基于中國(guó)人體尺寸的駕駛員駕姿舒適性分析

霍燦堅(jiān)，華 波，曹 勇，王景興

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 汽車(chē)工程研究院，廣東 廣州 511434）

駕駛員在駕駛汽車(chē)時(shí)，座椅、方向盤(pán)和踏板這三個(gè)系統(tǒng)貫穿整個(gè)駕車(chē)的過(guò)程，因此，這三者的相對(duì)位置是否合適直接影響駕駛員駕車(chē)的舒適性和駕駛樂(lè)趣。目前主機(jī)廠對(duì)三者位置的匹配多基于美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)（Society of Automotive Engineers, SAE）標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，研究手段多為仿真、試驗(yàn)加主觀評(píng)價(jià)[1-6]，并未形成基于中國(guó)駕駛員身體尺寸和駕駛習(xí)慣的駕駛模型，導(dǎo)致部分中國(guó)駕駛員調(diào)整不到最合適的駕乘坐姿。本文利用人機(jī)臺(tái)架，通過(guò)紀(jì)錄駕駛員在最舒適駕車(chē)狀態(tài)時(shí)，油門(mén)踏板、方向盤(pán)和座椅三者的位置參數(shù)，然后對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析并定義推薦的舒適性范圍值，建立舒適的駕駛姿態(tài)模型。

1 研究對(duì)象

1.1 研究對(duì)象

本文主要分析中國(guó)駕駛員在駕駛車(chē)輛時(shí)油門(mén)踏板、方向盤(pán)和座椅三者的位置關(guān)系，為了簡(jiǎn)化模型，將三者的關(guān)系通過(guò)L6、H17、L53-1、H30-1四個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析（如圖1所示）。其中，L6為方向盤(pán)中心點(diǎn)到踏點(diǎn)的水平距離；H17為方向盤(pán)中心點(diǎn)到踵點(diǎn)的垂直距離；L53-1為踵點(diǎn)到H點(diǎn)的水平距離；H30-1為駕駛員座椅高度。

圖1 駕乘坐姿模型

1.2 座椅高度H30-1選擇

本文研究的座椅高度（H30-1）的大小選擇在190 mm～390 mm，測(cè)試時(shí)座椅高度按照（200±10）mm、（220±10）mm、（240±10）mm、（260±10）mm、（280±10）mm、（300±10）mm、（320±10）mm、（340±10）mm、（360±10）mm、（380±10）mm這10組參數(shù)測(cè)試，可涵蓋Sedan、運(yùn)動(dòng)型多用途汽車(chē)（Sport/Suburban Utility Vehicle,SUV）、多用途汽車(chē)（Multi-Purpose Vehicles, MPV）的座椅高度設(shè)計(jì)需求。

2 客觀測(cè)量

柔性人機(jī)臺(tái)架，如圖2所示，是一個(gè)能模擬各種車(chē)型（Sedan、SUV、MPV）坐姿的人機(jī)臺(tái)架，臺(tái)架通過(guò)電控模塊控制各個(gè)系統(tǒng)的調(diào)整，調(diào)節(jié)精度為1 mm，并能顯示系統(tǒng)的調(diào)整量。只要設(shè)定好基準(zhǔn)坐姿，并能記錄測(cè)試人員調(diào)整到舒適坐姿的參數(shù)，步驟如下：

（1）按照1.2定義好的座椅高度設(shè)定臺(tái)架座椅、踏板和方向盤(pán)的位置，并記錄這三個(gè)零件的位置參數(shù)作為基準(zhǔn)；

（2）測(cè)試人員進(jìn)入臺(tái)架，模擬開(kāi)車(chē)時(shí)的姿態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)方向盤(pán)的位置，座椅的前后位置和上下位置（上下調(diào)整量為±10 mm），得到一個(gè)舒適的坐姿；

（3）記錄調(diào)整后的方向盤(pán)和座椅在X和Z方向的位置參數(shù)（L53-1、L6、H17和H30-1）的調(diào)整量。

以上述3個(gè)步驟為一組測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)更換不同的測(cè)試人員或座椅高度，可紀(jì)錄不同駕駛員在不同座椅高度的坐姿數(shù)據(jù)。

圖2 柔性人機(jī)臺(tái)架

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)人員來(lái)自全國(guó)6大區(qū)（東北華北區(qū)、中西部區(qū)、長(zhǎng)江中游區(qū)、長(zhǎng)江下游區(qū)、兩廣福建區(qū)、云貴川區(qū)），年齡涵蓋18歲～60歲，身高涵蓋1.5 m～1.85 m。

本文主要研究1.65 m～1.69 m成年人身高人群的坐姿舒適性，一共采集到有效樣本1 032份。其中男性616份，女性416份，樣本摘錄如表1所示。

表1 測(cè)試采集樣本（摘錄） 單位：mm

表1 （續(xù)）

男性樣本參數(shù)均值、標(biāo)準(zhǔn)差如表2所示。

表2 男性樣本參數(shù)分析（樣本數(shù)：616） 單位：mm

女性樣本參數(shù)均值、標(biāo)準(zhǔn)差如表3所示。男女性樣本參數(shù)均值、標(biāo)準(zhǔn)差如表4所示。

表3 女性樣本參數(shù)分（樣本數(shù)：416） 單位：mm

表4 男女性樣本參數(shù)分（樣本數(shù)：1032） 單位：mm

男性坐姿參數(shù)L53-1、L6、H17與H30-1的相關(guān)性如表5所示。

表5 男性樣本參數(shù)相關(guān)性

女性坐姿參數(shù)L53-1、L6、H17與H30-1的相關(guān)性如表6所示。

表6 女性樣本參數(shù)相關(guān)性

男女性坐姿參數(shù)L53-1、L6、H17與H30-1的相關(guān)性如表7所示。

表7 男女性樣本參數(shù)相關(guān)性

由上述表格可知，駕駛員的坐姿H30-1與L53-1、L6、H17的相關(guān)性高，可進(jìn)行下一步的模型分析。

3.2 駕駛員舒適性坐姿模型建立

基于3.1的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，進(jìn)行駕駛員坐姿舒適性模型建立的可行性分析。

3.2.1 男性駕駛員舒適性模型建立

616份男性樣本數(shù)據(jù)做以下分析處理：

（1）男性的L53-1與H30-1、L6與H30-1、H17與H30-1的關(guān)系，如圖3、圖4、圖5散點(diǎn)與趨勢(shì)線（虛線）所示。

（2）男性的L53-1與H30-1、L6與H30-1、H17與H30-1的趨勢(shì)關(guān)系，如式（1）—式（3）所示。

圖3 L53-1與H30-1的關(guān)系圖

圖4 L6與H 30-1的關(guān)系圖

圖5 H17與H 30-1的關(guān)系圖

（3）男性的L53-1與H30-1、L6與H30-1、H17與H30-1的趨勢(shì)線R2值如表8所示。

表8 男性樣本趨勢(shì)線R 2

由表8的R2值可知，H30-1與L53-1、L6、H17的回歸方程具有一定的擬合度，但不十分高。但可通過(guò)車(chē)輛的座椅、方向盤(pán)的調(diào)節(jié)行程來(lái)提高回歸方程的覆蓋范圍，采用表2中L53-1、L6、H17的標(biāo)準(zhǔn)差分別作為座椅的前后調(diào)節(jié)行程、方向盤(pán)的前后和上下調(diào)節(jié)行程，此時(shí)可覆蓋絕大部分男性人群的舒適性使用范圍，如圖3、圖4、圖5中的點(diǎn)實(shí)線所示。

3.2.2 女性駕駛員舒適性模型建立

416份女性樣本數(shù)據(jù)做以下分析處理：

（1）女性的L53-1與H30-1、L6與H30-1、H17與H30-1的關(guān)系，如圖6、圖7、圖8散點(diǎn)與趨勢(shì)線（虛線）所示。

圖6 L53-1與H 30-1的關(guān)系圖

圖7 L6與H 30-1的關(guān)系圖

圖8 H17與H 30-1的關(guān)系圖

（2）女性的L53-1與H30-1、L6與H30-1、H17與H30-1的趨勢(shì)關(guān)系，如式（4）、式（5）、式（6）所示。

（3）女性的L53-1與H30-1、L6與H30-1、H17與H30-1的趨勢(shì)線R2值如表9所示。

表9 女性樣本趨勢(shì)線R 2

由表9的R2值可知，H30-1與L53-1、L6、H17的回歸方程具有一定的擬合度，但不十分高。但可通過(guò)車(chē)輛的座椅、方向盤(pán)的調(diào)節(jié)行程來(lái)提高回歸方程的覆蓋范圍，采用表3中L53-1、L6、H17的標(biāo)準(zhǔn)差分別作為座椅的前后調(diào)節(jié)行程、方向盤(pán)的前后和上下調(diào)節(jié)行程，此時(shí)可覆蓋絕大部分女性人群的舒適性使用范圍，如圖6、圖7、圖8中的點(diǎn)實(shí)線所示。

3.2.3 男女性駕駛員舒適性模型建立

1 032份男女性樣本數(shù)據(jù)做以下分析處理：

（1）男女性的L53-1與H30-1、L6與H30-1、H17與H30-1的關(guān)系，如圖9—圖11散點(diǎn)與趨勢(shì)線（虛線）所示。

圖9 L53-1與H 30-1的關(guān)系圖

（2）男女性的L53-1與H30-1、L6與H30-1、H17與H30-1的趨勢(shì)關(guān)系，如式（7）—式（9）所示。

圖10 L6與H 30-1的關(guān)系圖

圖11 H 17與H 30-1的關(guān)系圖

（3）男女性的L53-1與H30-1、L6與H30-1、H17與H30-1的趨勢(shì)線R2值如表10所示。

表10 男女性樣本趨勢(shì)線R 2

由表10的R2值可知，H30-1與L53-1、L6、H17的回歸方程具有一定的擬合度，但不十分高。但可通過(guò)車(chē)輛的座椅、方向盤(pán)的調(diào)節(jié)行程來(lái)提高回歸方程的覆蓋范圍，采用表4中L53-1、L6、H17的標(biāo)準(zhǔn)差分別作為座椅的前后調(diào)節(jié)行程、方向盤(pán)的前后和上下調(diào)節(jié)行程，此時(shí)可覆蓋絕大部分人群的舒適性使用范圍，如圖9—圖11中的點(diǎn)實(shí)線所示。

3.3 市場(chǎng)上車(chē)型的管柱調(diào)節(jié)和駕駛員座椅行程調(diào)查

測(cè)量市場(chǎng)上58款車(chē)型（涵蓋Sedan、SUV、MPV，及美系、德系、日系、國(guó)產(chǎn)等車(chē)型），管柱調(diào)節(jié)行程如圖12、圖13所示。

圖12 管柱上下調(diào)節(jié)角度

圖13 管柱軸向調(diào)節(jié)行程

管柱行程參數(shù)分析如表11所示。

表11 管柱調(diào)節(jié)參數(shù)分析

以某款車(chē)型的管柱為例，該管柱的上下角度調(diào)節(jié)總行程為5°，轉(zhuǎn)化成上下調(diào)節(jié)的距離為63 mm，如圖14所示。

圖14 某款管柱上下調(diào)節(jié)行程

若上下調(diào)節(jié)總角度改為4.64°，則上下調(diào)節(jié)距離為60 mm。因此，表11的管柱參數(shù)分析表可調(diào)整為表12。

表12 管柱調(diào)節(jié)參數(shù)分析（調(diào)整）

測(cè)量市場(chǎng)上58款車(chē)型（涵蓋Sedan、SUV、MPV），駕駛員座椅水平調(diào)節(jié)行程如圖15所示。

座椅調(diào)節(jié)行程參數(shù)分析如表13所示。

表13 駕駛員座椅水平調(diào)節(jié)參數(shù)分析

市場(chǎng)上車(chē)型的駕駛員座椅和管柱的調(diào)節(jié)行程與L53-1、L6和H17的標(biāo)準(zhǔn)差相當(dāng)，配合3.2節(jié)的坐姿模型，可彌補(bǔ)H30-1與L53-1、L6、H17的回歸方程擬合度不十分高的不足，滿(mǎn)足此身高段的人群駕車(chē)舒適性的要求。

圖15 駕駛員座椅水平調(diào)節(jié)行程

3.4 與SAE座椅舒適性參數(shù)對(duì)比

參考SAE的人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)[7]，本文的駕駛員舒適性模型與SAE駕駛員座椅位置選擇[4]中的50%的H點(diǎn)位置-座椅高度曲線做對(duì)比，SAE的L53-1與H30-1 的關(guān)系如式（10）所示。

式中，203為BOF（踏點(diǎn)）點(diǎn)與AHP（踵點(diǎn)）點(diǎn)的水平距離[9]；A47（SPA）為踏板角，大小的計(jì)算參考SAE標(biāo)準(zhǔn)[10]。

中國(guó)與SAE的L53-1的對(duì)比如表14和圖16所示。

表14 L53-1值中國(guó)與SAE對(duì)比 單位：mm

注：L53-1大小差異是指SAE與中國(guó)對(duì)應(yīng)類(lèi)別駕駛員之間的差值。

圖16 中國(guó)與SAE座椅位置曲線對(duì)比

由表14和圖16可知，中國(guó)駕駛員的H點(diǎn)曲 線（座椅舒適性位置曲線）均比SAE的靠前，特別是女性在低座椅高度。主要原因：（1）人體尺寸[7-8]的差異，如表15所示，中國(guó)人體的會(huì)陰高度比SAE的小約30 mm；（2）駕駛習(xí)慣，美國(guó)的駕駛員在開(kāi)車(chē)時(shí)習(xí)慣將座椅靠后調(diào)整。

表15 人體尺寸對(duì)比

4 結(jié)論

綜上，油門(mén)踏板、座椅和方向盤(pán)為駕駛員坐姿模型里面的主要組成部分，三者的布置關(guān)系直接影響駕駛員的駕駛舒適性。為保證并提升（1.65±0.1）m身高段的成年駕駛員駕駛舒適性，給出了座椅高度（H30-1）的大小在190 mm～390 mm范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的L6、H17、L53-1參數(shù)值。

（1）男性駕駛員，如表16所示。

表16 男性駕駛員坐姿參數(shù) 單位：mm

駕駛員座椅和方向盤(pán)調(diào)節(jié)行程設(shè)計(jì)范圍：座椅水平調(diào)節(jié)行程：±42 mm；方向盤(pán)上下調(diào)節(jié)行程：±41 mm；方向盤(pán)軸向調(diào)節(jié)行程：±31 mm。

（2）女性駕駛員，如表17所示。

駕駛員座椅和方向盤(pán)調(diào)節(jié)行程設(shè)計(jì)范圍：座椅水平調(diào)節(jié)行程：±38 mm；方向盤(pán)上下調(diào)節(jié)行程：±36 mm；方向盤(pán)軸向調(diào)節(jié)行程：±29 mm。

表17 女性駕駛員坐姿參數(shù) 單位：mm

（3）男女性駕駛員，如表18所示。

表18 男女性駕駛員坐姿參數(shù) 單位：mm

駕駛員座椅和方向盤(pán)調(diào)節(jié)行程設(shè)計(jì)范圍：座椅水平調(diào)節(jié)行程：±40 mm；方向盤(pán)上下調(diào)節(jié)行程：±41 mm；方向盤(pán)軸向調(diào)節(jié)行程：±30 mm。

此坐姿模型對(duì)于此身高段的駕駛員的駕乘舒適性設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。