[发明专利]一种方程式赛车结构的设计方法

摘要

本发明属于赛车结构设计技术领域，涉及一种方程式赛车结构的设计方法，采用常规计算机辅助设计系统实现赛车结构的人机工程设计，包括工况设定、参数设定、人机系统设计、赛车手模型输出和设计优化五个步骤，其中工况设定包括行驶工况设定、安全工况设定、视野工况设定和赛道工况设定，参数设定包括赛车基本参数设定、赛车手模型参数设定和赛车手参数输入，人机系统设计包括赛车座椅设计、赛车操作装置设计和赛车显示装置设计；其设计方法简单，原理科学，操作方便，设计质量好，效率高。

主权项

1.一种方程式赛车结构的设计方法，其特征在于采用常规计算机辅助设计系统实现赛车结构的人机工程设计，包括工况设定、参数设定、人机系统设计、赛车手模型输出和设计优化五个步骤，其具体工艺过程为：第一步，工况设定包括行驶工况设定、安全工况设定、视野工况设定和赛道工况设定：（1）行驶工况设定：根据赛车典型赛道行驶关系曲线设定赛车的行驶工况，FSC赛车行驶于特定的赛道，每条赛道由多个赛段组成，每个赛段包括一个弯道、一条直道和另一个弯道；赛道行驶关系曲线表示赛车在多个赛段中速度的变化，其中横坐标轴表示赛车在赛道上所行驶的距离，纵坐标轴表示赛车的行驶速度；（2）安全工况设定：安全工况的设定包括赛车驾驶过程赛车手所需的安全装备和赛车的安全装置，赛车手所需的安全装备包括国际汽联认证的头盔、赛车服、手套、眼部保护、鞋子、手臂束缚带、毛发包裹、防火内衣和袜子，赛车的安全装置包括头枕、防滚架、安全带和主环包裹；（3）视野工况设定：在分析赛车手视线时，要依据标记的路边线位置、道路指示锥位置、车体最高点位置；（4）赛道工况设定：赛道工况的设定以测试赛车的转向性能、直线加速性能和综合性能为基础，将FSC赛车的赛道分为三组不同赛道满足测试的需求，赛车转向性能的测试采用8字绕环赛道，8字绕环赛道设计在停车场上并安放交通锥，测试赛车在平地上做定半径转向时的转向性能；直线加速性能的测试选择摆放有交通锤的75m长的平直路面赛道，平直路面赛道设计在停车场上；综合性能的测试采用高速避障测试，评价赛车在没有其它赛车的紧凑赛道上的机动性和操纵性；第二步，参数设定包括赛车基本参数设定、赛车手模型参数设定和赛车手参数输入：（1）赛车基本参数设定：根据美国机动车工程师协会标准SAE J1100-2005机动车辆尺寸规范定义，选取坐标系，分别选取赛车前后方向、左右方向、垂直方向为X轴、Y轴、Z轴，且各坐标轴与车辆地板夹角均为0；定义参考点，选取髋关节连线的中间点，即三维人体模型的躯干线与大腿线的交点作为H点，三维H点装置放置在座椅上时的H点位置为座椅参考点简称S点；定义距离坐高，即H点到踵点的垂直距离H30和方向盘参考点到踏板参考点的距离L6，踵点为脚跟与车内地板接触点；（2）赛车手模型参数设定：参照美国机动车工程师协会标准SAE J826-2008中H点机械和设计工具规程和规格定义基本参数，基本参数包括R点到踵点的垂直距离、R点到踵点的水平距离、靠背角、躯干与大腿夹角、大腿与水平面夹角、膝盖角、踝角和头部有效空间；（3）赛车手参数输入：在赛车人机工程设计软件的界面中输入赛车手的身高、体重、坐高、大腿长、小腿长、肩宽、坐姿胸宽、胸围、上臂长、前臂长、胸厚、坐姿大腿厚、足长和足宽相关参数；第三步，人机系统设计包括赛车座椅设计、赛车操作装置设计和赛车显示装置设计：（1）赛车座椅设计：①分析赛车座椅的基本功能：赛车座椅是将赛车手和赛车联系起来的最重要的部件之一，一方面，赛车座椅为车手提供足够的支撑，以及保护车手的生命安全；另一方面，车手通过赛车座椅感受赛车的侧向力和加速度，感知赛车车身的姿态，从而准确的进行方向和速度的输入。②定位H点：首先，确定H点的水平方向位置，其次，确定H点的垂直方向的位置，H点到踵点的垂直距离；③参数定义，先确定坐姿模型的角度，坐姿模型的参考角度如表1所示：表1：坐姿模型的参考角度再确定座椅座面的深度、座面的宽度、座面的高度、靠背的宽度、靠背的高度和座椅侧边支撑的高度；（2）赛车操纵装置设计：①分析踏板的功能：踏板是接收车手操作命令向赛车输入加速、减速的指令的关键部件，也是与车手实际接触的三个部件座椅、方向盘、踏板之一，FSC赛车的踏板按功能可分三类，分别是加速踏板、离合踏板和制动踏板；②设计踏板尺寸：受赛车工况影响，FSC赛车的踏板大小不可调节，仅距离赛车手的距离可以调节，在踏板模型选择时，踏板的角度选择SAE J826-2008模型，踏板大小根据实际情况选择中国男性95%足部尺寸或者赛车手的尺寸进行设计；③分析踏板踏板力：FSC赛车的踏板力无液压助力，力的数值较大，其中，制动踏板的最大行程为30-60mm，最大力为500-800N；加速踏板的最大行程为50-70mm，最大力为100N；离合器踏板的最大行程为50-70mm，最大力为300N；④确定踏板倾斜角度:踏板倾斜角度是加速踏板在未踏下时，与地板平面所成夹角，H30是人机工程设计的最基本参考点，取为胯部关节点H点到踵点的垂直距离，根据乘用车推荐数据，考虑到赛车垂直方向上空间紧张，选定H30值，可以求得踏板倾斜角度；⑤确定踏板位置尺寸：前后位置是踏板前平面到HP，即hard point的距离，由于FSC赛车的踏板前后位置可调，根据人体模型推移定位和H30确定；左右位置为加速踏板与刹车踏板的间距，刹车踏板与离合踏板的间距为，参照人体脚部施力特性确定，同时确定刹车踏板与H点的轴向距离；⑥设计方向盘：方向盘是赛车手向赛车传达转向命令的唯一部件，方向盘的大小和形式是方向盘设计的重点，确定方向盘直径、方向盘夹角、向盘到H点的水平距离和方向盘到H点的垂直距离，其中，方向盘直径为方向盘最大外轮廓的直径数值；方向盘夹角为方向盘与竖直平面的夹角，顺时针为正，逆时针为负；方向盘到H点的水平距离用于确定方向盘的水平位置；方向盘到H点的垂直距离用于确定方向盘的竖直位置；（3）赛车显示装置设计：①分析显示装置的功能：FSC赛车显示装置是指能通过可视化的数值、文字、曲线、符号、标志、图形、可听的声波以及其他人体可感知的刺激信号向赛车手提供赛车各种运行信息的器具，在视觉显示装置类型的划分中，可按其显示形式的不同划分为仪表显示装置和信号灯显示装置，仪表显示装置的参数包括发动机转速、燃油量、车速、水温和档位；信号灯显示装置的参数包括发动机故障、机油指示、换挡提示灯和空挡指示灯，其中发动机转速仪表、档位显示和换挡提示灯在赛车手驾驶过程中起到的作用最大，帮助赛车手选择合适的换挡时机；②确定显示装置的布置区域：仪表板的视距为560-750mm，视距越近越好；仪表板与车辆地板的夹角为60°-75°；仪表板视区的水平视野为20°-40°，垂直视野为视平线下30°；视野中心为3°。③布置仪表信号灯：仪表参数读取时，视线与仪表垂直时准确率最高，斜向45°观察是垂直观察读取误差的2-5倍，根据仪表显示灯在赛车比赛中的重要程度，将发动机转速显示、车速显示和水温显示在视野中间，将发动机故障显示、空挡显示和制动灯显示布置在视野20°-40°范围内，视野距离为46～71cm；第四步，赛车手模型输出：输入设定的参数后，结合人机数据库和人机工程基本原理输出赛车手三维模型；第五步，设计评价：赛车人机分析软件为用户提供设计评价功能，满足用户评价与优化现有设计方案的需求，设计评价功能的实现根据FSC赛车模型参数建立相应的三维模型，记录参数参考点的坐标值，将坐标值输入到软件中，软件通过对比模板库数据给出优化结果；在输入时，主要参数包括H点、R点到踵点的垂直距离、R点到踵点的水平距离、靠背角、躯干与大腿夹角、大腿与水平面夹角、膝盖角、踝角、头部有效空间、座椅参考点、踵点、H点到踵点的垂直距离、方向盘参考点到踏板参考点的距离。