基于人機工程設(shè)計中頭部包絡(luò)的整車尺寸確定

楊 波

（江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230022）

基于人機工程設(shè)計中頭部包絡(luò)的整車尺寸確定

楊 波

（江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230022）

一個新車型的開發(fā)，從概念到實物狀態(tài)，需要經(jīng)過效果圖，油泥造型的過程。在確定整車外形尺寸時，人機工程中頭部包絡(luò)位置的校核設(shè)計在決定整車尺寸方面起到了決定性作用，文章闡述了人體頭部包絡(luò)在確定整車外形尺寸的應(yīng)用。

新車型開發(fā)；整車；人機工程；頭部包絡(luò)

KCLC NO.:U466Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)03-50-04

引言

新車型的開發(fā)，從概念到實物狀態(tài)，需要經(jīng)過效果圖，油泥造型的過程。效果圖的繪制基于整車尺寸的確定，形成各個特征合理的比例，讓整車造型符合人們的審美觀念。整車尺寸的確定對整車開發(fā)成功與否有一定的重要意義，同時也決定了后期各種配置匹配的可行性。在設(shè)計過程中，人體乘坐的舒適性與各種配置決定了整車的外形尺寸范圍。人機工程中，頭部包絡(luò)位置的校核設(shè)計在決定整車尺寸方面起到了決定性作用。

1、人機工程設(shè)計

目前隨著世界汽車行業(yè)競爭的加劇，世界各大汽車公司都在降低公司各方面的成本以提高公司在全球的競爭力。很多大公司為了降低設(shè)計方面的成本，加快產(chǎn)品的開發(fā)進度，都越來越傾向于電腦的自動化設(shè)計。人機工程設(shè)計中，人體的頭部包絡(luò)與周邊零件的距離決定了人體乘坐空間的舒適性。本文闡述基于利用CATIA軟件闡述利用人機工程設(shè)計，確定人體頭部包絡(luò)空間。基于人體頭部包絡(luò)空間確定整車外形尺寸。

美國機動車工程師學會(Society of AutomotiveEngineers，以下簡稱SAE)。是國際上最大的汽車工程學會組織，制定的標準具有權(quán)威性．是機動車行業(yè)的技術(shù)標準，本文以SAE的標準繪制人體頭部包絡(luò)空間。

一個新車型的開發(fā)，首先需要定義整車配置，整車配置的定義決定了人機工程的校核內(nèi)容。人機工程校核初期，需要根據(jù)各種配置，確定整車的內(nèi)部空間，整車內(nèi)部空間的定義決定了整車的外形尺寸。

1.1 頭部包絡(luò)的定義

頭部包絡(luò)是指不同人體坐于汽車內(nèi)．將座椅調(diào)整到合適的位置，頭部運動在整車坐標系下所形成的分布圖形，為研究車輛的頭部空間提供基準。SAE J1052—2002版標準詳細地定義并描述了頭部包絡(luò)的類及生成方法。

1.2 頭部包絡(luò)的決定因素

考慮到頭部包絡(luò)包含大部分人體正常乘坐狀態(tài)下的頭部運動空間，其大小取決于3個因素，分別是座椅移動行程(TL23)、期望頭部運動輪廓的百分點、駕乘人員的座位位置。

座椅移動行程。頭部輪廓的大小和位置均隨著座椅運行軌跡的變化而變化。根據(jù)座椅可否調(diào)整以及調(diào)整的大小，對應(yīng)的座椅行程可分為3大類：0 mm(固定座椅)、133 mm、大于133 mm。其中可調(diào)整的座椅(即座椅行程大于0 mm)，頭部輪廓要求往前傾斜12°，反之，頭部輪廓相對于固定位置沒有傾斜。

期望的百分點。這里的百分點是指相應(yīng)比例的人體頭部輪廓處于這個范圍內(nèi)，百分點影響了頭部輪廓的大小。SAE J1052—2002中提供了第95和99百分點的頭部輪廓，顯然，第99百分點的輪廓要大于第95百分點。其中第95百分點的頭部輪廓滿足汽車尺寸標準(SAE J1100)所提供的尺寸要求。

駕乘人員的座椅位置。通常，對駕駛員和前排外側(cè)乘客來說，后視圖中的頭部位置輪廓要比其他人的寬23 mm．這額外的23 mm被定位在乘客中心線的外側(cè)。

1.3 頭部包絡(luò)的構(gòu)造

頭部輪廓是通過修改3D橢圓體創(chuàng)立的，根據(jù)2.2中的三大因素調(diào)整橢圓體的軸長和傾角、整車人機硬點及標準中的參數(shù)確定橢圓體的中心點．拋棄下半?yún)^(qū)，即得到對應(yīng)狀態(tài)下的頭部包絡(luò)。如圖1所示 為固定座椅的頭部包絡(luò) 圖2 所示為座椅導軌行程大于133mm的駕駛員頭部位置包絡(luò)。

圖1 A類轎車固定座椅的頭部包絡(luò)

圖2 A級車座椅導軌行程大于133mm的駕駛員頭部位置包絡(luò)

1.3.1 橢圓體的尺寸確定

頭部包絡(luò)橢圓體的軸長根據(jù)2.2中的三大因素確定。通常情況下，車輛固定座椅的頭包橢圓體各軸長的確定見表1。橢圓體的下半部分不被利用，所以僅截取上半部分橢圓體。如圖1所示。對于駕駛員和前排外側(cè)乘客的頭部位置曲線而言．當座椅行程不為0 mm時。其在后視圖中是不對稱的，外側(cè)曲線輪廓比內(nèi)側(cè)要進一步延伸23mm，橢圓體的中心不再是全輪廓的中心。以橢圓體向中心面將輪廓劃一分為二。并沿著Y向外側(cè)延伸23 mm，創(chuàng)建一個23 mm寬的弧帶，圖3所示。頭部包絡(luò)輪廓尺寸見表2（95百分點輪廓）和表3（99百分點輪廓）。

表1 A類轎車固定座椅頭包橢圓各軸的尺寸

1.3.2 橢圓體中心點確定

橢圓體的中心點，對于駕駛員和第一排外側(cè)乘客的頭部位置曲線而言，是指23 mm弧帶內(nèi)邊的橢圓中心點，有兩種定位方法，一種是根據(jù)眼橢圓中心點的位置進行換算得到，另一種是根據(jù)人機硬點，相對于整車坐標原點進行定位。無論選用何種方法，頭部包絡(luò)在Y方向的定位，與眼橢圓中心一樣，均與整車定義的H點的Y坐標( W20)一致。

圖3 外側(cè)面增加23mm的頭包透視圖

從眼橢圓中心點定位。頭部包絡(luò)的相對坐標值（Xh, Yh,Zh）的確定詳見表4。

表2 95百分點頭部位置輪廊尺寸（從橢圓體中心到輪廊外邊的距離）[1]

表3 99百分點頭部位置輪廓尺寸（從橢圓體中心到輪廓外邊的距離）[1]

表4 頭部包絡(luò)中心相對于眼橢圓中心的坐標[1]

方法2：從整車坐標原點(前軸中心點)進行定位。頭包中心坐標( X，Y，Z)的確定方法見表5。

表5 頭部包絡(luò)中心相對于眼橢圓中心的坐標[1]

Xh 和 Zh可從表4中選擇適當?shù)男蛄校?/p>

L1為PRP的X向坐標值；

L6為從方向盤坐標中心到PRP的X向距離；

H30為AHP點測量的R點Z向坐標值；

t表示變速器類型（1表示帶有離合踏板，0表示無離合踏板）；

W20為R點Y向坐標值；

H8為AHP的Z向坐標值；

A40為乘員設(shè)計靠背角。

2、人機工程設(shè)計的具體應(yīng)用

2.1 整車尺寸的初步調(diào)查

圖4

表6 部分車型相關(guān)外部尺寸

同一平臺的車型，整車尺寸都較接近。基本型的開發(fā)，在確定整車外形尺寸時，需要了解市場上現(xiàn)有同一平臺各車型的整車外形尺寸，在確定整車外形尺寸時可以作為參考值。下圖為目前市場上SUV平臺的，部分車型相關(guān)尺寸值如表6：

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，就可以確定平臺車型各外形尺寸的大概范圍。

在初步確定整車外形尺寸后，利用人機工程中，頭部包絡(luò)與各相關(guān)零部件總成的距離，確定整車外形尺寸的具體數(shù)據(jù)。

頭部包絡(luò)與各相關(guān)零部件總成的距離是否合理可以參考市場上同平臺車型的具體空間確定，如下表為市場上在售的一款SUV車型，其頭部包絡(luò)與內(nèi)飾相關(guān)零部件總成距離如下表7：

表7 部包絡(luò)與內(nèi)飾相關(guān)零部件總成

整車人機工程校核中，對于整車的外形尺寸，需要考慮整車車型座椅布置，整車配置：整車座椅、天窗，氣囊等。

2.2 下面具體說明開發(fā)過程中的具體思路

2.2.1 整車座椅的布局對整車尺寸的影響

整車座椅的數(shù)量及布局，直接決定了人體H點的位置，H點位置及座椅靠背角決定了人體的頭部包絡(luò)位置，考慮到內(nèi)飾安裝空間及車身鈑金空間，決定整車的高度。如果整車只有5人座（2+3）。布置時需要將第二排人體H點往整車X方向前移。為了滿足第二排人體腿部夾角舒適性，需要將人體H點向整車Z向下移，從而第二排對整車高度的影響很小。如果整車是7座布置（2+3+2）。布置人體空間較大，可以將第二排人體適當后移。為了保證人體腿部夾角舒適性，將人體適當沿整車Z向向上調(diào)整。同時導致了人體頭部包絡(luò)的上移，將影響到整車的高度。具體如圖5：

圖5 不同位置頭部包絡(luò)影響整車高度

2.2.2 天窗對整車尺寸的影響

整車設(shè)計過程中，需要考慮整車匹配的天窗配置。天窗配置中需要考慮單天窗，還是全景天窗。由于單天窗，全景天窗布置位置的不同，導致人體頭部包絡(luò)相對于天窗距離的不同。如果人體頭部包絡(luò)相對于天窗空間不滿足設(shè)計要求，就需要調(diào)整天窗位置在整車坐標Z向的位置，這樣就會決定到整車的外形高度。

圖6 單天窗對整車高度的影響

圖7 全景天窗對整車高度的影響

2.2.3 氣囊對整車高度及寬度的影響

在整車配置中，需要考慮人體頭部包絡(luò)與側(cè)氣簾，側(cè)氣簾固定處總成零部件的具體距離及爆破要求。圖7為某車型設(shè)計開發(fā)初期，校核距離如下圖：

圖8 側(cè)氣簾對整車寬度的影響

利用頭部包絡(luò)確定人體頭部與側(cè)氣簾的最小距離，設(shè)計過程中，此距離需要滿足側(cè)氣簾爆破的最小距離要求。考慮到內(nèi)飾包覆側(cè)氣簾。需要在最小距離要求上增加12mm左右距離。基于外部造型弧面需求，外側(cè)鈑金設(shè)計厚度，這樣就決定了整車寬度。

側(cè)氣囊一般布置在座椅內(nèi)部。在布置過程中，人體H點位置決定了座椅的位置，座椅位置確定后，需要考慮安裝側(cè)氣囊座椅與側(cè)邊內(nèi)飾的最小距離。同時需要滿足側(cè)氣囊的爆破距離。具體如下圖9：

圖9 側(cè)氣囊對整車寬度的影響

參考已有車型內(nèi)飾，同時外部造型弧面需求及參考現(xiàn)有車型鈑金厚度就可以確定整車寬度。

3、結(jié)論

一個新車型的開發(fā)，整車外形尺寸的確定對于車型開發(fā)成功與否具有一定的重要性。參考市場上成熟同平臺車型尺寸有一定的參考意義。針對不同配置及不同設(shè)計狀態(tài)，人機工程校核對于整車外形尺寸起到了決定性的作用。

[1] Society of Automotive Engineers.SAE 1052-2002.Motor Vehicle Driver and Passenger Head Position[S].SAE PUBLICATIONS, 2002.8.

[2] 周一鳴,毛恩榮.車輛人機工程學.北京∶理工大學出版社,1999.

[3] 李佳潔．基于人機工程學的汽車車身內(nèi)部布置方法研究[D]．長春∶吉林大學汽車工程學院,2007.

[4] 施盧丹,黃正軍,徐建軍.基于CATIA知識工程的頭部包絡(luò)模板建立研究.金華職業(yè)技術(shù)學院學報.

Size Determination of Vehicle Based on Head Envelope in Ergonomics Design

Yang Bo
（Technological Center, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Auhui Hefei 230022）

The development of a new vehicle model, from the concept to the product, undergoes the process of the effect diagram and sludge modeling. In determining the overall size of the vehicle, ergonomic design of the head envelop position has played a decisive role in deciding the size of the vehicle. This paper describes the application of human head envelop in determining the size of the vehicle.

new vehicle development; vehicle; ergonomics; head envelop

U466

A

1671-7988 (2017)03-50-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.03.020

楊波，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。