乘用車駕駛員腿部空間設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用

覃星翠 李輝 周曉明 宋建新

摘? 要：在乘用車駕駛員腿部空間設(shè)計(jì)中，二維人體腿部空間的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)無法得到完整的腿部空間，不利于進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證。本文提出了一種基于三維人體的駕駛員腿部空間設(shè)計(jì)方法，建立了由模型設(shè)計(jì)到檢查驗(yàn)證的一系列規(guī)范，可應(yīng)用在新產(chǎn)品開發(fā)全流程中，提高駕駛員腿部空間設(shè)計(jì)質(zhì)量和工作效率。

關(guān)鍵詞：乘用車;駕駛員;腿部空間設(shè)計(jì);人機(jī)工程學(xué)

中圖分類號(hào)：U462.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2019）02-0007-05

1? ? 引言

隨著生活水平提高，人們對(duì)汽車駕駛的舒適性要求進(jìn)一步提高，使得人機(jī)工程學(xué)在乘用車空間設(shè)計(jì)中得到普遍應(yīng)用[1]。駕駛員腿部空間設(shè)計(jì)是駕駛艙空間設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，也是整車空間分配的基礎(chǔ)，直接影響駕駛員的乘坐舒適性。

駕駛員腿部空間設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在駕駛員姿態(tài)和乘坐空間的關(guān)鍵尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)中[2]，在參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值和對(duì)標(biāo)車數(shù)據(jù)分析中確定新車型的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)值。但駕駛員腿部跨度較大，周邊零件眾多，駕駛員腿部空間設(shè)計(jì)除了要滿足二維人體關(guān)鍵參數(shù)要求外，還要考慮周邊零部件的造型、結(jié)構(gòu)、性能及制造工藝等要求。因而，實(shí)際車型開發(fā)中只完成基于二維人體的關(guān)鍵尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)并不能得到完整的腿部空間，實(shí)車驗(yàn)證階段容易帶來設(shè)計(jì)更改。在整車開發(fā)過程中需設(shè)定全面的駕駛員腿部空間要求，并以之嚴(yán)格約束相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)。但目前國內(nèi)尚無公開的駕駛員腿部空間設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，自主品牌車企對(duì)此的研究也很缺乏，憑設(shè)計(jì)者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)及局部對(duì)標(biāo)競(jìng)爭(zhēng)車，基于二維人體的腿部空間關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)要素考慮不全，導(dǎo)致駕駛員腿部空間不足造成大量的設(shè)計(jì)反復(fù)。

本文基于人機(jī)工程學(xué)原理，結(jié)合多款車型開發(fā)實(shí)踐，從設(shè)計(jì)模型、設(shè)計(jì)約束、設(shè)計(jì)檢查到驗(yàn)證等角度提出了一種基于三維人體的駕駛員腿部空間設(shè)計(jì)方法，可應(yīng)用在新產(chǎn)品開發(fā)全流程中，從產(chǎn)品開發(fā)前期避免出現(xiàn)駕駛員腿部空間不足問題，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和工作效率。

2? ? 駕駛員腿部空間關(guān)鍵尺寸

人體腿部位于腳踝點(diǎn)和跨點(diǎn)（H點(diǎn)）之間。按人體腿部組成，駕駛員腿部空間分為小腿空間、膝部空間和大腿空間。按汽車空間三維方向可對(duì)應(yīng)分為腿部側(cè)向空間、上部空間、下部空間、前后空間。

空間的設(shè)計(jì)需分解為可通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的尺寸，駕駛員腿部空間尺寸基于SAE 95%二維人體模板進(jìn)行定義。SAE 1100與駕駛員腿部空間直接相關(guān)的汽車尺寸[3]見表1及圖1，作為關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，從整車架構(gòu)開發(fā)前期定義目標(biāo)值。

3? ? 基于三維人體的駕駛員腿部空間設(shè)計(jì)方法

3.1? ?建立設(shè)計(jì)人體模型

駕駛員姿態(tài)是車內(nèi)空間設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，合適的駕駛員姿態(tài)可為駕駛員提供安全的駕駛空間，讓駕駛舒適愉悅。在駕駛員姿態(tài)設(shè)計(jì)中，基于SAE 95%二維人體[4]，完成駕駛員跨點(diǎn)（H點(diǎn)）、腳踵點(diǎn)（AHP）、方向盤中心點(diǎn)（SWC）、方向盤傾角（A18）和踏板角（A47）等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定[5]，如圖2。運(yùn)用UG軟件總布置模塊中的二維人體建模，約束這些參數(shù)，可得到95%駕駛員人體駕駛姿態(tài)，駕駛員有效腿部空間（L34）和關(guān)節(jié)角度也隨之確定。受駕駛艙零部件布局影響，駕駛員人體姿態(tài)模型初步建立后，需評(píng)估是否滿足腿部空間及關(guān)節(jié)角度目標(biāo)[6]，如無法滿足時(shí)，需調(diào)整人體姿態(tài)直至滿足要求。因此，合適的駕駛姿態(tài)是多個(gè)參數(shù)多次調(diào)整的結(jié)果。

3.2? ?建立設(shè)計(jì)約束

3.2.1 建立基于二維人體的關(guān)鍵參數(shù)約束

駕駛員二維坐姿模型建立后，駕駛員腿部空間的設(shè)計(jì)內(nèi)容是以二維人體為核心對(duì)周邊零部件進(jìn)行關(guān)鍵尺寸參數(shù)約束，即設(shè)定關(guān)鍵尺寸參數(shù)目標(biāo)值。

對(duì)不同級(jí)別車型，腿部空間（L34）有所不同，但膝部空間（L48）、小腿間隙（L58）及方向盤到大腿線最小距離（H13）與車輛的級(jí)別無關(guān)。設(shè)定這四個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)，可參考表2進(jìn)行選取，同時(shí)綜合對(duì)標(biāo)車數(shù)據(jù)分析確定新車型腿部空間目標(biāo)值。L34過小則腿部無法充分伸展，L34過大則腿部會(huì)被過大拉伸，駕駛員腿部易疲勞受損。如果L48和L58過小，急剎車時(shí)膝蓋和小腿可能碰到儀表板及轉(zhuǎn)向管柱護(hù)蓋，且駕駛過程時(shí)會(huì)有不適感。

在駕駛員姿態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，還要需考慮駕駛員坐姿高度（H30）對(duì)方向盤和座墊設(shè)計(jì)的影響，即需設(shè)定合理的方向盤到大腿線最小距離（H13）、方向盤到坐墊最小距離（H74）目標(biāo)值。如H13和H74過小，將無法滿足大人體的大腿空間要求，尤其踩制動(dòng)時(shí)腿部易撞到方向盤，踩離合時(shí)坐墊會(huì)抑制大腿。

3.2.2 建立基于三維人體的全局空間約束

基于二維人體的關(guān)鍵參數(shù)只針對(duì)腿部局部位置對(duì)周邊零件進(jìn)行約束，無法全面評(píng)估腿部在各種駕駛姿勢(shì)下的空間需求，因此需借助三維人體評(píng)估實(shí)際駕駛空間。

通過二維人體確定駕駛員坐姿后，初步完成加速、離合、制動(dòng)踏板和歇腳板的布置，此時(shí)可采用Ramsis軟件建立三維人體模型，如圖3。同時(shí)，利用Ramsis進(jìn)行各種駕駛姿勢(shì)的坐姿舒適性分析，如評(píng)估結(jié)果滿足要求則不需調(diào)整駕駛姿態(tài)參數(shù)，否則調(diào)整至滿足要求為止。將不同駕駛姿勢(shì)的Ramsis人體模型進(jìn)行疊加（如圖4），要求周邊零件與三維人體腿部間隙大于20mm。駕駛員腿部到門飾板、副儀表板間隙要求，如圖5所示：

3.2.3 建立空間限制模型

在造型設(shè)計(jì)階段，建立空間與界限模型，可將國家法規(guī)、人機(jī)工程、零部件結(jié)構(gòu)等相關(guān)約束條件用數(shù)模表現(xiàn)出來，作為工程與造型的設(shè)計(jì)交流工具，用于約束造型面的開發(fā)。駕駛員腿部空間設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)上述空間約束條件建立限制模型，要求儀表板、副儀表板及門飾板造型面不得與限制數(shù)模干涉。具體做法是將三維人體腿部局部數(shù)模沿約束方向外擴(kuò)移一定距離，移動(dòng)距離要求不小于20mm。

3.3? ?零部件關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)

駕駛員腿部周邊零件包括儀表板下護(hù)板、轉(zhuǎn)向管柱護(hù)蓋及調(diào)節(jié)手柄、方向盤、前門飾板及門附件、座墊及座椅飾蓋、副儀表板、換擋手柄、手剎、安全帶扣等。這些零件造型面均要滿足駕駛員腿部空間的設(shè)計(jì)約束，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)侵占駕駛員腿部空間的造型特征。圖6左右圖對(duì)比，可看出零部件造型對(duì)腿部空間設(shè)計(jì)產(chǎn)生很大影響，進(jìn)而影響駕駛舒適性和安全性。

3.4? ?設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)檢查

在數(shù)模設(shè)計(jì)階段，直接利用駕駛員腿部空間限制模型對(duì)造型數(shù)據(jù)和零部件數(shù)模進(jìn)行檢查，操作簡(jiǎn)單易行。對(duì)不滿足限制模型要求的數(shù)模問題，要求造型及零部件工程區(qū)域進(jìn)行更改。經(jīng)過多方分析確認(rèn)無法更改時(shí)，需經(jīng)車型總工程師認(rèn)可才能減小駕駛員腿部空間目標(biāo)值。

3.5? ?模型驗(yàn)證評(píng)審

車內(nèi)空間設(shè)計(jì)遵循以人為本的原則，需滿足不同體型用戶的需求，用戶最終以實(shí)車主觀感知對(duì)車內(nèi)空間進(jìn)行評(píng)價(jià)。人機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)要求和Ramsis分析仍無法做出直觀評(píng)價(jià)，也就不能真實(shí)確認(rèn)車內(nèi)空間是否能讓用戶滿意。車內(nèi)人機(jī)設(shè)計(jì)是造型和零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，人機(jī)工程問題將導(dǎo)致大量的設(shè)計(jì)更改，對(duì)產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間和成本影響很大。因此，新車型開發(fā)前期便開始制作駕乘艙模型或樣車驗(yàn)證人機(jī)工程設(shè)計(jì)，駕駛員腿部空間是其中一項(xiàng)重要的驗(yàn)證內(nèi)容。人機(jī)工程評(píng)審時(shí)，多名不同體型的評(píng)審者對(duì)新車型及對(duì)標(biāo)車的駕駛腿部空間進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，打分標(biāo)準(zhǔn)按五分制（如圖10），并記錄車型優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)得分較低的項(xiàng)目，需評(píng)估對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行更改。

4? ? 設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

設(shè)計(jì)者應(yīng)以人機(jī)工程學(xué)為指導(dǎo)，充分考慮影響腿部空間各項(xiàng)因素，改型車與原型車進(jìn)行細(xì)致的比對(duì)，按照第3章所述的駕駛員腿部空間設(shè)計(jì)方法開展各階段工作，可有效避免因設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)不足及大意疏忽造成的駕駛員腿部空間設(shè)計(jì)問題。

如圖8，車型A駕駛員左腳放在歇腳板上，駕駛過程中腿部外靠空間不足，腿部易產(chǎn)生疲勞感。原因在于，設(shè)計(jì)時(shí)僅以肩部、肘部及臀部空間要求限制左前門飾板造型，未對(duì)駕駛員腿部側(cè)面空間進(jìn)行約束。因此，造成了工裝車階段左右前門內(nèi)飾板造型更改，浪費(fèi)了100多萬的模具費(fèi)用。

如圖9，車型B設(shè)計(jì)時(shí)未考慮緊急制動(dòng)駕駛姿勢(shì)的膝部間隙，造成實(shí)車該工況下駕駛員膝部碰到轉(zhuǎn)向管柱上的點(diǎn)火鎖處凸包及行車鑰匙，凸包邊緣未倒圓角與膝蓋接觸不舒適，影響駕駛員腿部操作舒適性。因此，對(duì)轉(zhuǎn)向護(hù)殼點(diǎn)火鎖口處造型進(jìn)行了更改。

5? ? 結(jié)論

本文基于人機(jī)工程學(xué)原理，結(jié)合某公司多款車型開發(fā)實(shí)踐，研究駕駛員腿部空間的設(shè)計(jì)要求、控制及驗(yàn)證方法，提出了一種基于三維人體的駕駛員腿部空間設(shè)計(jì)方法，可應(yīng)用在新產(chǎn)品開發(fā)全流程中，從產(chǎn)品開發(fā)前期避免駕駛員腿部空間不足問題，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和工作效率。

（1）從建立設(shè)計(jì)模型、設(shè)計(jì)約束、設(shè)計(jì)檢查到驗(yàn)證評(píng)審等進(jìn)行全過程設(shè)計(jì)分析，可避免因工作內(nèi)容遺漏導(dǎo)致設(shè)計(jì)失誤。

（2）在二維人體的關(guān)鍵參數(shù)約束后，建立基于三維人體的全局空間約束，可對(duì)腿部在各種駕駛姿勢(shì)下的空間需求進(jìn)行設(shè)計(jì)控制，有效避免設(shè)計(jì)約束不足問題。

（3）運(yùn)用三維人體腿部空間限制模型對(duì)造型進(jìn)行設(shè)計(jì)約束，使工程與造型交流更加順暢，提高設(shè)計(jì)效率。

（4）采用駕乘艙模型進(jìn)行駕駛員腿部空間實(shí)際體驗(yàn)，可直接評(píng)估駕駛員腿部空間前期設(shè)計(jì)的合理性，有助于實(shí)現(xiàn)滿足用戶需求的空間設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉春榮.汽車內(nèi)部空間的人機(jī)工程要素及其設(shè)計(jì)[C].2006年中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)年會(huì).中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)，2006.

[2]張強(qiáng).基于整車總布置法規(guī)和人機(jī)工程要求的參數(shù)化模型研究及其應(yīng)用[J].上海汽車，2013年第4期.

[3]SAE J1100-2009 Motor Vehicle Dimensions[S].2009：71-227.

[4]呂景華.轎車人體工程設(shè)計(jì)一般方法的研究[J]. 汽車技術(shù)，2002年第10期.

[5]周曉明，陳龍姣等. H點(diǎn)及總布置關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2015年第8期.

[6]趙韓，程飛.基于人機(jī)工程學(xué)的轎車車身總布置設(shè)計(jì)[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014年第11期.