某越野車駕駛員H點(diǎn)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

張英 孫智民 陳志勝

（1.北京汽車研究總院有限公司；2.北京利德曼生化股份有限公司）

人機(jī)工程是汽車前期設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而汽車駕駛員H點(diǎn)是人機(jī)設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵硬點(diǎn)。以前人們更多的是采用三維H點(diǎn)裝置測(cè)量參考車的駕駛員H點(diǎn)位置，來作為新設(shè)計(jì)車型的駕駛員H點(diǎn)位置。目前汽車主機(jī)廠越來越多地采用正向設(shè)計(jì)理論，但確定駕駛員H點(diǎn)仍是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，需要不斷地校核和調(diào)整，最終確定人機(jī)硬點(diǎn)。文章在前人的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過將設(shè)計(jì)目標(biāo)轉(zhuǎn)換成對(duì)駕駛員簡(jiǎn)單的約束條件，縮短了駕駛員的H點(diǎn)區(qū)域，再考慮周邊的法規(guī)、人機(jī)要求等，快速準(zhǔn)確地確定了駕駛員H點(diǎn)位置。

1 駕駛員H點(diǎn)的優(yōu)化

1.1 整車高度和頭部空間對(duì)駕駛員H點(diǎn)的約束

在SAE J1100中，用2個(gè)硬點(diǎn)尺寸來保證駕駛員足夠的頭部空間，一個(gè)是駕駛員有效頭部空間（H61/mm）[1]52，也就是95%人體駕駛員H點(diǎn)向上與垂直線向后成8°的線到駕駛員頭頂處頂棚交點(diǎn)之間的距離加102 mm；另一個(gè)是整車整備質(zhì)量狀態(tài)下的地面線到汽車頂蓋最上位置的高度（H101/mm）[1]64。圖1示出汽車駕駛員有效頭部空間。

圖1 汽車駕駛員有效頭部空間示意圖

因H101為已知，所以根據(jù)競(jìng)品車及參考車型可以定義駕駛員處車身頂蓋和內(nèi)飾頂棚Z向的總厚度（ZT/mm）（無天窗一般為15～20 mm，有天窗一般為100 mm），考慮到駕駛員頭頂處車高并非是汽車的最大高度，它是整車頂蓋的最高位置與駕駛員頭頂位置處頂蓋之間的高度差（ZR/mm)（轎車為20～40 mm，越野車為15～25 mm）。因此，頂棚的 Z向高度(ZHD/mm)的計(jì)算，如式（1）所示。

在確定了ZHD后，即可求出在H61約束下的95%人體駕駛員H點(diǎn)高度線。則駕駛員H點(diǎn)的Z坐標(biāo)（ZHPT/mm）,如式（2）所示。

設(shè)計(jì)的H點(diǎn)必須在ZHPT高度線的下方，這樣就可以滿足頭部空間的要求。

1.2 腿部空間對(duì)駕駛員H點(diǎn)的約束

腿部操縱空間的約束僅考慮L34[1]45對(duì)H點(diǎn)的約束。L34在SAE J1100中的定義為加速踏板在自由位置時(shí)，人體模型的踝關(guān)節(jié)點(diǎn)到95%人體駕駛員H點(diǎn)的距離加上254 mm。通過競(jìng)品車分析，可以預(yù)先設(shè)定L34的取值范圍。根據(jù)地板上的地毯壓陷后的位置高度及SAE規(guī)定的踏板角度公式，可確定踵點(diǎn)（AHP）的坐標(biāo)和踏板角，不同的百分位人體模型可以計(jì)算出不同踝關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置。以踝關(guān)節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，L34為半徑，可以做出L34在一定變化范圍內(nèi)的曲線，通過它來約束H點(diǎn)，如圖2所示。從圖2可以看出，在L34最小值約束線和最大值約束線之間的區(qū)域即為滿足L34約束的H點(diǎn)區(qū)域。

圖2 汽車駕駛員腿部操作空間（L34）對(duì)H點(diǎn)的約束

1.3 水切高度、A柱障礙角及外后視鏡三者對(duì)H點(diǎn)的約束

AHP與駕駛員H點(diǎn)之間Z向距離（H30/mm）[1]50的確定，需要考慮水切位置高度、A柱障礙角及外后視鏡鏡殼與鏡片位置，三者之間是相互關(guān)聯(lián)的。

1.3.1 水切高度

水切對(duì)汽車外形設(shè)計(jì)是比較關(guān)鍵的，水切位置的高低對(duì)造型風(fēng)格及效果影響較大。目前外飾造型的發(fā)展趨勢(shì)是水切的位置越來越高，這樣乘客的私密性也越好。然而水切的位置偏高，對(duì)總布置的人機(jī)影響也較大，主要影響外后視鏡的位置及A柱障礙角。

1.3.2 A柱障礙角

根據(jù)法規(guī)GB 11562—2014《汽車駕駛員前方視野要求及測(cè)量方法》中對(duì)于駕駛員A柱雙目障礙角的測(cè)定方法，S1截面和S2截面分別為過A柱的偏上和偏下位置的截面[2]，其中S2截面切到了外后視鏡的鏡殼位置，且切去的量較大，由于右側(cè)A柱投影和右側(cè)鏡殼投影相對(duì)于右眼點(diǎn)有重疊區(qū)域，所以右側(cè)A柱投影和右側(cè)鏡殼投影的總和是右側(cè)A柱障礙角。

右側(cè)A柱障礙角雖然在法規(guī)中不作為考察項(xiàng)，但右側(cè)A柱障礙角很大也會(huì)影響駕駛員轉(zhuǎn)彎時(shí)的視線，駕駛員需要采用轉(zhuǎn)動(dòng)頭部和眼睛的方法來克服A柱雙眼盲區(qū)障礙，有時(shí)由于不能及時(shí)觀察到側(cè)向路況而形成不安全的因素，所以需要在設(shè)計(jì)階段嚴(yán)格控制雙眼A柱的盲區(qū)。

1.3.3 外后視鏡布置位置

外后視鏡鏡殼布置位置應(yīng)盡量與S2截面保持一定的間隙，或者被S2截面相切的量較小且頸脖較長，否則會(huì)影響右側(cè)A柱障礙角。

前期布置控制時(shí)，根據(jù)S2截面與水切的高度差可以初步判斷是否可以布置滿足視野及法規(guī)的外后視鏡。

1.4 轉(zhuǎn)向盤位置和轉(zhuǎn)向盤傾角對(duì)H點(diǎn)的約束

H點(diǎn)并不是獨(dú)立存在的一個(gè)點(diǎn)，H點(diǎn)、AHP及轉(zhuǎn)向盤中心點(diǎn)這3個(gè)點(diǎn)既相互聯(lián)系又相互制約，主要關(guān)系到乘員的駕駛舒適性和前方視野。由確定的AHP與駕駛員 H點(diǎn)之間的 Z向距離（H30/mm）[1]50，根據(jù)式（3）～式（5）可求得轉(zhuǎn)向盤中心點(diǎn)與AHP在X方向（L11/mm）[1]44和Z方向（H17/mm）[1]50的相對(duì)距離，以及轉(zhuǎn)向盤上表面與垂直方向的夾角（A18/（°））[1]53，圖3示出汽車轉(zhuǎn)向盤中心點(diǎn)與AHP的關(guān)系。

圖3 汽車轉(zhuǎn)向盤中心點(diǎn)與踵點(diǎn)的關(guān)系示意圖

根據(jù)式（3）～式（5）確定轉(zhuǎn)向盤的位置和傾角后，需要校核前方視野、組合儀表視野、轉(zhuǎn)向盤下沿與大腿的間隙、轉(zhuǎn)向盤下沿與人體軀干線的間隙及轉(zhuǎn)向盤中心點(diǎn)與人體胸部的碰撞間隙等是否滿足人機(jī)要求，如果滿足，H點(diǎn)就初步確定下來，如果不滿足，需要重新調(diào)整。

2 某越野車型實(shí)例分析

按照上面的設(shè)計(jì)方法，針對(duì)某越野車進(jìn)行H點(diǎn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2.1 整車人機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)的確定

越野車的H30一般定義在300～400 mm，根據(jù)前期競(jìng)品分析確定整車高度、頭部空間及腿部空間等設(shè)計(jì)目標(biāo)，再以這些設(shè)計(jì)目標(biāo)的約束條件來確定H點(diǎn)的區(qū)域。表1示出某越野車的部分整車人機(jī)空間對(duì)比。

表1 某越野車的部分整車人機(jī)空間對(duì)比表 mm

經(jīng)過競(jìng)品對(duì)比分析，H30初步確定在305～360 mm區(qū)間內(nèi)。

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的整車高度、頭部空間及腿部空間等參數(shù)，以這些設(shè)計(jì)目標(biāo)的約束條件來確定H點(diǎn)的優(yōu)化區(qū)域，某越野車H點(diǎn)的優(yōu)化區(qū)域，如圖4所示。

圖4 某越野車H點(diǎn)優(yōu)化區(qū)域示意圖

根據(jù)H點(diǎn)優(yōu)化區(qū)域，H點(diǎn)的Z方向初步確定在頭部空間（藍(lán)線）和H30設(shè)計(jì)目標(biāo)（紫線）圍成的交集區(qū)域內(nèi)，由于AHP和踏板角已確定，所以根據(jù)交集區(qū)域，H30確定在315～355 mm范圍內(nèi)，可以滿足整車的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求；H點(diǎn)X方向根據(jù)H點(diǎn)的適意線和腿部空間來確定，H點(diǎn)的Y方向初定為整車寬度的1/4，后期可隨著組合儀表位置及視野、出風(fēng)口位置大小及周邊結(jié)構(gòu)的合理性等最終確定。

2.2 A柱障礙角和外后視鏡位置

2.2.1 A柱障礙角

表2示出某越野車的水切高度對(duì)比。

表2 某越野車的水切高度對(duì)比表mm

由于某越野車造型想要的水切位置偏高，所以影響H點(diǎn)Z方向的設(shè)定。

當(dāng)H30=315 mm時(shí)的左、右側(cè)A柱障礙角，如圖5所示。右側(cè)A柱障礙角為11°。左側(cè)由于鏡殼與A柱投影之間有較大間隙，所以不影響左側(cè)A柱障礙角。

圖5 某越野車的A柱障礙角示意圖

右側(cè)A柱障礙角不滿足人機(jī)要求，主要是H點(diǎn)高度偏低，通過加大H30，保證S2截面切不到鏡殼或者切的量很小就可以滿足要求。

2.2.2 外后視鏡布置位置

以某越野車為例，該車能布置外后視鏡，滿足外后視鏡的視野法規(guī)要求[3]，S2截面與水切的高度差最小在188 mm，如表3所示。

表3 某越野車外后視鏡相關(guān)尺寸 mm

布置外后視鏡必須考慮人眼看外后視鏡的視野不能被水切遮擋，并與水切、A柱及鏡座三角區(qū)等周邊件的間隙為8 mm以上。

如果S2截面與水切的高度差偏小，會(huì)影響A柱障礙角，只能通過以下4種措施更改：1）水切高度下降，此措施會(huì)對(duì)造型效果產(chǎn)生較大影響；2）H點(diǎn)位置抬高（H30加大），此方案需考慮頭部空間是否能接受及H點(diǎn)變動(dòng)對(duì)整個(gè)人機(jī)的影響；3）H點(diǎn)位置抬高和水切高度下降2種措施同時(shí)進(jìn)行；4）將右側(cè)外后視鏡向外側(cè)Y方向移動(dòng)（但法規(guī)規(guī)定外伸量不超過250 mm，還要考慮鏡殼的強(qiáng)度要求等），保證人眼看右側(cè)時(shí)，右側(cè)外后視鏡和A柱之間有一定的縫隙，這樣外后視鏡截面可以不計(jì)算在內(nèi)。具體采用何種方式需要結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況而定。

目前某越野車由于采用偏高的水切，考慮到A柱障礙角和外后視鏡視野等，采用H30=335 mm，S2截面剛好切不到外后視鏡鏡殼，同時(shí)人眼看右外后視鏡的視線距離水切高度8 mm，頭部空間也滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，確定了95%人體的H點(diǎn)位置。再根據(jù)不同百分位的適意線和選型座椅的滑軌長度，要求滑軌長度要包含2.5%和97.5%的H點(diǎn)范圍，這樣駕駛員H點(diǎn)就最終確定了。

3 結(jié)論

通過將某越野車設(shè)計(jì)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的約束方式，快速將95%人體H點(diǎn)位置限制在一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)，再通過滿足A柱障礙角法規(guī)和滿足視野要求的外后視鏡大小等，最終確定了人機(jī)設(shè)計(jì)最重要的硬點(diǎn)——駕駛員H點(diǎn)位置。此方法簡(jiǎn)單快捷，考慮問題全面，比較直觀地確定了駕駛員H點(diǎn)位置。之前的方法是初定H30，再校核人機(jī)視野、整車高度、頭部空間及腿部空間等，如果發(fā)現(xiàn)有不滿足，再重新確定H30，并進(jìn)行校核，不斷地反復(fù)確認(rèn)。而新方法不但簡(jiǎn)單，同時(shí)還能提高工作效率。

2018年9月基本型乘用車（轎車）生產(chǎn)匯總表