汽車(chē)組合儀表布置和光學(xué)分析

方星 宋建新

【摘 要】汽車(chē)組合儀表是汽車(chē)零件中最重要的功能部件之一，是駕駛員和汽車(chē)進(jìn)行信息交流的重要接口和界面，為駕駛員提供汽車(chē)運(yùn)行中的各種參數(shù)、指示汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)、提供故障警示等信息，是駕駛員了解汽車(chē)運(yùn)行狀況信息最直接的信息窗口。文章主要介紹了汽車(chē)組合儀表的布置方法，并詳細(xì)對(duì)比了2種組合儀表可視視野的校核方法；同時(shí)，對(duì)組合儀表可能產(chǎn)生的反光進(jìn)行分析，進(jìn)而在組合儀表帽檐和護(hù)罩設(shè)計(jì)方面提出解決方案，為后續(xù)車(chē)型的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】組合儀表；布置；視野；反光

【中圖分類(lèi)號(hào)】U463.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）06-0104-03

0 引言

汽車(chē)組合儀表是駕駛員獲取汽車(chē)狀態(tài)信息的重要設(shè)備。它對(duì)汽車(chē)的安全、經(jīng)濟(jì)行駛起著重要作用，是汽車(chē)主動(dòng)安全的關(guān)鍵設(shè)施。在汽車(chē)安全駕駛過(guò)程中，駕駛者和汽車(chē)、儀表顯示等構(gòu)成了人機(jī)系統(tǒng)。對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)車(chē)輛保有量急劇增加、交通配套設(shè)施尚在建設(shè)中、事故多發(fā)的國(guó)家而言，汽車(chē)安全關(guān)注度的提升對(duì)用戶(hù)和社會(huì)有著極其重要的意義。

1 組合儀表布置

1.1 組合儀表布置原則

組合儀表布置的大致原則是不同百分位駕駛員在正常駕駛姿態(tài)時(shí)，能方便地通過(guò)方向盤(pán)觀看組合儀表，同時(shí)要求組合儀表表盤(pán)面盡可能大，各類(lèi)指針和讀數(shù)清晰明了。以上原則轉(zhuǎn)化為組合儀表的具體布置要素有3條：一是眼橢圓與組合儀表表盤(pán)面的目視距離；二是眼橢圓與組合儀表表盤(pán)面的目視角度及下視角；三是組合儀表表盤(pán)面的大小。

1.2 目視距離的確定

組合儀表表盤(pán)面的目視距離是指組合儀表表盤(pán)面中心與眼橢球中心2點(diǎn)連線的距離。經(jīng)驗(yàn)表明，乘用車(chē)應(yīng)控制在770～820 mm，建議取最佳值為780 mm，其他車(chē)型的距離控制在800～840 mm，太遠(yuǎn)或太近都容易讓駕駛員產(chǎn)生視覺(jué)疲勞。

1.3 目視角度及下視角的確定

眼橢圓與組合儀表表盤(pán)面的目視角度由儀表盤(pán)中心與眼橢圓中心連線確定。研究表明，當(dāng)視線與觀察物平面垂直時(shí)有效認(rèn)讀誤差最小，故儀表盤(pán)平面與儀表盤(pán)中心與眼橢球中心連線的夾角一般控制在90°±10°，建議取最佳值90°；同時(shí)，駕駛員在觀察組合儀表時(shí)的下視角不能太大，否則將產(chǎn)生視覺(jué)疲勞進(jìn)而引發(fā)交通事故，經(jīng)驗(yàn)表明下視角一般控制在18°～21°，建議取最佳值為20°。

1.4 表盤(pán)面大小的確定

組合儀表表盤(pán)面越大，能顯示的信息量就越大，同時(shí)儀表區(qū)的指針、圖標(biāo)、讀數(shù)字體將越大，這樣能給駕駛員提供一個(gè)清晰明了的儀表區(qū)域，減少駕駛疲勞進(jìn)而增強(qiáng)行車(chē)安全。但表盤(pán)面也不能無(wú)限增大，在組合儀表目視距離和目視角度及下視角確定的情況下，其大小還受因方向盤(pán)布置而產(chǎn)生的儀表盲區(qū)的影響。

儀表盲區(qū)是指駕駛員觀察儀表盤(pán)上的儀表和顯示信號(hào)燈時(shí)，駕駛員的視線受方向盤(pán)的阻擋而形成的區(qū)域，儀表盤(pán)上儀表和顯示信號(hào)燈應(yīng)布置在此盲區(qū)以外。依據(jù)方向盤(pán)的形狀，儀表板盲區(qū)由方向盤(pán)輪緣形成的障礙區(qū)和方向盤(pán)輪轂形成的障礙區(qū)組成。

通過(guò)方向盤(pán)計(jì)算組合儀表限制面的方法，主要有以下2種。

1.4.1 方法一：使用UG package模塊

打開(kāi)UG界面，點(diǎn)擊總布置模塊中的組合儀表可視性校核分析工具圖標(biāo) 。選擇校核組合儀表視野的眼橢圓。選擇組合儀表表盤(pán)基準(zhǔn)面。定義方向盤(pán)運(yùn)算類(lèi)型，一般選取線條形式（不會(huì)出錯(cuò)，運(yùn)算時(shí)間相對(duì)少）。選擇方向盤(pán)外徑線，選擇方向盤(pán)內(nèi)徑線。選擇方向盤(pán)最高點(diǎn)的Y向平面（SWC點(diǎn)Y坐標(biāo)）輪輞截面線，截面線為閉合曲線。選擇方向盤(pán)中心點(diǎn)，即SWC點(diǎn)。選擇方向盤(pán)輪轂上的表面線，表面線為封閉曲線。定義生成組合儀表視野限制面的顏色。自動(dòng)生成組合儀表限制面（如圖1所示）。組合儀表表盤(pán)需要顯示給駕駛員的信息（如車(chē)速、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向燈、液晶顯示等信息）都必須在此限制面內(nèi)。

1.4.2 方法二：使用雙眼眼橢圓中心視野相交

打開(kāi)UG界面，抽取左、右眼橢圓中心點(diǎn)。抽取方向盤(pán)輪廓。通過(guò) 命令，分別用左、右眼橢圓中心點(diǎn)和方向盤(pán)輪廓線做曲面。通過(guò) 命令，延長(zhǎng)所做的曲面，并與組合儀表顯示平面相交，限制面即可完成，并可查看組合儀表是否滿(mǎn)足視野要求（如圖2所示）。

經(jīng)過(guò)測(cè)量對(duì)比，方法二將獲得更大的儀表視野限制面（大8 mm），推薦使用。

需要注意的是，有些小型車(chē)由于尺寸限制無(wú)法提供足夠大的儀表區(qū)域時(shí)，可考慮在中控臺(tái)上增加一個(gè)小儀表，如“鈴木奧拓”等。

通過(guò)上述的布置，組合儀表的位置和大小基本可以確定。此外，還需要考慮方向盤(pán)上下/前后調(diào)節(jié)時(shí)，轉(zhuǎn)向管柱是否與組合儀表干涉。

2 組合儀表光學(xué)分析

在汽車(chē)駕駛艙布置及人機(jī)工程光學(xué)分析中，結(jié)合車(chē)輛內(nèi)部環(huán)境及外部光源情況，主要考慮2個(gè)方面的要求：？譹？訛避免外部光源影響儀表的觀察；？譺？訛避免夜間儀表背光影響駕駛員的視野。筆者以某車(chē)型的組合儀表光學(xué)分析過(guò)程為例，系統(tǒng)講述組合儀表在駕駛艙布置中的光學(xué)分析過(guò)程。

組合儀表光學(xué)分析包含白天反光和晚上反光校核，其中晚上反光校核包括組合儀表晚上反光至前擋風(fēng)玻璃和側(cè)窗玻璃的校核。

2.1 組合儀表白天反光校核

在白天正常駕駛的環(huán)境下，車(chē)輛的外部最大光源是太陽(yáng)光。太陽(yáng)光對(duì)組合儀表的影響主要體現(xiàn)在當(dāng)強(qiáng)烈的陽(yáng)光直接照射在組合儀表表盤(pán)面上時(shí)，盤(pán)面及刻度、標(biāo)識(shí)、數(shù)字等亮度增大，彼此間的對(duì)比度降低，造成駕駛員對(duì)刻度、標(biāo)識(shí)、數(shù)字的識(shí)別困難，嚴(yán)重影響行車(chē)安全，所以避免表盤(pán)上的刻度、標(biāo)識(shí)、數(shù)字被強(qiáng)烈陽(yáng)光直接照射，為白天反光校核首要考慮的內(nèi)容。

直射到表盤(pán)上的陽(yáng)光可能來(lái)自前擋風(fēng)玻璃或者側(cè)窗的方向，來(lái)自側(cè)窗的陽(yáng)光一般為早晨或者傍晚的陽(yáng)光，光線的強(qiáng)度不高，且照射到表盤(pán)的概率較低，所以一般情況下不考慮此種情況對(duì)儀表的影響，我們重點(diǎn)考慮中午時(shí)段來(lái)自前擋風(fēng)玻璃的陽(yáng)光。

組合儀表的表殼形式因?yàn)閮?nèi)飾造型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異而有所不同，然而不是每種造型的組合儀表表殼都需要分析反光。依據(jù)光的入射、反射原理，表殼面方向偏上的類(lèi)型才有可能發(fā)生炫目的情況。

2.1.1 對(duì)于玻璃曲面上小下大式的組合儀表

照射到組合儀表上的陽(yáng)光一部分穿透透明的表殼照射到儀表內(nèi)部，另一部分直接被表殼的外表面反射出去，這一部分反射出去的光線也是我們需要關(guān)注的重點(diǎn)，必須保證這一部分光線不能進(jìn)入人眼中，否則將使人產(chǎn)生嚴(yán)重的眩目，即駕駛員通過(guò)表殼看到了太陽(yáng)的虛像（如圖3所示）。

2.1.2 對(duì)于玻璃曲面上大下小式的組合儀表

應(yīng)滿(mǎn)足駕駛員身體倒影不會(huì)影響組合儀表的觀察，如圖4所示。

這種組合儀表需要考慮炮筒鍍鉻的情況，從前擋發(fā)出的光在鍍鉻件上進(jìn)行了二次傳遞，形成了一個(gè)間接光源，應(yīng)盡量避免炮筒內(nèi)圈鍍鉻設(shè)計(jì)。

2.2 組合儀表晚上反光分析

2.2.1 組合儀表晚上反光至前擋風(fēng)玻璃分析

晚上組合儀表發(fā)出的光線在前擋風(fēng)玻璃上所成的虛像不會(huì)影響駕駛員前方視野（如圖5所示）。

2.2.2 組合儀表側(cè)窗反光分析

在三維設(shè)計(jì)軟件中（以UG為例），可以采用反射數(shù)據(jù)命令較快速地做出量化的分析，選取眼橢圓中心作為眼點(diǎn)位置；選取表盤(pán)發(fā)光的數(shù)據(jù)及儀表板的遮光邊界結(jié)構(gòu)作為反射分析對(duì)象；選取側(cè)窗玻璃內(nèi)表面作為反射物體進(jìn)行反射分析，可做出儀表發(fā)光數(shù)據(jù)在側(cè)窗上的投影，再做出后視鏡鏡面沿視線方向在側(cè)窗上的投影，即可對(duì)比判斷分析出背光對(duì)外后視鏡觀察的影響。晚上組合儀表發(fā)出的光線不會(huì)在側(cè)窗玻璃上形成虛像影響駕駛員觀察外后視鏡（如圖6所示）。

（1）打開(kāi)UG界面，點(diǎn)擊總布置模塊中的組合儀表反光校核分析工具圖標(biāo) 。

（2）分別選擇眼點(diǎn)、組合儀表晚上發(fā)光邊界線和組合儀表遮光罩邊界線及側(cè)窗玻璃，軟件運(yùn)行后，在側(cè)窗玻璃上形成反光倒影，最后把組合儀表遮光罩里面的反光倒影沿著眼點(diǎn)拉伸至外后視鏡。

（3）拉伸面與外后視鏡沒(méi)有交線，或拉伸面在外后視鏡鏡面上的投影占外后視鏡鏡面面積≤10%，晚上組合儀表在側(cè)窗玻璃上的反光不會(huì)影響駕駛員觀察外后視鏡。

（4）拉伸面與外后視鏡有交線，且拉伸面在外后視鏡鏡面上的投影占外后視鏡鏡面面積>10%，晚上組合儀表在側(cè)窗玻璃上的反光倒影會(huì)影響駕駛員觀察外后視鏡，應(yīng)優(yōu)化組合儀表護(hù)罩結(jié)構(gòu)及外后視鏡位置，直到滿(mǎn)足反光要求。

為得到一個(gè)更直觀、更接近真實(shí)的結(jié)果，我們需要借用SPEOS的虛擬實(shí)驗(yàn)室模塊來(lái)進(jìn)行人眼視覺(jué)的仿真。主要步驟如下：將需要的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPEOS中；設(shè)置外部光源參數(shù)；將內(nèi)飾數(shù)據(jù)賦予上材質(zhì)參數(shù)；設(shè)置亮度感應(yīng)器；設(shè)置組合儀表背光光源參數(shù)；設(shè)置仿真參數(shù)并計(jì)算；進(jìn)行結(jié)果分析（如圖6所示）。圖6中儀表背光的虛像有小部分與外后視鏡重疊，需要進(jìn)行優(yōu)化。兩者的相對(duì)關(guān)系優(yōu)化主要可從外后視鏡耳朵高度位置及儀表板的遮光特征優(yōu)化這2個(gè)方面著手。

3 結(jié)語(yǔ)

本文講述了汽車(chē)組合儀表的布置方法，同時(shí)對(duì)駕駛艙總布置和人機(jī)工程分析中與組合儀表相關(guān)的反光問(wèn)題，給出了較完備的分析方法及解決方案，能指導(dǎo)后續(xù)車(chē)型設(shè)計(jì)，有效地提高效率的同時(shí)減少反復(fù)設(shè)計(jì)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]GB 11562—2014，汽車(chē)駕駛員前方視野要求及測(cè)量方法[S].

[2]SAE J941—2002，Motor Vehicle Drivers Eye Lo-

cations[S].

[3]黃金陵.汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，

2007.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]