现代车辆工程论文（精选6篇）
现代车辆工程论文 第1篇
对我国铁路客车车体性能的分析
摘要：本文介绍了体概况。
25型客车的发展，分类以及构造，同时还分析了我国CRH系列动车组的结构特点，从而总结出我国铁路车辆车体性能的发展以及总关键词：25型客车；CRH动车组；结构；性能
0 引言
铁路客车是指载运旅客的车辆，为旅客提供服务的车辆以及挂运在旅客列车中的其他用途的车辆。客车分旅客运送、旅客服务和特殊用途等3种车辆。目前，中国铁路客车根据用途的不同，主要有如下几种：硬座车、软坐车、硬卧车、软卧车、行李车、餐车、邮政车、试验车。
中国拥有旅客乘坐车39438辆，其中硬座车17148辆、硬卧车11738辆、软座车676辆、软卧车2421辆。在这些客车中，有18573辆为空调车，占44．4%。
现代客车车体为薄壁筒形结构。其材质已由普通钢发展为低合金钢、不锈钢以及铝合金。这种结构和材质不仅大大提高了车体的强度、刚度和耐腐蚀性，而且降低了车辆的自重，提高了车辆运行的安全性，节约了维修费用和牵引动力消耗，为提高列车运行速度创造了有利条件。25型客车
1.1 概况
25型客车是中国铁路第三代主型客车，最初于1964-1966年研制了新型车长25.5米客车组，也就是“25.5米轻型高速列车组”，于1966-1969年设计制造，车体材质为低合金钢，采用KZ2型转向架，采用盘型制动,空心车轴,空气弹簧等技术，构造速度为160KM/H。列车组采用空调装置，集中供电。该批车用于广深铁路等线，因当时转向架技术不成熟，使用中出现不少问题。
1978-1985年铁道部科技规划中研制车长25.5米客车，车体为无中梁，平直墙结构，材质是耐候钢，采用209型转向架，构造速度为160km/h，发电车集中供电，1980-1980年投入运用。1986年铁道部下达25.5米新型空调客车研制要求，采用单元式空调机组的集中供电空调客车。使用206型转向架，构造速度为140KM/H，用于京广线列车，这批车由于不 符合要求并不成功。此后，1987年开始利用国外贷款以及国外技术制造集中供电空调客车。自1990年代开始，根据铁路客车升级换代的要求相继研制生产了一系列车长25.5米的25型客车投入运营。
1.2 车体布局
单层25型客车：硬座车为32座位布局，共118个座位；软座车为22座位布局，共72/80个座位；硬卧车共有11/10（带播音间的硬卧车）个开敞式间隔，每间隔左右两边有上中下三个铺位，定员66/60人；软卧车有9间房，每间左右两边各设上下两个铺位，定员36人。以上四个车种都配有配电室、乘务员室、储藏室、电开水炉间，设洗脸间及两个厕所。而餐车有12张餐台，可供48人同时就餐；
双层25型客车：双层硬座车和双层软座车的座位布局与单层车一样，分别为22和22方式。双层硬卧车定员80/76(带播音间）人，两端部各一中间层包间，三层铺，每间6人；上下层均为9个包间，均为双层铺，端部包间2人，其它8个包间均为4人。双层软卧车定员50人，与硬卧车结构基本相同，两端部各一中间层包间，为双层铺，每间4人；下层7个包间，为双层铺，每间4人；上层包间7间，为单层铺，每间2人。双层餐车的上下层共 有14张桌子，可同时容纳72人就餐。
1.3 车体结构
25型客车系列车体长25.5m，车体宽度3.105m，车体高度4.433m，通过最小曲线半径145m。25型客车系列结构上的特点有：车体为全焊接结构，由底架、侧墙、端墙和车顶组成。车体钢结构采用高强度、耐腐蚀的低合金钢（耐候钢）制成。车体结构系用无中梁无压筋薄壁筒形整体承载结构，其中底架、侧墙和车顶形成一个封闭筒形结构，承载特点为整体承载结构，底架采用无中梁结构。车体木结构：在配电室、乘务员、以及二位走廊地板采用厚20mm胶合板，上铺3mm阻燃橡胶地板。通过台、机房、冷却室地板用4mm扁豆型花纹铝板。厕所地板采用带不锈钢便器的仿理石玻璃钢制品，油炉室地板为带斜度的钢板。机房的墙板和顶板采用1.5mm多孔铝板，具有吸音作用。1.3.1 底架
底架采用无中梁结构，由牵引梁，枕梁、缓冲梁、端梁、侧梁、枕外横梁、枕内横梁、悬挂纵梁及波纹地板组成，如图1所示。
底架自上心盘中心岛缓冲梁间的中梁称为牵引梁，牵引梁由30a槽钢制成，其端部加高，以便组装钩缓装置。枕梁由厚8mm、间距350mm的两块腹板以及厚10mm、宽600mm的下盖板，厚8mm、宽600,mm的上盖板组焊成箱形结构。端梁由钢板压成槽形截面。缓冲梁由钢板压成不等边槽形截便，其中央部分与牵引梁端部相互组焊在缓冲梁与端梁间有两根角断面的纵向梁。侧采为18a型槽钢制成，为加强两侧梁的连接，设有由钢板压成槽形的枕外，枕内横梁。底架中部还设有各种悬吊纵梁，以悬挂空气制动装置。由以上各梁组成的钢骨架上，铺有梯形波纹地板。
图1-1 底架
1.3.2 侧墙
侧墙由立柱、侧门柱、顺梁及侧墙板等组成。
立柱由钢板压制而成，其截面为凹形，槽口内填有隔热材料。侧门柱采用Z形断面压型柱。上侧梁为不等边槽形截面梁。车体侧墙板采用耐大气腐蚀的平钢板。为了保证平钢板的稳定，侧墙板内侧设有加强梁。
车窗有两种形式，一种是固定式，另一种是下开式。下开式车窗由下固定窗和上活动窗组成。上活动窗顶部设有均衡机构，窗上装有锁闭和开启装置。
图1-2 侧墙
1.3.3 车顶
车顶由上边梁。车顶弯梁、车顶纵向梁、空调机组安装座平台、水箱盖等组成钢骨架，车顶两端部制成平顶，中部为弧顶。车顶板由侧顶板和中顶板两部分组成。侧顶板是冷轧型钢，将雨檐与小圆弧板及纵向梁为一体制造成型，从而提高了侧顶板的平整度，提高了小圆弧部分的抗弯刚度和强度，还简化了工艺。
车顶钢结构是由纵横梁件组成的空间梁系，其上焊有曲面金属包板组成的梁板结构，共同承受作用于上面的载荷。
图1-3 车顶
1.3.4 端墙
客车车体钢结构的两外端，通常称为外端墙。
外端墙有两根强大的槽钢24b制成的折棚立柱；两根位于端门两侧的乙型门边立柱；两根钢板压制成折角形的角柱，这些立柱的上段与车顶的顶端的顶端梁相焊接，下端焊在底架缓冲梁的上翼缘。角柱采用Z形角柱，Z形截面的端立柱和端门柱，截面较大的槽钢风挡柱，横梁由钢板压成的角形结构，端墙板焊在其外。在外端墙内外面还焊装有一些如电线槽、角铁、电力连接器、连接插座、风挡缓冲杆座、扶手等附件。
图1-4 端墙 CRH动车组
CRH动车组列车的全称为“China Railway High-speed”，意为“中国铁路高速”，它是自中国铁路第六次大提速（2007.4.18）以来的主力车型。从2007年4月18日起，全国统一开行了CRH列车。后来由于政治原因，所有的CRH动车组都被起名为“和谐号”。列车的车厢带有动力装置系统，形成动力分散形式。车次首字母为“D”或“C”，它们分别是“动”字或“城”字的拼音首字母简写。新型动车组具有技术先进、安全可靠、乘坐舒适以及环保等特点，时速均为200km/h以上。此外，CRH动车组均可重联，即两列连挂运行，可以增加载客数量。
动车组的引进为我国的铁路运输业带来了更大的发展空间,为我国铁路事业的跨越式发展 提供更好的机遇。而具有如此影响的主要原因是动车组的速度和动车组车体较其他普通车型的舒适度,在技术上引进了国外的先进技术,为我国的运输企业带来了新的生机。时速200km/h动车组项目是为我国铁路旅客运输提高水平、提高速度、提高档次、提高运输效率而实施的重大举措, 也是为进一步提升我国铁路车辆制造业水平、加快制造业的发展、迎头赶上世界先进水平、实现行业跨越式发展而做出的战略决策。动车组为动力分散、交流传动的电动车组, 通过全面技术引进, 最终实现国内制造,具有先进、成熟、经济、适用、可靠的特点。项目的实施为我国车辆公司实现装备技术现代化,打造国内公司品牌创造了难得的机遇。
2.1 CHR1 2.1.1 概述
CRH1型电动车组，是中华人民共和国铁道部为国营铁路进行第六次提速，向庞巴迪订购的高速列车车款之一。2007年2月1日，CRH1正式开始在广深线投入服务，首航车次为T971次，由广州东出发前往深圳。2.1.2 车体结构
设计时，采用自身支持的钢材设计, 内部构架提供硬度，材料选用不锈钢, 除了冲击座车体摇枕，车头是由碳钢做成的。钢结构分为:底架、侧墙、车顶、端墙前部结构。2.1.2 底架
包括两个纵向的边梁及与其相连的横梁、缓冲梁（与车钩相连接）和枕梁，其下部适于安装底架设备。在车体枕梁之间的中间位置，底架和一些横向的Z形梁相连。波纹底板通过点焊焊接在横梁的下缘上。每个车体枕梁包括两个加固的表面以便和二系悬挂配合，二系悬挂安装在横向的箱形梁上，箱形梁上还装有不同的支座，以安装车体和转向架之间的连接和减振装置。车体枕梁主要由低合金高抗拉强度钢制成，再通过电弧焊焊接在底梁上。在车体的入口处可以安装一个固定踏板，活动踏板的支座置于底梁下面。2.1.3 侧墙 整个侧墙由不锈钢制成，由冷拉侧柱和滚压成型的纵向梁通过电焊形成框架，再通过点焊在外面包上平板。侧墙盖住底梁使外表面状态较好。侧墙上开有开口，用于固定车窗。车门柱、车门安装托架等也是侧墙的一部分。2.1.4 端墙
由不锈钢制成，它由车内过道每侧都有的两个车端立柱、角柱、横梁、车顶弯梁和外部平面覆层组成。车端立柱焊接在缓冲梁上。车端立柱与底架连接牢固以防撞击变形。2.1.5 车顶
不锈钢车顶由纵向的支撑、外面盖上波纹覆板组成。Tp型车上一端转向架部位的车顶上面部分有一个凹槽，用于安装高压设备和受电弓。所有车辆的车顶中央都有空调设备的部件。Mc型车车顶一端的转向架的上面另有一个较小的位置，用于安装司机室用的紧凑型空调设备。车顶组装成一个单元，在安装了大型车内设备如地板后，再和其他构件焊在一起。车顶弯梁和侧立柱之间通过点焊连接，焊接通过一个纵向的槽完成，槽在随后被盖住。车顶接缝部分形成上侧梁，在结构上非常重要。为了提高外表面的状况，整个接缝藏在一个非结构性的盖板后面。
2.2 CRH5 2.2.1 概述
CRH5型动车组，是中华人民共和国铁道部为中国铁路第六次提速，引进自法国阿尔斯通的高速列车车款。该车型采用动力分布式设计，以同厂的Pendolino宽体摆式列车为基础，但不会装设摆式功能，车体以芬兰铁路的SM³动车组为原型，营运速度为200公里以上，为数60组，每组8节。在2004年10月10号所签定的合同下，阿尔斯通会提供3列车完全的样车（意大利组装）和6列可拆装的版本样车（以散件形式付运，由中方负责组装）。2.2.2 车体结构
CRH5车体主要包括中间车和带司机室的头车两种车型，中间车是基础车，由底架、侧墙、车顶、外端墙、内端墙几大部件组成，头车由中间车演变而来，包括底架、侧墙、车顶、外端墙、内端墙、走廊墙和空气动力学端部结构几部分。2.2.3 底架
底架由端部缓冲梁组成、枕梁和刚性支座、脚蹬组成、焊接构架、底架焊接件等组成。底架焊接件主要有牵引电机止挡、废排箱架、接地螺母等。
图2-1 底架
2.2.4 侧墙
8个车的侧墙共有4种，它们分别是：头车侧墙、中间车侧墙、餐车侧墙和残疾人车侧墙。头车侧墙有1个司机室门和1个塞拉门，中间车侧墙有2个塞拉门，餐车侧墙有1个上货门和1个塞拉门，残疾人车侧墙仅比中间车侧墙少了1个窗口。
头车侧墙焊接件有区间显示屏座、紧急制动装置座、压力传感器套管、门上部加强板等，中间车侧墙焊接件有区间显示屏座、紧急制动装置座。
墙断面由纵向放置的4种挤压铝型材组成。型材材质6005A-T6，厚度为50 mm，蒙皮厚度为2.5mm，内筋厚度为2.5mm。为了解决焊接收缩问题，每块型材的公差为（-1，+3），侧墙组成后公差控制在（0，+6）。型材由上到下开有3排T型槽，用来安装防寒及内饰件。2.2.5 车顶
8个车的车顶共分6种，MH车和M2S车相同，2个头车的相同。除了头车车顶在车头端和中间车有明显区别外，中间车车顶的变化仅在于车顶焊接件的区别。
车顶型材由纵向放置的4种、共7块挤压型材对称排列、组焊而成。型材材质为6005A-T6，厚度为50mm,蒙皮厚度为3mm，内筋厚度为2.5mm。车顶外部开了4排T型槽，内部开了4排滑槽，用于内装及设备的安装。2.2.6 内端墙
为满足EN12663要求的车体强度，车顶端部设加强结构，它由横梁、纵梁、盖板等构成，材料为6082-T6。在横梁下焊接内端墙，增加整车刚度。
内端墙由门柱、墙板、连接件组成。它的作用是：加强车体结构；安 装塞拉门机构。3 综合分析
我国铁路客车经过几十年的发展，尤其是近年来通过引进国外技术和自主创新，铁路客车车体结构技术已取得了长足进步。但不可否认，与国外先进技术相比还存在不少差距。因此，还需在合理设计车体结构外形尺寸与断面形状，车体结构设计平台化、模块化、轻量化，开发混合复合材料车体结构以及采用新的制造工艺等方面进行深入研究。
3.1 车体轻量化
科学技术的进步促进了铁路高速化的发展，然而客车轻量化车体结构是我国铁路实现高速的关键技术之一，通过以上对铁路25型客车和CHR型动车组车体结构可分析出，不锈钢具有优异的耐腐蚀性能，可实现车体无涂装，与普通碳素钢相比，车体重量可减轻10%到20%。
3.2 合理设计车体结构外形尺寸与断面形状
在一定的限界条件下，车体结构外形尺寸与断面形状是相互关联的。因此，应合理设计车体结构外形尺寸和断面形状，尽可能增大车内空间，增加载客能力或提高乘坐舒适度（增加乘客活动空间）。在特定区域运用的车辆，可根据该区域的限界进行车体结构外形尺寸和断面形状设计，以充分利用限界。心得体会
我国的高速铁路正在蓬勃发展，朝着速度快、社会效益好、安全系数高、节约能源、有利于环保的综合性目标前进，通过本学期的《现代车辆工程》课程的学习，让我一个非车辆专业的学生了解到了我国铁道车辆的基本知识，例如铁道车辆的代码，货车及客车转向架的机构原理，还有货车，客车的车体结构特点等等，对我国铁道车辆的发展有了一个比较清晰的掌握，扩展了自己的知识面，为今后专业课的学习打好了基础。在学习过程中，我还是遇到了很多的问题，比如206型转向架和209型转向架的区别等等，幸好得到了同学的帮助和老师的指导，在这里感谢老师的悉心教导，让我们度过了这八周快乐又有极大收获的学习时光。
现代车辆工程论文 第2篇
摘 要：车辆工程是一项重要的工程技术领域，侧重于理论，对土地，包括汽车，拖拉机，机车车辆，军用车辆和工程车辆的移动设备的设计和技术等问题。本文通过对车辆工程的发展史进行分析来让大家更加详细的了解车辆工程的历史以及现状。
关键词： 车辆;发展
在现代社会中广泛使用，不仅影响了车辆的运输行业和汽车行业，是我们国家的支柱产业之一，但也对农业和国家的防御装备现代化的发展产生深远的影响。车辆工程范围从原来的力学，机械设计，材料，流体力学和化学机电工程，机械设计及理论，计算机，电子技术，测试计量技术和控制技术，这不仅是相互渗透，也进一步与医学结合，生理学和心理学。它已经发展成为一门综合学科，包括多重的高科技和工程技术领域。
关于机械工程发展，在许多研究机械工程史著作中将其分为三个阶段：古代机械工程史、近代机械工程史、现代机械工程史。
机械始于工具。公元前30以前(史前期)，人类已广泛使用石制和骨制的工具。搬运重物的工具有滚子、撬棒和滑橇等，如古埃及建造金字塔时就已使用这类工具。公元前3500年后不久，苏美尔人已有了带轮的车。史前期的重要工具有弓形钻和制陶器用的转台。弓形钻由燧石钻头、钻杆、窝座和弓弦等组成，用来钻孔、扩孔和取火。埃及第三至第六王朝(约公元前2686年～前2181年)的早期，开始将牛拉的原始木犁和金属镰刀用于农业。约公元前2500年，欧亚之间地区就曾使用两轮和四轮的木质马车。叙利亚在公元前1200年制造了磨谷子用的手磨。
公元前600～公元400年的古罗马称为古典文化时期，这一时期木工工具有了很大改进，除木工常用的成套工具如斧、弓形锯、弓形钻、铲和凿外，还发展了球形钻、能拔铁钉的羊角锤、伐木用的双人锯等。广泛使用的还有长轴车床和脚踏车床，用来制造家具和车轮辐条。脚踏车床一直延用到中世纪，为近代车床的发展奠定了基础。
约在公元前1世纪，古希腊人在手磨的基础上制成了石轮磨。这是机械和机器方面的一个进展。约在同时，古罗马也发展了驴拉磨和类似的石轮磨。
表是1500年前开始制造的。重要的改进是用螺旋弹簧代替重物以产生动力，此外还加了棘轮机构。机械式钟表创造的成功，不仅为现代文明所必需，也推动了精密零件的制造技术。机械式钟表后来又得到全面改进，如单摆式时钟取代了原来的天平式时钟。1676年英国为格林威治天文台制作了摆长不同的两种精密时钟。怀表采用双金属条，解决了平衡轮的温度补偿问题。
在欧洲诞生了工程科学。许多科学家，如牛顿、伽利略、莱布尼兹、玻意耳和胡克等，为新科学奠定了多方面的理论基础。为了鼓励创造发明，意大利和英国分别在1474年和1561年建立了专利机构。17世纪60年代出现了科学学会，如英国皇家学会。英国于1665年开始出版科学报告会文献。法国约于同时建立了法国科学院。俄、德两国也分别于1725年和1770年建立了俄国科学院和柏林科学院。这些学术机构冲破了当时教会的禁锢，展开自由讨论，交流学术观点和实验结果，因而促进了科学技术以及机械工程的发展。
在1750～1900年这一近代历史时期内，机械工程在世界范围内出现了飞速的发展，并获得了广泛的应用。1847年，在英国伯明翰成立了机械工程师学会，机械工程作为工程技术的一个分支得到了正式的承认。后来在世界其他国家也陆续成立了机械工程的行业组织。
机械工程的发展，在工业革命的进程中起着主干作用。如18世纪中叶以后，英国纺织机械的出现和使用，使纺纱和织布的生产技术迅速提高。蒸汽机的出现和推广使用，不仅促进了当时煤产量的迅速增长，并且使炼铁炉、鼓风机有了机器动力而使铁产量成倍增长，煤和铁的生产发展又推动各行各业的发展。蒸汽机用于交通运输，出现了蒸汽机车、蒸汽轮船等，这反过来又促进了煤、铁工业和其他工业的发展。汽轮机、内燃机和各种机床相继出现。
其中动力机械技术的突破，促进了各技术领域的突飞猛进。第一台有实用意义的蒸汽动力装置是英国的T.钮科门于17制成的大气式蒸汽机，曾在英国的煤矿和金属矿中使用。17制成的钮科门蒸汽机，它的蒸汽气缸和抽水缸是分开的。蒸汽通入气缸后在内部喷水使它冷凝，造成气缸内部真空，气缸外的大气压力推动活塞做功，再通过杠杆、链条等机构带动水泵活塞运动。1765年瓦特制作了一台试验性的有分离冷凝器的小型蒸汽机，1781年他又取得双作用式蒸汽机的专利。1776年瓦特与M.博尔顿合作制造的两台蒸汽机开始运转。到18，英国的棉纺织业已普遍采用蒸汽机作为生产动力。
19世纪中期，内燃机问世。第一台在工厂中实际使用的.内燃机是1860年法国的勒努瓦制造的无压缩过程的煤气机，其基本结构与当时的蒸汽机相差不多。1862年，法国A.E.B.de罗沙提出四冲程循环的基本原理。1876年，德国N.A. 奥托制成四冲程往复活塞式单缸卧式煤气机，比勒努瓦的煤气机效率更高，功率更大。1878年，英国D. 克拉克制成二冲程作出了重要贡献。18他制成第一台压缩式点火式内燃机(柴油机)，使用液体燃料，按四冲程原理工作，热效率高于当时其他任何内燃机。早期的压缩式内燃机的转速比较低，进入20世纪后内燃机的转速大幅度提高。
随着发电机和电动机的发明，世界开始进入电气时代。中心发电站迅速兴起，大功率的高速汽轮机应运而生。
第二次世界大战以后的30年间，机械工程的发展特点是：除原有技术的改进和扩大应用外，与其他科技领域的广泛结合和相互渗透明确加深，形成了机械工程的许多新的分支，机械工程的领域空前扩大，发展速度加快。这个时期，核技术、电子技术、航空航天技术迅速发展。生产和科研工作的系统性、成套性、综合性大大增强。机器的应用几乎遍及所有的生产部门和科研部门，并深入到生活和服务部门。
进入20世纪70年代以后，机械工程与电工、电子、冶金、化学、物理和激光等技术相结合，创造了许多新工艺、新材料和新产品，使机械产品精密化、高效化和制造过程的自动化。
现代有轨电车车辆选型和供电方式 第3篇
1.1 传统有轨电车
从1881年世界上第一条有轨电车线路开通以来,有轨电车已经悄悄走过了130 a的发展历程。
1881年5月,德国工程师冯·西门子在柏林近郊敷设了世界上第一条有轨电车线路,靠1条铁轨通电,另1条铁轨作回路(见图1)。但这种线路对街上的交通太危险了,西门子于是采用将输电线路架高的方式解决了供电和安全问题。1883年,英国人德福修建了英国第一条有轨电车线路,长2 km。这条线路至今仍然在运营,是世界上最老的有轨电车线路。19世纪末有轨电车的建设进入了高潮,车辆技术也得到了很大的发展,逐渐成了当时城市公共交通的骨干。
1906年天津市建设了国内第一条有轨电车系统。随后,上海、大连、北京、沈阳、哈尔滨、长春等城市相继都建设了有轨电车。有轨电车系统在我国也得到了很好的发展。
20世纪初期,汽车工业得到了长足的发展,汽车车辆技术得到很大提高。汽车以其方便、灵活、舒适的特点征服了消费者,加上当时世界上石油供应充足、价格低廉,汽车逐渐成为了人们出行的主要交通方式。老式的有轨电车车辆加速慢、制动性能差,难以适应拥挤的道路环境,于是有轨电车开始衰落。许多国家开始拆除有轨电车线路。我国的北京、上海等城市从60年代也开始拆除有轨电车线路,至今只有大连还保留有传统的有轨电车线路(见图2)。
1.2 现代有轨电车
汽车数量的迅速增加,城市道路资源日益紧张;同时大量的汽车还带来了交通安全和环境污染等问题;此外,1971年中东战争以后,石油价格大幅度上涨,资本主义世界开始出现了能源危机。然而在这一时期世界上的经济发展很快,城市人口增长迅速,城市区域不断扩大,城市内部交通需求急剧上升。另一方面,有轨电车技术尤其是车辆技术有了很大的改进。20世纪70年代,出现了现代化大容量铰接的有轨电车,80年代中期又出现了更具现代化气息的低地板车型,现代有轨电车系统又重新登上了公共交通的舞台。
现代有轨电车系统的主要特点有以下几点。
1)系统主要以地面线形敷设,线路主要沿着既有道路建设,以独立路权为主,与其他道路可采用平交方式。
2)线路最小曲线半径小,坡度较大,线路纵面可沿道路纵面变化。
3)系统环保,噪声小,景观效果好,适合在城市内部或者城市组团之间运行。
4)车辆一般为人工驾驶,目视行车,经过平交道口时按道路信号行驶,可采取信号优先等措施提高速度。
5)允许不同线路平交,不同线路之间可共线运行。
6)车辆整体外观时尚、现代、美观,采用大量玻璃侧墙,车厢内通透性好,乘客舒适性强。
1.3 现代有轨电车与传统有轨电车的区别
现代有轨电车在传统有轨电车的基础上进行了彻底的技术革新,包括车辆、供电、环境保护等。
1)走行部制式。传统的有轨电车采用钢制车轮走行在钢制轨道上,在现代有轨电车中不仅继承了钢轮钢轨的制式,同时引入了橡胶轮与导向轨的技术,增加了胶轮导轨的制式。
2)低地板程度。传统的有轨电车与公交车类似,采用高地板,乘客上下车需要通过车门处的踏步,影响了乘客的上车速度且不利于对残疾人乘客进行服务。现代有轨电车经过改进,将车辆中部的非动力转向架采用独立旋转车轮,取消了传统轮对的车轴,并将车门处的踏步转移至车厢内部,从而车辆入口处的地板面降低,虽然车辆前后端部仍为高地板面,但整个车辆内部可以达到70%低地板,改善了乘客上下车条件。
最新的现代有轨电车通过完全采用独立旋转车轮转向架、合理设置车厢内部纵坡、减小车轮尺寸等方法,形成了100%低地板有轨电车,极大地方便了乘客使用。
100%低地板车辆一般可由2~8个模块组成,通过所有模块均采用独立旋转车轮或改变车厢内部纵坡的方式,降低了车辆地板面高度。车厢内部纵向贯通,无踏步(见图3)。
3)系统振动和噪声小。现代有轨电车车辆制造时采用新的制造工艺,车辆减振性能好,并且使用弹性车轮,降低了轮轨之间的噪声,车体使用隔音材料,大大降低了整个系统的噪声水平。
4)车辆外观。现代有轨电车车辆无论从外形还是涂装上都进行了改善,并根据线路的特点进行个性化设计。国外一些城市采购车辆时还对车辆外观造型进行专门设计。
5)动力性能。现代有轨电车的电气传动系统采用VVVF控制技术,制动方面采用电气、机械、磁轨等多种制动,故牵引、制动、控制水平都有了大幅度的提升。
6)载客能力。现代有轨电车车辆实现了模块化组装,不仅可以根据客流需求增减车辆模块,必要时还可以两车联挂运行,提高系统的运输能力。
7)供电方式。现代有轨电车发展了第三轨、电磁感应、超级电容、蓄电池等多种供电方式,能够更好实现与周边环境的协调。
有轨电车综合比较见表1[1]。
传统有轨电车相比现代有轨电车在车辆性能参数、车辆外观和装饰、走行方式、低地板、供电方式等方面与现代有轨电车有一定的差距。现代有轨电车中70%低地板车辆在国内具有成熟的运用经验,在供货周期和价格因素方面更具有优势,但在车辆性能、车辆外观和装饰方面有待进一步改进。100%低地板车辆在国外运用已较为成熟,国内也已研制成功并处于样车试运行阶段。100%低地板现代有轨电车更符合有轨电车未来的发展方向。
2 钢轮钢轨与胶轮导轨现代有轨电车
2.1 钢轮钢轨现代有轨电车
走行部即转向架,主要由车轮、构架、轴箱、悬挂、牵引部件等组成。车体重量通过转向架一系、二系悬挂到达车轮,进而通过轮轨作用传到轨道上,转向架起到承重和导向的作用(见图4)。
2.2 胶轮导轨现代有轨电车
走行部主要由橡胶轮、构架、悬挂、导向轮等组成。橡胶轮被固定于构架上,通过悬挂装置与车辆相连。橡胶轮走行于普通路面上,起承重和牵引作用;导向轮通过构架与车体相连,与道路上敷设的导向轨配合,为车辆起导向作用(见图5)。
2.3 综合比较
1)从技术方面看:钢轮钢轨和胶轮导轨的技术特征都能适应通常的线路条件,胶轮导轨在爬坡、转弯能力上相对较好,钢轮钢轨在单位车长的载客量上相对较好。
2)从经济方面比较:钢轮钢轨选择性大,性价比高;胶轮导轨易造成垄断,且性价比低。造价上钢轮钢轨只在轨道上比胶轮导轨高,其他配套系统均相同。后期维护方面钢轮钢轨维护量小,成本低。
3)从节能环保与安全舒适方面比较:钢轮钢轨能耗小,空气污染少;噪声水平两者相当。但钢轮钢轨在安全性、可靠性及运行平稳性方面比胶轮导轨更好。
4)总体评价。钢轮钢轨和胶轮导轨2种车辆都能满足本工程的技术要求,但从车辆来源、价格、后期维护、节能环保、安全舒适等方面,钢轮钢轨车辆更具优势(见表2[1])。
3 现代有轨电车的供电方式
3.1 接触网供电
接触网供电的方式与传统的铁路和大部分地铁所采取的供电方式基本相同。列车通过车顶受电弓从架空接触网取得电能,通常采用的供电电压为直流750 V。目前国内有轨电车均采用该种供电方式。
3.2 无触网供电
1)第三轨供电[2,3]采用在地面上铺设的供电轨取代了架空接触网。供电轨由3 m长的绝缘体和8 m长的导电体相间敷设而成。车辆底部安装有受电靴(见图6)。在车辆运行过程中,感应装置感应到有车辆通过时,相应的导电段(必须被车体完全覆盖)接通电源而带电,车辆通过受电靴从接触轨上取电,没有车辆通过的区域接触轨不会带电,以保证其他车辆和行人的安全。车辆前进过程中,不断切换导电体的工作状态以满足车辆连续受电的需求。
2)电磁感应供电[4]技术利用电磁感应现象,将电缆回路预先埋设在轨道结构下方,车体底部安装有耦合线圈。车辆启动时通过车载储能装置启动,运行过程中,电缆回路通电形成电磁场,车辆上的耦合线圈不断切割磁力线,产生电磁感应,形成电流,为车辆供电的同时给车载储能装置充电。
3)电池包供电通常安装于车辆上,由于其存储电能容量较小,故充电时间长,通常只作为运用于短距离供电,且供电过程中通常对车辆的性能有所限制。
4)超级电容供电[5]的原理与普通电池供电原理相同,但超级电容的容量较大,可以维持较长的供电时间。另外,利用超级电容可以快速充电的优点,如果结合车站设置快速充电设备,利用停站时间对超级电容充电,就可以解决超级电容车辆连续供电的问题。一次充电可运行约2.5 km。超级电容供电有轨电车见图7。
3.3 综合比较
供电方式综合比较见表3。
综合比较各种供电方式,接触网供电技术虽然对城市景观有一定影响但其技术成熟可靠,运用时间久,维护经验丰富,而无触网供电技术相对不够成熟,且造价很高,运营维护经验不足。
3.4 对接触网供电影响城市景观的建议
现代有轨电车大多在地面上走行,接触网多采用架空网的形式,在行车密度较大、供电上网处、线路转向处容易造成架空电缆密集,影响城市景观。建议采取如下措施进行改善。
1)在城市规划方面对接触网供电进行先期规划,同时优化接触网结构件的形式,使接触网能与周边环境融合,从而改善对城市景观的影响。
2)优化接触网供电的功能,减少架空的电缆数量、尺寸,改变外观,减小对城市景观的影响。
3)若超级电容技术成熟可靠,则可结合接触网的使用寿命期限(15 a),改造车辆采用超级电容供电,从而取消接触网,改善城市景观。
摘要：介绍了有轨电车的发展历史。比较分析了传统有轨电车和现代有轨电车的区别、现代有轨电车中钢轮钢轨有轨电车和胶轮导轨有轨电车各自的特点及优劣。重点介绍现代有轨电车的供电方式,认为现代有轨电车是有轨电车未来的发展方向,钢轮钢轨和胶轮导轨2种形式各自特点,应根据实际情况选用;介绍供电方式,认为接触网供电作为成熟的供电技术更适合现代有轨电车。
关键词：现代有轨电车,钢轮钢轨,胶轮导轨,供电方式
参考文献
[1]上海市城市建设设计研究总院.苏州市高新区现代有轨电车1号线工程车辆选型报告[R].上海:上海市城市建设设计研究总院,2011.
[2]薛美根,杨立峰.现代有轨电车主要特征与国内外发展研究[G]∥第十六届海峡两岸都市交通学术研讨会论文集,2007.
[3]ALSOTM TRANSPORT.有轨电车研讨会[R].上海:ALSOTM,2010.
[4]BOMBARDIER.庞巴迪轻轨车辆[R].上海:BOMBARDIER,2010.
车辆工程专业解析 第4篇
1956年7月14日,吉林长春的第一汽车制造厂总装线上驶下了第一批共12辆“解放牌”载重汽车,至此,新中国结束了不能生产汽车的历史,民族汽车工业随之开始蓬勃发展。回顾往昔,汽车制造人才缺乏是制约当时汽车工业发展的一大“瓶颈”。随后,国内众多高校纷纷开设了培养汽车人才的相关专业,车辆工程专业也就应运而生了。
大学里的车辆工程专业隶属于工科,众所周知,相较于文科而言,工科的课程多、任务重,学生学习比较辛苦。具体到该专业而言,它要求学生系统学习和掌握机械设计与制造的基础理论,以及微电子技术、计算机应用技术和信息处理技术的基本知识。它的主干学科包含了力学、机械工程和车辆工程。至于要学的课程那就更多了,有机械制图、理论力学、材料力学、计算机基础、电工电子技术、机械原理、机械工程材料、机械设计、机械制造工程基础、汽车构造、汽车理论、汽车试验学、汽车设计等。
看了上面的一大段文字,是不是有些头晕,感慨要学的东西太多?当然,汽车领域作为一个门槛和技术要求相对较高的“两高”行业,自然需要更好的“敲门砖”才能“放行”,这就要求学习该专业的学生最好要具有扎实的数理基础或者这方面的天赋,学起来才会比较轻松。
尤其值得注意的是,大学里的车辆工程只是一个大的专业领域,里面还细分出了若干具体专业方向。如果把车辆工程比作一个大的防守地堡群,它的各个专业方向就像是一个个小的地堡。那么,作为该专业的学生,一般都要有选择地去攻克其中的一个“堡垒”。各高校对于车辆工程专业方向的划分不尽相同,但也大同小异,概括说来,主要分为汽车系统动力控制、汽车设计以及汽车电子技术等几个方向。
汽车系统动力控制方向主要培养汽车发动机领域内从事设计、制造、科研和管理等工作的高级专门人才;汽车设计方向的学生则兼学工程与艺术;汽车电子技术则是一个更为“宽口径”的方向,重在培养熟悉汽车电子电器、电控系统故障诊断和维修的高级应用型技术人才。
由此可以看出,车辆工程专业所学内容几乎涵盖了车辆制造的各个方面,从该专业毕业的学子们,将来无疑是汽车生产制造领域的生力军。
除了学习理论知识,车辆工程专业对学生动手能力要求也很高,实践是必不可少的“配餐”。该专业一般的教学实践环节包括金工实习、汽车驾驶实习、汽车拆装实习、汽车生产实习、毕业实习等。这些实地的操作和演练,能够有效的弥补书本知识的不足,让学生在今后的求职和工作中,更添一份胜算!
经过四年潜心刻苦的学习,“满师”时的你应该已经修炼得“一身技艺”:比较系统地掌握了本专业领域宽广的技术理论基础知识,具有制图、计算、试验、测试、计算机应用、文献检索和基本工艺操作等基本技能;同时具有车辆工程领域必要的知识,了解其科学前沿及发展趋势。当然,对于你所选择的专业方向的专业知识更应精通。
毕业后,学生可以选择就业,在汽车及交通运输行业的研究院、大中型企业、合资企业、高等院校等从事汽车和机械类产品的开发和设计、制造、试验与基础理论研究等方面的工作。在当今汽车工业“全线飘红”的形势下,该专业的毕业生供不应求,十分吃香,尤其一些来自重点大学的学生,更是“皇帝的女儿不愁嫁”。当然,考研也是不错的选择。由于该专业所学内容比较宽泛,除了本专业外,毕业生还可以跨专业报考机械设计及理论、机械制造及其自动化、机械电子工程、微机电系统及纳米技术、航空宇航制造工程等专业的硕士研究生。
相近专业:机械设计制造及其自动化、材料成型及控制工程、工业设计、过程装备与控制工程、机械工程及自动化、机械电子工程。
开设院校:清华大学、吉林大学、同济大学、西南交通大学、湖南大学、华南理工大学、北京理工大学等。
车辆工程汽车新技术论文 第5篇
一：汽车发动机新技术
1：均质充量压缩燃烧(HCCI)技术
1.1）传统燃烧概念局限性：
压缩点燃式燃烧概念（用于柴油机）与火花点燃式燃烧概念（用于汽油机）相比，最大的特点在于所使用的燃油特性不同，由此造成两者在以下各个方面都有差别，如燃料引燃方式，空燃比，压缩比，燃油经济性，有害物排放等。出于人类对汽车排放的有害物质的毒害作用，二氧化碳的温室效应和氮氧化物形成酸雨的关注，以及能源匮乏的影响，人们对高效能、低污染的动力源的需求与日俱增。
传统的汽油机属于预混均质燃烧，由于汽油特性以及爆燃等诸多因素的限制，因此，压缩比低，热效率低。与汽油机相比，柴油机具有较高的热效率和优越的燃油经济性，但是，传统柴油机的燃烧是燃料喷雾的扩散燃烧，依靠发动机活塞压缩到接近终点时的高温使混合器自然点火。由于喷雾与空气的混合时间很短，燃料与空气混合得严重不均匀，混合气分为高温过浓区和高温火焰区，导致NOx和碳烟的产生。
1.2）均质充量压缩燃烧（HCCI）技术概述：
HCCI是一种全新的内燃机燃烧概念，既不同于柴油机（非HCCI），又不同于汽油机（均质充量火花点燃），是一种火花点燃式和压缩点
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燃式发动机概念的混合体。均质压燃式(HCCI)燃烧方式是目前内燃机燃烧领域的研究热点。HCCI燃烧是以预混合燃烧和低温反应为特征的燃烧方式。采用HCCI燃烧方式可以同时降低柴油机的NOx和碳烟排放，井提高柴油机的循环热效率。HCCI发动机机通常工作在高空燃比和较低的压缩比条件下，工作范围较小，高负荷时功率输出不足。“双模式”HCCI发动机是解决上述问题的有效途径，并成为近期HCCI发动机研究中的热点。
HCCI发动机燃烧为稀薄燃烧，采用均质压缩多点着火，是一种从优化燃烧的角度来降低NOx和碳烟排放的新燃烧理论和技术。其燃烧模式是在进气和压缩过程形成均质混合气，当活塞压缩到上止点附近时，均质混合气自然点火。从HCCI燃烧方式看，HCCI发动机可以同时综合火花点火发动机（SI）和直接喷射压缩点火发动机（DI）的优点，同时避免他们的缺陷，即HCCI燃烧可以同时实现降低排放和达到高热效率的目的。这与传统控制排放方法相比，实现了很大的进步。
1.3）均质充量压缩燃烧（HCCI）技术特点
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（1）超低的氮氧化物和碳烟排放
造成传统柴油机NOx和碳烟排放较高的原因是传统柴油机存在高温区，即在火焰前锋高温区容易产生NOx排放，在火焰内部高温区由于缺氧容易产生碳烟排放。而HCCI发动机为稀薄燃烧，所以不存在缺氧情况，因而可有效降低碳烟排放；同时HCCI发动机燃烧为预混合均质压缩点火燃烧，即燃烧室内部为均质混合气，在活塞压缩作用下燃烧室内多点同时着火，减少了火焰传播距离和压缩持续期，避免了高温区的产生，可大大减少NOx的排放。
（2）燃烧热效率高
由于HCCI发动机采用压缩自燃，因而可以大大提高压缩比，从而提高其燃烧效率。另外，压缩点火方式避免了SI发动机的节流损失，其热效率与SI发动机相比更具优势。热效率的提高主要来源于三个方面：一：减少了节流损失；二：提高了压缩比；三：缩短了续烧期
（3）HCCI燃烧过程主要受燃烧化学动力学控制
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HCCI燃烧的能量释放过程是受多种化学动力学因素支配的，这些因素进而又受流体静力学和热力学状态历程的影响。为了获得HCCI燃烧，要考虑各种不同的参数。压缩冲程结束时的缸内温度和压力、燃烧的自燃特性和残余废气量都会影响HCCI的点燃过程。
（4）HCCI发动机运行范围较窄
HCCI发动机可以使用多种燃料（汽油、柴油、天然气、氢气等），在一定的工况下可以稳定运行，得到较好的运行和排放效果。但燃烧受到失火和爆燃的限制，发动机的运行范围比较窄。
（5）HCCI发动机HC、CO的排放较高
相对于普通柴油机，HCCI发动机HC、CO的排放较高主要是由于HCCI燃烧通常采用较稀的混合气和较强的EGR（废气再循环），缸内温度比较低造成的。
1.4）均质充量压缩燃烧（HCCI）方式的实现
（1）进气道喷射
将燃料喷到进气阀附近和空气混合，然后在进气过程中将混合气吸入缸内。这个方法利用进气涡流来强化混合气的形成过程，从而提高混合气的均匀度。
（2）缸内前期喷射
即在压缩上止点前将燃料喷入缸内，通常这种情况下发动机的喷油提前角远大于传统柴油机，是柴油与空气在着火前充分混合。
（3）缸内后期喷射
将柴油在压缩上止点附近或之后喷入，同时采用大量预冷的废气再循
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环，加强涡流和降低压缩比等措施来实现点火延迟。1.5）HCCI商业化面临的技术问题
（1）发动机冷启动困难
（2）废气控制系统的研究
（3）拓宽HCCI运行工况范围
（4）控制点火时刻和燃烧率
（5）研发快速反应控制系统来解决不同工况下的动态响应灵敏度
二、汽车传动系统新技术
1：汽车双离合器变速器（DCT又称DSG）技术 1.1）双离合器变速器概述
10年前，虽然已经出现了带手动功能的步进式自动变速器，但在大众化量产车中，自动变速器和运动性驾驶在人们的头脑中并无必然联系。但随着双离合变速器技术的出现，这种介于传统变速器和自动变速器之间并综合了两者各自优点的变速器，让车主们感到欣喜。双离合变速器技术是变速器领域的最重要创新之一，而对于新能源车来说，双离合变速器技术还有着更加深远的意义。1.2）双离合变速器的结构和基本原理
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双离合器变速器在一个变速器中实现了两个手动变速器的功能。在使用标准换挡杆换挡的汽车中，如果驾驶员要从一个挡位换到另一个挡位，他先要踩下离合器踏板。此动作可以操作一个离合器，使发动机与变速器断开连接，中断输送到变速器的动力。然后，驾驶员使用换挡杆选择新的挡位，这个过程涉及到将齿形联轴器从一个齿轮移动到另一个不同大小的齿轮。称为“同步器”的设备会让齿轮在结合之前相匹配以防止磨齿。一旦换入了新的挡位，驾驶员就可以松开离合器踏板，从而使发动机重新连接到变速器，并将动力传送给车轮。由此可见，在传统的手动变速器中，从发动机到车轮没有连续的动力输出。在换挡的过程中，动力传送将从“有”到“无”再到“有”进行变化，这样就会导致“换挡冲击”或“扭矩中断”现象。对比之下，双离合器变速器使用两个离合器，但没有离合器踏板。先进的电子系统和液压系统像控制标准自动变速器那样对离合器进行控制。但在双离合器变速器中，各离合器单独运转。一个离合器控制奇数挡（一挡、三挡、五挡和倒挡），另一个离合器控制偶数挡（二挡、四挡和六挡），如
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图1-2和1-3所示。这样，不需要中断从发动机到变速器的动力传送就可以换挡。
1.3)双离合变速器的干与湿
(1)干式离合器
干式离合器具有从动部分转动惯量小、结构简单、调整方便、分离彻底、转矩过载保护、效率高、成本较低、不需要助动力等优点。干式离合器通过压板和飞轮吸收较大热量对滑磨产生热量的速度不敏感，但空气散热较慢，热量不易在短时间内散发出去；因此,它受滑磨产生的总热量的限制。干式离合器适于在短时间内结合，这样滑磨时间短、产生热量少。
（2）湿式离合器
湿式离合器有较好的控制品质。结构比较单
一、具有压力分布均匀、磨损小、传递扭矩容量大、不用专门调整摩擦片间隙等特点。由于它用液压油强制冷却，允许起步时较长时间地打滑，高档起步而不会烧损衬面，其寿命可达干式离合器的5倍～6倍，广泛用于自动变速器的离合器上。但处于分离状态中的多片式离合器的主、从动摩擦片之间因润滑油相互滑转，产生较大的摩擦阻力，使变速器的传动效率相应降低。
1.4）双离合变速器的控制策略
双离合变速器在换挡过程中存在两个离合器扭矩传递的重叠阶段，因此对换挡过程离合器的控制有较高要求
（1）起步控制
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车辆起步时，可以有两种起步控制策略；第一种：仿照AMT的起步控制策略，起步时车辆自动挂1档，即只有离合器1参加起步。第二种：为使两个离合器具有相同的使用寿命并保证起步的快速性和平稳性，可以使两离合器同时进入滑摩状态，共同承担起步力矩实现车辆起步。
（2）升降挡控制
如图4所示，升挡时（以l挡换2挡为例）控制过程为离合器1分离，离合器2接合。升挡前只有离合器l结合，转矩完全由离合器1传递，离台器与发动机没有相对滑转。换挡时，离合器1被切断供油并开始逐渐卸压分离。同时，离合器2的油路接通，随着油压不断升高，其摩擦片间隙被消除，主、被动片受压滑转，直至压紧，停止打滑成为整体传递转矩。即离合器I与离合器2中的摩擦元件完全分离和接合，都需要经过一段滑磨过程，且有工作重叠部分，则不会切断动力，实现了动力换挡。降挡过程与升挡过程原理相同。
（3）跳档控制
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变速器升档一般是一档一档地进行的，而降档则可能会跳跃地降档，双离合自动变速器在手动控制模式下也可以进行跳跃降档。例如：从6档降到3档，连续按3下降档按钮，由于6挡齿轮和3挡齿轮处在不同输出轴上，变速器就会从6档直接降降3档。但是从6档降到2档时，由于6挡齿轮和2挡齿轮处在同一输出轴上，则变速器会先降到5档，再从5档直接降到2档。即跳跃降档时，起始档位和最终档位是属于同一离合器控制的，则会通过另一离合器拄制的档位转换一下，起始档位和最终档位不属于同一离台器控制的，则可以直接跳跃降至所定档位。
1.5）双离合变速器的优势
（1）换挡快。双离合变速器的换挡时间非常短，比手动变速箱的速度还要快，只有0.2秒不到。
（2）省油。双离合变速器因为消除了扭矩的中断，也就是让发动机的动力一直在利用，而且始终在最佳的工作所以能够大量节省燃油。相比传统行星齿轮式自动变速箱更利于提升燃油经济性，油耗大约能够降低15%。
（3）舒适性。因为换挡速度快，所以DCT的每次换挡都非常平顺，顿挫感已经小到了人体很难察觉的地步。（4）在换挡过程中，几乎没有扭矩损失。
（5）当高挡齿轮已处于预备状态时，升挡速度极快，达到惊人的8毫秒。
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（6）无论油门或者运转模式处于何种状况，换挡时间至少能达到600毫秒(从奇数挡降到奇数挡，或者从偶数挡降偶数挡时，耗时约为900毫秒，例如从第5挡降到3挡)。
三：智能汽车与车联网技术
1：无人驾驶汽车
1.1）无人驾驶汽车概述
国外科学研究表明，每个交通事故均不同程度地涉及驾驶员、汽车及道路环境因素。英国科学家有研究表明交通事故肇事发生的唯一原因是由驾驶员因素引起的占65%，而与驾驶员有关因素（汽车、道路环境等）的百分率高达95%。我国道路交通事故的统计也表明，主要由于驾驶员造成的事故占90%左右。总之，驾驶员失误作为肇事发生交通事故的主要原因已被世界各国所公认。如果要从根本上解决这一问题，就需要将“人”从交通控制系统中请出来，从而提高安全性。由于无人驾驶电动车不需要司机，系统效率也随之提高。无人驾驶汽车就是这种新型控制方法的核心，而车辆安全则是无人驾驶汽车成败的关键。
1.2）无人驾驶汽车的发展
无人驾驶汽车是新能源汽车与计算机系统相结合的一个轮式机器人，也是一个衡量国家科研实力和工业水平的一个重要标志，成为各国白热化角逐的一个领域。发达国家从20世纪70年代开始进行无人驾驶汽车研究，美国是世界上研究无人驾驶汽车最早、水平最高的
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国家之一。而Google无人驾驶汽车无疑是这块领域的佼佼者，通过了大量的实验大量的数据提高无人驾驶汽车的安全性与实用性。与国外相比，国内的无人驾驶汽车起步较晚，规模较小，主要是一些大学和研究所。近几年也取得了不错的成绩。例如，由国防科技大学自主研制的红旗HQ3无人车，2011年首次完成了从长沙到武汉286公里的高速全程无人驾驶试验，创造了我国自主研制的无人驾驶的新纪录。
1.3）无人驾驶电动汽车的组成和基本原理
无人驾驶电动汽车系统主要由传感器系统、控制系统和执行机构组成。理想化实现无人驾驶汽车的主要技术有两种途径：
一、采用磁传感器来检测路径，但需在地面下预埋磁针，对路面重新改造，对路面有破坏性。
二、采用CCD摄像头作为传感器来检测路径，而CCD摄像头价格较高，并且需要对采集到的图像实时处理，对系统硬件和软件要求很高。
现在广泛采用的一般是基于光电传感器基础的自动导航系统，其根据光电传感器测得的反射光强的信号来自动辨别行驶路径，与其他的导航方案相比，该方案导航系统具有结构简单、安装方便、对道路无损害、价格低廉等特点。传感器系统主要由导航系统、防碰撞传感器、启停系统组成；控制系统可以选择dSPACE公司的MicroAutoBox控制器；执行机构主要由轮毂电机、线控转向、电控液压制动等系统组成。
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（1）导航系统
导航系统自动检测汽车相对于预定路径的横向偏差。主要由光源、光电传感器、遮光附件、信号采集和电源五部分组成。
（2）控制系统
控制系统根据横向偏差来计算转向系统所需转角，获取汽车的预瞄信息，对车辆的状态进行自动控制，使汽车按预定工况行驶。控制系统相当于一个“驾驶员”模型，对信息感知、综合、判断、推理、决断，使执行机构产生相应正确的响应。控制系统成为当前国内外学者研究的一个热点问题，综合人工智能，计算机技术，通信技术，控制理论等多门学科的前沿技术。
（3）执行装置
执行装置分为三个部分，分别是驱动系统、转向系统和制动系统。驱动装置为4个电机，采用线控转向，和电控液压制动。
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1.4）无人驾驶汽车的发展方向
无人驾驶汽车，必须形成一个完备的“驾驶员”模型，自动适应各种不同工况。可以归纳为3个方面：高速公路环境、城市环境和特殊环境下的无人驾驶系统。1.5）无人驾驶汽车的未来
就有学者预测，不就得将来是一个智能人工的环境，无人驾驶汽车无疑是汽车的发展趋势。可能未来，传统的三大件之一的驾照也不复存在，出门选定位置规划路线，就能让你更有时间舒舒服服地在车上吃个早餐，这也是Google无人驾驶汽车的理想模型。
参考文献：
一：《现代汽车新技术》姜立标主编，北京大学出版社 二：《汽车新技术》史立库主编，人民交通出版社 三：HCCI技术的研究现状与展望，赵新顺、曹会智等 四：双离合自动变速器技术研究进展与应用现状，吴佐铭等
车辆人机工程学 课程论文 第6篇
基于人机工程学评价与仿真的人体模型建模
╳ ╳ ╳
（东北农业大学工程学院，哈尔滨，150030）
摘要： 随着人机工程技术的不断完善，参数化的人体模型已不再仅是作为一种静态的视觉参考，而是在此基础上融入了人体结构、人体功能和人体力学等方面的特征,使人体模型不仅具有合理的外观、精确的尺寸，还具有合乎实际的运动形式。随着研究的不断深入，参数化的人体模型已经成为一种有效的辅助工具，直接参与到工作环境的设计与评价过程中来。尽管不同的人机问题对应着不同的设计要求，但应用在人机工程上的人体模型的设计原则是一致的，即要达到：外观合理、尺寸精确、运动逼真。参数化的人体模型的设计目前存在以下三方面的难点：
（1）从外观上看，基于简单几何体搭建的人体模型具有必要的人机工程测量基准，但模型的外形较生硬、失真度较大；基于曲面表达的人体模型外形较逼真但是缺少准确的测量基准。
（2）从尺寸的精确度上看，人体模型的尺寸都是经过简化或是估算得到的，模型的尺寸不能真实体现个体的形态。
（3）从运动情况来看，目前多数人体模型只能进行静态的尺寸测量，少数模型即使能够实现连续的动作仿真，但逼真度不高。
本文针对当前人体模型设计过程中上存在的诸多问题，开发了参数化的人体模型。首先，人体模型采用数据库管理系统进行参数化建模，同时加入各肢体段的质量数据和各个关节的活动角度范围数据。其次，在运动仿真方面，本文根据人体模型各个关节的自由度数目，用特定的函数驱动关节运动，对模型整体进行运动学和动力学仿真，从而实现人体模型的简单连续运动。关键词：人机工程学、UG二次开发、人体模型、碰撞检测、运动仿真
车辆人机工程学 课程论文 人体模型国内外研究现状
1.1 国外发展概述
最近几年，欧美许多国家和亚洲其他国家对人体模型方面的研究向着更精细的方向发展，不再仅仅是追求外形上的相似性，更关注内部结构、姿势重构、运动仿真以及热效应等生理效应方面的内容。
Forbes.PA.等2006年提出了一种用于预测侧面碰撞引起胸部损伤的多尺寸的人体模型，文中给出了第50百分位的人体模型的有限元模型，并且模型加入了材料属性能更好的预测人体局部的损伤情况。Kim Ki-Sun等人研究了基于纵向、垂直、俯仰运动的惯性测量的坐姿人体模型的动态建模[9]。Sancisi N等人创建了人体膝关节的一种单自由度的球形机械模型，并在假肢和矫形器的设计中深入研究了人体膝关节的运动学特征。Satoru Takada等开发一个在给出的环境条件下可以预测热响应的人体热模型，能实现人体温度调节。Hee-Deok Yang等对三维人体姿势的重构做了相关的研究，分别从捕捉三维立体图像序列、捕捉有效的视觉特征、分析轮廓的相关向量等方面入手研究了人体模型的姿势重构[12-15]。文献中研究了用于电磁仿真软件中的一个动态的人体模型，在人体表面固定天线来模拟动态人体的运动和姿势并捕捉运动数据。Steffen Knoop等在动态三维人体模型的关节上设置人工智能通讯点的方式来跟踪人体外轮廓的运动，模型由一系列刚性圆柱体组成，连接这些圆柱体的关节定义为一些人为的通讯点（迭代最近点）来跟踪算法，并计算相关的力和力矩情况。Seung-YeobBaek等开发一种能集成到各种产品设计应用程序中的参数人体建模框架，该建模框架由创建数据库、统计分析和模型生成三个阶段组成。Jared Gragg等研究提出了一种混合方法预测最佳司机座椅调节范围以满足不同人不同车辆的直接姿态预测，该混合方法结合了边界数值、人口抽样和个别抽样等数值操作。
综合国外人体模型的发展可以看出，国外的人体模型尽管做的外形的逼真度很高而且功能很完善，但是由于种族和生活区域等因素的不同，以国外人体作为标准的人体尺寸不仅在数值上有一定的差异，而且由于在工作过程中不同的操作习惯，也将影响人体模型的运动规律等运动仿真的相关参数的设计。1.2 国内发展概述
人体模型的运动控制方法有很多，选择不同的运动控制方法，实现运动的路径会有一定的差异，但是最终都能实现预定运动的目的。目前，国内对人体模型的运动控制的研究分路径研究、步态研究、灵巧关节、姿势驱动和姿势重构等几个方面进行。运动仿真方面有运动规律仿真，运动轨迹仿真等。
天津大学的刘艳等人研究了用于人机测试的虚拟人，提出了一种能实现手臂的无碰撞可达测试的路径规划算法。并通过对IK算法的进一步研究，达到实时、逼真、柔性的控制，并可以根据周围环境进行实时反应。山东大学的汪丽等提出了基于VRML（Virtual Reality Modeling Language）的三维人体建模方案，并给出了人机工程仿真软件的总体框架。但创建的人体模型只是考虑了位置和时间特性的运动学问题，未考虑力等真正实现运动的原因。西南石油大学的邓丽提出了一种基于人体姿势驱动的工作空间的研究方法，通过调节二维的人体杆状模型的下肢关节角度，从而确定坐姿的下肢工作空间。但是针对不同的布局，需手动输入权值数据，影响准确程度。上海大学的王企远提出并验证了人体下肢髋关节、膝关节和踝关节转角变化规律的数学建模方法，并制定了一套完整的步态规划方法，但患者只能被动的跟随步行腿的步态运动。浙江大学的徐孟开发了一个运动状态下的人体外力模型，能实现力和扭矩分析，但脊柱关节链的运动约束有一定偏差。浙江大学的陈逸帆研究了基于解剖学的人体模型，并通过施加约束的逆向运动学方法实现人体模型的运动姿态控制，但研究未添加头部，手、脚等的关节约束，没能实现交互操作及碰撞检测等。
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在人体模型的姿势重构方面，研究者的切入点也各不相同，取得的成果也很多。有研究者提出在给出所有骨骼的视觉特征的基础上，首先从候选的姿势库中找到有关的候选姿势，动态的设计候选的姿势来形成连续的姿势序列，从而创建特定姿态的人体模型的方法。在文献中提出一种新的算法,能减少着衣、图像噪音和背景等因素引起的不确定数据的影响，从多个视频图像轮廓中提取一个体积数据(立体像素)来捕捉少量标记模型的人体动作。文献中提出的一种主动形状模型(Active Shape Model)能主动的探测和跟踪人体动作过程中的变形情况。在CATIA中人体模型被普遍应用于自动布局，可以用摄影的方法来测量人体尺寸并用测量到的尺寸在CATIA软件中快速的创建人体模型[49]，也可以在SolidWorks中实现虚拟人姿势重构。运输设备的几何参数是影响操作者舒适度的关键因素，基于舒适度或人机评价需求的人体模型可以用来分析设备的几何参数对人体舒适性的影响，模拟和评价操作中的人体可达域和视域等。
目前，国内有很多人进行了人体模型的跑步或步行的运动控制技术及路径规划问题研究，也取得了很多成果。武汉理工大学的任静丽等分析了跑步运动的关键时刻及关键阶段，建立了沿指定路径的跑步运动模型。所研究的模型外观上未能实现手指描述，虚拟交互方面也未实现碰撞检测。西北工业大学的罗贯提出了一种16关节，39个自由度的人体模型，模型未包含手部的详细描述，通过控制上肢、下肢、躯干等关节的姿态实现步行、跑步等基本运动，运动仿真方面未能实现多刚体系统模型的碰撞检测。国防科学技术大学的彭善跃对平面五连杆描述的点接触两足机器人的跑步运动进行研究，并搭建了仿真平台并验证了控制策略的有效性。但是研究未实现三维人体建模，导致仿真结果与实际的运动状态会存在一定的差异。
并且，随着对人体模型研究的不断深入，越来越多的研究者开始关注手部的灵巧运动研究。北京航空航天大学机器人所的张玉茹等人提出了一种食指的运动学模型。该模型建立在人手解剖学模型的基础之上，分析了侧摆和屈曲两种关节运动结构，并且考虑各个手指之间的运动耦合关系。武汉理工大学的曹文祥研究了虚拟人手的运动学方程，并用Pro/E软件实现人手五指的装配建模，能实现伸屈和收展运动，却没有考虑动力学分析问题。山东大学的冯志全研究了三维人手的跟踪问题，通过单目视觉跟踪的方法获取人手运动过程中每一时刻的姿态和位置。济南大学的朱德良用OpenGL搭建了虚拟装配平台实现了人手的三维建模，并提出了一种手势跟踪算法，实现手部运动的跟踪，研究中因数据手套检测不到力反馈及重量感，故无法准确反映碰撞信息。
从目前国内在人体模型的运动控制及仿真方面的发展现状来看，应用的运动函数不同，得到的仿真的逼真度就不同。还没有一种运动控制函数，能实现与真实人体的运动一模一样的运动，无论函数多么复杂，结果都会存在不可避免的偏差。即使从仿真需求上看，效果上已经达到了逼真要求，却未能实现精确的碰撞检测。相信随着越来越多的研究者加入到人体模型的研究队伍中来，经过不断的改进与创新，我国在虚拟人体模型领域的研究将取得更为显著的成果。
车辆人机工程学 课程论文 人体模型简化处理
目前，研究人机工程学问题的方法有很多，人体模型是模拟与模型试验法和系统分析评价法中的一种重要的人机工程学的研究工具。本文动态人体模型的开发过程主要包括:(1)抽象人体所包括的肢体及关节；(2)确定各个肢体及关节的几何尺寸和外形；(3)描述人体模型关节运动方式并限定其运动范围；
(4)对人体模型的各个关节的运动进行机械描述并确定各个关节的自由度；
2.1 人体模型的躯体组成
人体是一个复杂的有着不规则表面的实体，而且人与人之间各部位尺寸也有很大的差别，因此，只有经过了简化的人体尺寸和外形才能符合人机工程学的相关评价和仿真的功能的需求。经过简化的人体模型包括：躯干主关节链、左右上肢关节链、左右下肢关节链。肢体组成如图2.1所示。
(a)有向关节图
(b)EHuman 肢体图
图2.1 肢体组成图
其中在躯干主关节链上髋关节和腰关节之间是躯体的腹部，腰关节和胸关节之间是腰部，胸关节和颈关节之间是胸部，颈关节和头部之间是颈部。在左上肢上，左肩关节连接胸部和左上臂，左肘关节连接左上臂和左前臂，左腕关节连接左前臂和左手。在左下肢上，左髋关节和左膝之间是左大腿，左膝关节和左踝关节之间是左小腿，左踝关节连接左小腿和左脚。
在人体模型的躯体组成的表示方法中，头、胸、腰、腹及手掌和足都是用长方体进行描述的，而颈部是圆柱体，大腿、小腿、上臂、前臂、手指等是用圆台进行描述的。
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2.2 人体模型的各部分尺寸
人机工程学标准分为主观标准和客观标准。主观标准主要用于评价主观指标，如一些与人的主观感受相关联的评价指标；客观标准用于评价客观指标，如一些可用精确数值或某一区间的数值来表示的评价指标。
本论文参照的客观标准有：国家标准GB/T10000-1988《中国成年人人体尺寸》和GB/T13547-1992《工作空间人体尺寸》中给出的人体静态测量尺寸，《中国成年人人体尺寸》中列出7个百分位，涵盖人体主要尺寸、水平尺寸、头部、手部、足部、坐姿和立姿共47项人体尺寸数据；《工作空间人体尺寸》中给出了站姿、坐姿、跪姿、爬姿、俯卧姿等人体相关尺寸项目。
由于人的年龄、性别、种族及职业等的差别，很多人体尺寸会随着这些因素的改变而变化。同时人体表面是不规则的曲面，所以不可能得到精准的符合人体的数据，只能是经过处理的简化了的尺寸数值。人体测量学给出了相关的测量及简化标准，如人体测量中经常用到均值、方差、标准差、标准误差等统计函数来统计分析人体测量变量间的相互关系。
简化人体各部分的尺寸也就是对人体各部分的尺寸进行估算。估算人体尺寸的方法有很多，一般常用的有回归方程估算法，比例缩放估算法、概率统计值估算法、用“加减”运算估算法、混合群体估算法及偏差系数值估算法等。利用这些方法可以推算和获取人体模型所需的人体尺寸数据。本论文直接从GB10000-1988中查取所要用到的各个尺寸值，在标准中没有列出的百分位数的人体尺寸通过百分位数法给出。
2.3 关节类型及运动范围
人体是由多个关节连接起来的链式肢体段的组合。人体的关节按运动性质可分为单轴关节、双轴关节、多轴关节等。其中只允许在一个平面中活动的关节是单轴关节，例如肘关节和如图2.2中4所示的近位指关节等；允许在两个维度上作屈伸和收展运动的关节称为双轴关节，如图2.2中5所示的腕关节；多轴关节允许在三个维度上作各种运动，具有三个自由度，如肩关节。
图2.2 关节的类型
根据关节类型把人体关节的运动分为滑动、摆动、旋转、环转四种基本运动形式。滑动运动一般活动量微小，本文研究中忽略滑动运动。摆动运动通常指相连两肢体的屈伸和收展，如肘关节的的伸和屈、腕关节的内收和外展。旋转运动指某一肢体段向内侧或向外侧旋转，如肩关节的旋内和旋外。环转运动是屈、展、伸、收的一次连续运动。
为了研究人体工作姿态的舒适度，首先要知道人体各个关节的最大活动范围，而且还要明确各个关节的舒适范围，舒适范围是评价中判断是否舒适的主要依据。因为本文开发的人体模型的外形描述
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细化到手指的各个指关节，手指的指掌关节能实现手指的摆动运动和绕关节轴的旋转运动，近位指关节和远位指关节只能在一个方向上实现手指的伸和屈。表2-2给出手指关节的最大运动角度，同时给出各个手指的指掌关节和近位指及远位指关节的运动副描述形式和自由度数目。
表2-1手指关节活动范围
表2-3给出的是人体主要关节的坐标描述和最大运动角度及舒适活动范围。并且给出了分别绕坐标轴运动的活动状态。在表中所列的关节局部坐标系的转动轴X、Y、Z定义符合右手法则。
表2-2人体关节活动范围
2.4 人体模型的自由度
通过简化人体运动的自由度，在一定程度上能降低多自由度系统运动问题求解的复杂性。因此，考虑在不影响运动逼真性的前提下，如何用最少的自由度描述人体运动问题，是简化问题的关键。
人体是由上肢、下肢和躯干五条关节链组成。每条关节链上的关节运动都是从该关节链的起始端传递而来的。因此，运动链的起始端的运动自由度对整个关节链的运动影响最大，若简化此处关节的自由度，可能会使肢体末端不能到达预定的运动位置。另外，若简化某些关节处的常规运动所需的自由度，如简化头部的左歪、右歪，则会导致头部运动僵化，不能实现头部某些常规运动。因此在人体关节的自由度简化的过程中，一定要保留运动起始端的关节自由度，尽量不要去掉一些常规运动所需
车辆人机工程学 课程论文 的自由度。
在上肢中，肩关节、肘关节和腕关节的联合运动实现了手臂的运动。肩关节处于人体上肢运动链的起始端，能够实现内外摆和上下摆、前后摆，并且运动范围较大，所以肩关节的3个自由度不能简化。人体模型构造过程中表现为肩关节分别绕肩关节所在局部坐标系的X、Y、Z轴作旋转运动。肘关节实现前臂相对于上臂的运动，简化为具有一个自由度的关节，人体模型中表现为绕肘关节所在坐标系的Z轴作旋转运动。腕关节实现手和前臂之间的内外摆和弯曲运动，表现为绕其所在坐标系的Y、Z轴作旋转运动，属常规运动所必需的自由度，故不能简化，如图2.3所示。
图2.3上肢关节自由度定义
在下肢中，髋关节、膝关节和踝关节实现了腿部的运动，髋关节处于人体下肢运动链的起始端，可实现大腿的前后、左右、内外摆动，保留3个自由度。反映在人体模型中即是绕着髋关节所在局部坐标系的X、Y、Z轴作旋转运动。膝关节实现小腿相对于大腿的伸屈，简化为1个自由度。踝关节简化为2个自由度，实现脚部前后摆动和左右旋转运动。
在躯干中，腰关节处于躯干运动的起始端，分别实现腰部的前后弯、左右弯、左右转，有3个自由度。反映在人体模型中是绕着腰关节所在局部坐标系的X、Y、Z轴作旋转运动。上下胸部关节各有一个自由度，实现躯干的前屈。
本文所要创建的人体模型EHuman共包含17个躯干肢体段和每只手15个手指段，共47个肢体段，46个关节，共包含72个自由度。关节自由度数目在表2-
1、表2-2中已列出。
车辆人机工程学 课程论文 人体模型的运动仿真
人体模型的运动是动态人体模型开发的难点和重点。人体模型的运动包括关节的调节形成的“静态运动控制”和运动仿真模块实现的“动态运动控制”。所谓的“静态运动控制”就是通过分别调节人体模型各个关节的角度，实现不同姿态展现。“动态运动控制”则是通过运动仿真模块，实现运动规律、运动轨迹的仿真，进而达到碰撞检测等评估功能的实现。
要想实现人体模型的运动仿真，首先要建立运动机构主模型，进而分析该主模型的运动规律。运动仿真模块（Motion Simulation）可以建立多种不同的解算方案，并且在不影响装配主模型的前提下独立修改每个解算方案。该模块可进行机构的干涉分析、运动轨迹分析和动力学分析等。
人体模型中肢体段抽象为连杆（刚体），关节抽象为运动副。不同的关节抽象为不同的运动副，如颈关节、腰关节、肩关节等有3个自由度的关节抽象为球面副；腕关节、踝关节等有2个自由度的关节抽象为万向节；膝关节、肘关节等有1个自由度的关节抽象为旋转副。
对于运动仿真开发的程序控制来说，首先是仿真的参数预定义部分，包括单位类型、测量类型、参考类型等；其次是创建连杆，包括连杆的名称、质量特性、初始速度的定义等；接下来是关节种类、运动极限及运动驱动类型等的定义；最后进行运动仿真的解算方案参数的定义。下面给出解算方案参数类型定义的程序框架：
Struct uf_motion_solver_parameters_s { uf_motion_solver_ts olver;/*求解方案已使用，查找定义部分*/ double max_step_size;/*解算方案的最大允许步长，想要得到更详细的结果，增大这个数值，想要更快得出结果，减小这个数值。*/ double max_solver_error;/*解算方案的最大允许误差，想要得到更精确的结果，增大这个数值，想要更快得 出结果，减小这个数值。*/ Int max_integrator_iterations;/*动力学分析的最大允许迭代次数，若解算器求解的问题具有收敛性，则增大这个数值。*/ Int max_kinematics_iterations;/*运动学分析的最大允许迭代次数，若动作模型求解的问题具有收敛性，则增大这个数值。*/ Int max_statics_iterations;/*静力学分析的最大允许迭代次数，若动作模型求解的问题具有收敛性，则增大这个数值。*/ Int use_mass_properties;/*确定是否在分析中使用质量特性，如果是“FALSE”，则表示不能进行动力学仿真，或者运动学仿真中也没有惯性数据。*/ };Typedef struct uf_motion_solver_parameters_s uf_motion_solver_parameters_t;
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3.1人体模型的肢体段生成连杆
连杆（Links）通过运动副的连接构成了空间机构。将人体的肢体段抽象为连杆后（即把肢体段都抽象为刚性体），人体模型的各个肢体段和关节一起组成一个机构，这个机构就是运动的人体模型。因此，进行人体模型的运动分析的第一步就是创建连杆。机构要运动，必须有一个机架，因此创建连杆的过程中必须要有一个连杆与地固连，不能移动，即人体模型的某一个肢体段应创建为固定连杆。因为本文中把人体模型的髋关节作为人体模型的根关节，故把人体模型的腹部作为固定连杆。
在创建连杆之前，要先定义中心线，中心点及描述模型的其他几何体，以便对运动副和其他机构对象定义和定向，并将这些描述性的几何体放在连杆的定义中。本文创建的人体模型包括骨骼的线框模型和体表的实体模型两种表达形式，并且，每个关节用直径为相应关节尺寸的球体表示，在创建连杆的过程中，连杆要包含肢体相连处的近端（所谓近端就是与根关节靠近的关节坐标方向）的关节球。这样在创建的肢体连杆上就包含了便于描述运动副位置及方位定义的相关信息。
机构的运动分析过程中，若不考虑反作用力时，可以不定义质量特性（Mass）。但当进行动力学分析和反作用力的静力学分析时，必须为每个连杆输入质量、质心和惯性矩等参数。人体模型的质量特性的相关参数在第2章和第3章的相关章节做了计算。
材料特性（Material）是计算质量和惯性矩的关键因素，UG的材料功能可以创建新材料，检索材料库中的已有材料，并将这些材料特性赋给机构中的实体。UG运动仿真模块中的材料默认密度值为7.83×10-6kg/mm3（千克每立方毫米）；可以继承装配主模型在建模模块中赋予的材料特性。
如图3.1所示，以右上臂为例创建肢体连杆，选择连杆对象为右上臂，定义连杆质量特性、速度参数等，并定义材料特性。其中，质量特性包括质量、质心、和惯性矩，这些参数均在前面的章节中给出了计算公式或表格。通常情况下，系统可以根据模型的在材料信息，自动计算质量特性，也可以得到精确的运动分析结果。但是，本文是通过质量特性的用户自定义选项，手动输入质量特性的相关数据。
图3.1 创建右上臂
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3.2人体模型的关节生成运动副
运动副（Joints）的作用就是连接人体模型中相互接触的两个肢体段，并通过一定的约束条件使其产生相对的运动。另外，为了人体模型做规定的运动，必须添加约束限制各个肢体段之间的运动，保留所需的自由度和去掉多余的自由度。将关节抽象为运动副后，肢体段抽象为连杆，运动副就把各个连杆连接在一起，从而使人体模型运动。在创建关节运动副之前，人体模型中的肢体连杆没有约束，运动规律不确定。没有创建运动副的肢体连杆具有6个自由度（DOF），分别是沿坐标轴方向的移动和绕坐标轴的转动。
对于UG的运动仿真模块来说，可添加的运动副的种类很多，包括旋转副、球面副、万向节、滑动副、柱面副、平面副、螺旋副等。人体模型作为一个复杂的空间机构，严格来说，包含的运动副类型很多，但是经过前面章节的简化处理，把人体模型的关节均简化为旋转类运动副，忽略微小的移动。当关节具有一个转动自由度时，运动副简化为旋转副。当关节具有两个转动自由度时，原理上可以处理为万向节，但是在运动仿真模块中，万向节不可以加驱动并且不能限制运动极限，故把具有两个运动自由度的关节定义为“类万向节副”，使其具有两个方向上的转动自由度。球面副在仿真中也不能加驱动，不能限制旋转运动的运动极限，同理把球面副定义为一种“类球面副”，使类球面副具有三个互相垂直方向上的转动自由度。
前面已经提到，创建连杆时要包含中心点、中心线等描述性几何体，以便在创建运动副时定义运动副的方向，以肘关节的旋转副的创建为例，首先选择要创建运动副的连杆（前臂），原点为肘关节处关节球的球心坐标，因为肘关节的旋转副的旋转轴是肘关节处局部坐标的z轴，故z轴定义为指定方位，咬合连杆选择上臂，如图3.2所示。
图3.2 创建旋转副
3.2.1单自由度关节生成旋转副
旋转副有一个转动自由度，是连接两个连杆的常用运动副，如图3.3(a)所示。旋转副可以在两个连杆之间添加约束，也可以对单个连杆添加约束使之与地固定，但允许绕空间一点旋转。在运动仿真模块中，旋转副旋转的正向由右手法则决定，右手的大拇指指向为正Z轴方向，手指弯曲的方向即是旋转的正向。旋转副可以定义其运动极限。人体模型的运动仿真中定义的旋转副有：肘关节、膝关节、车辆人机工程学 课程论文
胸部关节及手指的近位指和远位指关节等。
3.2.2两自由度关节生成万向节
万向节有两个转动自由度，连接两个成一定角度的转动连杆，如图3.3(b)所示。因为在运动仿真中，万向节不能添加驱动，不能规定万向节的运动极限。类万向节就是把两个垂直方向上的转动转换成旋转副，把两个旋转副封装成一个运动副。人体模型运动仿真中定义的类万向节副有：踝关节、腕关节等。
3.2.3三自由度关节生成球面副
球面副连接两个连杆，有3个自由度，球面副没有方向，当创建球面副时，只需指
定连杆和球面副的原点即可，如图3.3(c)所示。因为球面副不能加驱动，不能规定球面副的运动极限，所以把球面副简化成三个相互垂直坐标中上的转动副。把这三个转动副封装成一个运动副，称为“类球面副”。对类球面副的三个转动方向上的运动可以进行运动范围的限制。人体模型运动仿真中定义的类球面副有髋关节、肩关节、颈关节等。
(a)旋转副
(b)类万向节
(c)类球面副
图3.3 运动特征
3.3运动仿真中的力和运动驱动
3.3.1定义人体模型的运动驱动
在运动仿真模块中运动驱动类型包括：无驱动、运动函数、恒定驱动、简谐运动驱动、关节运动驱动等。
在所有的运动驱动类型中，运动函数驱动（Motion Function）、恒定驱动（Constant）、简谐运动驱动（Harmonic）均是基于时间的运动仿真，关节运动驱动（Articulation）是基于位移的驱动。添加驱动就是使运动副以特定的步数和步长按一定的规律运动。图3.4给出添加了驱动的（a）旋转副、（b）类万向节、（c）类球面副的显示图标。
(a)旋转副
(b)类万向节
(c)类球面副
图3.4 驱动类型
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运动函数驱动是用户用数学函数和XY表格函数给运动副输入驱动参数。如定义简谐函数为SHF（TIME,60D,PI,360D,0,10），表示：自变量x定义为TIME（时间）；自变量的相位偏移0x为60度；振幅a为PI；频率为360度；正弦函数中的相位偏移为0；平均位移为10。常用的运动函数还有多项式函数和Step函数等。恒定运动驱动只需设定初始位移（Initial Displacement），初始速度（Initial Velocity）和加速度（Acceleration）即可。
3.3.2添加运动仿真中的操纵力
在运动仿真中力主要包括标量力（Scalar Force）、矢量力（Vector Force）、重力和扭矩。简言之，标量力指只有大小不规定方向的力，在仿真分析阶段标量力的方向是不断变化的，但力的起点和终点是固定不变的。矢量力是既有大小又有方向的力，标量力的方向在某一坐标系中始终保持不变。
当定义力时，须选择第一个连杆（作用连杆Action Link），用于定义作用力的作用点；选择第二个连杆（基础连杆Base Link），用于定义大小相等、方向相反的反作用力的作用点。矢量力是有一定大小，以某方向作用的力，且其方向在绝对坐标系（Absolute Coordinate System）和用户自定义坐标系（User Defined Coordinate System）的其中一个坐标系中保持不变。在所有外力中，重力是比较常见的一种矢量力。重力（Gravity）在运动仿真模块运行过程中，默认的重力方向是负Z方向，大小为9806.65N。
在人体模型的运动仿真中要定义的力有由外部施加的力，该力应是人体某部位（手、脚）直接同外部控制器接触时所要施加的操纵力的反作用力。还有运动过程中身体内部肌肉产生的肌肉力。在人体模型的运动仿真中，忽略人体内部产生的肌肉力，只考虑人体工作过程中受到的外部力。在正常工作状态下，人体受到的外部力就是人体手、脚的操纵力大小。如向食指添加大小为147N的拉力，可以在新建载荷里选择矢量力，然后添加如图3.5所示的矢量力。
力矩是作用力与力臂的乘积。拿转动手臂来说，转动轴是肘关节和肩关节，手臂运动产生的转矩可以改变臂部肌肉的收缩从而可以完成推或拉的动作。同样，身体其它部位产生的力矩也可以完成各种各样的动作。扭矩可使物体产生扭转，使用时必须考虑扭矩大小和旋转轴。
扭矩的大小由两方面的因素组成，一个是扭矩的大小，更一个是扭矩的作用周期。扭矩的旋转轴有3种：现有的旋转副的旋转轴、用户自定义坐标轴、绝对坐标系中的坐标轴。扭矩分为标量扭矩和矢量扭矩两种。两类扭矩的主要区别在旋转轴的定义上：标量扭矩必须施加在旋转副上，旋转轴必须采用旋转副的轴线；矢量扭矩则是施加在连杆上，其旋转轴可以是用户自定义的矢量也可以是坐标轴。
图3.5 添加矢量力
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3.4人体模型的运动仿真
在UGNX的运动仿真模块中，分析类型包括运动学分析和动力学分析两大类。
在机构运动学分析中，不考虑产生运动的原因，只考虑运动驱动。也就是说，在假定的条件下，机构运动学分析将解答在特定的时间、特定的位置物体之间的相互关系，如速度、加速度、干涉情况等，而不提供如反作用力及机构中出现的动力学运动。动力学分析要考虑运动的真正原因，如作用力、摩擦力、个别组件的质量（或重量）和惯性等，主要用于预测或确定产生特定运动所需的力。
通过前面章节的各种准备工作，搭建了可以进行运动仿真的环境，并且把人体模型这个复杂的机构中的各个肢体段定义为连杆，关节定义为相应的运动副。又进一步通过施加力或是约束对连杆和运动副添加了运动驱动，最后就可以对整个系统创建不同的求解方案了。运动规律仿真即是仿真机构的运动规律，如模拟运动的位移轨迹，得出速度图像、加速度图像等。在进行运动规律仿真之前，要先利用封装选项（Packaging Options）来收集或封装特定的、感兴趣的对象信息，以便于在随后的分析过程中进行测量、跟踪、干涉等操作。封装选项包括测量（Measure）、跟踪（Trace）、干涉检查（Interference）三个功能。
测量功能用来测量人体模型的肢体对象或对象上的点与空间环境之间的距离或角度，并定义了人体模型和周围环境对象之间的安全区域（Clearance Zones），即最小允许距离，运动一个步长系统就会比较测量距离和最小允许距离的大小，如果测量结果小于这个最小距离时，系统会发出安全警告并暂停运动。
跟踪功能生成或保存人体模型肢体某一对象在每一分析步骤开始时的状态和位置。可以在绝对（Absolute）参考框架或相对（Relative）参考框架中，进行运动仿真分析或关节运动。跟踪功能可以生成人体模型肢体段上某一位置点或多个位置点的运动轨迹。
干涉检查功能是用来比较和检查人体模型的某一肢体与所在周围环境之间的干涉重叠量。干涉检查选项需要规定干涉动作，即发生干涉时系统是要高亮显示（Hilite）还是创建实体（Solid）或者是显示相交曲线（Curve）。高亮显示就是发生干涉的物体高亮；而选择创建实体选项时，干涉出现时系统会生成一个描述干涉体积的非参数化的相交实体；显示相交曲线则是发生干涉时显示干涉发生部位的相交曲线。人体模型运动过程中可能会碰撞到周围环境中的设备或控制器，通过干涉功能可以直观的检测碰撞现象。
车辆人机工程学 课程论文 总结
结合国内外的发展现状和现有的研究技术，本文在人机工程学相关理论及标准的基础上，总结并吸取了前人研究成果，并针对目前人体模型研究上存在的问题或不足，进行相应的改进和创新，构建了适合于人机工程学评价与仿真的参数化的动态人体模型。
通过比较几种典型的模型构建的方法，最终用线框模型描述人体模型的骨骼，不仅精确描述了人体的肢体组成，而且精准定位了关节位置；用实体模型描述人体模型的外观，上下肢用圆台描述，而且手部描述从单个长方体块细化到用圆台描述手部五指的各个手指段。利用UGNX的运动仿真模块进行人体模型的运动仿真，把人体关节的运动形式转化为运动仿真中的运动副的运动形式。同时对人体的手、脚的操纵力进行研究，把人体对操纵设备所施加的力转化为运动仿真过程中所要输入的力和力矩信息。
本论文研究中还存在一些不足，从功能角度出发，对人体的关节自由度进行了一定程度的简化，在运动仿真逼真度上有所损失。
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参考文献：
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