночного тормоза;

- разработан комплексный оценочный показатель удобства пользования органами управления по результатам решения компоновочных задач, вычисляемый на основе анализа значений углов в суставах манекена.

Практическая ценность. Предложенные расчетные методы решения компоновочных задач по разработке рабочего места водителя позволяют значительно сократить сроки проектирования и затраты на доводку легкового автомобиля по эргономическим требованиям. Разработанный на их основе алгоритм компоновки в программном продукте САНА У5 автоматизирован и позволяет выдавать решения в виде сформированного ЗО графического объекта. Данный объект содержит:

- описывающие воздействия водителей различных уровней репрезентативности на органы управления рабочие области рук и ног, используемые в качестве пространственных ограничений при проектировании элементов интерьера;

- положения точек «Я» водителей различных уровней репрезентативности, используемые при проектировании механизма регулировки сиденья;

- пространственные расположения, пределы рабочих ходов и регулировок органов управления автомобилем, используемые при их конструировании.

Реализация работы. Результаты диссертационных исследований внедрены в учебный процесс на кафедре «Автомобили и тракторы» Тольятгинского государственного университета и применены в Отделе общей компоновки Научно-технического центра ОАО «АВТОВАЗ» при компоновочных работах над перспективными проектами класса «В».

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на научно-практических конференциях в ОАО «АВТОВАЗ», посвященных современным подходам в проектировании в Тольятти в 2003 и 2004 г., на Всероссийских научно-технических конференциях в Тольяттинском государственном университете в 2004 и 2005 г., на научных симпозиумах в Москве в МГТУ им. Н.Э. Баумана и МГТУ «МАМИ» в 2005 г., на выставках «Научно-техническое творчество молодежи» в Москве в 2005 и 2006 г., на Международной научно-технической конференции в НГТУ в Нижнем Новгороде в 2005 г., на Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров в Ижевске в 2006 г., на кафедре «Автомобили и тракторы» ТГУ и на кафедре «Автомобили» имени Е.А. Чудакова МГТУ «МАМИ».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, включая статью в издании из перечня ВАК РФ, учебное пособие с грифом УМО.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы из 117 наименований и четырех приложений. Основная часть работы изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе выполнен анализ работ, затрагивающих начальную стадию проектирования автомобиля в области компоновки пространства автомобиля.

Данная тематика затрагивается в работах Ашкина В.А., Евграфова А.Н., Кравца В.Н., Кудрявцева A.M., Москалюка А.Н., Павловского Я., Родионова В.Ф., Скубы Д.В., Фиттермана Б.М., Степанова И.С., Тесленко Г.П., Умняшки-на В.А., Штробеля В.К., Geoffrey S.P., Hammond D.C., Rebiffé R. и др.

Отмечается важность этапа эскизного проектирования для разработки комфортабельного легкового автомобиля, конкурентоспособного среди автомобилей-аналогов. Как правило, это достигается за счет соблюдения различного рода потребительских требований при проектировании геометрии автомобиля. Большое внимание на этом этапе уделяется эффективной и качественной разработке схемы вместимости. В работе над ней учитывается комплекс требований: эргономических; законодательных национальных и международных; к аэродинамике автомобиля; к дизайну экстерьера и интерьера; к конструкции каркаса кузова.

Существующие методы определения геометрических параметров интерьера автомобиля и расположения органов управления основаны на применении геометрической модели манекена.

По анализу существующих моделей манекенов и различных подходов к компоновке рабочего места водителя отмечены недостатки применения плоского представления геометрических моделей манекенов, в виду их примитивности и малой объективности для полноценного анализа схемы вместимости. Наиболее качественными являются методы проектирования, основанные на применении объемного представления геометрических моделей манекенов. Однако, существующие 3D программные продукты, содержащие 3-х мерные

геометрические модели манекенов, позволяют проводить лишь эргономический анализ по уже принятым компоновочным решениям.

Существующая практика компоновки рабочего места водителя основывается на эмпирических методах, базирующихся на рекомендациях, полученных на основе статистических исследований.

На основе анализа выполненных исследований и, исходя из цели настоящей работы, сформулированы задачи исследования:

1. Разработать пространственную геометрическую модель человека адаптированную для решения компоновочных задач по проектированию рабочего места водителя;

2. Разработать математические модели взаимодействия водителя с основными органами управления посредством пространственной геометрической модели человека;

3. Разработать алгоритм компоновки рабочего места водителя с применением программного продукта ЗБ графического моделирования на базе созданных математических моделей для синтеза проектных решений и представления результатов решения в виде ЗБ графического объекта;

4. Выработать оценочный критерий удобства пользования органами управления по результатам решения компоновочных задач;

5. Провести проверку адекватности математических моделей, основываясь на результатах эргономических испытаний положений органов управления с привлечением группы экспертов;

6. Исследовать влияние положения органов управления на удобство пользования ими.

Вторая глава посвящена математическому моделированию процессов управления автомобилем для проектирования рабочего места водителя.

В результате разработаны:

- пространственная геометрическая модель человека - манекен, адаптированный для решения компоновочных задач;

- математические модели воздействия водителя на органы управления, позволяющие определять геометрические параметры, диапазоны регулировок, пределы рабочих ходов и относительное пространственное расположение данных органов управления.

Основными составляющими пространственной геометрической модели человека являются:

- шарнирная модель - так называемый «скелет» манекена, представляющий собой пространственную шарнирную цепь соединенных между собой эле-

ментов частей тела согласно антропометрическому строению человека (рис.

1 а);

- аппроксимированная поверхностная модель, состоящая из аппроксимированных поверхностей частей тела, как бы «нанизанных» на элементы шарнирной модели (рис 1 б).

а) Шарнирная модель б) Аппроксимированная модель

Рис. 1 Пространственная геометрическая модель человека - математическая модель - система уравнений, описывающая пространственное расположение точек и величины антропометрических параметров шарнирной модели, а также содержащая уравнения поверхностей частей тела аппроксимированной модели.

Общий вид математической модели манекена, опираясь на методы аналитической геометрии, можно представить в следующем виде:

Р,Р;(Р)=^ -х,)2 -у,]' +(*, -4*

Р.РАР) = Р,Р, (95) + ^/> (95) - Р,Р] (5)); (1}

/ Ф у, 1 < / < //; 1 < / < /г, / с .V; у с М;

5< р < 95.

• - Шарнирные точки о - Характерные базовые точки пространственного позиционирования модели

где: Р,Р)(р) - параметр манекена, определяющий расстояние между двумя логически связанными точками шарнирной модели через координаты этих точек у,;г,} и Р^рУ/,!)], и зависящий от величины уровня репрезентативности р, мм; и - аналогичный параметр для манекенов 95%-го и 5%-го уровней репрезентативности соответственно, мм; Рк(х,у,г,р) = 0 - уравнение поверхности к-ой части тела, зависящее от величины уровня репрезентативности р; 5 - общее число звеньев (частей тела) манекена; п — общее количество точек шарнирной модели.

Математические модели воздействия водителя на органы управления основаны на описании кинематического взаимодействия геометрической модели человека с данными органами управления. Рассмотрены расчетные схемы воздействия водителя на такие органы управления как: педаль акселератора (рис. 2а), педаль тормоза (сцепления) (рис. 26), рулевое колесо (рис. 2в), рычаг переключения передач (рис. 2г) и рычаг стояночного тормоза (рис 2д).

Третья глава посвящена методологии решения компоновочных задач по проектированию рабочего места водителя, основанной на математических моделях, описывающих воздействие водителя на органы управления.

В результате разработан алгоритм решения компоновочных задач по проектированию рабочего места водителя. Данный алгоритм реализован в системе САНА У5, блок-схема которого представлена на рис.3. Здесь:

- в блоке «Описание проектной задачи» назначаются исходные данные для компоновочных задач по определению геометрических параметров органов управления и их расположению;

- далее производится расчет неизвестных геометрических параметров в последовательности, начиная от задачи «манекен-педаль акселератора», заканчивая задачей «манекен-рычаг стояночного тормоза»;

- в промежутке между решениями компоновочных задач производится оценка результатов вычисления - блок «А», где анализируется область значений эргономических углов в суставах манекена водителя (рис.4);

- если результаты анализа признаются удовлетворительными, то переходят к решению следующей задачи, если нет, производится изменение исходных данных компоновочных задач - блоки «Б», «В», «Г», «Д», «Е», «Ж», «3», где принудительно «фиксируются» выходящие за область допустимых значений углы на границах этой области.

Для того чтобы оценить совокупность областей значений всех контролируемых эргономических углов в суставах манекена при воздействии водителя на конкретный орган управления, введен комплексный оценочный показатель, характеризующий удобство пользования данным органом управления.

кинематическая схема

б) Педаль тормоза (симметричная ей расчетная схема педали сцепления)

<)) Рычаг стояночного тормоза Рис.2 Расчетные схемы воздействия водителя на органы управления

а) Педаль акселератора

в) Рулевое колесо

г) Рычаг коробки передач

и

.А

\

Решение компоновочной тада-га «манекен-педаль акселератора»

Решение компоновочной задачи «маис кен — педаль : ■Л тормоза» -к:

Решение компоновочной задачи «мйне-кепг - площадка

для отдыха . левой йога»

Решений компоновочной задачи •«манекен -рулевое колесо»

ачала

Исходные данные для задачи «манекен-, шчаг стояночного, тормоза»

Конец

Анализ результатов [вычислений

Эрго-■ хномй'йс-' кне углы йахо-\ л ч ляпя в области 4 •

ЧД0ПЗ'СТ1ШЫХ

значений?''

Рис. 3 Блок-схема алгоритма решения компоновочных задач по проектированию рабочего места водителя в системе САТ1А У5

Верхний предел значений \ эргономического угла Область недопус-\ тимых значений

\ угла

.Нижний предел значений эргономического угла

Графическая иллюстрация результатов вычисления области значений эргономического угла А в зависимости от уровня репрезентативности водителя р и величины рабочего хода органа управления 5.

Данный показатель обозначается а и выражается безразмерной величиной, изменяющейся в пределах от 0 до 1. Изменение его значений описывается обобщенной функцией желательности Харрингтона, на основе которой осуществляется разделение значений Г2 на уровни желательности (табл. 1).

Таблица 1. Соответствие значений П уровням желательности

Уровень желательности О.

Очень хорошо 1,00-0,80

Хорошо 0,80 - 0,63

Удовлетворительно 0,63 + 0,37

Плохо 0,37 - 0,20

Очень плохо 0,20 - 0,00

Оценка удобства спроектированного рабочего места водителя посредством критерия желательности обусловлена тем, что на практике широко применяются эргономические испытания на посадочных макетах, в ходе которых эксперты различного телосложения в анкетах отражают удобство принятых проектных решений в баллах, либо в показателях от «очень плохо» до «очень хорошо». Данная аналогия позволяет проводить сравнительный анализ результатов расчета с результатами реальных испытаний.

Комплексный оценочный показатель удобства пользования органом управления есть среднегеометрическое частных оценок областей значений углов в суставах манекена водителя:

К=1

(2)

п

: П - произведение частных оценок 6х,62,...,6и,...,0п

где

и—\

количество контролируемых эргономических углов.

Область значений какого-либо эргономического угла А =/(р^) (рис.4) считается «удачной» если:

1) она максимально симметрично располагается относительно плоскости средних значений АтШ, где Ат^=(Ата+Ат1п)/2, т.е. в процессе воздействия на орган управления данный угол у водителей различных уровней репрезентативности изменяется в максимальной близости от зоны наиболее комфортных значений. Данное условие определяется через выражение:

(а0 + д,)/2-Л„

тк1

^тах

= К (3)

где: ао и - габаритные точки области значений угла, достигнутых водителями различных уровней репрезентативности в процессе воздействия на орган управления; при к\ = 0,5 - расположение области значения угла соответствует желательности «очень хорошо», при к\ =1, когда (яо + а\ )/2 = Лтах

или (а0 + )/2 = соответствует желательности «удовлетворительно», а при kj~>\ желательность считается «плохой» или «очень плохой»;

2) достигнутые значения угла не выходят за области предельных значений Атах и Ami„:

ауд ~

^max — Amid

где: ауд - максимально удаленное значение угла от плоскости средних значений • При к7 = 0,5 желательность - «очень хорошая», при к2~\, когда

ауд = ^тах или ауд = ^min желательность считается «удовлетворительной», соответственно при kj>l — желательность «плохая» или «очень плохая».

Таким образом, частная оценка вычисляется по показателям желательности двух вышеуказанных условий:

(5)

где: значения в'и и д"и определяются соответственно через коэффициенты к ¡и кг по функции желательности Харрингтона:

в'у = ехр(-ехр(3*,-3)) (6)

0; = ехр(-ехр(3£2-3)) (7)

С использованием разработанного алгоритма выполнена компоновка рабочего места водителя двухместного комфортабельного особокомпактного городского автомобиля 11SC (рис.5).

По результатам компоновки установлены уровни желательности пользования органами управления по значениям комплексного оценочного показателя: педаль акселератора - уровень желательности «хорошо» О^ =0,69; педаль тормоза - уровень желательности «удовлетворительно» =0,62; педаль сцепления - уровень желательности «хорошо» Qc=0,68; площадка для отдыха левой ноги - уровень желательности «хорошо» Од =0,67; рулевое колесо - уровень желательности «удовлетворительно» Qs =0,60; рычаг коробки передач - уровень желательности «хорошо» Qа =0,66; рычаг стояночного тормоза - уровень желательности «удовлетворительно» С1Р=0,60.

Данный алгоритм позволяет в конечном итоге выдать вариант компоновки рабочего места водителя, который согласно заданным пределам эргономических углов будет как минимум удовлетворителен для водителей с антропометрическими характеристиками в промежутке между 5% и 95% уровнями репрезентативности.

(4)

I, ■ 2300

Рис. 5 Фрагмент схемы вместимости двухместного особокомпактного городского легкового автомобиля 11SC.

Четвертая глава посвящена исследованию компоновочной схемы рабочего места водителя двухместного особокомпактного городского легкового автомобиля 11SC, полученной расчетным методом, и проверке адекватности принятых проектных решений, основываясь на результатах эргономических испытаний с привлечением группы экспертов.

Для проверки адекватности результатов решения компоновочных задач на кафедре «Автомобили и тракторы» Тольяттинского государственного университета разработан (рис. 6а) и изготовлен (рис. 66) универсальный стенд для эргономических испытаний. Диапазоны регулировок выполнены достаточно в широких пределах, что позволяет имитировать любые варианты компоновочных схем рабочего места водителя от низкой спортивной посадки до высокой грузовой. Стенд состоит из 5-ти основных узлов (рис. 6а):

1 - механизма регулировки педального блока; 2 - телескопического механизма регулировки положения рулевого колеса, 3 - механизма регулировки положения рычага коробки переключения передач и рычага стояночного тормоза на подвижной тележке; 4 - механизма регулировки положения сиденья водителя на подвижной тележке с телескопической регулировкой по высоте; 5 - сварного основания, на котором закреплены вышеперечисленные узлы.

а) виртуальная 3D модель б) изготовленный образец

Рис. 6 Универсальный стенд для эргономических испытаний рабочего места водителя

Для эргономических испытаний сформировали группу экспертов различного телосложения в составе 20 человек, как из мужчин, так и из женщин, обладающих водительским стажем более 1 года.

На универсальном стенде для эргономических испытаний рабочего места водителя, выставленном по расчетным точкам согласно схеме вместимости 11SC, экспертной группе поставили две задачи:

1) найти наиболее удобное для себя положение сиденья вдоль заданной линии регулировки, подсаживаясь под органы управления;

2) выбрать удобное для себя положение рулевого колеса, используя возможность продольной и наклонной регулировки рулевой колонки.

Фактически на стенде имитировалась настройка рабочего места водителя «под себя», как это происходит на обычном автомобиле.

Все предпочтения экспертов зафиксированы на картах замеров положений сиденья и рулевого колеса (рис. 7аб).

Как видно из карты замеров на рис. 1а, выбранные положения всей группы экспертов вписываются в область расчетных пределов регулировки сиденья, не выходя за пределы точек 5% и 95% уровней репрезентативности.

Карта замеров на рис. 16 также показывает, что расчетный контур положений центра рулевого колеса полностью охватывает область предпочтений экспертов.

Учитывая обстоятельство, что компоновка рабочего места водителя 11SC выполнена с применением предложенных математических моделей воздействия водителя на органы управления, то по результатам экспертного анализа можно говорить о степени адекватности данных моделей.

Расчетная линия Нг, ММ регулирови сиденья

Экспериментальные точки, /"

выбранных положений экспертами /

350'

250

Wlz, ММ 625

575

Расчетная осевая регулировка 18

12 4а X 16 Расчетная угловая

-Еасчегные пределы

625 /675

Экспериментальные точки. / выбранных положений / ' экспертами _/

725 Wlx, ММ

950

1050

1150 Нх, ММ

б) Карта замеров положений центра а) Карта замеров положений точки «Я» рулевого колеса «if/» относитель-сиденья вдоль линии регулировки но контура регулировки

(* - номер эксперта) (* - номер эксперта)

Рис. 7 Карты замеров результатов эргономических испытаний

В качестве дополнительной проверки адекватности математических моделей проведено:

1) Рассчитаны комплексные оценочные показатели «уровня желательности» компоновочных схем рабочих мест водителей действующих автомобилей из модельного ряда ОАО «АВТОВАЗ».

2) Сравнены полученные расчетные значения показателей «уровня желательности» автомобилей ВАЗ с расчетными значениями тех же показателей автомобиля II SC. Результаты расчетов показателей «уровня желательности» и их сравнение представлены в таблице 2:

Таблица 2. Сравнение расчетных показателей «уровня желательности» автомобилей ВАЗ и автомобиля 11SC

\ -а \ с; \ s- В\_ < <D К й а. gj \ >> * \ 1111 , Ока 2107 Классика 2114(2108) Самара-2 2123 Нива-2 1118 Калина 2170(2110) Приора 2116 Проект «С» 1 11SC i

Педаль акселератора

ПА 0,43 0,25 0,52 0,68 0,61 0,45 0,62 0,69

Д < « < и < я

Педаль тормоза

I 0,64 0,48 0,57 0,71 0,65 0,60 0,59 0,62

Д 1 « < « и а

Рулевое колесо

Пз 0,42 0,41 0,64 0,50 0,65 0,50 0,69 0,60

Д < < < <

Рычаг переключения передач

П0 0,69 | 0,55 0 I 0,50 0,63 ! 0,54 0,72 0,66

Д SS ( < « | < » { » «

Рычаг стояночного то рмоза

ПР 0 0 0 0,55 0,53 0 0,54 0,60

Д « « « RS « « i«

А - степень отличия расчетных значений автомобилей ВАЗ от расчетного значения автомобиля 11SC:

» - приблизительно равны, если расчетные значения отличаются не более чем на 0,1; < или > - хуже/лучше, если расчетные значения отличаются более чем на 0,1; « или » - намного хуже/намного лучше, если расчетные значения располагаются через диапазон шкалы «уровня желательности» Q по таблице 1.

Таким образом, таблица 2 показывает расчетное сравнение насколько компоновочная схема рабочего места водителя автомобиля 11SC хуже или лучше компоновочной схемы рабочего места водителя того или иного автомобиля ВАЗ.

В ряде случаев, для рычагов переключения передач и стояночного тормоза, зафиксированы нулевые расчетные значения - это говорит о том, что для некоторой части водителей происходит отрыв ладони от рукоятки и для полной досягаемости требуется дополнительное движение торса.

3) Аналогично расчетным сравнениям проведены сравнения с привлечением группы экспертов. Экспертам предложили оценить удобство пользования органами управления на модельном ряде автомобилей ВАЗ и сравнить с удобством пользования аналогичными органами управления на автомобиле 11 SC. В качестве базового балла «0» изначально присвоили оценку удобству пользования органами управления на автомобиле 11 SC. Дальнейшая оценка для автомобилей ВАЗ велась по принципу «насколько лучше (хуже) чем на 11SC». Эксперт присваивал оценку «0», если по его психофизическим ощущениям отличие считалось незначительным, «+1(-1)» -лучше (хуже) и «+2(-2)» - намного лучше (намного хуже). В случае если для полного охвата рукоятки рычага (в частности коробки передач и стояночного тормоза) кистью руки требовался дополнительный продольный или поперечный наклон туловища, то экспертом автоматически присваивалась оценка «-2» (намного хуже). По сводной анкете оценок экспертов определено значение средней сравнительной экспертной оценки Дэ по каждому органу управления (табл. 3):

сумма оценок ,оч

Д =-i--(S)

число учавствоеаеших экспертов

-0,2 < Аэ < +0,2, соответствует « (приблизительно равны); -1 < Дэ < -0,2, соответствует < (хуже); +0,2 < Дэ < +1, соответствует > (лучше); Аэ < - 1, соответствует «(намного хуже); Дэ > + 1, соответствует »(намного лучше).

Как видно из таблицы 4 расчетные сравнения Д по показателю «уровень желательности» и экспертные сравнения Дэ практически идентичны. Данное обстоятельство также говорит в пользу адекватности предложенных математических моделей для компоновки рабочего места водителя.

Таблица 3. Значения средней сравнительной экспертной оценки Дэ автомобилей ВАЗ с автомобилем 11SC

Экспер-я/ оценка/ /Лвт-ль - 2 S О 2107 Классика 2114(2108) Самара-2 2123 Нива-2 1118 Калина 2170(2110) Приора 2116 Проект «С» use

Педаль акселератора

Дэ -0,72 -1,06 -0,47 +0,17 +0,06 -0,35 -0,05 0

< « < < №1

Педаль тормоза

Дэ -0,33 -0,88 -0,41 +0,11 +0,06 -0,10 0 0

< < < » W а »

Рулевое колесо

Дэ -0,33 -0,47 -0,12 -0,28 -0,06 -0,15 0 0

< < я < » «

Рычаг переключения передач

Дэ -0,06 -0,12 -0,50 -0,33 -0,12 -0,15 -0,10 0

* « < < О) яа as

Рычаг стояночного тормоза

Дэ -0,61 -0,88 -0,71 -0,11 -0,06 -0,75 +0,10 0

< < < ЯЗ « < as

Таблица 4. Расчетное А и экспертное Аэ сравнение рабочих мест водителей автомобилей ВАЗ с автомобилем 11SC

^Ч А N. Ч 1 Я Х< 6- о \ п 2 ■ \ = а - о 2107 Классика 2114(2108) Самара-2 2123 Нива-2 1118 Калина 2170(2110) Приора 2116 Проект «С»

Педаль акселератора

Д < « < я) as <

Дэ < « < » as < »

Педаль тормоза

Д » < ж ts « *

Дэ < < < я as « as

Рулевое колесо

Д < < * < ss < »

Дэ < < я* < SS as as

Рычаг переключения передач

Д « < « < » »

Дэ » » < < as » »

Рычаг стояночного тормоза

Д « « « Я » «

Дэ < < < RJ я < »

В четвертой главе также исследовано, посредством расчетного эксперимента, влияние положения органов управления относительно рабочего места водителя на уровень удобства пользования ими. В качестве центра эксперимента приняты значения автомобиля 11БС.

• Для изменения положения педального блока и площадки для отдыха левой ноги относительно места водителя варьировали параметрами, определяющими тип посадки водителя - уровнем посадки ЬВ (расстоянием от уровня

Рис. 8 Параметры, определяющие тип посадки (ЬВ - уровень посадки, длина салона/кабины)

• Для рулевого колеса варьировали расстоянием по горизонтали от точки «Н95%» водителя до центра обода ¿Й и величиной осевой регулировки рулевой колонки (рис.9).

• Для рычага коробки передач варьировали расстоянием по горизонтали LSg и расстоянием по вертикали LBg от точки «Н95%» водителя до центра рукоятки в положении рычага наиболее удаленном от водителя (рис.9).

• Для рычага стояночного тормоза варьировали расстоянием по горизонтали 15р и расстоянием по вертикали ЬВр от точки «#«%» водителя до центра кнопки на рукоятке при опущенном положении рычага (рис.9).

Рис. 9 Варьируемые геометрические параметры положения рулевого колеса, рычага коробки передач и рычага стояночного тормоза

Совмещая графики зависимости показателя «уровень желательности» для педального блока и площадки для отдыха левой ноги, получены области значений факторов по результатам пересечений проекций линий равного отклика (рис. 10).

10 Характерные области значений геометрических параметров уровня посадки ¿5 и длины салонаУкабины 15

Здесь стоит отметить три характерные границы:

1) О = 0,37 - начало области допустимых значений; согласно таблице 1 данная величина соответствует показателю «уровень желательности» на границе между «плохо» и «удовлетворительно»;

2) Я = 0,59 - начало области предпочтительных значений; данная величина характерна для случая, когда область значения эргономического угла достигает, но не выходит за пределы допустимых значений;

1_8,мм

: Область

3) £2 = 0,63 - начало области оптимальных значений; согласно таблице 1 данная величина соответствует показателю «уровень желательности» на границе между «удовлетворительно» и «хорошо».

Как видно, в случае с 11БС, переместиться в область оптимальных значений можно как за счет повышения уровня посадки ЬВ, так и за счет увеличения длины салона ЬБ.

«Уровень желательности» для рулевого колеса (рис. 11а) может достигать оптимальных значений (£2 > 0,63) и в случае отсутствия осевой регулировки (5/5 = 0) в рулевой колонке, в узком диапазоне значений параметра 15"?. Наличие же осевой регулировки позволяет достичь значительного улучшения показателя «уровень желательности» и расположиться в зоне оптимальных значений в более широком диапазоне параметра ЬБ1

В графиках зависимости показателя «уровень желательности» (рис. 11 б) и (рис. Не) характерна линия границы досягаемости, выпадение за пределы которой означает, что для ряда потребителей происходит отрыв центра рукоятки от центральной части ладони. Это приводит к условию недостаточной досягаемости (невозможности полного охвата рукоятки без дополнительного движения торсом) или к полному отсутствию досягаемости. Ухудшение досягаемости по мере удаления от ее границы начинается с самых высоких водителей, несмотря на более длинные руки. Это обуславливается их размещением ближе к заднему крайнему положению диапазона регулировки сиденья и более высоким расположением плечевого сустава.

2®

-0.83—

........"0.45,/

,190 „.

_ . ' 1_Вд,мм ИБС _Д '

ч; Х0.89Ч Граница /^чк-досягаемости/ .

о.бгХ.?'--.;

......... 357

1_3р,мн

70 . [.Вр.га

у1_3и4м "^вд.мм

а) Рулевое колесо б) Рычаг коробки передач в) Рычаг стояночного тормоза Рис. 11 Влияние положения органов управления на показатель «уровень желательности»

Следует также обратить внимание на то, что области оптимальных значений, как для рычага коробки передач, так и для рычага стояночного тормоза, находятся в непосредственной близости от границы досягаемости. Фактически выпадение из области досягаемости может произойти и при незначительном отклонении положения в 10 мм.

Основные результаты и выводы;

1. Разработана пространственная геометрическая модель человека - манекен, адаптированный для решения компоновочных задач. В модель включен параметр - уровень репрезентативности, что позволяет учитывать антропометрические данные различного спектра людей при проектировании рабочего места водителя.

2. Разработаны математические модели для решения задач по компоновке основных органов управления на рабочем месте водителя легкового автомобиля. Математические модели описывают кинематические воздействия водителя на такие органы управления, как: педаль акселератора, педаль тормоза, педаль сцепления, рулевое колесо, рычаг переключения передач и рычаг стояночного тормоза. В том числе, рассмотрена модель, касающаяся компоновки площадки для отдыха левой ноги.

3. Разработан и реализован в ЗВ графическом редакторе САТ1А У5 алгоритм решения компоновочных задач по проектированию рабочего места водителя на основе систем уравнений, описывающих воздействие водителя на органы управления. Алгоритм предусматривает проверку результатов расчета на основе анализа областей значений эргономических углов в суставах манекенов от 5%-го до 95%-го уровней репрезентативности на протяжении всего диапазона рабочего хода каждого органа управления. В случае выявления несоответствий значений углов допустимым пределам, производится изменение исходных данных и перерасчет необходимое количество раз до достижения положительного результата.

Объектом, получаемым по результатам решения компоновочных задач в ЗБ параметрическом графическом редакторе САПА У5, является пространственная геометрическая модель манекена водителя воздействующего на органы управления. Данная модель отражается на схеме вместимости автомобиля, где определяет местоположения водителей различных уровней репрезентативности и расположение основных органов управления, их рабочих ходов и диапазоны регулировок.

4. Разработан комплексный оценочный показатель удобства пользования органами управления по результатам решения компоновочных задач, вычисляемый на основе анализа значений углов в суставах манекена. Данный показатель принимает значения от 0 до 1, и характеризует уровень желательности от «очень плохо» до «очень хорошо».

5. Выполнена компоновка рабочего места водителя двухместного комфортабельного особокомпактного городского автомобиля ИБС с применением

разработанного алгоритма решения компоновочных задач. По результатам компоновки установлены положительные уровни желательности пользования органами управления по значениям комплексного оценочного показателя.

6. Разработан и изготовлен стенд для эргономических испытаний рабочего места водителя, обеспечивающий независимые пространственные регулировки положения органов управления и посадочного места водителя. Стенд позволяет имитировать различные варианты компоновочных схем рабочего места водителя легкового автомобиля.

7. Проведен экспертный анализ компоновочной схемы рабочего места водителя двухместного комфортабельного легкового автомобиля 11БС на универсальном стенде для эргономических испытаний. Карты замеров положений, предпочтенных экспертами на стенде, показали, что вся группа экспертов расположилась в пределах рассчитанных диапазонов регулировок сиденья и рулевого колеса. Учитывая, что компоновочная схема рабочего места водителя рассчитана по алгоритму решения компоновочных задач с применением математических моделей, описывающих взаимодействие водителя с органами управления, положительный результат экспертного анализа говорит в пользу адекватности предложенных математических моделей.

8. Проведена дополнительная проверка адекватности предложенных математических моделей при сопоставлении расчетного сравнения компоновочной схемы рабочего места водителя автомобиля 11БС с компоновочными схемами рабочих мест водителей модельного ряда автомобилей ОАО «АВТОВАЗ» с аналогичным экспертным сравнением. Сравнения по расчетной величине показателя «уровень желательности» и по среднему баллу сравнительной экспертной оценки совпали с незначительными расхождениями по отдельным позициям.

9. Исследовано влияние уровня посадки и длины салона рабочего места водителя на показатель «уровень желательности», рассматривая в качестве центра эксперимента расчетные значения автомобиля ИБС. Обозначены области допустимых, предпочтительных и оптимальных значений указанных параметров. Установлено, что увеличение (движение к оптимуму) значения показателя «уровень желательности» возможно как за счет увеличения длины салона, так и за счет увеличения уровня посадки.

10. Исследовано влияние величины продольной осевой регулировки рулевого колеса и его удаленности от сиденья (расстояния по горизонтали между центром рулевого колеса и точкой «Я» 95%-го манекена) на показатель «уровень желательности», рассматривая в качестве центра эксперимента расчетные

значения автомобиля 11 SC. Установлено, что достижение оптимальных значений показателя «уровень желательности» возможно и при отсутствии осевой регулировки, но в узком диапазоне значений параметра удаленности. Наличие осевой регулировки позволяет достигать оптимальной области в гораздо более широком диапазоне.

11. Исследовано влияние положения рукояток рычагов коробки передач и стояночного тормоза относительно продольно регулируемого сиденья на показатель «уровень желательности», рассматривая в качестве центра эксперимента расчетные значения автомобиля 11 SC. Установлено, что области оптимальных значений находятся в непосредственной близости от границы досягаемости (в пределах 10мм), за пределами которой уже нарушается условие полного охвата рукоятки кистью руки.

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в следующих работах:

1. Исаев Е.У., Соломатин Н.С., Ковтун В.В., Карпов В.М. Этапы разработки легкового автомобиля: Учебное пособие с грифом УМО. - Тольятти: Тольят-тин. гос. ун-т, 2004. - 116 с

2. Соломатин Н.С., Зайцев С.А., Исаев Е.У. Концепция современного особо-компактного городского легкового автомобиля // Автомобильная промышленность.-№1,2007.-с. 8-10

3. Исаев Е.У., Соломатин Н.С. Применение объемных манекенов при разработке схемы вместимости автомобиля // Материалы 53-й Международной НТК ААИ «Проблемы и перспективы автомобилестроения». - Ижевск: ОАО «Ижевский автомобильный завод», 2006. - с. 79-82

4. Исаев Е.У., Соломатин Н.С. Компоновочная модель двухместного малогабаритного автомобиля // Материалы 53-й Международной НТК ААИ «Проблемы и перспективы автомобилестроения» - Ижевск: ОАО «Ижевский автомобильный завод», 2006. - с. 83-84

5. Исаев Е.У., Соломатин Н.С., Ковтун В.В. Обоснование выбора необходимых геометрических параметров легкового автомобиля для начала разработки дизайна экстерьера // Материалы Всероссийской НТК «Современные тенденции развития автомобилестроения в России». - Тольятти: Тольяттин. гос. ун-т, 2005. Частъ1 -с. 45-50

6. Исаев Е.У,, Соломатин Н.С., Васильев A.A., Ковтун В.В. Особенности применения параметризации при эскизной компоновке автомобиля // Материалы Всероссийской НТК «Современные тенденции развития автомобилестроения в России». - Тольятти: Тольяттин. гос. ун-т, 2004. Том 2-е. 225-230

7. Исаев Е.У. Соломатин Н.С. Применение объемных манекенов при разработке эргономики салона автомобиля // Журнал автомобильных инженеров. - №2, 2006. - с. 22-23

8. Исаев Е.У., Соломатин Н.С., Васильев А.А., Ковтун В.В. Обоснование выбора геометрической модели человека при компоновке схемы вместимости автомобиля // Материалы Всероссийской НТО «Современные тенденции развития автомобилестроения в России». - Тольятти: Тольятти, гос. ун-т, 2004. Том 2-е. 231-234

9. Исаев Е.У., Соломатин Н.С., Ковтун В.В. Обоснование выбора необходимых геометрических параметров легкового автомобиля для начала разработки дизайна интерьера // Сборник материалов Международной НТК «Проектирование, испытания, эксплуатация транспортных машин и транспортно технологических комплексов». - Нижний Новгород: НГТУ, 2005. - с. 79-82

10. Исаев Е.У., Соломатин Н.С., Ковтун В.В. Оптимизация посадки водителей различного уровня репрезентативности по условию досягаемости до педали акселератора // Материалы Международного научного симпозиума, посвященного 140-летию МГТУ "МАМИ". - М: МГТУ «МАМИ», 2005.Часть1 - с. 70-74

11. Исаев Е.У., Соломатин Н.С., Ковтун В.В. Исследование различных типов регулировки сиденья по обеспечению эргономических критериев посадки водителей различных уровней репрезентативности // Материалы Международного симпозиума "Проектирование колесных машин", посвященного 175-летию МГТУ им. Баумана. -М: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005. - с. 229-232

Подписано в печать 20.01.2009. Формат 60x84/16. Печать оперативная. Усл. п. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ № 3-01-09.

Отпечатано в редакционно-издательском центре Тольятгинского государственного университета

445667, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Назначение схемы вместимости легкового автомобиля и перечень эргономических требований, учитываемых при ее разработке на этапе эскизного проектирования.

1.2 Требования, определяющие геометрию внутреннего и внешнего пространства легкового автомобиля.

1.2.1 Законодательные и нормативные требования.

1.2.2 Другие требования, влияющие на геометрию пространства автомобиля.

1.3 Методы компоновки рабочего места водителя с применением манекенов.

1.4 Постановка цели и задач исследования.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЕМ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО МЕСТА ВОДИТЕЛЯ.

2.1 Пространственная геометрическая модель человека.

2.2 Математическая модель «манекен - педаль акселератора»

2.3 Математические модель «манекен - педаль тормоза (сцепления)»

2.4 Математическая модель «манекен - площадка для отдыха ноги».

2.5 Математическая модель «манекен — рулевое колесо»

2.6 Математические модели «манекен — рычаг переключения коробки передач» и «манекен - рычаг стояночного тормоза»

2.7 Выводы.

ГЛАВА 3. МЕТОДОЛОГИЯ РЕШЕНИЯ КОМПОНОВОЧНЫХ ЗАДАЧ ПО

ПРОЕКТИРОВАНИЮ РАБОЧЕГО МЕСТА ВОДИТЕЛЯ.

3.1 Определение объекта, получаемого по результатам решения компоновочных задач.

3.2 Алгоритм решения компоновочных задач по проектированию рабочего места водителя.

3.3 Оценка удобства пользования органами управления.

3.4 Компоновка рабочего места водителя двухместного комфортабельного особокомпактного городского автомобиля.

3.5 Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ РАБОЧЕГО МЕСТА ВОДИТЕЛЯ. АДЕКВАТНОСТЬ ПРЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ.

4.1 Стенд для эргономических испытаний рабочего места водителя.

4.2 Экспертный анализ компоновки рабочего места водителя. Проверка адекватности проектных решений.

4.3 Исследование влияния типа посадки на критерий оценки удобства рабочего места водителя «уровень желательности»

4.4 Исследование влияния пространственного положения рулевого колеса, рычагов коробки передач и стояночного тормоза на критерий оценки удобства рабочего места водителя «уровень желательности».

4.5 Выводы.

Актуальность работы. На начальной стадии проектирования легкового автомобиля одной из главных задач является его эскизная компоновка. В процессе эскизной компоновки вырабатывается концепция геометрических форм и конструкции автомобиля. На этом этапе проектных работ необходимо учитывать ряд потребительских требований, связанных с рациональным распределением внутреннего пространства автомобиля между моторным отделением, салоном и багажным отделением, а также с удобным размещением водителя и пассажиров на сиденьях и доступным расположением внутри салона органов управления. Степень соответствия автомобиля указанным потребительским требованиям непосредственно влияет на его конкурентоспособность среди автомобилей-аналогов.

В мировой практике значения внутренних (интерьера) и внешних (экстерьера) геометрических параметров автомобиля, в рамках класса автомобиля и типа кузова, определяют в процессе разработки схемы вместимости и схемы шасси. Компоновочные задачи, направленные на обеспечение потребительских требований и связанные с антропометрическими параметрами людей, решают при помощи геометрической модели человека - манекена. В настоящее время подобные методы решения наиболее популярны. Они позволяют визуально проектировать пространство автомобиля через исследованные размеры человека, причем широкие возможности для этого предоставляет применение трехмерного геометрического представления манекена в контексте применения в современном автомобилестроении ЗО моделирования. Однако, существующие виртуальные ЗБ продукты, содержащие достаточно подробный образ 3-х мерного манекена и «вшитую» систему эргономической оценки, не направлены на прямое теоретическое решение компоновочных задач, а позволяют только оценить конечный результат компоновки. В том числе, компоновка центрального объекта схемы вместимости — рабочего места водителя, связанная с определением взаимного расположения сиденья и органов управления, зачастую опирается на интуицию и опыт работы проектировщика. Иначе говоря, проектировщик, придерживаясь сложившихся традиционных методов, принятых в отдельно взятом проектном подразделении, методом проб и ошибок, рассматривая различные варианты и анализируя их при помощи доступных программных продуктов, либо на изготовленном посадочном макете, привлекая экспертную группу, приходит, в конечном итоге, к более или менее удовлетворительному решению. Подобный подход может потребовать значительного количества времени и затрат на различные итерации проектных решений и доводочные работы по замечаниям, предъявленным на основании эргономических испытаний.

В этой связи, актуальны исследования, направленные на разработку расчетных методов решения компоновочных задач, выдающих адекватные эргономическим требованиям результаты решения. В свою очередь, расчетный аппарат позволяет полностью или частично автоматизировать рабочий процесс, тем самым сокращая время и затраты на проектирование. В свете современных подходов в проектировании - широкого применения ЗБ графического моделирования, наиболее актуальны исследования, опирающиеся на трехмерную геометрическую модель человека.

Цель работы. Разработка методологии компоновки на основе математического и ЗБ графического моделирования, позволяющей качественно проектировать рабочее место водителя легкового автомобиля.

Задачи исследования:

- разработать пространственную геометрическую модель человека адаптированную для решения компоновочных задач по проектированию рабочего места водителя;

- разработать математические модели взаимодействия водителя с основными органами управления посредством пространственной геометрической модели человека;

- разработать алгоритм компоновки рабочего места водителя с применением программного продукта 3D графического моделирования на базе созданных математических моделей для синтеза проектных решений и представления результатов решения в виде 3D графического объекта;

- выработать оценочный критерий удобства пользования органами управления по результатам решения компоновочных задач; провести проверку адекватности математических моделей, основываясь на результатах эргономических испытаний положений органов управления с привлечением группы экспертов;

- исследовать влияние положения органов управления на удобство пользования ими.

Методы исследования. Математическое моделирование выполнено, основываясь на методах аналитической геометрии и теории механизмов (раздел - кинематическое движение звеньев). Теоретические исследования реализованы с применением программного продукта 3D графического моделирования CATIA V5. В частности, задействованы такие его модули, как кинематический "DMU Kinematics" и параметрический "Knowledge Adviser". Экспериментальные исследования основаны на методах экспертной оценки рабочего места водителя в процессе эргономических испытаний.

Объекты исследований:

- компоновочная схема рабочего места водителя двухместного комфортабельного особокомпактного городского автомобиля 11SC, принятого к разработке на кафедре «Автомобили и тракторы» Тольяттинского государственного университета;

- компоновочные схемы рабочих мест водителей действующих образцов автомобилей ВАЗ.

Научная новизна:

- разработана пространственная геометрическая модель человека — манекен, обладающий достаточным набором антропометрических параметров и адаптированный для решения компоновочных задач по проектированию рабочего места водителя; разработаны математические модели взаимодействия пространственной геометрической модели человека с основными органами управления: педалью акселератора, педалью тормоза, педалью сцепления, площадкой для отдыха левой ноги, рычагом коробки переключения передач, рычагом стояночного тормоза; разработан комплексный оценочный показатель удобства пользования органами управления по результатам решения компоновочных задач, вычисляемый на основе анализа значений углов в суставах манекена.

Практическая ценность. Предложенные расчетные методы решения компоновочных задач по разработке рабочего места водителя позволяют значительно сократить сроки проектирования и затраты на доводку легкового автомобиля по эргономическим требованиям. Разработанный на их основе алгоритм компоновки в программном продукте САПА У5 автоматизирован и позволяет выдавать решения в виде сформированного ЗБ графического объекта. Данный объект содержит: описывающие воздействия водителей различных уровней репрезентативности на органы управления рабочие области рук и ног, используемые в качестве пространственных ограничений при проектировании элементов интерьера; положения точек «Н» водителей различных уровней репрезентативности, используемые при проектировании механизма регулировки сиденья;

- пространственные расположения, пределы рабочих ходов и регулировок органов управления автомобилем, используемые при их конструировании.

Реализация работы. Результаты диссертационных исследований внедрены в учебный процесс на кафедре «Автомобили и тракторы» Тольяттинского государственного университета и применены в Отделе общей компоновки Научно-технического центра ОАО «АВТОВАЗ» при компоновочных работах над перспективными проектами класса «В».

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на научно-практических конференциях в ОАО «АВТОВАЗ», посвященных современным подходам в проектировании в Тольятти в 2003 и 2004 г., на Всероссийских научно-технических конференциях в Тольяттинском государственном университете в 2004 и 2005 г., на научных симпозиумах в Москве в МГТУ им. Н.Э. Баумана и МГТУ «МАМИ» в 2005 г., на выставках «Научно-техническое творчество молодежи» в Москве в 2005 и 2006 г., на Международной научно-технической конференции в НГТУ в Нижнем Новгороде в 2005 г., на Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров в Ижевске в 2006 г., на кафедре «Автомобили и тракторы» ТГУ и на кафедре «Автомобили» имени Е.А. Чудакова МГТУ «МАМИ».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана пространственная геометрическая модель человека — манекен, адаптированный для решения компоновочных задач. В модель включен параметр — уровень репрезентативности, что позволяет учитывать антропометрические данные различного спектра людей при проектировании рабочего места водителя.

2. Разработаны математические модели для решения задач по компоновке основных органов управления на рабочем месте водителя легкового автомобиля. Математические модели описывают кинематические воздействия водителя на такие органы управления, как: педаль акселератора, педаль тормоза, педаль сцепления, рулевое колесо, рычаг переключения передач и рычаг стояночного тормоза. В том числе, рассмотрена модель, касающаяся компоновки площадки для отдыха левой ноги.

3. Разработан и реализован в ЗЭ графическом редакторе САТ1А У5 алгоритм решения компоновочных задач по проектированию рабочего места водителя на основе систем уравнений, описывающих воздействие водителя на органы управления. Алгоритм предусматривает проверку результатов расчета на основе анализа областей значений эргономических углов в суставах манекенов от 5%-го до 95%-го уровней репрезентативности на протяжении всего диапазона рабочего хода каждого органа управления. В случае выявления несоответствий значений углов допустимым пределам, производится изменение исходных данных и перерасчет необходимое количество раз до достижения положительного результата.

Объектом, получаемым по результатам решения компоновочных задач в ЗБ параметрическом графическом редакторе САПА У5, является пространственная геометрическая модель манекена водителя воздействующего на органы управления. Данная модель отражается на схеме вместимости автомобиля, где определяет местоположения водителей различных уровней репрезентативности и расположение основных органов управления, их рабочих ходов и диапазоны регулировок.

4. Разработан комплексный оценочный показатель удобства пользования органами управления по результатам решения компоновочных задач, вычисляемый на основе анализа значений углов в суставах манекена. Данный показатель принимает значения от 0 до 1, и характеризует уровень желательности от «очень плохо» до «очень хорошо».

5. Выполнена компоновка рабочего места водителя двухместного комфортабельного особокомпактного городского автомобиля ИБС с применением разработанного алгоритма решения компоновочных задач. По результатам компоновки установлены положительные уровни желательности пользования органами управления по значениям комплексного оценочного показателя.

6. Разработан и изготовлен стенд для эргономических испытаний рабочего места водителя, обеспечивающий независимые пространственные регулировки положения органов управления и посадочного места водителя. Стенд позволяет имитировать различные варианты компоновочных схем рабочего места водителя легкового автомобиля.

7. Проведен экспертный анализ компоновочной схемы рабочего места водителя двухместного комфортабельного легкового автомобиля ИБС на универсальном стенде для эргономических испытаний. Карты замеров положений, предпочтенных экспертами на стенде, показали, что вся группа экспертов расположилась в пределах рассчитанных диапазонов регулировок сиденья и рулевого колеса. Учитывая, что компоновочная схема рабочего места водителя рассчитана по алгоритму решения компоновочных задач с применением математических моделей, описывающих взаимодействие водителя с органами управления, положительный результат экспертного анализа говорит в пользу адекватности предложенных математических моделей.

8. Проведена дополнительная проверка адекватности предложенных математических моделей при сопоставлении расчетного сравнения компоновочной схемы рабочего места водителя автомобиля ИБС с компоновочными схемами рабочих мест водителей модельного ряда автомобилей ОАО «АВТОВАЗ» с аналогичным экспертным сравнением. Сравнения по расчетной величине показателя «уровень желательности» и по среднему баллу сравнительной экспертной оценки совпали с незначительными расхождениями по отдельным позициям.

9. Исследовано влияние уровня посадки и длины салона рабочего места водителя на показатель «уровень желательности», рассматривая в качестве центра эксперимента расчетные значения автомобиля ИБС. Обозначены области допустимых, предпочтительных и оптимальных значений указанных параметров. Установлено, что увеличение (движение к оптимуму) значения показателя «уровень желательности» возможно как за счет увеличения длины салона, так и за счет увеличения уровня посадки.

10. Исследовано влияние величины продольной осевой регулировки рулевого колеса и его удаленности от сиденья (расстояния по горизонтали между центром рулевого колеса и точкой «Н» 95%-го манекена) на показатель «уровень желательности», рассматривая в качестве центра эксперимента расчетные значения автомобиля ИБС. Установлено, что достижение оптимальных значений показателя «уровень желательности» возможно и при отсутствии осевой регулировки, но в узком диапазоне значений параметра удаленности. Наличие осевой регулировки позволяет достигать оптимальной области в гораздо более широком диапазоне.

11. Исследовано влияние положения рукояток рычагов коробки передач и стояночного тормоза относительно продольно регулируемого сиденья на показатель «уровень желательности», рассматривая в качестве центра эксперимента расчетные значения автомобиля 118С. Установлено, что области оптимальных значений находятся в непосредственной близости от границы досягаемости (в пределах 10мм), за пределами которой уже нарушается условие полного охвата рукоятки кистью руки.

1. Автомобильный интерьер: больше комфорта, больше удовольствия // Журнал «АБС-авто». - № 12, 2003. - с. 16-18

2. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. — М.: Наука, 1976. -280 с.

3. Ашкин В.А. Дизайнология автомобиля. Тольятти: Москва, 1995. — 96 с.

4. Беличко Т., Швер JL, Привинтер Е. Теоретическое обоснование применения трехмерной модели позвоночника человека // В сборнике «Aviation space and environmental medicine (USA)». №1, 1978. -c. 110-190

5. ГОСТ 20304 90. Манекены посадочные трехмерный и двухмерный. Конструкция, основные параметры и размеры.

6. ГОСТ 22653-77. Автомобили. Параметры проходимости. Термины и определения.

7. ГОСТ 22748-77. Автотранспортные средства. Номенклатура наружных размеров. Методы измерений.

8. ГОСТ Р 41.13-99. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения механических транспортных средств категорий М, N и О в отношении торможения.

9. ГОСТ Р 51266-99. Автомобильные транспортные средства. Обзорность с места водителя. Технические требования. Методы испытаний.

10. Директива VDI 2780. Размеры тела как база при проектировании сидений и рабочих мест // Экспресс информация Союза немецких инженеров VDI. серия 12, №23. 1976.

11. Директива ЕЭС 2001/116. Технические предписания, касающиеся одобрения типа автомобиля.

12. Директива ЕЭС 2004/90. Технические предписания по реализации защиты пешеходов и других уязвимых участников дорожного движения до и в случае столкновения с транспортным средством.

13. Директива ЕЭС 95/48. Технические предписания, касающиеся измерения масс и размеров автомобилей категории М1.

14. Дитрих Я. Проектирование и конструирование: Системный подход. Пер. с. Польск.-М.: Мир, 1981.-456 с.

15. Долматовский Ю.А. Основы конструирования автомобильных кузовов: 2-е изд. перераб. М.: Машгиз, 1962. - 319 с.

16. Евграфов А.Н. Основы эргономики и дизайна автомобиля и трактора: Учебное пособие. — М.: Моск. гос. индустр. ун-т, 2001. -74 с.

17. Евграфов А.Н. Формообразование автомобильного кузова: Учебное пособие. М.: Моск. гос. индустр. ун-т, 2002. - 74 с.18. Ёнэока Дайсаку. Оценка автомобиля с точки зрения эргономики // Журнал «Jidosha Gijutsu (Jap.)». №7, 1971. - с. 761

18. Загородников С.П. Исследование влияния некоторых геометрических параметров кузова на аэродинамику автомобиля: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М.: МАМИ, 1981. - 23 с.

19. Ильин Е.В. Совершенствование аэродинамики подднищевой зоны легкового автомобиля: Автореф. дис. канд. техн. наук. М.: НАМИ, 2003.- 18 с.

20. Исаев Е.У., Соломатин Н.С., Ковтун В.В., Карпов В.М. Этапы разработки легкового автомобиля: Учебное пособие. — Тольятти: Тольяттин. гос. ун-т, 2004. — 116 с.

21. Компании Ford и Volvo работают над созданием автомобилей с учётом различных конституций человека. // Журнал «Auto-Zeitung». № 22, 2001.-с. 64

22. Конфигуратор сидений фирмы "Cadform-MSX Engineering" на базе программного обеспечения "ICAD" для автоматизированного конструирования // Журнал «Automobil-Produktion». Спецвыпуск «Innenraum», Март 2004. - с. 46

23. Королев Е.В. Оценка и прогнозирование аэродинамических качеств легковых автомобилей на основе испытаний их масштабных моделей в аэродинамических трубах: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М.: МАМИ, 1989.- 18 с.

24. Костин И.М. Методы обеспечения конкурентоспособности грузовых автомобилей на этапе разработки: Автореф. дис. . канд. техн. наук. — Набережные Челны: Камский политехи, ин-т, 2001. 20 с.

25. Кравец В.Н. Проектирование автомобиля. 2-е изд., перераб. и доп.: Учебное пособие. Н.Новгород: Нижегород. политехи, ин-т, 1992. -230 с.

26. Кравец В.Н., Горынин Е.В. Законодательные и потребительские требования к автомобилям: Учебное пособие. Н.Новгород: Нижегород. политехи, ин-т, 2000. - 400 с.

27. Кудрявцев А.М. Геометрическое моделирование пространственно-антропометрической совместимости оператора в системах «человек -машина»: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Киев: Киевский инженерно-строительный институт, 1986. - 16 с.

28. Москалюк А.Н. Обоснование выбора основных геометрических параметров перспективных моделей автомобилей малого класса: Дисс. на соискание уч. степ, к.т.н. М.: НАМИ, 1984. - 217 с.

29. Мунипов В.М., Зинченко В.П. Эргономика: Учебник. М.: Логос, 2001. -356 с.

30. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. -М.: Наука, 1965. 340 с.

31. Новые тенденции в дизайне салона автомобиля на примере экспонатов Детройтского автосалона 2003 г. // Журнал «Automobil Industrie». № 12,2003.-с. 60-61

32. Носаков И.В. Оценка свойств и особенностей конструкции легкового автомобиля на стадии проектирования с учетом его конкурентоспособности: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. М., 1999. -29 с.

33. Об использовании общих производств, общих узлов, общих платформ // Журнал «Automotive Engineering». № 8, 2002. - с. 70-72

34. Особенности разработки подлокотников для сиденья водителя и переднего пассажира // Журнал «Automobil-Produktion». Спецвыпуск «Innenraum», Март 2004. - с. 50

35. ОСТ 37.001.017-70. Органы управления легковых автомбилей. Безопасность конструкции и расположения. Технические требования.

36. ОСТ 37.001.247-82. Массы легковых автомобилей. Методы определения.

37. ОСТ 37.001.267-83. Автомобили легковые. Типы кузовов. Основные термины и определения.

38. ОСТ 37.001.408-85. Автотранспортные средства. Методы измерения показателей массы.

39. ОСТ 37.001.413-86. Система стандартов безопасности труда. Кабина. Рабочее место водителя. Расположение органов управления грузовых автомобилей, автобусов и троллейбусов. Основные размеры. Технические требования.

40. ОСТ 37.001.439-86. Автомобили легковые. Технические требования и методы испытаний в части ударно-прочностных свойств кузова при опрокидывании.

41. ОСТ 37.001.458-87. Взаимное расположение основных элементов рабочего места водителя легковых автомобилей. Эргономические требования. Методы оценки.

42. ОСТ 37.001.471-88. Управляемость и устойчивость автотранспортных средств. Методы испытаний.

43. Павловский Я. Автомобильные кузова: Пер. с польского. М.: Машиностроение, 1977. — 544 с.

44. Петров А.П. Основы эргономики и дизайна в автомобилестроении: Учебное пособие. — Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2004 163 с.

45. Положение водителя во время управления автомобилем и влияние этого фактора на травмируемость, связанную с воздушными подушками безопасности // Журнал «Automotive Engineering». № 5, 1998. - с. 69-72

46. Правила ЕЭК ООН №12. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении защиты водителя от удара о систему рулевого управления.

47. Правила ЕЭК ООН №14. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении приспособлений для крепления ремней безопасности.

48. Правила ЕЭК ООН №16. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении ремней безопасности.

49. Правила ЕЭК ООН №17. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении сидений, их креплений и подголовников.

50. Правила ЕЭК ООН №21. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении их внутреннего оборудования.

51. Правила ЕЭК ООН №25. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения подголовников, вмонтированных и не вмонтированных в сиденья транспортных средств.

52. Правила ЕЭК ООН №26. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении их наружных выступов.

53. Правила ЕЭК ООН №32. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении поведения их конструкции в случае удара сзади.

54. Правила ЕЭК ООН №35. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении размещения педалей управления.

55. Правила ЕЭК ООН №46. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения зеркал заднего вида и механических транспортных средств в отношении установки на них зеркал заднего вида.

56. Правила ЕЭК ООН №94. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении защиты водителя и пассажиров в случае лобового столкновения.

57. Правила ЕЭК ООН №95. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении защиты водителя и пассажиров в случае бокового столкновения.

58. Применение общей платформы в различных семействах автомобилей массового производства // Журнал «АБС-авто». № 9, 2003. - с. 2-5

59. Процесс виртуального моделирования положения сиденья, пассажира и оценки комфорта с помощью программного обеспечения "Ramsis" // Журнал «ATZ Auto Technology». № 4, 2002. - с. 50-51

60. Рационализация разработки и производства автомобилей за счет использования платформ // Журнал «Automobil Industrie». № 9, 2003. - с. 22-24

61. РД 37.001.020-84. Автомобили легковые, грузовые, автобусы и троллейбусы. Досягаемость и расположение органов ручного управления и приборов внутреннего оборудования автомобилей. Эргономические требования и методы оценки.

62. РД 37.001.039-86 Размещение органов ручного управления и средств отображения информации в легковых автомобилях. Эргономические требования.

63. РД 37.001.043-87. Автомобили легковые, грузовые, автобусы, троллейбусы, автопогрузчики. Эргономические показатели. Номенклатура.

64. РД 37.001.109-89 Инспекционные испытания автотранспортных средств. Программа и методы испытаний.

65. Родионов В.Ф, Теоретические основы общей компоновки легкового автомобиля: Автореферат на соискание ученой степени д.т.н., М.: МАДИ, 1968.-20 с.

66. Родионов В.Ф., Фиттерман Б.М. Проектирование легковых автомобилей. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1980. 356 с.

67. Розанов Н.Е. Специфика дизайна массовых легковых автомобилей: Учеб. Пособие. М.: МВХПУ, 1989. - 87 с.

68. CATIA Y5 что новенького? // Журнал «САПР и Графика». - №5, 2001. -с. 18-21

69. Скуба Д.В. Разработка методов дизайн-проектирования легковых автомобилей: Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. — Ижевск: Удмуртский государственный университет, 2005. 209 с.

70. Создание конкурентоспособных цепочек добавленной стоимости в процессе изготовления автомобильного кузова // Журнал «ATZ Auto Technology». № 4, 2002. - с. 72-75

71. Соломатин Н.С., Зайцев С.А., Исаев Е.У. Концепция современного особокомпактного городского легкового автомобиля // Журнал «Автомобильная промышленность». №1, 2007. - с. 8-10

72. Степанов И.С., Евграфов А.Н., Карунин А.Л., Ломакин В.В., Шарипов В.М. Основы эргономики и дизайна автомобилей и тракторов: Учебник для студ. высш. учеб. заведений. — М.: Издательский центр «Академия»,2005.-256 с.

73. Степанов И.С., Покровский Ю.Ю. Основы эргономического проектирования интерьера автомобиля: Учебное пособие — Тула: ТулГУ,2006. 83 с.

74. Степанов И.С., Родионов В.Ф. Развитие конструкции автомобиля за 100 лет // Журнал «Автомобильная промышленность». №1, 1987.

75. Строкина А.Н. Эргономическая антропология в проектировании и оценке эргатических систем: Автореф. дисс. . докт. психол. наук. -М.: ВНИИ техн. эстетики, 2001. 50 с.

76. Тесленко Г.П. Исследование компоновочной схемы пожарного автомобиля: Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., М., 1976. -187 с.

77. Требования к комфортабельности автомобиля в будущем // Журнал «Automobil Industrie». № 11, 2003. - с. 20-22

78. Требования по защите пешехода в случае ДТП, как импульс к переходу автостроения на алюминиевые капоты // Журнал «AutomobilEntwicklung». №1, 2004. - с. 36

79. Требования при конструировании современных автомобильных салонов //Журнал «Automobil-Entwicklung». № 1, 2004. - с. 36

80. Умняшкин В.А., Сазонов В.В., Филькин Н.М. Эксплуатационные свойства автомобиля: Учебное пособие. — Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2002. 180 с.

81. Умняшкин В.А., Филькина А.Н., Ившин К.С., Скуба Д.В. Автомобили особо малого класса (квадрациклы) с гибридной энергосиловой установкой: Под общ. ред. В.А. Умняшкина. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотичная динамика», 2004. - 138 с.

82. Цубербиллер О.Н. Задачи и упражнения по аналитической геометрии. 16-е изд., исправ. и доп. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1952. - 356 с.

83. Чумаков О.И. Исследование зависимости аэродинамических свойств легкового автомобиля от его конструкции: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Горький: Горьков. политехи, ин-т, 1975. - 28 с.

84. Шишкин В.И., Шишкин М.В. Теоретические основы проектирования комфортного сиденья // Восьмая нижегородская сессия молодых ученых (Теоретические науки): Тезисы докладов. Н. Новгород: Изд. Гладкова О.В., 2002. - с. 27-29

85. Штойер Р. Многокритериальная оптимизация. Теория, вычисления и приложения: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1992. - 502 с.

86. Штробель В.К. Современный автомобильный кузов: Пер. с нем. H.A. Юниковой; под ред. Л.И. Вихко. М.: Машиностроение, 1984. - 264 с.

87. Эргономическая система "Ramsis" для моделирования габаритов и поведения человека. Особенности и преимущества работы с виртуальным манекеном // Журнал «Automobil Industrie». № 9, 2002. -с. 56-57

88. Geoffrey S.P. A 2-D Manikin—The Inside Story // Paper 267A. SAE Automotive Engineering Congress, Detroit, January 1961.

89. Hammond D.C., Roe R.W. Driver hand and eye positions // SAE Paper 720200.-N-Y, 1972.

90. Hammond D.C., Roe R.W. SAE controls reach study // SAE Paper 720199. -N-Y, 1972.

91. Ishida T., Matsuno M. Study on Japanese Drives eye position // SAE Paper 750360, 1975.

92. Japan Industrial Standart JIS D 4607. Three-Dimensional Manikins for use in Defining Automobile Seating Accomodations. — JIS Committee, 1970.

93. Klein W., Dieckmann D., Dupuis H. Biogeometrische Zusammen-hänge zwischen Körperhaltung und Sitzanordnung für Fahrer und Fahrgäste im Personenwagen // Fortschritt-Bericht VDI Z-Reihe. № 23, 1973. -p. 25-28

94. Massé M.R. Analise de la valeur carosserie Bureau d'etude automobile Citroën // Ingenieurs de l'automobile. № 9, 1981. - p. 4-6

95. Optimisation informatisée d'un habitacle et réalisation d'un simulateur d'atteintes et de vision // Ingenieurs de l'automobile. № 15, 1981. - p. 17-18

96. Rebiffé R. Structure dimensionalle du poste de conduite et confort postural // Ingenieurs de l'automobile. № 9, 1981.-p. 12-14

97. SAE J1052. Motor vehicle driver and passenger head position. Last publication 1997.

98. SAE J1100. Motor Vehicle Dimensions. Last publication 1998.

99. SAE J826. Devices for use in defining and measuring vehicle seating accommodation. Last publication 1995.

100. SAE J827. Driver hand control reach. Last publication 1988.

101. SAE J833. Human Physical Dimensions. Last publication 1989.

102. SAE J898. Control locations for off-road work machines. Last publication 1994.

103. SAE J941. Motor vehicle drivers' eye locations. Last publication 1997.

104. System for aiding man-machine interaction evolution // International Journal of Vehicle Design (UK). № 4, 1980. - p. 384-386

105. Waterman D., Washburn C. Cyberman a Human Factors Design Tool // SAE Paper 780283, 1978.

106. Williams J., Barlow J.B., and Ranzenbach R. Experimental Study of Cd Variation with Vehicle Aspect Ratio // SAE paper 1999-01-0649 in SAE SP-1441. SAE Congress, Detroit, February, 1999.