Na kolejnych szkicach przedstawione są pozycje manekina 95-centylowego w samochodach różnego przeznaczenia

Transkrypt

1 2.2 Ergonomia Ergonomia jest nauką interdyscyplinarną, wykorzystującą wiedzę o psychofizycznych możliwościach oraz potrzebach człowieka do projektowania i korygowania wszelkiego rodzaju wyrobów technicznych, organizowania miejsca pracy i otaczającego środowiska w celu zapewnienia odpowiedniej wydajności, komfortu, bezpieczeństwa i satysfakcji z pracy. Wszystkie zaawansowane szkice packagingowe tworzone są w układzie współrzędnych w tzw. siatkach umożliwiające rozplanowanie ważniejszych zespołów samochodu. Pierwszym krokiem dla ustalenia kształtu przyszłego nadwozia jest rozplanowanie wnętrza pod wzgl. ergonomicznym. Do projektowania przyjmuje się manekiny 95 centylowego mężczyzny i 5 centylowej kobiety lub pośrednie. W siatkach ustala się też położenia punktów związanych z manekinem H,R,F,.. Podstawą do ustalenia wymiarów człowieka są badania antropometryczne, na podstawie których ustala się wartości progowe dla przedziału wiekowego lat. Pojęcie osobnik x-centylowy oznacza, że x procent osobników zbadanego ogółu posiada wymiary ciała mniejsze od omawianego. Należy zwrócić uwagę na aktualność danych antropometrycznych, ponieważ np. w ostatnim czasie uśredniona wysokość dla populacji męskiej zwiększa się o ok. 2 cm co 10 lat. I tak dla ustalenia optymalnej wygody miejsca kierowcy należy przewidzieć taki zakres regulacji, aby spełniał on wymagania dla jak największej części populacji. W tym celu do badań i projektowania przyjmuje się model 95- centylowego ( procentowego, oznaczenie c lub %) mężczyzny i 5-centylowej kobiety. W ten sposób badaniom są poddane wymiary, które charakteryzują 90% populacji. Jednym z bardziej istotnych problemów z punktu widzenia ergonomii jest właściwe rozmieszczenie elementów sterowania. Tylko właściwe uwzględnienie relacji wymiarowych pomiędzy kierowcą a zespołami stanowiska kierowcy (fotel, elementy sterowania i otoczenie) może zapewnić komfort i bezpieczeństwo jazdy. Podczas rozmieszczania elementów sterowania należy wziąć pod uwagę strefy zasięgu rąk kierowcy. Poniższy rysunek przedstawia różnicę pola zasięgu wyciągniętej ręki dla dwóch skrajnych modeli przy położeniu fotela dostosowanym do danego modelu.

2 Przestrzeń znajdującą się w zasięgu kierowcy można podzielić się na trzy strefy, zwane strefami wygody obsługi, w których powinny znajdować się odpowiednie elementy obsługi: Elementy obsługowe pierwszego stopnia wygody (np.: dźwignia zmiany biegów, przełączniki świateł, kierunkowskazów, sygnał dźwiękowy, hamulec ręczny) nie powinny wymagać oderwania łopatek od oparcia siedzenia i wzroku od jezdni Elementy obsługowe drugiego stopnia wygody (np.: wyłącznik dmuchawy) nie powinny wymagać oderwania odcinka lędźwiowego od oparcia siedzenia Elementy obsługowe trzeciego stopnia wygody (np. uchwyt otwarcia pokrywy silnika) powinny zapewniać ich obsługę w ramach ograniczonej wygody, ale bez kolizji z innymi elementami wyposażenia wnętrza (np. głowa uderza w koło kierownicy) Pewne wskazania w tym zakresie zawarte są w normie ISO W Polsce obowiązuje norma PN-92/S-76700, zgodna z normą ISO. Poprawne pod względem ergonomicznym projektowanie miejsca pracy kierowcy i siedzeń dla pasażerów w pojazdach samochodowych wiąże się z koniecznością znajomości podstawowych punktów odniesienia we wnętrzu pojazdu. Punktami tymi są: o punkt H punkt przecięcia osi obrotu nóg względem tułowia (osi obrotu przegubów) manekina trójwymiarowego umieszczonego na siedzeniu pojazdu, z płaszczyzną pionową stanowiącą płaszczyznę symetrii manekina; o punkt R punkt określający w samochodzie położenie punktu biodrowego H manekina usadowionego na siedzeniu kierowcy w przewidzianym przez konstrukcję samochodu i fotela najniższym i najbardziej wysuniętym do tyłu położeniu siedzenia; o punkty V punkty zastępcze określające skrajne położenia oczu kierowcy w samochodzie; służą do wyznaczania kątów i obszarów widoczności z miejsca kierowcy i są wyznaczone za pomocą prostokątnego układu współrzędnych x, y, z, w którym punkt R jest początkiem; o punkty podstawowe D punkty na powierzchni zewnętrznej szyby przedniej położone na przecięciu się z szybą linii prostych wychodzących z punktów V i skierowanych pod kątem określonym przez wymagania widoczności; Procedura wyznaczania punktu H jest przedmiotem normy ISO 6549:1980. Do wyznaczenia punktu H wykorzystuje się specjalnego trójwymiarowego manekina, którego umieszcza się na fotelu według ściśle określonej przez normę procedury. Także norma SAE J 826 podaje sposób określenia i spozycjonowania punktu H za pomocą dwuwymiarowego szablonu:

3 2.2.1 Kąty wygody Badania cech psychofizycznych człowieka pozwoliły wyznaczyć optymalne kąty określające pozycję człowieka siedzącego na fotelu, zapewniające maksimum komfortu i minimalne zmęczenie. Kąty te charakteryzują wygięcia oraz pochylenia poszczególnych segmentów ciała, które zapewniają swobodę i rozluźnienie mięśni oraz wymagają minimum wysiłku fizycznego. Kąty wygody pozycji siedzącej w samochodzie są przedmiotem normy DIN Poniższy rysunek przedstawia uśrednione zakresy kątów wymagane dla pozycji siedzącej w samochodzie osobowym, aby spełniony był warunek optymalnego komfortu.

4 Na kolejnych szkicach przedstawione są pozycje manekina 95-centylowego w samochodach różnego przeznaczenia Samochód sportowy Samochód osobowy Samochód dostawczy Samochód ciężarowy W samochodzie sportowym kąt zgięcia w kolanie jest zdecydowanie większy od górnej granicy komfortu. Jest to podyktowane tym, iż dąży się do jak najniższego położenia środka ciężkości w autach sportowych, a co za tym idzie do jak najniższej wysokości takiego pojazdu. Ponieważ wymagane jest, aby kąt pochylenia oparcia mieścił się w granicach komfortu (20-30 ), wysokość samochodu można zredukować tylko poprzez obniżenie wysokości punktu H. W pozostałych pozycjach kąty wygody dla zgięcia kolana są zachowane, jak również wszystkie pozycje mieszczą się w granicach kątów wygody pochylenia tułowia. Z powyższego można wysnuć wniosek, że podany zakres kątów p jest dostatecznie szeroki, aby można było poprawnie pod względem ergonomicznym zaprojektować miejsce pracy kierowcy. Wyjątek stanowią konstrukcje specjalne, jak w przypadku samochodów sportowych i wyścigowych, gdzie na pierwszym miejscy stawia się właściwości jezdne takiego pojazdu.

5 2.2.2 Rozkład nacisków na fotel Z punktu widzenia konstrukcji fotela, dla zapewnienia optymalnego komfortu ważna jest znajomość rozkładu nacisków, jakie wywiera siedzący kierowca lub pasażer zarówno na siedzisko, jak i na oparcie. Znając ten rozkład projektant może odpowiednio ukształtować gąbki fotela, jak również dobrać ich twardość. Poniższy rysunek przedstawia uproszczony rozkład nacisków na części fotela. Normy ISO podają również tzw. krzywe wrażliwości ciała ludzkiego na przyspieszenia pionowe. Krzywe te ograniczają czas ekspozycji zapewniający komfort. Ilustruje je poniższy wykres:

6 2.2.3 Widoczności z miejsca kierowcy Widoczność z miejsca kierowcy jest kolejnym niezwykle ważnym problemem, który należy uwzględnić podczas projektowania nadwozia samochodu. Wymagania widoczności do przodu, na boki, a także widoczność do tyłu są objęte odpowiednimi normami. W celu określenia widoczności niezbędne jest uprzednie określenie położenie oczu kierowcy, które jest uzależnione od jego wzrostu, kąta pochylenia oparcia oraz zakresu regulacji fotela. Dla spozycjonowania elipsy wzroku należy najpierw ustalić linię odniesienia według normy SAE J 941/1985. Położenia szablonu elipsy wzroku w płaszczyźnie XZ uwzględnienia różne położenia głowy i oka dla kątów pochylenia tułowia w zakresie od 5 do 45 o. Szablon pozycjonujemy dla kąta pochylenia tułowia 25 o w punkcie przecięcia płaszczyzny punktu R i linii 4 (linia elipsy w punkcie 25 o )w przypadku siedzeń regulowanych w poziomie, bądź linii 1 (punktów T w punkcie 25 o ) w przypadku siedzeń nieregulowanych.

7 Kąty widoczności możemy też określić w uproszczony sposób względem punktów V 1 i V 2 usytuowanych wymiarowo jak na poniższym szkicu: Po określeniu położenia elipsy wzroku, można przystąpić do wyznaczenia kątów widoczności. Metodykę wyznaczania zawiera Regulamin ECE R43. Ocenie podlega widoczność przez szybę przednią, kąty przesłony widoczności przez słupki przednie oraz obszar widoczności z miejsca kierowcy. Jak widać na zamieszczonym poniżej rysunku, powierzchnia przezroczysta szyby przedniej wg Regulaminu ECE powinna obejmować następujące punkty w płaszczyźnie pionowej: - punkt górny położony na prostej przechodzącej przez punkt V 1 i odchylonej pod kątem 17, - punkt dolny położony na prostej przechodzącej przez punkt V 2 i odchylonej pod kątem 5, oraz w płaszczyźnie poziomej: - punkt boczny lewy położony na prostej przechodzącej przez punkt V 1 i odchylonej pod kątem 17, a także trzy punkty położone symetrycznie względem płaszczyzny symetrii podłużnej pojazdu w stosunku do wyżej wymienionych punktów.

8 2.2.4 Rozmieszczenie pedałów Wymagania dotyczące rozmieszczenia w samochodach osobowych pedałów: sprzęgła, hamulca roboczego i przyśpiesznika są przedmiotem normy ISO 3409:1975 oraz Regulaminu ECE 35. Lokalny układ współrzędnych kierowcy tworzą trzy wzajemnie prostopadłe płaszczyzny, gdzie: - punkt B jest stałym punktem na podłodze samochodu, określonym przez producenta samochodu, odpowiadającym punktowi styku tylnej dolnej krawędzi obuwia prawej nogi kierowcy, - płaszczyzna zerowa X jest płaszczyzną pionową przechodzącą przez punkt B, prostopadłą do płaszczyzny symetrii pojazdu, - płaszczyzna zerowa Y jest płaszczyzną pionową przechodzącą przez punkt R, równoległa do płaszczyzny symetrii pojazdu, - płaszczyzna zerowa Z jest płaszczyzną poziomą przechodzącą przez punkt B.

9 Usytuowanie pedałów w lokalnym układzie współrzędnych kierowcy przedstawia poniższy rysunek (skrajny przypadek manekina 99c pokazuje zbyt mały zakres regulacji) Programy CAD do analiz ergonomicznych Ponieważ ergonomia staje się z dnia na dzień coraz bardziej znaczącym wyznacznikiem jakości i kryterium różnicowania wyrobów, do analiz ergonomicznych coraz częściej zaczyna się wykorzystywać specjalistyczne programy komputerowe wspomagające projektowanie. Większość z nich została opracowana przy współudziale koncernów samochodowych.

10 Ramsis Ramsis został stworzony przy współudziale niemieckiego przemysłu motoryzacyjnego i dzięki temu stał się wysokowydajnym narzędziem wspomagającym poprawne ergonomicznie projektowanie wnętrz i kokpitów wszelkiego rodzaju pojazdów. Jest wykorzystywany przez ponad 70% wytwórców samochodów. Program pozwala szybko, precyzyjnie i efektywnie rozwiązywać różne problemy ergonomiczne, zmniejszając koszty analiz nawet o 50%. Specjalistyczne funkcje są realistycznym odtworzeniem międzynarodowych danych antropometrycznych. Zapewnia pełny zakres badań łącznie z symulacją dynamiczną ruchu i możliwością integracji w systemach zaawansowanych projektowania CAD. Przykładowe możliwości programu to: analiza komfortu (m.in. ocena ortopedyczna wygięć kręgosłupa, analiza zmęczenia), analiza sił, widoczności zewnętrznej i wewnętrznej (przez manekina) etc. Model człowieka jest szeroko sparametryzowany, istnieje możliwość wyboru różnych baz danych, jak również możliwość określenia takich cech, jak wzrost, proporcje i korpulentność, a także możliwość wygenerowania modelu Klienta na podstawie danych skaningowych czy będziemy mieli samochody szyte na miarę?, Generowanie modelu indywidualnego Zakresy zasięgu i przestrzeni swobodnej dla głowy Symulacja regulacji pasów bezpieczeństwa Badanie zakresu widoczności

11 Anthropos Anthropos jest drugim popularnym programem komputerowym pozwalającym zamodelować ludzkie ciało w rzeczywistości wirtualnej dla celów analiz ergonomicznych i projektowania wszelkich wyrobów technicznych obsługiwanych przez człowieka. Używany przez inżynierów w odpowiednio wczesnej fazie projektowania, jest narzędziem do wykrywania błędów i niedociągnięć ergonomicznych i pozwala w ten sposób stworzyć wyrób o wysokiej jakości ergonomicznej oraz uniknąć dodatkowych kosztów związanych z ewentualną korektą. Możliwości Anthroposa to m.in.: wizualizacja wysokiej jakości pewnych zagadnień ergonomicznych, funkcje analizujące osiągalność (czy dany element znajduje się w zasięgu ręki), komfort czy widoczność bądź graniczne wartości podnoszenia i noszenia przedmiotów przez człowieka, funkcje związane z punktem H wg SAE, wykrywanie punktów kolidujących. Program posiada zdolność tworzenia kompleksowej animacji. Pozwala badać widoczność środowiska wirtualnego dodatkowo tylko prawym bądź tylko lewym okiem. Pozycja w samochodzie sportowym Widok ze strony pasażera Widok lewym okiem Widok prawym okiem

12 Catia V5 Catia V5 posiada prosty moduł projektowania i analizy ergonomii. Pozwala wczytać dowolny model centylowy manekina, konfigurować jego pozycję, analizować zadania podnoszenia i opuszczania ciężarów, pchania lub ciągnięcia, przenoszenia oraz badać wytężenie mięśni przy zastosowaniu następujących funkcji: Model 95 centylowego mężczyzny Model 95 centylowej kobiety

13 2.2.6 Modele antropometryczne człowieka Dane populacji europejskiej obejmują wymiary antropometryczne krajów Wspólnoty Europejskiej łącznie dla populacji kobiet i mężczyzn, wg standardów EN979, EN 547-3, EN 349, EN 294, EN/ISO Poniższy rysunek i tabelka przedstawiają podstawowe wymiary (wysokości, szerokości i głębokości) reprezentanta europejskiego w pozycji stojącej. Lp. Wymiar model 5c model 95c 1 szerokość barkowa 39,5 48,5 2 szerokość łokciowa 39,0 54,0 3 szerokość biodrowa 30,0 40,0 4 głębokość klatki piersiowej 17,0 25,0 5 głębokość na wysokości talii 18,5 27,1 6 głębokość brzuszna 21,0 33,4 7 długość kończyny górnej 70,6 88,2 8 długość kończyny górnej do osi chwytu ręki 61,5 77,9 9 długość ramienia (zgięty łokieć) 34,3 41,9

14 Uzupełnieniem do powyższego są wartości wymiarów wysokościowych reprezentanta europejskiego w pozycji stojącej, również stojącej swobodnej, zestawione w poniższej tabelce. Lp. Wymiar model 5c model 95c 1 wysokość ciała 153,0 188,1 2 wysokość oczna 142,0 175,0 3 wysokość barkowa 126,0 157,0 4 wysokość łokciowa 96,0 119,0 5 wysokość krocza 70,9 89,0 6 wysokość kolanowa 39,7 53,0 7 wysokość ciała w pozycji swobodnej 150,0 184,4 8 wysokość oczna w pozycji swobodnej 139,0 171,3 7 wysokość ciała w pozycji swobodnej 150,0 184,4 8 wysokość oczna w pozycji swobodnej 139,0 171,3

15 Wymiary 95 centylowego męskiego reprezentanta oraz 5 centylowej żeńskiej reprezentantki populacji polskiej w widoku z boku i z przodu przedstawiają poniższe rysunki.

16 Masy ciała Atlasy antropometryczne podają także wartości masy całkowitej ciała oraz mas poszczególnych części ciała dla różnych modeli. Poniżej przedstawione są przykładowe wartości obliczone dla populacji polskiej według rozkładu procentowego. Kobieta Mężczyzna Lp. Część ciała % 5c % 95c 1 Głowa z szyją 7,7 3,9 9,6 9,5 2 Tułów 46,3 23,2 45,8 45,3 3 Ramiona 6,0 3,0 6,6 6,5 4 Przedramiona 3,1 1,6 3,8 3,8 5 Ręce 1,0 0,5 1,3 1,3 6 Uda 23,0 11,5 21,0 20,8 7 Podudzia 10,5 5,3 9,0 8,9 8 Stopy 2,4 1,2 2,9 2,9 Całkowita masa ciała 100,0 50,0 100,0 99,0 Położenie środków mas części ciała Określenie położenia środków mas poszczególnych części ciała odbywa się przez podanie procentu długości odcinka bliższego w stosunku do całkowitej długości danej części ciała. Dane antropometryczne dotyczące środków mas podaje poniższy rysunek.