淺談乘用車開發過程中三踏板的布置方法

龍 震，陳 創

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州545000）

在汽車設計過程中，三踏板的布置是相互關聯并相互影響的，加速踏板又是三踏板中使用最頻繁的，加速踏板的位置很大程度決定著加速員坐姿的人機舒適性，一般在三踏板的布置設計過程中，首先布置確定加速踏板，再根據加速踏板的位置和三踏板之間的關系確定制動和離合踏板的位置。本文通過介紹三踏板的布置及布置合理性驗證的方法，能夠有效縮短三踏板的布置及設計時間，提升汽車三踏板人機操作舒適性，為汽車設計師在布置三踏板時提供了一種參考和借鑒。

1　加速踏板的布置

1.1　加速踏板的布置要求

合理布置加速踏板的位置，需要了解加速踏板的操作要求以及駕駛員在駕駛操作過程中各個關鍵角度的舒適范圍。駕駛員人體坐姿（如圖1所示）各關鍵關節參數推薦范圍[1-2]如表1所示。

圖1　人體坐姿示意圖

表1　人體坐姿關鍵關節舒適范圍推薦值

為保證在加速操作過程中的腿部空間、加速安全和人機舒適性，加速踏板與周邊零部件的空間隙需要滿足下面表2要求。

表2　加速踏板周邊間隙要求推薦值

1.2　加速踏板的布置步驟

（1）確定加速踏板機構的輸入，主要包括踏板完整數模（包含上下極限位置、旋轉軸等）以及周邊數模等條件。

（2）把加速踏板初步布置在前圍板上，如果有標桿車的，可以將初始踏板位置布置到標桿車踏板初始位置；保證整個包絡與周邊件的間隙滿足表2及表3推薦要求；踏板初始位置與右側的內飾板（一般為副儀表板）間隙保證在40 mm以上。

表3　三踏板相互位置關系及周邊件間隙要求推薦值

（3）確定駕駛員H點位置：Y向位置參考競品車型或者同平臺其他車型駕駛員R點的Y向坐標進行定義；駛員坐姿高H30及駕駛員H點Z向坐標：綜合考慮整車高度目標值、頭部空間、前方視野、地板位置、競品車與標桿車坐姿高進行定義；駕駛員H點X向坐標用男性SAE95%分位的人體模型踵點定位在前地毯以下5 mm（或地毯厚度的1/3左右）的平面上，沿X向移動人體模型，直到人體模型的鞋底與油門踏板面接觸，從而確定駕駛員H點的X向位置。SAE95%分位人體各關節角度可通過H30，根據SAE法規推薦值計算出來，踝關節較定義為87°，這里不進行詳細說明。

（4）確定駕駛員踏板角[3]：根據SAE J1516標準，A47=78.96-0.15×(H30/10)-0.0173×(H30/10)2計算確定踏板角度，可以微調角度建議為±2°.

（5）驗證：將加速踏板從初始位置踩到極限位置的整個過程中，人體坐姿必須保證在人體坐姿舒適性范圍內，且在整個踩踏過程中人體腳部與周邊（包括踏板臂、踏板安裝結構本身）不能干涉。

2　制動踏板布置

2.1　制動踏板布置方法

根據加速踏板位置，進行制動踏板布置，步驟如下：

（1）確定制動踏板機構的輸入，包括踏板臂、踏板的起始位置和下極限位置、旋轉軸心以及周邊數模等條件。

（2）根據踏板的旋轉軸心做出踏板的運動包絡。

（3）根據確定的加速踏板位置、制動踏板包絡、踏板周邊間距以及R點位置，調整踏板位置，使駕駛員在整個蹬踏過程中，人體軀干與大腿的關節角不應比初始位置時的角度大于10°，膝關節角不應超過170°，踝角不應超過 110°.

（4）若整個空間無法滿足布置要求，在滿足制動力的情況下，可適當調整總泵參數、踏板杠桿比，修改踏板臂等。

（5）自動變速器不需要離合踏板情況下，踏板側向間隙可以適當減小，但最小不能小于120 mm，制動踏板的寬度一般可增加到130 mm，同時也可以增加制動踏板與加速踏板之間的間距，但間距不能大于100 mm.

2.2　制動踏板的校核

根據確定好的加速踏板及三踏板直接的位置關系、三踏板與周邊零部件的位置關系，校核制動踏板（離合踏板）的布置是否滿足要求。

3　離合踏板布置

離合踏板布置方法和要求基本與制動踏板布置一致。當三踏板布置后，根據踏板位置空間大小，在滿足周邊間距的條件下，可適當調整三踏板在側向上的位置，使三個踏板位置之間、加速踏板與右側件間距、離合踏板與左側件間距更加合理。同時可與同類車型的間距進行對比，確保三踏板布置合理。由于客戶買到車后，一般都喜歡在地毯上再加一層踩腳墊，設計的時候要充分考慮到客戶的使用習慣，在三踏板的極限位置到地毯之間留夠足夠的間隙，以免造成客戶抱怨，甚至是造成安全隱患。

4　三踏板的人機舒適性校核驗證

三踏板是駕駛汽車過程中使用最頻繁和時間最久的部件之一，其布置位置是否符合人機操作要求，是評判其布置是否成功合理的關鍵性因素。因此，三踏板的人機舒適性校核，是三踏板布置設計過程中必不可缺的一個重要環節。Ramsis是德國Human solution公司的產品，擁有汽車界最好最完善的人體模型數據庫。其人體模型由Human Solutions和德國汽車業聯合開發，用于對汽車內部設計進行人機工程學分析和設計，目前，超過70%的汽車生產商均在使用該模型進行人機舒適性校核。Ramsis人體模型建立在高度準確、經統計驗證的實體數據基礎上，適合于各個國家或特殊用戶的人體數據庫，能為整個身體提供運動學和姿態計算，使用戶可以對人機作業進行準確有效的模擬和設計。

目前國內進行汽車產品設計的時候，與人相關的因素大部分是基于SAE男性95%的人體模型下進行設計布置，但在汽車設計時需要滿足大部分人群操作舒適性的產品，因此設計是否合理，需要校核不同身材人體的操作舒適性。在Ramsis中，一般選擇SAE男性95%人體，中國男性50%人體，中國女性5%人體進行校核[2]。

4.1　校核過程

首先，需要把校核需要用到的三踏板儀表臺、方向盤駕駛員座椅等相關的數據處理導入Ramsis軟件中；然后，導入SAE人體和人體皮膚點；再利用人體皮膚點，模擬駕駛操作時駕駛員的乘坐位置，手、腳的操作位置和動作，將駕駛員身體的各相應部分和三踏板、方向盤、座椅等數據約束好；最后，計算不舒適性，模擬得出駕駛員操作加速踏板時身體各部位及總體的不舒適性、疲勞性，從而驗證布置設計人機舒適性是否能達到要求。Ramsis軟件對駕駛姿態的不舒適度評分結果分成多個等級，評分越高，駕駛員姿態越不舒適，反之評分越低，駕駛員姿態舒適性越好。一般進行駕駛員姿態評估時，不舒適性低于3是非常好的設計，3～5分是可以接受的范圍，大于5分則需要進一步評估，大于6分時一般是不允許的。同時還可以將需要對比車型的參數也一起導入計算，將設計車型的舒適性和競品車型進行對比，更好更客觀地了解產品設計水平。Ramsis不舒適性分析分析結果如圖2所示。

圖2　Ramsis不舒適性分析分析結果

5　結束語

通過上述三踏板布置方法的介紹和人機校核軟件Ramsis的運用，使三踏板布置在設計階段就能夠充分合理的驗證，縮短了產品設計和驗證的周期，提高了產品的設計效率和品質，是值得大家借鑒的一種開發方法和模式。

參考文獻：

[1]智淑亞.汽車車身結構與設計[M].北京：機械工業出版社，2014.

[2]朱茂桃，智淑亞.汽車車身現代設計[M].北京：國防工業出版社，2014.

[3]Vivek D.Bhise.汽車設計中的人機工程學[M].李惠彬，劉亞茹，等.譯.北京：機械工業出版社，2014.