基于數字人體模型舒適性的越野車駕駛員區域布置

祁磊，董鵬，劉星星

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710000）

前言

利用汽車車身設計方法和人機工程學理論，根據GB100 00-88中人體數據，利用Pro/E軟件Manikin人機工程模塊提供的數字人體模型，進行越野汽車駕駛員區域布置。具體工作內容如下：

（1）生成數字人體模型，并構成舒適的駕駛姿態；

（2）按H點理論，安置駕駛員座椅；

（3）布置操縱踏板，踏板應放置在符合腳操作舒適區內；

（4）以操縱踏板為基準，將5th男性模型予以布置，此時該人體模型的H點就是座椅最前調整點；

（5）根據5th和95th的人體模型布置兩個合適的方向盤位置；

（6）布置換擋手柄位置，使其同時處于5th和95th人體的舒適操縱區域內；

（7）完成駕駛員區域初步布置。

1 人體模型

表1 中國成年男子（18—60歲）身高百分位數值

該型越野汽車是提供給特定用戶使用的一種重型越野卡車，使用人群均為成年男性，故在H點布置時，不考慮第5百分位的成年女性，僅分析標準GB10000-88中18—60歲成年男子人體身高的人體模型，如表1所示。

隨著經濟社會的不斷發展，我國成年男子人體平均身高一直增長。根據 GB10000-88表查得成年男子平均身高最高的是我國東北地區，身高平均值為 X＝1693mm，標準差 S為56.6，比較接近目前我國成年男子平均身高1697mm，故以第5百分位為下限和第95百分位為上限，變換系數K值根據5%查得1.645。則根據估算公式，得：

第5百分位數值為：

Pv=X-(SK)=1693－（56.6×1.645）=1599.9mm

第95百分位數值為：

Pv=X+(SK)＝1693＋（56.6×1.645）＝1786.1mm

2 人體模型的舒適駕駛姿勢

駕駛員處于舒適駕駛姿勢時，身體各關節的角度一般在一定的范圍內。根據各國研究結果，駕駛員舒適坐姿下的關節角度范圍如下表所示。

表2 駕駛員舒適坐姿下的關節角度范圍

將駕駛員簡化為二維人體模型并建立如圖1所示的坐標系。

圖1 人體坐姿二維模型及坐標系

設AHP點的坐標為（XAHP,ZAHP），H點的坐標為（XH，ZH），以 AHP點的坐標為坐標系的參考點，則 H點相對于AHP點的坐標值為：

3 駕駛員H點優化

由圖1可知H點坐標（XH，ZH）相關的人體關節角度為a、a3、a4、a8、a9，其中a是固定值。由幾何關系可知：

在確定H點位置的時候，腳踏板傾角a8非常重要。考慮到駕駛員的舒適性，令a8=42°。

大腿軸線與水平線的夾角 a9主要影響駕駛員大腿的體壓分布，由于重型車座椅H點相對轎車H點高度較高，所以為了減輕座椅面對駕駛員大腿的壓力，一般會取一個較小的角度。這里令a9=3°。

由表 2 可知，a3∈[95°,135°]、a4∈[71.5°,98.5°]，為了保證駕駛員各關節均在舒適范圍內，由式（4-1）得 a3∈[114.5°，135°]、a4∈[71.5°，92°]。L3、L4、L10 分別為駕駛員膝關節到H點的長度、膝關節到踝關節點的長度、踵點到踝關節點的長度。由《汽車人機工程學》中提供的人體尺寸比例關系及GB10000-88可得所需參數的值。

利用 Matlab進行仿真得到舒適坐姿下基于中國人體特征的最佳H點位置范圍，如圖2所示，藍色曲線為5th駕駛員的最佳H點位置范圍；紅色曲線為95th駕駛員的最佳H點位置范圍。

圖2 駕駛員的最佳H點位置

4 操縱踏板和駕駛員座椅的布置

根據選定的踏板角度a8和AHP點，布置油門踏板位置。

圖3 踏板和座椅布置

圖4 座椅調節行程和安裝高度

對于可調節座椅來說，座椅參考點SgRP點是指將座椅調整到最后位置時95th男性駕駛員坐在上面的H點位置。根據最終確定的H點位置布置座椅。按95th人體模型布置的踏板和座椅如圖3所示。

生成18-60歲5th男性舒適駕駛姿態的數字人體模型，以制動踏板為基準，將人體模型予以布置安裝，此時人體模型的H點就是座椅最前位置，根據座椅的調節行程可確定座椅的安裝高度。如圖4所示。

5 方向盤位置

方向盤的布置參數包括方向盤中點的位置、方向盤傾角、方向盤直徑等。設方向盤中點的坐標為（XW，ZW），座椅H點的坐標為（XH，ZH），如圖 1所示，則方向盤中心相對于H點的坐標為：

由表 2 可知，a1∈[3o,20o]、a5∈[0o,50o]、a6∈[80o,130o]、a7∈[170o,190o]，L2、L5、L6、L7分別為駕駛員肩關節到 H點的長度、肩關節點到肘關節點的長度、肘關節點到腕關節點的長度、腕關節點到手心的長度。由《汽車人機工程學》中人體尺寸比例關系及 GB10000-88可得出不同年齡段男性的人體參數，如表3所示。

表3 人體參數

由于變量 a1、a5、a6、a7是相互獨立的，所以可以在這四個變量處于各自極限值時求得 XWH與垂直距離 ZWH的極值。從圖1易知，當a1=20o、a5=0o、a6=80o、a7=170o時為駕駛員的手掌中心處在各關節舒適角度范圍內離開身體最近的位置，所以此時XWH取得最大值XWHMAX。用相同方法可以得到 XWHMIN、ZWHMAX、ZWHMIN。同時求得 a1、a5、a6、a7在各自舒適角度中間值時XWH與ZWH的值，結果如表4所示。

表4 方向盤中點相對于H點的取值范圍

由表 4 可知，XWH5∈[-472,-189]、XWH95∈[-523,-208]、ZWH5∈[98,595]、ZWH95∈[111,661]、所以駕駛員在舒適坐姿下，方向盤中心點相對于 H點的位置：XWH∈[-472,-189]、ZWH∈[98,595]。此結果并不意味著方向盤可以布置在舒適范圍內的任意位置，還要受到駕駛員視野等條件的約束。

6 換擋操縱桿和手制動桿的布置

操縱桿的布置是基于駕駛員的手伸及界面完成的，另外GB15705-1995中規定，變速桿手柄在所有工作位置時，應位于轉向盤下面和駕駛員座椅右面，不低于座墊表面.在通過R點橫向垂直平面之前，而在投影平面上距a點(a點為R點在水平面上的投影)<600(如圖5陰影線所示范圍)。

圖5 換擋桿位置

將本車的換擋桿手柄和手制動操縱桿布置在駕駛員右側合適區域內，布置結果如圖6所示。

圖6 操縱手柄布置結果

至此，基于數字人體模型舒適性的駕駛員區域布置已基本完成，再經過整車布置、人機工程校核之后，會得到更為詳細的駕駛室硬點尺寸。

7 本文不足

本文介紹的駕駛員區域布置方法僅考慮了數字人體模型的舒適性，并未結合視野、操作方便性及手觸及范圍，有一定的局限性，在實際人機工程布置時，還需根據結合其他約束條件。

參考文獻

[1] 黃金陵,龔禮洲,葛安林.車身布置中H點的優化.[J]汽車工程 2000.06.368-372.

[2] 黃金陵等.汽車車身設計. [Z]機械工業出版社.

[3] 任金東等.汽車人機工程學. [Z]北京大學出版社.