中國人體駕駛姿態(tài)優(yōu)化方法研究

趙國棟 劉國亮 劉偉東 姜顯豐 薛成斌 安鵬

（一汽奔騰轎車有限公司，長春130011）

主題詞：人機工程學(xué) 駕駛姿態(tài) RAMSIS軟件 人機臺架模型 主觀評價

1 前言

隨著社會不斷發(fā)展，生活水平不斷提高，汽車逐步從首次購車的代步需求向改善性需求過渡，消費者對汽車產(chǎn)品的舒適性提出了更高的要求。汽車的舒適性設(shè)計已經(jīng)同造型、空間一樣變得越來越重要[1]。

行車過程中，駕駛員坐姿不舒適，很容易在心理和生理上產(chǎn)生疲勞反應(yīng)，嚴(yán)重情況下可能會影響駕駛安全。研究表明，腰部疲勞是駕駛員的常見疾病之一，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示57%～82%駕駛員患有腰部疾病，明顯高于非駕駛?cè)藛T。如何保證駕駛員行車過程中獲得合理、舒適的姿勢，已經(jīng)成為人機專業(yè)重要的研究課題之一[1]。

舒適的姿勢主要取決于良好的駕駛姿態(tài)，駕駛姿態(tài)主要取決于由駕駛員踵點、R 點和方向盤中心點構(gòu)成的三角形，如圖1所示[2]。

圖1 人機姿態(tài)三角形[2]

某三廂轎車在試制樣車階段，部分身材高人員反饋“方向盤位置偏遠”，“身材矮人員反饋無法獲得合適的座椅位置”，本文將結(jié)合傳統(tǒng)的設(shè)計方法和RAMSIS 軟件的仿真優(yōu)化，詳細(xì)論述針對中國人體駕駛員姿態(tài)的定義方法。

2 傳統(tǒng)布置方法介紹

駕駛員坐姿的設(shè)定主要包括人體百分位的選擇、駕駛員姿態(tài)坐姿參數(shù)的定義和方向盤位置的確定。為方便定義駕駛員姿態(tài)，先介紹8個概念。

（1）H點：確定駕駛員或者乘員在座椅中位置的關(guān)鍵點，是人體模型軀干和大腿相連的旋轉(zhuǎn)點，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域稱為胯點（Hip Point）簡稱H點[3-4]；

（2）H30-1：駕駛員H點到踵點的垂直距離[3]；

（3）L99-1：駕駛員H 點到踏點的水平距離，不同的坐高對應(yīng)不同的水平距離[3]；

（4）A40-1：駕駛員座椅靠背角，不同的坐高對應(yīng)不同的座椅靠背角[3]；

（5）A46-1：駕駛員腳部踝角，表征駕駛員踩踏油門踏板初始位置腳踝舒適度[3]；

（6）SWC 點：方向盤旋轉(zhuǎn)中心點，轉(zhuǎn)向柱軸線與方向盤輪緣上表面交點；

（7）A18：方向盤傾角，方向盤輪緣上表面與Z 軸夾角[3]；

（8）A19：滑軌傾角，座椅滑軌與水平面夾角[3]；

人機姿態(tài)如圖2所示。

圖2 人機姿態(tài)參數(shù)

2.1 人體百分位的選擇

根據(jù)產(chǎn)品的功能要求，設(shè)計過程中通常有3 類人體范圍：

第1 類：5%女性～95%男性，同時利用人體尺寸上下極限百分位作為產(chǎn)品的設(shè)計依據(jù)[5]；

第2 類：5%女性或者95%男性，利用人體尺寸上極限或者下極限作為設(shè)計依據(jù)[5]；

第3類：利用人體尺寸50%作為設(shè)計依據(jù)[5]；

汽車設(shè)計要滿足不同身高人員駕乘，通常按第1類作為設(shè)計依據(jù)，用SAE 95%人體作為設(shè)計基準(zhǔn)。

2.2 駕駛員姿態(tài)坐姿參數(shù)的定義

（1）H30-1和L99-1的設(shè)定

H30-1 和L99-1 是一組相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)，在實際設(shè)定過程中，首先確定H30-1。H30-1 可以根據(jù)車型、平臺和對標(biāo)車數(shù)據(jù)等確定，轎車一般處在230～295 mm 范圍內(nèi)，SUV 處在315～350 mm 范圍內(nèi)，MPV處在300～370 mm 范圍內(nèi)。H30-1 設(shè)定之后，按照SAE J1517推薦公式確定L99-1。

SAE J1517 標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計了不同百分位的駕駛員人體的舒適位置，并且繪制了相應(yīng)的曲線，求出了所對應(yīng)的公式，如圖3 所示。這些曲線以踏點為基準(zhǔn)，不同的曲線滿足不同百分位人體的舒適性要求。每條曲線表示H 點與BOF 點的水平距離為座高H30-1 的二次函數(shù)，通常以95%人體作為設(shè)計參考點，見公式（1）。

圖3 不同百分位駕駛員舒適位置曲線[2]

式中L99-1 為踏點到H 點水平距離；H30-1 為H點到踵點垂直距離。

某三廂轎車最終H30-1 確定為260 mm，L99-1 確定為956.3 mm；

（2）座椅靠背角A40-1的設(shè)定

座椅靠背角與坐高H30-1 有關(guān)，初期定義參照公式（2）。

式中A40-1 為駕駛員座椅靠背角；H30-1 為H 點到踵點垂直距離。

根據(jù)經(jīng)驗及SAE 推薦，項目初期通常將轎車座椅靠背角設(shè)定為25°，SUV 座椅靠背角設(shè)定為23°。某三廂轎車座椅靠背角設(shè)定為25°。

（3）駕駛員腳部踝角確定

踝關(guān)節(jié)舒適角度范圍87°～105°[8]，為保證油門踏板整車行程踩踏動作舒適，各大車企統(tǒng)一將初始位置油門踏板踝角設(shè)定為87°，某三廂轎車踝角初始位置設(shè)定為87°。

（4）座椅滑軌的確定

座椅滑軌傾角參照公式3確定。

式中A19 為座椅滑軌傾角；H30-1 為H 點到踵點垂直距離。轎車通常設(shè)定為5°，SUV 通常設(shè)定為0°～2°；某轎車為5°；

座椅滑軌長度應(yīng)能滿足5%～95%乘員的乘坐要求，如圖4所示。

圖4 座椅滑軌確定

2.3 方向盤位置的確定

方向盤位置主要由方向盤中心點和方向盤傾角確定，目前參考日本某公司經(jīng)驗公式初步確定[2]。

方向盤中心點SWC（WX,WY,WZ）相對于踵點坐標(biāo)（如圖5所示）見公式（4）和（5）：

圖5 方向盤位置確定

式中WX為方向盤中心點與踵點之間水平距離，H30-1為H點到踵點垂直距離。

式中WZ為方向盤中心點與踵點之間垂直距離，WX為方向盤中心點與踵點之間水平距離。

WY一般與駕駛員Y 坐標(biāo)保持一致，或者靠車內(nèi)10 mm范圍內(nèi)（如圖6所示）；

圖6 方向盤中心點Y坐標(biāo)確定

方向盤傾角參照公式（6）確定：

式中A18 為方向盤傾角，H30-1 為H 點到踵點垂直距離。

某三廂轎車方向盤中心點坐標(biāo)（1 944.5，-365，1 616.7）方向盤傾角22.5°。

3 RAMSIS軟件優(yōu)化分析

人機舒適性的評價在國外研究已經(jīng)有很長一段時間，且大部分都是基于人體關(guān)節(jié)舒適性開展工作。為了更形象的評價人體駕駛姿態(tài)，英國人Rebiffe最早建立了人體軀干模型，并且計算得到了駕駛員最舒適的關(guān)節(jié)角度[9]；緊接著兩名墨西哥研究人員做了類似的研究，邀請55名不同身高人員在模擬駕駛艙進行操作，最后得到一組合適的關(guān)節(jié)舒適角度[10]；2000 年，韓國研究人員也進行了類似的研究，但得的結(jié)果卻有很大不同[11]。

RAMSIS 是慕尼黑工業(yè)大學(xué)專門針對人體姿態(tài)研究開發(fā)的軟件，數(shù)據(jù)來源主要是基于大多數(shù)駕駛員的駕乘習(xí)慣和駕駛過程中關(guān)節(jié)的角度，并且可以根據(jù)人體當(dāng)前尺寸對未來幾年進行預(yù)測[12-14]。目前大多數(shù)國外車企都在應(yīng)用RAMSIS 軟件對駕駛姿態(tài)進行分析，但國內(nèi)車企相關(guān)研究卻很少，大多只是沿襲國外或者局部優(yōu)化。

由于身材比例差異，完全沿用國外人機姿態(tài)的布置并不完全適合中國人體。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，歐美成年男性腿長與身高比例為33.3%，亞洲為30%，歐美成年男性人肩-指距與身高比例為43.8%，亞洲為46.7%[5]。本文將使用RAMSIS 軟件，嘗試對中國人體的駕駛姿態(tài)進行優(yōu)化分析。

3.1 RAMSIS軟件詳細(xì)介紹

RAMSIS 是德國慕尼黑大學(xué)為汽車制造廠和座椅制造廠開發(fā)的專門用于駕駛員姿態(tài)計算的軟件。用戶可以根據(jù)實際情況載入車輛的CAD模型，并且創(chuàng)建用戶目標(biāo)人體，根據(jù)不同的約束，對駕駛員姿態(tài)給出不舒適度評價。鑒于RAMSIS 軟件的準(zhǔn)確性，目前全球70%的汽車制造廠都在使用[2]。

RAMSIS 軟件基于大量實車駕駛和操作的試驗數(shù)據(jù)，可以對駕駛姿態(tài)及身體各部件進行不舒適度評價[2],并且給出評價分?jǐn)?shù)，分?jǐn)?shù)越低，人體舒適性越好，如圖7 所示。不舒適度范圍從0 到8 分。0 分為無不舒適感覺，8 分為不舒適感覺最明顯。不舒適感覺在2.5 分以下的評價為Good，2.5 分～4.0 分評價為Acceptable，4.0 分到5.5 分范圍內(nèi)的評價需要調(diào)整車型設(shè)計布置來改善，5.5分以上的評價為不可接受。

圖7 不舒適度評價

3.2 RAMSIS軟件優(yōu)化分析

（1）約束添加

為保證駕駛員姿態(tài)最大程度的接近真實，需添加一定的約束（如圖8所示），約束說明見表1。

圖8 駕駛員姿態(tài)約束

表1 駕駛員約束情況說明

（2）創(chuàng)建人體模型

RAMSIS 軟件可以根據(jù)需要創(chuàng)建“某年齡段”、“某年份”、“某國籍”、“某身高”、“某腰圍”和“某坐高”的特定人體，如圖9 所示。本文主要論證姿態(tài)，剔除腰圍影響，創(chuàng)建“2025 年”“18～60 周歲”“中國”“男女兩種性別”“5 種身高”和“3 種坐高”共計30 種人體，如圖10所示。

圖9 創(chuàng)建人體說明

圖10 某車型創(chuàng)建人體

（3）仿真結(jié)果

①各種人體不舒適度見圖11，可以看出對于身材較高駕駛員（Very Tall 和Tall）女性人體不舒適度低于男性；中等身材駕駛（Middle）男性人體不舒適度低于女性；身材較矮駕駛員（Short 和Very Short）男性人體不舒適度低于女性。

②對比RAMSIS 生成的人體（如圖12 所示），中國人體頭廓形狀相對更靠前、靠上，不能完全被SAE 95%所包含；同樣中國人體眼點分布也較為離散，不能完全被SAE 95%眼橢圓所包含。

圖11 人體不舒適度對比

圖12 頭部/眼部位置對比

③對比生成的手握點，部分集中在方向盤調(diào)節(jié)范圍下部，且身材高的人員居多（如圖13 所示）；對比生成的H 點，部分已經(jīng)超出座椅調(diào)節(jié)行程框，而且身材矮的女性居多（如圖14所示），并且行程框后端有較長一段無用空間。

圖13 手握點對比

圖14 H點對比

④通過仿真結(jié)果對比，可以發(fā)現(xiàn)：

a.中國人體和歐美人體有較大的差異，完全沿用歐美駕駛姿態(tài)的經(jīng)驗公式并不完全合適。

b.RAMSIS 軟件模擬的結(jié)果與實際貼合度較高，比如對比手握點，部分高個人員手握點集中在調(diào)節(jié)范圍下部，與試制裝車反饋“部分高個人員反饋方向盤距離偏遠”問題相符；對比H 點，個矮女性H 點集中在座椅行程框前端，且部分已經(jīng)超出范圍，與試制裝車反饋“身材矮人員無法獲得合適的座椅位置”問題相符。

（4）優(yōu)化分析

綜合考慮影響因素，建議“方向盤位置后移20 mm”用于改善“高個人員反饋方向盤位置靠前”問題；“座椅行程框前移30 mm”用于改善“身材矮的人員無法獲得合適的座椅位置”問題，并結(jié)合RAMSIS軟件進行仿真分析。

①“方向盤位置后移20 mm”優(yōu)化分析

取男性“Tall”和“Very Tall”身高作為研究對象，保證其他約束條件不變，僅將方向盤位置后移20 mm，人體不舒適度對比如圖15 所示，改善方案的人體不舒適度有了明顯下降，表明人體駕乘舒適性得到較大提高。

圖15 方向盤位置調(diào)整前后人體不舒適度對比

②“座椅行程框前移30 mm”優(yōu)化分析

取女性“Short”和“Very Short”身高作為研究對象，保證其他約束條件不變，僅將座椅行程框前移30 mm，人體不舒適度對比如圖16 所示，“short 身高-short 坐高”和“Very short 身高-Middle 坐高”人體不舒適度相當(dāng)，其他人體不舒適度都有明顯降低，表明人體駕乘舒適性得到較大提高。

圖16 座椅行程框調(diào)整前后人體不舒適度對比

③最終人體不舒適度對比

最終確定改善方案為“方向盤前移20 mm”和“座椅滑軌前移30 mm”,不同身高和不同坐高的“男性”和“女性”的人體不舒適度都有降低，人體駕乘舒適性都有提高。

4 人機臺架模型驗證

駕駛姿態(tài)的確定是人機專業(yè)重要工作之一，后續(xù)如需調(diào)整將會對項目周期和開發(fā)成本造成較大的影響，為保證駕駛姿態(tài)能滿足絕大多數(shù)人體駕要求，人機姿態(tài)初步確定后，需在人機臺架模型進行主觀評價。

4.1 人機臺架模型介紹

人機臺架模型（如圖17所示）能根據(jù)設(shè)計要求，完成對人機姿態(tài)、整車空間、視野和進出方便性的驗證，且能快速柔性變形，滿足不同軸距和不同級別車型驗證需求。

圖17 人機臺架模型

4.2 評價人員選擇

（1）評價人員身高范圍應(yīng)包含各種身高，且每種身高不少于3人[15]。

（2）評價人員應(yīng)至少具備2 年及2 年以上駕齡，且對汽車結(jié)構(gòu)有一定的了解，保證能對項目提出合理化建議[15]。

綜合考慮，選擇3 組共計9 名評價人員，詳細(xì)信息見表2。

表2 評價人員信息

4.3 評價流程

（1）所有評價人員在實車上調(diào)整到自己習(xí)慣的駕駛位置，根據(jù)實際感受，參考評分標(biāo)準(zhǔn)給出評價分?jǐn)?shù)。

（2）調(diào)整人機臺架模型座椅位置與實車一致，僅將方向盤位置向后調(diào)整20 mm，組織所有評價人員進行主觀評價。

（3）調(diào)整人機臺架模型方向盤位置與實車一致，僅將座椅滑軌向前調(diào)整30 mm，組織所有評價人員進行主觀評價。

（4）調(diào)整人機臺架模型，將方向盤位置向后調(diào)整20 mm，座椅滑軌向前調(diào)整30 mm，組織所有評價人員進行主觀評價。

（5）所有評價人員評分標(biāo)準(zhǔn)一致，評分標(biāo)準(zhǔn)采用“5分制”，評價前對評價人員進行培訓(xùn)，確保在相同條件下，對同一項目不同人員給出的評價分?jǐn)?shù)應(yīng)盡量一致，評分標(biāo)準(zhǔn)見表3[15]。

4.4 評價結(jié)果

三組人員評價結(jié)果見圖18～圖20。

圖19 第二組評價結(jié)果

圖20 第三組評價結(jié)果

從主觀評價結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

（1）原方案，第二組評分最高，第一組和第三組評分較低，說明原方案人機駕駛姿態(tài)中等身高人員比較滿意，身材高和身材矮人員都有抱怨，需要改進。

（2）第一組評價人員對“方向盤后移方案”評價分?jǐn)?shù)有明顯提高；第三組評價人員對“座椅行程框前移方案”評價分?jǐn)?shù)有明顯提高；說明身材高和身材矮人員的抱怨項都得到了較好的解決。

（3）所有評價人員對最終確定的方案（“方向盤位置后移+座椅行程框前移”）評分都有明顯提高，說明人機姿態(tài)能滿足絕大多數(shù)人群的駕乘要求。

人機臺架模型評價結(jié)果證明某車型關(guān)于人機姿態(tài)的優(yōu)化方案行之有效，也間接證明了RAMSIS 仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在后續(xù)項目開發(fā)過程中可以更加深入應(yīng)用。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合某轎車人機姿態(tài)的優(yōu)化過程，綜合考慮RAMSIS 軟件評價和人機臺架模型驗證，詳細(xì)介紹了適用中國人體的駕駛姿態(tài)優(yōu)化方法，后續(xù)可參照執(zhí)行。駕駛員姿態(tài)的定義在汽車設(shè)計整個過程中至關(guān)重要，項目開發(fā)過程中要結(jié)合對標(biāo)車數(shù)據(jù)、RAMSIS 軟件仿真結(jié)果和人機臺架模型驗證最后確定結(jié)果，確保駕駛姿態(tài)能滿足絕大多數(shù)消費者的駕乘需求。