重卡駕駛室總布置設(shè)計(jì)方法與實(shí)踐

張羽佳，李彥鵬，薛偉鵬

重卡駕駛室總布置設(shè)計(jì)方法與實(shí)踐

張羽佳，李彥鵬，薛偉鵬

（質(zhì)子汽車科技有限公司，陜西 西安 713700）

文章主要介紹重卡駕駛室在總布置設(shè)計(jì)過程中的基本流程和方法，可以為工程師在重卡駕駛室總布置設(shè)計(jì)過程中涉及的主要內(nèi)容提供一定的經(jīng)驗(yàn)參考。其中包括了人機(jī)工程、白車身、儀表、座椅、外飾等關(guān)鍵硬點(diǎn)尺寸設(shè)計(jì)方法及參考指標(biāo)，以及在總布置設(shè)計(jì)過程中要注意的關(guān)鍵內(nèi)容。該文章對(duì)重卡駕駛室總布置設(shè)計(jì)都提供了基礎(chǔ)的幫助。

人機(jī)工程；駕駛室總布置；設(shè)計(jì)方法；重卡

駕駛室總布置是在整車總布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。根據(jù)整車總布置提供的底盤相關(guān)數(shù)據(jù)和尺寸要求，據(jù)此再參考同類車型有關(guān)數(shù)據(jù)，即可初步確定前懸、接近角、駕駛室外廓尺寸、機(jī)罩高度、地板平面的高度、前圍位置、座椅位置、方向盤位置等[1]。然后根據(jù)駕駛室基本尺寸，利用人機(jī)工程工具，進(jìn)行駕駛室方案設(shè)計(jì)。駕駛室總布置的設(shè)計(jì)流程受到各個(gè)總成的相互制約，硬點(diǎn)尺寸相互關(guān)聯(lián)，總布置的工作是一個(gè)不斷重復(fù)、迭代修改、持續(xù)優(yōu)化并尋求最佳設(shè)計(jì)方案的總體協(xié)同設(shè)計(jì)理念的過程。

駕駛室總布置，前期針對(duì)市場(chǎng)信息的搜集，對(duì)標(biāo)數(shù)據(jù)的分析，確定駕駛室開發(fā)大方向，滿足整車尺寸要求，符合相關(guān)法規(guī)的前提下，最大程度地優(yōu)化駕駛室內(nèi)外空間的利用，在滿足產(chǎn)品定位及特殊需求的前提下，考慮人機(jī)交互的舒適性、方便性和裝配維修的方便性，保證空間間隙的合理性，為外觀造型的設(shè)計(jì)以及后續(xù)的工程設(shè)計(jì)提供了邊界條件，并為各個(gè)系統(tǒng)在駕駛室中的布置位置提供合理建議，確保整體方案最優(yōu)。

1 駕駛室總布置流程簡(jiǎn)介

駕駛室總布置從市場(chǎng)調(diào)研，到詳細(xì)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，再到產(chǎn)品試制完善硬點(diǎn)，具體流程如圖1所示。

圖1 總布置開發(fā)流程

2 方案研究階段

總布置在預(yù)研階段主要進(jìn)行預(yù)研分析、市場(chǎng)搜集和對(duì)標(biāo)分析?？偛贾眯枰鸭瘶?biāo)桿車信息，整理方案樣車的輸入信息，針對(duì)目標(biāo)市場(chǎng)、客戶需求、產(chǎn)品定位等進(jìn)行總布置方案策劃，完成產(chǎn)品基本定義，為隨后的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供輸入條件。

3 詳細(xì)研究階段

3.1 設(shè)計(jì)流程

駕駛室總布置是基于人體姿態(tài)、視野、方便性、上下車方便性等方面進(jìn)行布置，并反復(fù)進(jìn)行各系統(tǒng)調(diào)整的過程，針對(duì)方案階段的產(chǎn)品定義，完成型譜規(guī)劃以及外部尺寸定義，隨后進(jìn)行內(nèi)部尺寸定義、確定地板高度后針對(duì)人體硬點(diǎn)尺寸進(jìn)行組合踏板、方向盤、儀表臺(tái)、座椅、高架箱、門飾板、臥鋪、風(fēng)窗尺寸等基本尺寸定義，并根據(jù)造型的效果圖、A級(jí)曲面（Class-A-Surface, CAS）、A面進(jìn)行反復(fù)修訂，并完成法規(guī)符合性、舒適性、視野符合性、操作方便性、檢修方便性等一些列的校核，下面針對(duì)具體內(nèi)容詳細(xì)介紹。

3.2 建立坐標(biāo)系

坐標(biāo)系的確定是一切設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，每個(gè)公司均有自己定義坐標(biāo)系的原則，可以基于簡(jiǎn)單方便的原則，定義平面為邊地毯上表面，平面為車輛最前端，如圖2所示。

圖2 駕駛室坐標(biāo)系

平面：車輛縱向?qū)ΨQ平面，平面的左方為負(fù)值。

平面：通過駕駛室最前端鉛垂平面（前面罩最前端），司機(jī)正前方為負(fù)值。

平面：垂直于和平面的前地板上平面（駕駛員腳部區(qū)域），平面下方為負(fù)值。

3.3 外部尺寸

定義駕駛室外部尺寸主要是在滿足國(guó)家法規(guī)的基礎(chǔ)上根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景、客戶需求確定的。

在我國(guó)《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》（GB 1589—2016）法規(guī)中，對(duì)駕駛室的尺寸做了詳細(xì)要求，如表1所示。

表1 重卡尺寸要求

根據(jù)初定駕駛室的外廓尺寸和底盤數(shù)據(jù)，還需要確定駕駛室前懸、定位高度、機(jī)罩高度、臥鋪尺寸和視野等，最后再結(jié)合競(jìng)爭(zhēng)車型的駕駛室尺寸對(duì)比分析和特殊配置，確定開發(fā)車型的駕駛室基本尺寸。圖3是主流車型外廓尺寸對(duì)比分析，通過對(duì)比分析確定開發(fā)車型的駕駛室長(zhǎng)度和寬度的范圍。隨著商用車技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的單排、小排半、大排半、平頂、高頂、寬體、窄體已不能完全定義駕駛室的寬度，無人駕駛、智能座艙的應(yīng)用，越來越多的特殊車型將應(yīng)運(yùn)而生。

圖3 卡車駕駛室長(zhǎng)度寬度

3.4 內(nèi)部尺寸

3.4.1駕駛室地板高度影響因素

在整體規(guī)劃的基礎(chǔ)上確定地板大體形式是為平地板還是凸地板（發(fā)動(dòng)機(jī)上方的地板形式）。地板定位原則：在滿足整車間隙要求情況下，駕駛室定位盡可能降低。根據(jù)底盤布置，影響駕駛室定位和地板的平整的主要有冷卻模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)和輪胎包絡(luò)三大部分，除此之外注意其他附件對(duì)定位高度的影響。

駕駛室懸置的跳動(dòng)液壓懸置跳動(dòng)量±25 mm，空氣懸置跳動(dòng)量±50 mm，以上兩種懸置跳動(dòng)量參考市面主流減震原件的跳動(dòng)量。動(dòng)態(tài)安全間隙為25 mm，輪胎包絡(luò)制作如果考慮所有極限工況可與駕駛室跳動(dòng)間隙設(shè)計(jì)為0 mm。

3.4.2人體點(diǎn)定義

人體點(diǎn)位置與駕駛室空間尺寸必須是相適應(yīng)的，這樣才能保證駕駛員良好的駕駛舒適性和視野性能，在新開發(fā)車型的前期就需要將點(diǎn)確定下來。如果在設(shè)計(jì)前期，車型的輸入邊界太少，根據(jù)對(duì)標(biāo)車型分析和經(jīng)驗(yàn)值，先初步確定點(diǎn)的位置，隨著設(shè)計(jì)過程中輸入的邊界成熟后，逐漸進(jìn)行修訂。點(diǎn)的測(cè)量?jī)x器是專門的三維人體模型，其測(cè)量方法和步驟按標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按照《汽車點(diǎn)確定程序》（GB-T 11563—1995）進(jìn)行，中國(guó)人體尺寸已經(jīng)趨近于美國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)（Society of Automotive Engineers, SAE）統(tǒng)計(jì)尺寸，在中國(guó)最新發(fā)布國(guó)標(biāo)前，建議參考SAE尺寸。

點(diǎn)的布置與駕駛員乘坐舒適性、上肢和下肢的操作空間、視野性和頭部空間以及乘員的乘坐空間等人機(jī)關(guān)系密切相關(guān)，是室內(nèi)布置的主要內(nèi)容，必須綜合多角度考慮。影響點(diǎn)的邊界輸入主要有底盤硬點(diǎn)、駕駛室造型風(fēng)格、人體模型的選擇、駕駛室規(guī)劃、臥鋪尺寸、對(duì)標(biāo)車型、組合踏板和地毯厚度等[2]。

面上的點(diǎn)定位：腳面踩踏點(diǎn)與加速踏板重合，踵點(diǎn)與地板重合（考慮不同地板的塌陷量），踝角初定87°（87°～130°），踵點(diǎn)距點(diǎn)垂直距離H30為405 mm～530 mm，根據(jù)人體舒適角度及對(duì)標(biāo)值（見表2）確定踵點(diǎn)距離點(diǎn)水平距離L53。

面上的點(diǎn)定位：人體外側(cè)需要考慮駕駛室側(cè)圍風(fēng)格、門護(hù)板的厚度、手打方向盤空間、調(diào)節(jié)座椅按鍵空間、和操作安全帶的空間；人體內(nèi)側(cè)的考慮冷卻模塊對(duì)機(jī)罩的寬度影響、踏板的布置、轉(zhuǎn)向管柱的布置等，因此，點(diǎn)橫向位置也需要多方面綜合考慮。經(jīng)過對(duì)標(biāo)分析，要求人體中心到門外板的440 mm～510 mm。B類車點(diǎn)到踵點(diǎn)的高度差應(yīng)該在405 mm～530 mm。

表2 人體舒適范圍

3.4.3座椅位置設(shè)計(jì)

借鑒成熟車型的5%、50%、95%人體舒適姿態(tài)模型進(jìn)行人體坐姿定義。根據(jù)確定的95%人體點(diǎn)位置，座椅最后最下位置為點(diǎn)下移25 mm、后移20 mm（確保99%人群舒適），確定座椅最后最下位置。以座椅適宜線為參考，結(jié)合國(guó)內(nèi)成熟車型主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，確定座椅行程中間位置為50%人體點(diǎn)。結(jié)合人體坐姿各關(guān)鍵角度及座椅適宜線，確定5%人體點(diǎn)校核是否在座椅行程范圍內(nèi)。具體如圖4所示。

圖4 座椅行程

定義靠背傾角，靠背傾角是為了駕駛員保持良好的姿勢(shì)，使其腹部與大腿間血管不受壓迫，使軀干的部分體壓分布在靠背上，腰背部有所依托而使肌肉得以放松，從而減緩疲勞。重卡車型一般要求靠背角在10°±5°范圍內(nèi)。

隨后還需要定義坐墊傾角，頭枕高度等參數(shù)，這些具體參數(shù)對(duì)總體布置影響不大，在座椅開發(fā)中會(huì)重點(diǎn)涉及。

3.4.4組合踏板位置設(shè)計(jì)

組合踏板的布置主要依據(jù)最初的前圍結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向管柱安裝結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)罩的寬度，確定踏板的各項(xiàng)間隙，根據(jù)定義的點(diǎn)及初定踵點(diǎn)位置進(jìn)行初步布置設(shè)計(jì)GB/T 15705—1995對(duì)重卡各踏板中心距要求了推薦值，如圖5、表3所示。

3.4.5方向盤位置設(shè)計(jì)

隨著重卡轉(zhuǎn)向助力技術(shù)的應(yīng)用，方向盤直徑已經(jīng)在逐漸減小，大部分車型設(shè)計(jì)直徑為450 mm。方向盤傾角與方向盤高度是定義方向盤位置的兩個(gè)尺寸，用方向盤與平面的夾角表示，方向盤跟駕駛員的主觀感受一致，總結(jié)以下謀款重卡車型參數(shù)作為參考，見表4。

圖5 組合踏板中心位置

表3 重卡個(gè)踏板中心距推薦值

表4 四款方向盤參數(shù)

隨后根據(jù)方向盤與周邊環(huán)境的間隙進(jìn)行具體參數(shù)的調(diào)整，建議值見表5。

表5 方向盤間隙推薦值

方向盤定義之后還需要通過軟件結(jié)合人體硬點(diǎn)尺寸繪制方向盤盲區(qū)，以便接下來定義組合儀表等儀表臺(tái)上零部件的位置。

3.4.6儀表臺(tái)位置設(shè)計(jì)

儀表臺(tái)外圍大尺寸主要限制為儀表臺(tái)下盲區(qū)，儀表臺(tái)的向高度會(huì)直接影響駕駛員下視野，駕駛員需要看到車前5 m以外的地面，并且與標(biāo)高車型進(jìn)行對(duì)標(biāo)對(duì)整體儀表臺(tái)上部遮擋進(jìn)行考量，盲區(qū)越小越好。

向尺寸主要影響車內(nèi)部電器件、主線束、空調(diào)、風(fēng)道等儀表內(nèi)部的零部件布置，并且與人體操作方便性、空間舒適性強(qiáng)相關(guān)。

根據(jù)人體硬點(diǎn)尺寸，按照法規(guī)SAE J287繪制駕駛員手伸及面（見圖6）對(duì)儀表臺(tái)所有需要手操作的按鍵、旋鈕、換擋等進(jìn)行布置[3]。

圖6 駕駛員手伸及界面

初步布置后再根據(jù)每個(gè)按鍵的使用頻次進(jìn)行調(diào)整。

組合儀表的位置需要考慮與眼睛的目距，不小于700 mm，并且在儀表盲區(qū)[4]以外，與駕駛室其他透光位置的光源無光纖反射之眼橢圓，不造成儀表炫目，并且儀表光線不會(huì)通過前風(fēng)窗反射至眼橢圓。

儀表臺(tái)布置還需要出風(fēng)口、杯托、儲(chǔ)物等功能件的布置。

3.4.7其他位置設(shè)計(jì)

駕駛室內(nèi)部還有高架箱、天窗、臥鋪等功能件、閱讀燈、音響等電器件需要進(jìn)行布置，主要根據(jù)人體的操作方便性、空間舒適性、檢修方便性等進(jìn)行合理布置設(shè)計(jì)可以通過RAMSIS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)，人體尺寸根據(jù)SAEJ833進(jìn)行校核。

駕駛室外部上車踏步需要進(jìn)行布置、第一級(jí)踏步離地不大于600 mm，每級(jí)向階差不大于400 mm，向階差大于25 mm，并且需要根據(jù)人機(jī)硬點(diǎn)及布置進(jìn)行視野校核，其中包括了前方視野、360°環(huán)視、間接視野等（參考法規(guī)《GB 15084機(jī)動(dòng)車輛間接視野的性能和安裝要求》《GB 11562 汽車駕駛員前方視野要求及測(cè)量方法》）。

4 總結(jié)

駕駛室總布置是駕駛室開發(fā)的基礎(chǔ)，并且貫穿在設(shè)計(jì)的每一個(gè)階段。駕駛室的布置是一個(gè)不斷修訂相互妥協(xié)的過程，每一個(gè)零部件的布置都會(huì)根據(jù)特定場(chǎng)景、特殊需求進(jìn)行調(diào)整，所有的參考范圍只能作為指導(dǎo)，并不能作為強(qiáng)制尺寸限制（法規(guī)項(xiàng)除外）。一個(gè)好的布置一定是在有限的空間內(nèi)滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，最大限度的為駕駛員提供更好的駕乘體驗(yàn)，以人為本，永遠(yuǎn)是駕駛室總布置的重要原則[5]。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，駕駛室的總布置設(shè)計(jì)要更多地考慮模塊化的設(shè)計(jì)理念[6]，并且不僅僅是模塊的拆分和共用，更應(yīng)深入產(chǎn)品的生產(chǎn)路線、工藝、運(yùn)輸、銷售等等各個(gè)環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化。今后虛擬現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證、人機(jī)臺(tái)架等先進(jìn)技術(shù)的引入將會(huì)大大提升總布置設(shè)計(jì)效率。

[1] 袁泉.汽車人機(jī)工程學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2018.

[2] 裴凱東.基于人機(jī)工程學(xué)對(duì)重型車輛駕駛室的設(shè)計(jì)與研究[D].太原:中北大學(xué), 2015.

[3] 劉群,任金東,張茜,等.考慮困難度的駕駛員坐姿手伸及能力研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2016,52(14):125- 133.

[4] 全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).汽車駕駛員前方視野要求及測(cè)量方法:GB 11562—2014[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2014.

[5] 肖軍.重卡駕駛室設(shè)計(jì)趨勢(shì)研究[J].汽車工業(yè)研究, 2015(12):57-63.

[6] 陳平,余傳海,王琪棟,等.汽車模塊化平臺(tái)戰(zhàn)略分析[J].汽車工程師,2017(9):15-17,24.

Design Method and Practice for the General Layout of the Cab of a Heavy Truck

ZHANG Yujia, LI Yanpeng, XUE Weipeng

( Zhizi Automobile Technology Company Limited, Xi'an713700, China )

This article mainly introduces the basic process and method of heavy truck cab in the process of general layout design, it is mainly used to guide engineers in the design of the overall layout of the cab of a heavy truck, and provides a certain empirical reference.Including the design methods and reference indicators of key hard point sizes such as ergonomics, body-in-white, instrumentation, seats, exterior decorations, etc., as well as the key contents to be paid attention to in the overall layout design process. This article provides basic assistance in the design of the overall layout of the cab of a heavy-duty truck.

Ergonomics;Cab in the process of general layout; Design method;Heavy truck

U463.81

A

1671-7988(2023)03-83-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.016

張羽佳（1990—），男，工程師，研究方向?yàn)樯逃密囻{駛室總布置設(shè)計(jì)，E-mail:362056997@qq.com。