Témata
Reklama

Ergonomický návrh kabiny letounu

06. 02. 2008

Aby kabina letadla byla plně funkční, pohodlná a bezpečná, je nutné během vývoje zohlednit velké množství parametrů a často hledat kompromis mezi protichůdnými požadavky. Postup při tvorbě návrhu ukážeme na příkladu čtyřmístného kompozitního letounu české konstrukce.

Z důvodů aerodynamiky a ekonomičnosti provozu je snahou minimalizovat čelní plochu letadla – kabina proto musí maximálně efektivně využít vymezený prostor. Obecně se doporučuje návrh letounu začít umístěním pilotů a pasažérů do komfortní polohy, definovat prostorové a funkční požadavky pro cílový rozsah populace, například dosahy na ovladače a prostor nad hlavou, a až potom tyto hraniční plochy obalit vlastní konstrukcí letounu.

Tradiční analýza

Při tradiční ergonomické analýze interiérů se používaly 2D antropometrické šablony člověka, různé grafy dosahu rukou a nohou a vždy bylo nutné vytvořit a testovat fyzickou maketu kabiny. Tento přístup má řadu omezení a může negativně ovlivnit náklady a čas potřebný pro vývoj a kvalitu nového letounu. V kategorii malých sportovních a turistických letadel navíc není k dispozici žádný konkrétní standard pro prostorové požadavky interiéru, na rozdíl od vojenských a velkých dopravních letadel (např. MIL-STD-1333B, ISO 1598, SAE ARP4101) a automobilů (např. SAE-J Standards, ISO 5353). Velké množství současných menších sportovních a turistických letadel vykazuje ergonomické problémy, z nichž některé mohou být kritické i z hlediska funkčnosti a bezpečnosti. Větší piloti z populace se setkávají s potížemi, jako je nedostatek prostoru na kolena pod palubní deskou, málo prostoru pro hlavu a sluchátka, nepohodlné polohy těla a kolize nohy s pilotní pákou při větších výchylkách řízení. Menší piloti mívají naopak problémy s maximálním vyšlápnutím brzd a s nedostatečným vnějším výhledem. Různé prvky bývají v omezeném prostoru nevhodně umístěny, menší obézní pilot tak může např. narazit na problém, že není schopen zapnout bezpečnostní pás nebo dosáhnout na páčky polohování sedadla. Častým nedostatkem je neergonomický design beranů, nevhodné umístění páky plynu, nedostatečný rozsah nastavitelnosti sedaček a pedálů a krkolomné nastupování a vystupování. Detekce podobných problémů až na fyzickém prototypu nebo v průběhu zkušebního letu znamená významné prodloužení doby vývoje a drahé, někdy již i neuskutečnitelné konstrukční a technologické změny.

Reklama
Reklama
Reklama
Návrh kabiny dle doporučení SAE: 2D model SAE J826, H-body pro rozsah populace, obálka prostoru nad hlavou, obálka polohy očí, maximální zóny dosahu pro stisknutí tlačítka, úchop 3 prsty a úchop celou dlaní

Možnosti softwarových nástrojů

Nicméně marketingové průzkumy jasně ukazují, že pro to, aby nová letadla byla na trhu úspěšná, musí mít podobně komfortní a kvalitní interiéry jako moderní automobily. Z těchto důvodů byl při vývoji interiéru nového čtyřmístného turistického letounu použit špičkový 3D DHM software (Digital Human Modeling software) Tecnomatix Jack firmy Siemens PLM Software. Tx. Jack rozšiřuje schopnosti klasického 3D CAD systému o simulace interakce člověka a stroje. Simulace umožnily nalézt a vyřešit ergonomické a funkční problémy již v rané fázi vývoje, ještě před stavbou prvního prototypu. Tx. Jack umožnil zohlednit potřeby celého antropometrického rozsahu velikostí osob v populaci. Bylo také možné rychle porovnat více alternativních návrhů a vybrat z nich optimální variantu. Díky digitálním simulacím a vizualizaci práce pilota v budoucím kokpitu mohli konstruktéři, management a zákazník vyjádřit svůj názor a navrhnout úpravy. Klíčová návrhová rozhodnutí tak byla provedena a schválena včas a na základě širšího porozumění, čímž se omezila řada zbytečných kroků.

Prostorové a funkční analýzy pro různě velké osoby z populace

Antropometrický model člověka

Software Tx. Jack obsahuje model člověka s reálnými antropometrickými a biomechanickými vlastnostmi. Původně vznikl za podpory NASA na Department of Computer and Information Science, University of Pennsylvania, v 80. letech za účelem ergonomických analýz řídicích, servisních, montážních a nouzových operací na mezinárodní kosmické stanici ISS. Během vývoje ISS bylo nutné najít odpovědi na otázky, jako například zda astronauti budou schopni dosáhnout na díl a provést požadovanou operaci v beztížném stavu, kdy nohy je nutné zapřít do speciálních madel k zachycení reakce od nástroje, aby astronaut nezačal v prostoru rotovat. V dalších simulacích bylo analyzováno, zda astronauti budou schopni provést konkrétní práce v masivním skafandru a zda na operaci uvidí. Dnes je Tx. Jack běžným ergonomickým nástrojem ve velkých automobilkách a průmyslových podnicích, kde se používá pro analýzy interiérů, pracovišť, výrobních linek, montáží a servisu různých výrobků.

Kontrola kolize při maximální výchylce řízení

Rozsah velikosti populace a referenční body

Na začátku ergonomické studie kabiny bylo nutné vybrat správný rozsah velikosti populace. Vzhledem k uvažovanému cílovému trhu byla použita antropometrická databáze ANSUR (Anthropometric Survey of U. S. Army) dostupná v softwaru Tx. Jack. Rozsah velikostí byl stanoven od 5percentilu ženy do 99percentilu muže. Základní rozložení kabiny bylo navrženo dle průměrně velkého modelu 50percentilu muže (175,5 cm, 77,7 kg) a následně byla kabina zkontrolována a upravena pro extrémy populace.

Dále byly zvoleny referenční body interiéru. Obecně existují tři přístupy. U vojenských a velkých dopravních letadel začíná konstrukce kokpitu stanovením pevného referenčního bodu polohy oka DEP (Design Eye Position) a všechny další proměnné, jako posun sedadla, úhel nastavení opěradla a nastavení pedálů musí umožnit, aby různě velcí piloti dostali polohu oka do bodu DEP. Tento přístup umožňuje výbornou vnější viditelnost a průhled skrz zbraňové systémy, ale vyžaduje velký rozsah nastavitelnosti sedačky a dalších prvků. U letadel s vystřelovací sedačkou, kde lze měnit nastavení jen nahoru a dolů pod daným úhlem, je třeba zajistit dostatečný rozsah nastavitelnosti pedálů ve všech směrech. Druhý přístup, nazývaný HRP, předpokládá, že všichni různě velcí lidé z populace budou mít společný pevný bod na patě plynu AHP (Accelerator Heel Point). HRP přístup se používá zejména při návrhu traktorů, vysokozdvižných vozíků a různých vozidel, které vyžadují co možná nejvyšší posed, aby řidič viděl dolů nebo nahoru, když se nakloní kupředu. HRP přístup umožní použít pevné pedály, ale je nutný poměrně velký rozsah nastavitelnosti sedadla a volantu pro dosažení dobré polohy a výhledu pro rozsah populace.

Hodnocení prostoru nad hlavou pro velké piloty

Vygenerování poloh pilotů

Při návrhu kabiny čtyřmístného turistického letounu byla použita kombinace předchozích dvou přístupů spolu s klasickou automobilovou metodikou vycházející z doporučení SAE. Jako referenční bod byl použit SgRP (Seated Reference Point), což je H-bod (Hip point – bod rotace trupu a nohou) pro 95percentil populace dle SAE J826 a SAE J1100. Tento přístup umožnil najít kompromis mezi požadavky na vnější výhled, dosahy a nastavitelnost prvků interiéru.

Po stanovení referenčního bodu SgRP byl použit modul SAE Packaging Guidelines v Tx. Jack pro vygenerování dat ze SAE, jako jsou H-body pro rozsah populace (nastavitelnost sedačky), obálka očí řidičů (Eyellipse), obálka hlav populace řidičů (Head Clearance), optimální poloha rukou, nohou, zóny dosahu, poloha páky, plochy stěračů, odmrazovaní skla a další doporučené hodnoty SAE. Následovalo vygenerování polohy různě velkých pilotů a pasažérů pomocí nástroje Posture Prediction v Tx. Jack. Nástroj Posture Prediction vychází z podrobného výzkumu, jak skutečné osoby z populace sedí v různých vozidlech. Tato automobilová poloha byla ručně upravena pro specifika kabiny letounu. Nyní již bylo možné hodnotit prostorové požadavky a pohodlí pilota a pasažérů (Dreyfuss 3D Comfort Model), vygenerovat vnější a vnitřní výhledové zóny a překážky ve výhledu, simulovat operace pilotáže a kontrolovat kolize, analyzovat nouzové postupy a provést simulace nástupu/výstupu.

Analýza pohodlného vystupování a nastupování

Konstrukční úpravy kabiny

Jako první se ukázal problém s prostorem pro hlavu u většího pilota a zadního pasažéra, kteří nebyli schopni zaujmout pohodlnou polohu bez kolize se stropem kabiny. Byl proto změněn tvar průřezu kabiny, aby v místě hlav osob byla k dispozici dostatečná výška. Dále bylo nutné posunout palubní desku blíž k pilotům, protože paradoxně velký pilot, který měl sedačku v zadní poloze, nedosáhl bez předklonění na důležité ovladače. Z důvodu špatného vnějšího výhledu u menších pilotů byla upravena nastavitelnost sedačky tak, aby se sedačka při pojezdu dopředu zároveň posunula směrem nahoru. Navíc byl upraven tvar palubní desky postraním výřezem, který umožnil lepší výhled podél letadla dopředu, což je důležité zejména pro bezpečné přistání a pojíždění. Záložní přístroje byly na palubní desku umístěny v primární zóně pohledu vygenerované v Tx. Jack, aby při nouzovém přistání nemusel pilot hýbat hlavou nahoru a dolů, což může zvýšit riziko prostorové dezorientace nebo vést k chybnému odečtení údajů přístroje v situaci, kdy je hodnota rychloměru a výškoměru kritická.

Vzhledem k nedostatečnému prostoru pro nohy zadního pasažéra byla zadní sedačka posunuta dozadu. Dveře byly navrženy s výřezem do stropu kabiny a s otvíráním pod velkým úhlem nahoru a vpřed, což umožnilo velmi pohodlný nástup a výstup. Po porovnání různých variant řízení bylo zvoleno primární řízení typu side-stick, kde se ukázala řada výhod oproti klasickým beranům a pilotní páce. Side-stick nabízí především perfektní ničím nerušený pohled na palubní desku, kabina je prostornější a umožňuje zaujmout pohodlnější polohu a pilotům nic nebrání při nástupu či výstupu. V případě nárazu je side-stick navíc mimo dráhu těla pilota. Pomocí simulace pilotáže v Tx. Jack byla nalezena vhodná neutrální poloha side-sticku, která byla pohodlná pro pilota a zároveň nedocházelo ke kolizi side-sticku s nohou a okolní konstrukcí při větších výchylkách.

Šťastný let!

Význam ergonomických simulací

Simulace provedené během vývoje kabiny letadla potvrdily významný potenciál moderních ergonomických nástrojů. Lidský faktor byl zahrnut do konstrukce od samého počátku vývoje bez nutnosti stavět drahý fyzický prototyp. Další simulace lidského faktoru se již budou týkat optimalizace výroby a servisních operací s cílem dosáhnout i v těchto oblastech maximálního komfortu, konkurenceschopnosti a spokojenosti uživatele – zákazníka.

Ukázky pracovních animací najdete na MM CD Software pro strojaře v tomto čísle.

Ing. Martin Baumruk

ČVUT, FS, Centrum leteckého a kosmického výzkumu

//aerospace.fsik.cvut.cz

baumrukm@aerospace.fsik.cvut.cz

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 80106
Datum: 06. 02. 2008
Rubrika: Trendy / CAD/CAM/CAE
Autor:
Firmy
Související články
Zvyšte potenciál svého 2D CAD softwaru!

Stále příliš mnoho firem přichází o své finanční prostředky tím, že sice využívají nové technologie, ale ty nezvyšují jejich celkový potenciál. V takovém případě pomůže aplikace DraftSight od Dassault Syst?mes. Pomocí tohoto softwaru lze spouštět stávající DWG soubory a vytvářet nové za zlomek nákladů oproti jiným CAD řešením.

Nové funkce pro automatizaci obráběcího procesu

Nová verze CAD/CAM softwaru TopSolidAM V7.13 přináší především jednodušší programování s funkcemi, které se velmi snadno používají. Výsledkem je úspora času, které lze dosáhnout díky novému vysoce výkonnému režimu analýzy kolizí a možnosti provádět řadu úloh zcela automaticky, což přináší celkově vyšší úrovně automatizace obráběcích procesů. V nové verzi najdeme i novou strategii najíždění, která zajistí vyšší životnost obráběcích nástrojů.

Simulace v konstrukci - klíč k inovacím

Dlouho zažitým paradigmatem v průmyslových společnostech je striktní rozdělení konstrukčního a výpočtářského oddělení. To je sice určeno pevnými historicky danými důvody, ale ty v současné době začínají pomíjet. Ve stále více společnostech mají konstruktéři možnost provádět průběžně již během konstrukce jednoduché analýzy a vývojový proces tím zefektivnit. Jak tento trend zachytit a být úspěšní v inovativních řešeních?

Související články
Aerospace - vlajkový průmysl s extrémními nároky

Letecký průmysl je ve Francii významným oborem, a tak není divu, že společnost Missler Software získala v této oblasti jedinečné zkušenosti díky spolupráci s většinou subdodavatelů v oboru. To ji spolu s tisíci díly obráběnými pomocí TopSolidCam řadí mezi špičky v leteckých technologiích.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Zlepšení produktivity navrhování a obrábění

O něco málo více než po roce je tu opět nová verze parametrického 3D modeláře Creo. Jak se povedlo vývojářům do již páté verze Creo zakomponovat požadavky trhu a jaké jsou hlavní směry inovací?

Příprava CAD modelu součásti pro výrobu

NC programátoři se velmi často potýkají s problémy týkajícími se různé kvality trojrozměrných modelů potřebné pro programování obrábění. Úpravy mohou být obtížné, protože 3D modely součástí často pocházejí z různých zdrojů.

Setkávání

Setkávání uživatelů konstrukčních a technologických softwarů má již dlouholetou tradici. Informace o novinkách, představení nejrůznějších tipů a triků, někdy i možnost si zasoutěžit a v neposlední řadě rovněž výměna zkušeností v neformální atmosféře patří k hlavním bodům programu takovýchto akcí.

Letadlo poháněné sluneční energií vyrazilo na cestu kolem světa

Solar Impulse je projekt mající za cíl vyrobit letadlo poháněné sluneční energií, které dokáže obletět Zemi. Letoun je dílem švýcarského psychiatra a vzduchoplavce Bertranda Piccarda, jednoho z pilotů prvního balonu, který obletěl celý svět bez jediné přestávky, a švýcarského inženýra a podnikatele Andrého Borschberga. Vývoj zastřešuje polytechnika v Lausanne a podílí se na něm několik desítek specialistů.

Konstrukce i technologie snadno, rychle a bezpečně

CAD/CAM systém TopSolid verze 7.9 přináší v návaznosti na technologickou část další rozšíření možností v oblasti obecné konstrukce.

Softwarový simulátor stavebního stroje nahrazuje nákladné prototypy

Vývoj stavebních strojů bývá spojen se stavbou fyzických prototypů nových zařízení. Ty však vyžadují vysoké finanční náklady a množství času. Efektivní řešení dnes nabízejí softwarové simulátory. Společnost Volvo Construction Equipment zařadila do vývoje simulátor „human-in-the-loop“, který vyvinula v nástrojích Matlab a Simulink firmy MathWorks.

Od správy nástrojů po simulaci NC programů

V oblasti integrované správy nástrojů u společnosti KHS hraje software pro správu nástrojových dat TDM zásadní úlohu. Tento software zde byl zaveden před čtyřmi lety a v současné době poskytuje 3D modely nástrojů a nástrojová a technologická data pro NC programování, simulaci výroby, seřizování nástrojů, jakož i pro správu skladových zásob.nástrojů, jakož i pro správu skladových zásob.

Softwarové řešení pro přípravu NC programů

Firma FANUC nabízí možnost rozšíření svých CNC řídicích systémů o grafické programovací prostředí nazvané Manual Guide i.

CAM pro CMM

V posledních letech se ve strojírenství stále více dbá na přesnost výroby a tím i na kvalitu a efektivnost měřicího procesu. Měřicí proces dnes zasahuje i do různých stadií výroby, nejen do závěrečného procesu kontroly výrobku.

Racionalizace obráběcích operací s podporou CAD/CAM systému

V roce 2010 společnost Montupet zahájila výrobu na nové obráběcí lince v Laigneville ve Francii s cílem optimalizovat výrobu hlav spalovacích motorů a dalších slévárenských dílců pro automobilový průmysl. Mladý tým zkušebního centra pro podporu a vývoj technologií, který se v průběhu let rozrostl ze dvou na deset lidí, si vybral Missler Software jako ideálního partnera na pomoc při racionalizaci pracovních procesů ve svých závodech. TopSolid CAD a CAM jsou velmi vhodné pro systemizaci procesů obrábění a přesné zdokumentování jednoho každého výrobního postupu.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit