基于中國人體尺寸的駕駛員駕姿舒適性分析

霍燦堅，華 波，曹 勇，王景興

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

駕駛員在駕駛汽車時，座椅、方向盤和踏板這三個系統(tǒng)貫穿整個駕車的過程，因此，這三者的相對位置是否合適直接影響駕駛員駕車的舒適性和駕駛樂趣。目前主機廠對三者位置的匹配多基于美國汽車工程師學(xué)會（Society of Automotive Engineers, SAE）標準或設(shè)計經(jīng)驗，研究手段多為仿真、試驗加主觀評價[1-6]，并未形成基于中國駕駛員身體尺寸和駕駛習(xí)慣的駕駛模型，導(dǎo)致部分中國駕駛員調(diào)整不到最合適的駕乘坐姿。本文利用人機臺架，通過紀錄駕駛員在最舒適駕車狀態(tài)時，油門踏板、方向盤和座椅三者的位置參數(shù)，然后對參數(shù)進行分析并定義推薦的舒適性范圍值，建立舒適的駕駛姿態(tài)模型。

1 研究對象

1.1 研究對象

本文主要分析中國駕駛員在駕駛車輛時油門踏板、方向盤和座椅三者的位置關(guān)系，為了簡化模型，將三者的關(guān)系通過L6、H17、L53-1、H30-1四個參數(shù)進行分析（如圖1所示）。其中，L6為方向盤中心點到踏點的水平距離；H17為方向盤中心點到踵點的垂直距離；L53-1為踵點到H點的水平距離；H30-1為駕駛員座椅高度。

圖1 駕乘坐姿模型

1.2 座椅高度H30-1選擇

本文研究的座椅高度（H30-1）的大小選擇在190 mm～390 mm，測試時座椅高度按照（200±10）mm、（220±10）mm、（240±10）mm、（260±10）mm、（280±10）mm、（300±10）mm、（320±10）mm、（340±10）mm、（360±10）mm、（380±10）mm這10組參數(shù)測試，可涵蓋Sedan、運動型多用途汽車（Sport/Suburban Utility Vehicle,SUV）、多用途汽車（Multi-Purpose Vehicles, MPV）的座椅高度設(shè)計需求。

2 客觀測量

柔性人機臺架，如圖2所示，是一個能模擬各種車型（Sedan、SUV、MPV）坐姿的人機臺架，臺架通過電控模塊控制各個系統(tǒng)的調(diào)整，調(diào)節(jié)精度為1 mm，并能顯示系統(tǒng)的調(diào)整量。只要設(shè)定好基準坐姿，并能記錄測試人員調(diào)整到舒適坐姿的參數(shù)，步驟如下：

（1）按照1.2定義好的座椅高度設(shè)定臺架座椅、踏板和方向盤的位置，并記錄這三個零件的位置參數(shù)作為基準；

（2）測試人員進入臺架，模擬開車時的姿態(tài)，通過調(diào)節(jié)方向盤的位置，座椅的前后位置和上下位置（上下調(diào)整量為±10 mm），得到一個舒適的坐姿；

（3）記錄調(diào)整后的方向盤和座椅在X和Z方向的位置參數(shù)（L53-1、L6、H17和H30-1）的調(diào)整量。

以上述3個步驟為一組測量數(shù)據(jù)，通過更換不同的測試人員或座椅高度，可紀錄不同駕駛員在不同座椅高度的坐姿數(shù)據(jù)。

圖2 柔性人機臺架

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗樣本數(shù)據(jù)分析

試驗人員來自全國6大區(qū)（東北華北區(qū)、中西部區(qū)、長江中游區(qū)、長江下游區(qū)、兩廣福建區(qū)、云貴川區(qū)），年齡涵蓋18歲～60歲，身高涵蓋1.5 m～1.85 m。

本文主要研究1.65 m～1.69 m成年人身高人群的坐姿舒適性，一共采集到有效樣本1 032份。其中男性616份，女性416份，樣本摘錄如表1所示。

表1 測試采集樣本（摘錄） 單位：mm

表1 （續(xù)）

男性樣本參數(shù)均值、標準差如表2所示。

表2 男性樣本參數(shù)分析（樣本數(shù)：616） 單位：mm

女性樣本參數(shù)均值、標準差如表3所示。男女性樣本參數(shù)均值、標準差如表4所示。

表3 女性樣本參數(shù)分（樣本數(shù)：416） 單位：mm

表4 男女性樣本參數(shù)分（樣本數(shù)：1032） 單位：mm

男性坐姿參數(shù)L53-1、L6、H17與H30-1的相關(guān)性如表5所示。

表5 男性樣本參數(shù)相關(guān)性

女性坐姿參數(shù)L53-1、L6、H17與H30-1的相關(guān)性如表6所示。

表6 女性樣本參數(shù)相關(guān)性

男女性坐姿參數(shù)L53-1、L6、H17與H30-1的相關(guān)性如表7所示。

表7 男女性樣本參數(shù)相關(guān)性

由上述表格可知，駕駛員的坐姿H30-1與L53-1、L6、H17的相關(guān)性高，可進行下一步的模型分析。

3.2 駕駛員舒適性坐姿模型建立

基于3.1的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，進行駕駛員坐姿舒適性模型建立的可行性分析。

3.2.1 男性駕駛員舒適性模型建立

616份男性樣本數(shù)據(jù)做以下分析處理：

（1）男性的L53-1與H30-1、L6與H30-1、H17與H30-1的關(guān)系，如圖3、圖4、圖5散點與趨勢線（虛線）所示。

（2）男性的L53-1與H30-1、L6與H30-1、H17與H30-1的趨勢關(guān)系，如式（1）—式（3）所示。

圖3 L53-1與H30-1的關(guān)系圖

圖4 L6與H 30-1的關(guān)系圖

圖5 H17與H 30-1的關(guān)系圖

（3）男性的L53-1與H30-1、L6與H30-1、H17與H30-1的趨勢線R2值如表8所示。

表8 男性樣本趨勢線R 2

由表8的R2值可知，H30-1與L53-1、L6、H17的回歸方程具有一定的擬合度，但不十分高。但可通過車輛的座椅、方向盤的調(diào)節(jié)行程來提高回歸方程的覆蓋范圍，采用表2中L53-1、L6、H17的標準差分別作為座椅的前后調(diào)節(jié)行程、方向盤的前后和上下調(diào)節(jié)行程，此時可覆蓋絕大部分男性人群的舒適性使用范圍，如圖3、圖4、圖5中的點實線所示。

3.2.2 女性駕駛員舒適性模型建立

416份女性樣本數(shù)據(jù)做以下分析處理：

（1）女性的L53-1與H30-1、L6與H30-1、H17與H30-1的關(guān)系，如圖6、圖7、圖8散點與趨勢線（虛線）所示。

圖6 L53-1與H 30-1的關(guān)系圖

圖7 L6與H 30-1的關(guān)系圖

圖8 H17與H 30-1的關(guān)系圖

（2）女性的L53-1與H30-1、L6與H30-1、H17與H30-1的趨勢關(guān)系，如式（4）、式（5）、式（6）所示。

（3）女性的L53-1與H30-1、L6與H30-1、H17與H30-1的趨勢線R2值如表9所示。

表9 女性樣本趨勢線R 2

由表9的R2值可知，H30-1與L53-1、L6、H17的回歸方程具有一定的擬合度，但不十分高。但可通過車輛的座椅、方向盤的調(diào)節(jié)行程來提高回歸方程的覆蓋范圍，采用表3中L53-1、L6、H17的標準差分別作為座椅的前后調(diào)節(jié)行程、方向盤的前后和上下調(diào)節(jié)行程，此時可覆蓋絕大部分女性人群的舒適性使用范圍，如圖6、圖7、圖8中的點實線所示。

3.2.3 男女性駕駛員舒適性模型建立

1 032份男女性樣本數(shù)據(jù)做以下分析處理：

（1）男女性的L53-1與H30-1、L6與H30-1、H17與H30-1的關(guān)系，如圖9—圖11散點與趨勢線（虛線）所示。

圖9 L53-1與H 30-1的關(guān)系圖

（2）男女性的L53-1與H30-1、L6與H30-1、H17與H30-1的趨勢關(guān)系，如式（7）—式（9）所示。

圖10 L6與H 30-1的關(guān)系圖

圖11 H 17與H 30-1的關(guān)系圖

（3）男女性的L53-1與H30-1、L6與H30-1、H17與H30-1的趨勢線R2值如表10所示。

表10 男女性樣本趨勢線R 2

由表10的R2值可知，H30-1與L53-1、L6、H17的回歸方程具有一定的擬合度，但不十分高。但可通過車輛的座椅、方向盤的調(diào)節(jié)行程來提高回歸方程的覆蓋范圍，采用表4中L53-1、L6、H17的標準差分別作為座椅的前后調(diào)節(jié)行程、方向盤的前后和上下調(diào)節(jié)行程，此時可覆蓋絕大部分人群的舒適性使用范圍，如圖9—圖11中的點實線所示。

3.3 市場上車型的管柱調(diào)節(jié)和駕駛員座椅行程調(diào)查

測量市場上58款車型（涵蓋Sedan、SUV、MPV，及美系、德系、日系、國產(chǎn)等車型），管柱調(diào)節(jié)行程如圖12、圖13所示。

圖12 管柱上下調(diào)節(jié)角度

圖13 管柱軸向調(diào)節(jié)行程

管柱行程參數(shù)分析如表11所示。

表11 管柱調(diào)節(jié)參數(shù)分析

以某款車型的管柱為例，該管柱的上下角度調(diào)節(jié)總行程為5°，轉(zhuǎn)化成上下調(diào)節(jié)的距離為63 mm，如圖14所示。

圖14 某款管柱上下調(diào)節(jié)行程

若上下調(diào)節(jié)總角度改為4.64°，則上下調(diào)節(jié)距離為60 mm。因此，表11的管柱參數(shù)分析表可調(diào)整為表12。

表12 管柱調(diào)節(jié)參數(shù)分析（調(diào)整）

測量市場上58款車型（涵蓋Sedan、SUV、MPV），駕駛員座椅水平調(diào)節(jié)行程如圖15所示。

座椅調(diào)節(jié)行程參數(shù)分析如表13所示。

表13 駕駛員座椅水平調(diào)節(jié)參數(shù)分析

市場上車型的駕駛員座椅和管柱的調(diào)節(jié)行程與L53-1、L6和H17的標準差相當，配合3.2節(jié)的坐姿模型，可彌補H30-1與L53-1、L6、H17的回歸方程擬合度不十分高的不足，滿足此身高段的人群駕車舒適性的要求。

圖15 駕駛員座椅水平調(diào)節(jié)行程

3.4 與SAE座椅舒適性參數(shù)對比

參考SAE的人體尺寸標準[7]，本文的駕駛員舒適性模型與SAE駕駛員座椅位置選擇[4]中的50%的H點位置-座椅高度曲線做對比，SAE的L53-1與H30-1 的關(guān)系如式（10）所示。

式中，203為BOF（踏點）點與AHP（踵點）點的水平距離[9]；A47（SPA）為踏板角，大小的計算參考SAE標準[10]。

中國與SAE的L53-1的對比如表14和圖16所示。

表14 L53-1值中國與SAE對比 單位：mm

注：L53-1大小差異是指SAE與中國對應(yīng)類別駕駛員之間的差值。

圖16 中國與SAE座椅位置曲線對比

由表14和圖16可知，中國駕駛員的H點曲 線（座椅舒適性位置曲線）均比SAE的靠前，特別是女性在低座椅高度。主要原因：（1）人體尺寸[7-8]的差異，如表15所示，中國人體的會陰高度比SAE的小約30 mm；（2）駕駛習(xí)慣，美國的駕駛員在開車時習(xí)慣將座椅靠后調(diào)整。

表15 人體尺寸對比

4 結(jié)論

綜上，油門踏板、座椅和方向盤為駕駛員坐姿模型里面的主要組成部分，三者的布置關(guān)系直接影響駕駛員的駕駛舒適性。為保證并提升（1.65±0.1）m身高段的成年駕駛員駕駛舒適性，給出了座椅高度（H30-1）的大小在190 mm～390 mm范圍內(nèi)對應(yīng)的L6、H17、L53-1參數(shù)值。

（1）男性駕駛員，如表16所示。

表16 男性駕駛員坐姿參數(shù) 單位：mm

駕駛員座椅和方向盤調(diào)節(jié)行程設(shè)計范圍：座椅水平調(diào)節(jié)行程：±42 mm；方向盤上下調(diào)節(jié)行程：±41 mm；方向盤軸向調(diào)節(jié)行程：±31 mm。

（2）女性駕駛員，如表17所示。

駕駛員座椅和方向盤調(diào)節(jié)行程設(shè)計范圍：座椅水平調(diào)節(jié)行程：±38 mm；方向盤上下調(diào)節(jié)行程：±36 mm；方向盤軸向調(diào)節(jié)行程：±29 mm。

表17 女性駕駛員坐姿參數(shù) 單位：mm

（3）男女性駕駛員，如表18所示。

表18 男女性駕駛員坐姿參數(shù) 單位：mm

駕駛員座椅和方向盤調(diào)節(jié)行程設(shè)計范圍：座椅水平調(diào)節(jié)行程：±40 mm；方向盤上下調(diào)節(jié)行程：±41 mm；方向盤軸向調(diào)節(jié)行程：±30 mm。

此坐姿模型對于此身高段的駕駛員的駕乘舒適性設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。