汽車視野設(shè)計(jì)中視切眼橢圓與包含眼橢圓的差異分析

汪新偉 葛勝升

摘要：駕駛員眼橢圓描述了駕駛員眼點(diǎn)位置的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，用于汽車設(shè)計(jì)中評估和確定車輛視野。根據(jù)美國汽車工程師協(xié)會發(fā)布的SAE J941法規(guī)，分析了視切眼橢圓和包含橢圓在定義、尺寸及位置和應(yīng)用方面的差異，對汽車設(shè)計(jì)中的視野設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：視切眼橢圓;包含眼橢圓;SAE J941;汽車視野設(shè)計(jì)

中圖分類號：TB472文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672—7053（2019）05—0159—02

Abstract ： The driver's eyellipses describes the statistical law of the driver's eye positions， which is used to evaluate and determine the vehicle's vision in the vehicle design. According to the SAE J941 code issued by the American Society ofAutomotive Engineers， the difference between the tangent cutoff eyellipses and the inclusive ellipses in the definition， size ， location and application is analyzed in this paper， which will play a guiding role in the field of vision design in vehicle design.

Key Words ： Tangent cutoff ellipses; Inclusive eyellipses; SAE J941; Vehicle vision design

1 眼橢圓在汽車設(shè)計(jì)中的作用

在汽車前期的造型設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)中，車輛人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)始終是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，駕駛員只有在最舒適、最自然的狀態(tài)下駕駛車輛，才有可能最大限度的保證駕駛安全，降低事故風(fēng)險(xiǎn)。各大汽車公司如本田提出的“MM”設(shè)計(jì)理念（Man Maximum;Mechanism Minimum），馬自達(dá)的“人馬合一”理念，均是對人機(jī)工程重要性的完滿詮釋。視野設(shè)計(jì)作為車輛人機(jī)工程學(xué)的一部分，直接關(guān)系到汽車行駛的安全性，是汽車主動(dòng)安全重點(diǎn)要考慮的內(nèi)容和驗(yàn)證項(xiàng)目之一，同時(shí)也是國家汽車安全法規(guī)的重要內(nèi)容。視野設(shè)計(jì)包括上下視野、前后視野、內(nèi)外后視鏡視野、障礙角、內(nèi)飾可見性、亮條反光炫目、燈光成像、內(nèi)飾遮擋等方面，均與人體的眼睛位置有直接關(guān)系，因此有必要在設(shè)計(jì)初期數(shù)據(jù)階段引入人體假人及眼部位置模型來進(jìn)行模擬駕駛員駕駛狀態(tài)。

現(xiàn)實(shí)生活中的駕駛員千差萬別，高矮胖瘦各有不同，駕駛員座位調(diào)節(jié)和人的眼睛位置也不同，其主要影響因素是駕駛員的身高，因?yàn)椴煌砀呷梭w，在駕駛側(cè)的乘坐位置不同，乘坐狀態(tài)下的眼睛位置也不同。在汽車的視野設(shè)計(jì)中保證大多數(shù)駕駛員的要求是設(shè)計(jì)的基本原則川。為準(zhǔn)確描述駕駛員眼睛位置，美國汽車工程師協(xié)會（SAE）采用抽樣調(diào)查統(tǒng)計(jì)的方式，對駕駛員眼點(diǎn)位置進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，將研究結(jié)果整理成SAE J941——駕駛員眼點(diǎn)位置眼橢圓標(biāo)準(zhǔn)并于1997年發(fā)布。后隨著車輛樣本和駕駛員群體的不斷變化，SAE于2002年對J941標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了進(jìn)一步修訂。我國的汽車主機(jī)廠及設(shè)計(jì)公司目前均以SAE J941 2002版作為設(shè)計(jì)依據(jù)。但是在使用的過程中，標(biāo)準(zhǔn)涉及不同百分位及不同類型的眼橢圓，往往在使用過程中給設(shè)計(jì)者造成困惑，產(chǎn)生設(shè)計(jì)偏差。本文根據(jù)SAE J941 2002版標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)解釋了兩種不同類型眼橢圓的含義、尺寸和定位及應(yīng)用范圍的差異，為視野設(shè)計(jì)中眼橢圓的選取提供了理論依據(jù)。

2 視切眼橢圓與包含眼橢圓的含義差異

1963年，美國汽車工程師協(xié)會SAE選用本土三大汽車公司各一款主流車型，對抽取的2000多人進(jìn)行了駕駛姿態(tài)的眼點(diǎn)位置測試。被測試者來自世界各地，涵蓋不同性別、身高和體重，要求其按照自己的位置調(diào)整好座椅及方向盤，然后對測試的眼點(diǎn)位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成最佳的并與實(shí)際相符的曲線。統(tǒng)計(jì)的結(jié)果顯示：眼睛分布范圍在俯視圖和側(cè)視圖的投影均可近似為橢圓，故稱為眼橢圓。其英文名稱為ellipse，是由眼睛eye和橢圓ellipse組合而成的?？紤]到實(shí)際應(yīng)用，SAE給出了95%和99%的兩個(gè)百分位眼橢圓的尺寸，即滿足95%和99%的駕駛員的使用，同時(shí)對其他百分位眼橢圓尺寸的計(jì)算方法做出了說明。

2.1 視切眼橢圓

視切眼橢圓是由大量統(tǒng)計(jì)的眼點(diǎn)位置形成的百分表包絡(luò)。如圖1所示，對于95%百分位的視切眼橢圓，在眼橢圓任意一點(diǎn)引一條切線，將會有95%的眼點(diǎn)位置是位于切線眼橢圓側(cè)（眼橢圓內(nèi)外均包含），而5%的眼點(diǎn)位置是位于另外一側(cè)。若用圖中的切線模擬駕駛員視野線且與前風(fēng)擋透明區(qū)最高點(diǎn)相交，則95%的駕駛員可以看到此角度，而5%的駕駛員看不到（被不透明區(qū)遮擋），此切線亦可稱為駕駛員上視野線。對于99%百分位眼橢圓，基本含義也是如此，不同的是可見區(qū)與遮擋區(qū)的比例變成99%和1%，其可見范圍更廣。

2.2 包含眼橢圓

包含眼橢圓定義了一定百分比眼點(diǎn)位置的邊界，如圖2所示，對于95%百分位的包含眼橢圓，將會有95%的眼點(diǎn)位置是位于包含眼橢圓內(nèi)部，而5%的眼點(diǎn)位置是位于眼橢圓外部。對于99%百分位眼橢圓，基本含義也是如此，不同的是橢圓內(nèi)外的比例變成99%和1%，其包含范圍更廣。

3 視切眼橢圓與包含眼橢圓的尺寸和定位差異

由于人體的左右兩個(gè)眼睛位置及空間分布，駕駛員眼橢圓表現(xiàn)為左右兩個(gè)對稱三維橢圓形，如圖3所示，其大小由X、Y和Z三根軸的長度共同確定。

對于視切眼橢圓而言，其三軸長度如表1所示間：表1中，座椅滑軌長為駕駛員座椅調(diào)節(jié)的距離，百分比為不同百分位的眼橢圓。每個(gè)切線眼橢圓同樣是一個(gè)包含眼橢圓，從而定義一定比例的駕駛員眼點(diǎn)位置邊界，但是包含在邊界內(nèi)的眼點(diǎn)的比例通常少于相應(yīng)的視切眼橢圓[4。例如，在三維模型中，95%百分位的視切眼橢圓僅僅包含56%的眼點(diǎn)位置，故95%的視切眼橢圓與56%的包含眼橢圓尺寸一致。表2為不同百分位的視切眼橢圓和包含眼橢圓之間的對應(yīng)關(guān)系。

兩種不同類型的眼橢圓在整車中的位置由眼橢圓質(zhì)心的三個(gè)坐標(biāo)值決定且兩者質(zhì)心位置相同。其質(zhì)心位置坐標(biāo)可由下列公式進(jìn)行計(jì)算：

Xc=L1+664+0.587xL6—0.176xH30—12.5xt

Ycl=W20—32.5

Ycr=W20+32.5

Zc=H8+638+H30

式中，Xc、Ycl、Ycr、Zc為左右眼橢圓的質(zhì)心位置坐標(biāo)，L1為踏板參考點(diǎn)X坐標(biāo)，L6為方向盤中心點(diǎn)到踏板參考點(diǎn)X向距離，H30為座椅參考點(diǎn)到鍾點(diǎn)Z向距離，t為變速器類型（手動(dòng)擋取1、自動(dòng)擋取2），W20為座椅參考點(diǎn)Y坐標(biāo)，H8為鍾點(diǎn)Z坐標(biāo)。

通過整車坐標(biāo)系、質(zhì)心位置、三軸長度即可繪制出駕駛員眼橢圓數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)校核工作。目前主流車輛設(shè)計(jì)軟件如CATIA、UG等均能繪制出眼橢圓。

4 視切眼橢圓與包含眼橢圓的視野設(shè)計(jì)應(yīng)用差異

由兩種不同眼橢圓的定義，其應(yīng)用范圍也有一定的差異。一般而言，在進(jìn)行上下視野、可見性等需要用眼橢圓切線模擬光線方向時(shí)，宜采用95%視切眼橢圓進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核3），以劃分可見區(qū)及遮擋區(qū)。如圖5所示為某轎車用視切眼橢圓進(jìn)行車輛上下視野校核。其上視野為7.68°，下視野為5.95°，滿足國家法規(guī)上視野大于7°，下視野大于5°的要求。

在需要利用眼點(diǎn)的具體位置做射線模擬光線方向時(shí)，宜采用95%包含眼橢圓進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證以劃分區(qū)域內(nèi)外范圍，如圖6所示為某SUV車型用包含眼橢圓的范圍校核車輛空調(diào)旋鈕的鍍鉻亮條是否會引起駕駛員炫目，校核結(jié)果表明：只有很少一部分光線可以透過前風(fēng)擋經(jīng)過鍍鉻旋鈕的反射進(jìn)入人的眼睛，對人眼的影響在非常小的范圍內(nèi)，不會引起炫目風(fēng)險(xiǎn)，旋鈕位置合適，鍍鉻旋鈕無需進(jìn)行亞光處理，滿足車輛使用要求。

5 結(jié)語

汽車設(shè)計(jì)過程中的前期數(shù)據(jù)校核是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，而正確合理的數(shù)據(jù)模型是校核的基礎(chǔ)及關(guān)鍵。本文根據(jù)SAEJ9412002版標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)介紹了在車輛人機(jī)視野校核中運(yùn)用到的兩種不同類型的眼橢圓及其差異性，并結(jié)合具體車型造型數(shù)據(jù)對其應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)際校核分析，對于車型前期造型開發(fā)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)需要指出的是，對于任何數(shù)據(jù)校核，后期均需要做實(shí)車驗(yàn)證試驗(yàn)，已驗(yàn)證理論分析與實(shí)車的一致性，取得最佳的設(shè)計(jì)效果。

本文系蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院2017年度省級大規(guī)模在線開放課程示范項(xiàng)目《傳動(dòng)系的診斷與維修》（2017mooc366）;安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目《電動(dòng)汽車諧振式快速無線充電技術(shù)研究》（KJ2016A755）。

參考文獻(xiàn)

[1]任金東，范子杰.適合不同駕駛員群體眼橢圓統(tǒng)計(jì)方法[J].機(jī)械工程，2006（2）.

[2]溫吾凡，杜子學(xué).駕駛員眼橢圓=維正態(tài)分布理論解釋[J].汽車工程，1991（4）.

[3]周一鳴，毛璁榮.車輛人機(jī)工程學(xué)[M].北京理工大學(xué)出版社（第2版），1999：129—132.

[4]郭榮春.眼橢圓在汽車車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2010（9）.

[5]張峻霞，王新亭.人機(jī)工程學(xué)與設(shè)計(jì)應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2018，1.