某越野車駕駛員H點的設計及優化

張英 孫智民 陳志勝

（1.北京汽車研究總院有限公司；2.北京利德曼生化股份有限公司）

人機工程是汽車前期設計的基礎，而汽車駕駛員H點是人機設計的最關鍵硬點。以前人們更多的是采用三維H點裝置測量參考車的駕駛員H點位置，來作為新設計車型的駕駛員H點位置。目前汽車主機廠越來越多地采用正向設計理論，但確定駕駛員H點仍是一個比較復雜的過程，需要不斷地校核和調整，最終確定人機硬點。文章在前人的經驗基礎上，通過將設計目標轉換成對駕駛員簡單的約束條件，縮短了駕駛員的H點區域，再考慮周邊的法規、人機要求等，快速準確地確定了駕駛員H點位置。

1 駕駛員H點的優化

1.1 整車高度和頭部空間對駕駛員H點的約束

在SAE J1100中，用2個硬點尺寸來保證駕駛員足夠的頭部空間，一個是駕駛員有效頭部空間（H61/mm）[1]52，也就是95%人體駕駛員H點向上與垂直線向后成8°的線到駕駛員頭頂處頂棚交點之間的距離加102 mm；另一個是整車整備質量狀態下的地面線到汽車頂蓋最上位置的高度（H101/mm）[1]64。圖1示出汽車駕駛員有效頭部空間。

圖1 汽車駕駛員有效頭部空間示意圖

因H101為已知，所以根據競品車及參考車型可以定義駕駛員處車身頂蓋和內飾頂棚Z向的總厚度（ZT/mm）（無天窗一般為15～20 mm，有天窗一般為100 mm），考慮到駕駛員頭頂處車高并非是汽車的最大高度，它是整車頂蓋的最高位置與駕駛員頭頂位置處頂蓋之間的高度差（ZR/mm)（轎車為20～40 mm，越野車為15～25 mm）。因此，頂棚的 Z向高度(ZHD/mm)的計算，如式（1）所示。

在確定了ZHD后，即可求出在H61約束下的95%人體駕駛員H點高度線。則駕駛員H點的Z坐標（ZHPT/mm）,如式（2）所示。

設計的H點必須在ZHPT高度線的下方，這樣就可以滿足頭部空間的要求。

1.2 腿部空間對駕駛員H點的約束

腿部操縱空間的約束僅考慮L34[1]45對H點的約束。L34在SAE J1100中的定義為加速踏板在自由位置時，人體模型的踝關節點到95%人體駕駛員H點的距離加上254 mm。通過競品車分析，可以預先設定L34的取值范圍。根據地板上的地毯壓陷后的位置高度及SAE規定的踏板角度公式，可確定踵點（AHP）的坐標和踏板角，不同的百分位人體模型可以計算出不同踝關節點的位置。以踝關節點為原點，L34為半徑，可以做出L34在一定變化范圍內的曲線，通過它來約束H點，如圖2所示。從圖2可以看出，在L34最小值約束線和最大值約束線之間的區域即為滿足L34約束的H點區域。

圖2 汽車駕駛員腿部操作空間（L34）對H點的約束

1.3 水切高度、A柱障礙角及外后視鏡三者對H點的約束

AHP與駕駛員H點之間Z向距離（H30/mm）[1]50的確定，需要考慮水切位置高度、A柱障礙角及外后視鏡鏡殼與鏡片位置，三者之間是相互關聯的。

1.3.1 水切高度

水切對汽車外形設計是比較關鍵的，水切位置的高低對造型風格及效果影響較大。目前外飾造型的發展趨勢是水切的位置越來越高，這樣乘客的私密性也越好。然而水切的位置偏高，對總布置的人機影響也較大，主要影響外后視鏡的位置及A柱障礙角。

1.3.2 A柱障礙角

根據法規GB 11562—2014《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》中對于駕駛員A柱雙目障礙角的測定方法，S1截面和S2截面分別為過A柱的偏上和偏下位置的截面[2]，其中S2截面切到了外后視鏡的鏡殼位置，且切去的量較大，由于右側A柱投影和右側鏡殼投影相對于右眼點有重疊區域，所以右側A柱投影和右側鏡殼投影的總和是右側A柱障礙角。

右側A柱障礙角雖然在法規中不作為考察項，但右側A柱障礙角很大也會影響駕駛員轉彎時的視線，駕駛員需要采用轉動頭部和眼睛的方法來克服A柱雙眼盲區障礙，有時由于不能及時觀察到側向路況而形成不安全的因素，所以需要在設計階段嚴格控制雙眼A柱的盲區。

1.3.3 外后視鏡布置位置

外后視鏡鏡殼布置位置應盡量與S2截面保持一定的間隙，或者被S2截面相切的量較小且頸脖較長，否則會影響右側A柱障礙角。

前期布置控制時，根據S2截面與水切的高度差可以初步判斷是否可以布置滿足視野及法規的外后視鏡。

1.4 轉向盤位置和轉向盤傾角對H點的約束

H點并不是獨立存在的一個點，H點、AHP及轉向盤中心點這3個點既相互聯系又相互制約，主要關系到乘員的駕駛舒適性和前方視野。由確定的AHP與駕駛員 H點之間的 Z向距離（H30/mm）[1]50，根據式（3）～式（5）可求得轉向盤中心點與AHP在X方向（L11/mm）[1]44和Z方向（H17/mm）[1]50的相對距離，以及轉向盤上表面與垂直方向的夾角（A18/（°））[1]53，圖3示出汽車轉向盤中心點與AHP的關系。

圖3 汽車轉向盤中心點與踵點的關系示意圖

根據式（3）～式（5）確定轉向盤的位置和傾角后，需要校核前方視野、組合儀表視野、轉向盤下沿與大腿的間隙、轉向盤下沿與人體軀干線的間隙及轉向盤中心點與人體胸部的碰撞間隙等是否滿足人機要求，如果滿足，H點就初步確定下來，如果不滿足，需要重新調整。

2 某越野車型實例分析

按照上面的設計方法，針對某越野車進行H點設計和優化。

2.1 整車人機設計目標的確定

越野車的H30一般定義在300～400 mm，根據前期競品分析確定整車高度、頭部空間及腿部空間等設計目標，再以這些設計目標的約束條件來確定H點的區域。表1示出某越野車的部分整車人機空間對比。

表1 某越野車的部分整車人機空間對比表 mm

經過競品對比分析，H30初步確定在305～360 mm區間內。

根據設計目標的整車高度、頭部空間及腿部空間等參數，以這些設計目標的約束條件來確定H點的優化區域，某越野車H點的優化區域，如圖4所示。

圖4 某越野車H點優化區域示意圖

根據H點優化區域，H點的Z方向初步確定在頭部空間（藍線）和H30設計目標（紫線）圍成的交集區域內，由于AHP和踏板角已確定，所以根據交集區域，H30確定在315～355 mm范圍內，可以滿足整車的設計目標要求；H點X方向根據H點的適意線和腿部空間來確定，H點的Y方向初定為整車寬度的1/4，后期可隨著組合儀表位置及視野、出風口位置大小及周邊結構的合理性等最終確定。

2.2 A柱障礙角和外后視鏡位置

2.2.1 A柱障礙角

表2示出某越野車的水切高度對比。

表2 某越野車的水切高度對比表mm

由于某越野車造型想要的水切位置偏高，所以影響H點Z方向的設定。

當H30=315 mm時的左、右側A柱障礙角，如圖5所示。右側A柱障礙角為11°。左側由于鏡殼與A柱投影之間有較大間隙，所以不影響左側A柱障礙角。

圖5 某越野車的A柱障礙角示意圖

右側A柱障礙角不滿足人機要求，主要是H點高度偏低，通過加大H30，保證S2截面切不到鏡殼或者切的量很小就可以滿足要求。

2.2.2 外后視鏡布置位置

以某越野車為例，該車能布置外后視鏡，滿足外后視鏡的視野法規要求[3]，S2截面與水切的高度差最小在188 mm，如表3所示。

表3 某越野車外后視鏡相關尺寸 mm

布置外后視鏡必須考慮人眼看外后視鏡的視野不能被水切遮擋，并與水切、A柱及鏡座三角區等周邊件的間隙為8 mm以上。

如果S2截面與水切的高度差偏小，會影響A柱障礙角，只能通過以下4種措施更改：1）水切高度下降，此措施會對造型效果產生較大影響；2）H點位置抬高（H30加大），此方案需考慮頭部空間是否能接受及H點變動對整個人機的影響；3）H點位置抬高和水切高度下降2種措施同時進行；4）將右側外后視鏡向外側Y方向移動（但法規規定外伸量不超過250 mm，還要考慮鏡殼的強度要求等），保證人眼看右側時，右側外后視鏡和A柱之間有一定的縫隙，這樣外后視鏡截面可以不計算在內。具體采用何種方式需要結合項目的實際情況而定。

目前某越野車由于采用偏高的水切，考慮到A柱障礙角和外后視鏡視野等，采用H30=335 mm，S2截面剛好切不到外后視鏡鏡殼，同時人眼看右外后視鏡的視線距離水切高度8 mm，頭部空間也滿足設計目標要求，確定了95%人體的H點位置。再根據不同百分位的適意線和選型座椅的滑軌長度，要求滑軌長度要包含2.5%和97.5%的H點范圍，這樣駕駛員H點就最終確定了。

3 結論

通過將某越野車設計目標轉化為簡單的約束方式，快速將95%人體H點位置限制在一個較小的區域內，再通過滿足A柱障礙角法規和滿足視野要求的外后視鏡大小等，最終確定了人機設計最重要的硬點——駕駛員H點位置。此方法簡單快捷，考慮問題全面，比較直觀地確定了駕駛員H點位置。之前的方法是初定H30，再校核人機視野、整車高度、頭部空間及腿部空間等，如果發現有不滿足，再重新確定H30，并進行校核，不斷地反復確認。而新方法不但簡單，同時還能提高工作效率。

2018年9月基本型乘用車（轎車）生產匯總表