眼橢圓在汽車視野設計中的應用研究*

汪新偉

（蕪湖職業(yè)技術學院，安徽 蕪湖 241003）

視野設計作為汽車前期造型工程的一項重要設計環(huán)節(jié)，直接關系到車輛的駕乘舒適性和行駛安全性。對于不同身高、性別和坐姿的駕駛員，眼睛的位置各不相同，在視野設計中保證滿足大多數(shù)駕駛員要求是設計的基本原則[1]。在設計過程中，視野邊界可以調取車輛數(shù)據(jù)獲取，但駕駛員的眼睛位置為一抽象概念，為準確描述駕駛員眼睛位置，美國汽車工程師協(xié)會（SAE）對美國近2 000 名駕駛員眼點位置進行大量實驗統(tǒng)計分析，將研究結果整理成SAE J941 駕駛員眼點位置眼橢圓標準，并成為當今全球汽車設計開發(fā)中采用的主流標準。筆者根據(jù)SAE J941（2010）版標準，結合具體案例，詳細分析了眼橢圓在汽車上下視野、內(nèi)部可見性、儀表盲區(qū)和防眩目校核等方面的應用。

1 眼橢圓的構建

1.1 眼橢圓定義

眼橢圓是描述不同身高、性別和坐姿的駕駛員眼睛在空間上相對車輛內(nèi)部位置的一種統(tǒng)計圖形，由于呈橢圓形，故稱為眼橢圓。針對不同人群，眼橢圓有不同百分位類型，其大小位置各不相同。考慮到實際應用情況，SAE 直接給出了95%和99%的兩個百分位眼橢圓的尺寸，并對其他百分位眼橢圓尺寸的計算方法做出了說明。如圖1 所示，對于95%百分位的眼橢圓，在眼橢圓任意一點引一條切線，將會有95%的眼點位置是位于切線眼橢圓側，而5%的眼點位置是位于另外一側[2-3]。同理，對于99%百分位的眼橢圓，在眼橢圓任意一點引一條切線，將會有99%的眼點位置是位于切線眼橢圓側，而1%的眼點位置是位于另外一側。

圖1 95%切線眼橢圓示意圖

1.2 眼橢圓尺寸

眼橢圓呈現(xiàn)出立體橢圓形，眼橢圓三軸尺寸定義如圖2 所示，其大小由橢圓的三根軸X、Y 和Z 的長度共同確定。因駕駛側座椅的滑軌長度影響駕駛員及眼睛位置，故不同座椅滑軌長度的尺寸有所差異。其三軸尺寸長度如表1所示[4]。

圖2 眼橢圓三軸尺寸定義

表1 眼橢圓三軸尺寸長度

1.3 眼橢圓位置

眼橢圓在整車中的位置由眼橢圓質心的三個坐標值決定。在整車坐標系中，其質心位置坐標可由下列公式進行計算。

式中：Xc、Ycl、Ycr、Zc 為左右眼橢圓的質心位置坐標（左右眼橢圓的Xc、Zc 相同），L1 為踏板參考點X坐標，L6 為方向盤中心點到踏板參考點X 向距離，H30 為座椅參考點到終點Z 向距離，t 為變速器類型（手動檔取1、自動檔取2），W20 為座椅參考點Y 坐標，H8為終點Z坐標[4]。

2 眼橢圓在汽車視野設計中的應用

2.1 汽車上下視野校核

汽車的上下視野一般用于車輛行駛過程中觀察車輛前方上部的紅綠燈和下部的路面障礙物和行人。其大小用視野線角度來衡量，角度越大，駕駛員視野越開闊，車輛安全性及舒適性越好。在SAE 法規(guī)中要求上視野≧7o，下視野≧5o。在汽車造型設計和工程設計階段，需要根據(jù)數(shù)模校核上下視野大小。進行上下視野校核時，一般步驟為：1）根據(jù)車輛人體位置做出95%百分位眼橢圓；2）找到車輛前擋風玻璃的上下黑邊邊界；3）分別過上下黑邊邊界點做眼橢圓的上下切線；4）分別測量上下切線與水平線的夾角。

兩切線即為車輛的上下視野線，視野線與水平線的夾角即為上下視野大小。某轎車用眼橢圓進行車輛上下視野校核，如圖3 所示。其上視野為7.68o，下視野為5.95o，均滿足法規(guī)要求。

圖3 眼橢圓校核車輛上下視野

2.2 內(nèi)部可見性校核

為追求美觀性，車輛內(nèi)飾一般為封閉或半封閉結構。一些特殊區(qū)域或零件如儀表板手套箱下部的空調蒸發(fā)器，需要外露在儀表板之外，如果駕駛員或后排乘客在座椅上看到外露的蒸發(fā)器，勢必會影響到整車感官質量和精細化水平，故在設計階段需要對車輛內(nèi)部的可見性進行校核，因在車內(nèi)副駕駛側和后排乘客的眼睛位置有明確的位置分布，故采用眼橢圓校核法。某SUV 的儀表板區(qū)域如圖4 所示，分別做出副駕駛側和后排乘客95%百分位眼橢圓，過眼橢圓下部和手套箱下部做出切線，切線下部即為可見區(qū)域，觀察發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器不在可見區(qū)域內(nèi)，滿足要求。

圖4 汽車內(nèi)飾蒸發(fā)器可視性校核

2.3 儀表盲區(qū)校核

駕駛員在車輛行駛過程中需要密切關注組合儀表內(nèi)的車速、轉速及各種指示燈信息以確保行駛安全。方向盤位于駕駛員人眼和組合儀表之間，其輪緣內(nèi)外側會對駕駛員視野起阻礙作用，造成儀表視野盲區(qū)，影響行車安全。儀表盲區(qū)校核的目的是通過眼橢圓做出儀表盲區(qū)的邊界，在組合儀表布置時確保儀表的信息區(qū)不在盲區(qū)邊界范圍內(nèi)[5]。其校核一般采用UG 軟件中的車輛設計自動化模塊，具體步驟為：1）建立車輛坐標系，一般以整車（0，0，0）為坐標系原點；2）輸入相應參數(shù)，包括車輛類型、座椅滑軌行程、座椅位置、靠背角度及換檔類型，UG 軟件根據(jù)這些參數(shù)自動生成眼橢圓；3）輸入方向盤的輪緣上下邊緣線，軟件自動提取輪緣上下邊界；4）選擇生成雙眼盲區(qū)即可見盲區(qū)邊界。

某SUV 車型的儀表視野盲區(qū)如圖5 所示，可以看見組合儀表部分信息區(qū)在盲區(qū)范圍內(nèi)，影響駕駛員讀取車輛行駛信息，組合儀表需要重新布置位置。

圖5 汽車組合儀表視野盲區(qū)校核

2.4 防眩目校核

車輛內(nèi)飾中的部分零件如空調旋鈕、出風口邊緣等常采用鍍鉻亮條處理以增加車輛美觀性。在清晨或黃昏時太陽高度較低，可能會有部分陽光透過擋風玻璃經(jīng)過鍍鉻亮條的反光射入人眼造成駕駛員眩目，影響行車安全。通過眼橢圓可以校核駕駛員眩目的風險，利用光線可逆原理，將光線從眼點射出，經(jīng)過亮條反射，判斷是否透過透明區(qū)，進而判斷汽車設計是否合理。其具體步驟為：1）做出駕駛員的眼橢圓，提取鍍鉻亮條邊界；2）連接眼橢圓的邊界點和亮條的邊界點形成直線，做出此直線關于亮條的對稱線并向外延長至車外；3）按照步驟2 做出多根對稱線，觀察對稱線和風擋玻璃的相交情況。

某SUV 的防眩目校核如圖6 所示，僅有少部分線條（小于5%）透過擋風玻璃，說明只有很少一部分陽光可以通過鍍鉻亮條反射到人眼，不會引起眩目風險，滿足要求，達到了兼顧造型和工程的目的。

圖6 汽車防眩目校核

3 結論

筆者根據(jù)SAE J941（2010）版標準，詳細介紹了眼橢圓的含義、位置及尺寸，并結合具體車型數(shù)模對其在上下視野、內(nèi)部可見性、儀表盲區(qū)和防眩目等方面的應用進行了實際校核分析，對于車型前期造型開發(fā)設計具有一定的指導意義。