基于正向人機工程的整車主要尺寸控制策略研究

汪萬松 趙召勇

（浙江遠程商用車研發有限公司，杭州 310018）

縮略語

BOF Ball Of Feet

SWC Steering Wheel Centre

AHP Accelerator Heel Point

SgRP Seating Reference Point

0 引言

汽車整車的外廓尺寸狀態是由關鍵尺寸和人機硬點確定的，整車主要尺寸包括：整車外形長寬高尺寸、輪胎型號、軸距、輪距、前懸、后懸、接近角和離去角、最小離地間隙、前上下視野和頭部空間、油門踏板中心點、駕駛員人體姿態和H 點、駕駛員肩部和臀部空間、轉向盤中心點和后排H 點。在整車設計階段，控制好整車主要尺寸和人機硬點是達成整車主要性能的基礎，是達到市場定位和滿足消費者需求的基礎。因此，掌握好整車主要尺寸和人機硬點的控制思路和方法具有十分重要的意義。

本文提出基于正向人機工程的整車關鍵尺寸設定思路和具體方法，幫助整車總布置人員科學、高效設定整車關鍵尺寸，對平臺車型的整車關鍵尺寸鏈的設定具有實際指導意義。

1 整車主要尺寸參數控制方法

根據產品研發流程，整車布置是先由產品規劃提出車型級別、參考車型、外形目標尺寸、初步性能要求，整車總布置根據對標車的加速踏板參考點、H30（人體坐姿高度）、人體姿態、前后上下視野、肩頭部空間等確定駕駛員初步人體姿態；根據駕駛員人體姿態確定轉向盤的初步位置、3 個踏板位置和其它相關部件位置；根據轉向盤的位置確定組合儀表的位置；通過人機操作舒適性（包括轉向盤布置校核、3個踏板布置校核、換擋布置校核、頭肩部空間校核）和視野合理性校核，保證整車主要部件能使駕駛員看得清、摸得著、操作方便舒適。所以整車布置是以人為中心、滿足人的需求來進行設計，整車主要尺寸控制思路可以總結為“以人為本，由內到外，內外結合，統籌分配”的指導思想，先以人機工程為本，設定好與人機工程相關尺寸參數，再結合需要的空間定義，確認整車X、Y、Z方向尺寸鏈的合理性，以滿足整車性能目標要求。整車X、Y、Z坐標系定義參考SAE J1100 NOV2009[1]。

人機工程參數設定的合理性是整車關鍵尺寸參數設定的關鍵，與人機工程強相關的10個關鍵尺寸設定尤其重要，包括：

（1）駕駛員人體坐姿H30設定。

（2）駕駛員的人體姿態設定。

（3）駕駛員人機Y向值設定。

（4）轉向盤關鍵參數設定。

（5）3個踏板位置設定。

（6）關鍵視野線設定。

（7）頭部空間設定。

（8）肩部和臀部空間設定。

（9）前后排H點關系設定。

（10）前懸尺寸L104設定。

1.1 駕駛員人體坐姿H30設定

駕駛員人體坐姿H30尺寸是確定人體姿態最重要的參數，H30可以先設定一個初定值，再通過車型類型、人體姿態舒適、前方上下視野和頭部空間是否滿足人機舒適性來校核確定。H30初定值可以通過3步來確定。

（1）充分對標至少3款以上同類車型H30值。

（2）擬合出車高和H30值之間的比例關系。

（3）通過綜合校核人機舒適性、視野可視性、頭腳步空間滿足性來確定H30目標值。

1.2 駕駛員的人體姿態設定

駕駛員姿態的舒適性包括人體姿態角度設定和人體位置設定，即腳掌踏點（Ball Of Feet,BOF）在整車的位置。人體姿態角度設定可以分為3步實現。

（1）根據SAE J1517 OTC2011公式[2]，用H30的初定值計算出初始踏板角度，如式（1）：

式中，A47為初始加速踏板角度。

（2）參考SAE J1517 OTC2011 中各百分位人體尺寸定義及公式[3]，制作SAE5%～95%男性人體H點座椅適應線。通過BOF 點制作出座椅適應線，H 點在SAE95%男性人體的座椅適應線和H30交點附近，從而確定H點的初步位置，且座椅的最大調節行程應大于座椅適應線范圍（圖1）。

圖1 座椅適應線

（3）統一設定踝關節角A46=87°，根據人機工程推薦人體各姿態的舒適角度，確定人體姿態各角度值，符合人機工程要求（圖2和表1）。

圖2 人體姿態角度

表1 人體姿態推薦值[3]

1.3 駕駛員人體Y向值設定

駕駛員人體Y向值設定需要考慮4個因素：

（1）對標競品車相關尺寸參數。

（2）駕駛員肩部空間，與門板間隙預留100～120 mm。

（3）駕駛員腳部Z向空間預留270～300 mm，加速踏板距離地毯Y向空間>25 mm。

（4）轉向系統轉向軸線夾角應＜3.5°，滿足轉向波動率及布置空間要求。

1.4 轉向盤關鍵參數設定

轉向盤關鍵參數包括轉向盤中心點位置、轉向盤傾角和轉向盤直徑及轉向盤視野校核。

1.4.1 轉向盤中心點位置設定

轉向盤中心（Steering Wheel Centre，SWC）的初始位置（圖3）可按式（2）、式（3）求出。

圖3 轉向盤中心點設定

式中，Wx為從BOF 點起轉向盤中心點X向距離；Wz為從腳踵點（Accelerator Heel Point,AHP）到轉向盤中心點Z向距離。

轉向盤中心點的最終布置位置應根據客戶群的人體特點和習慣調整，調整范圍Z向為±25 mm、Y向為±30 mm。

1.4.2 轉向盤傾角A18的設定

轉向盤傾角A18的推薦公式如下：

式中，A18為轉向盤初始位置傾角。

（1）轉向盤傾角A18推薦值為22°～39°，轉向盤上下調整角度為5°以內，前后調整距離為40 mm以內；

（2）轉向盤最高極限位置與通過V2點的視野線與水平參考線夾角大于1°（圖4）。

圖4 轉向盤最高極限位置校核

1.4.3 轉向盤外徑設定

A類車轉向盤外徑W9推薦為380～390 mm，B類車轉向盤外徑W9推薦為420～560 mm。

1.4.4 轉向盤視野校核

轉向盤的位置要滿足組合儀表視野要求，包括眼橢圓中心點到組合儀表盤中心的距離L1要合理，既能保證駕駛員看清組合儀表上的指示燈，又能保證轉向盤在上下調節時，組合儀表顯示符號在組合視野可視區域內，即視距L1＜800 mm；組合儀表數字盤與視距L1夾角A1為90°±10°[3]（圖5）。

圖5 組合儀表視野視距[3]

1.4.5 轉向盤位置空間校核

轉向盤布置位置初步確定后還要檢查如下要點：

（1）轉向盤中心至駕駛員座椅中心平面的距離應≤15 mm，且偏向Y0平面。

（2）轉向盤偏心距為0～5 mm。

（3）轉向盤中心到H點X向距離為400～420 mm。

（4）偏離俯傾角＜1.5°。

（5）轉向盤下端與人體大腿中心線距離為70～100 mm。

（6）轉向盤與組合儀表罩的最小距離＞60 mm。

（7）轉向盤與門板間隙為110～120 mm，避免操作時與門板干涉。

（8）轉向盤與組合開關手柄間隙＞40 mm。

1.5 3個踏板位置設定

3個踏板包括加速踏板、制動踏板和離合踏板，電動車只包括加速踏板和制動踏板。

1.5.1 3個踏板中心位置設定（圖6）從AHP點計算Z向高度，加速踏板中心點高度：

圖6 駕駛員腳步空間

式中，ha為加速踏板中心點高度。

制動踏板和離合踏板中心點高度計算公式如下：

式中，hb為制動踏板和離合踏板中心點參考高度。

1.5.2 3個踏板空間位置關系設定

以駕駛員人機Y向為基礎布置3個踏板，3個踏板尺寸和空間關系滿足駕駛員左右腳人機操作空間要求。具體布置空間推薦距離，見表2。

表2 3個踏板布置空間推薦值 mm

1.5.3 腳步空間設定

駕駛員腳步空間（圖6）要滿足如下要求：

（1）踏入方向踏板中心高度差c為35～45 mm；防止駕駛員誤踩。

（2）腳步空間AHP 到儀表臺下沿Z向距離為270～300 mm。

（3）離合踏板距離地毯Y向≥140 mm。

（4）加速踏板距離地毯Y向≥25 mm。

1.6 關鍵視野線設定

視野線用來校核人機工程參數設定的是否合理，保證駕駛員能夠看得見、看得清。關鍵視野線包括前方上下視野、后方上下視野、前風透明區域、組合儀表防反光、炫目。

1.6.1 前方上下視野

（1）前方上視野：根據GB 7258—2017[4]《機動車運行安全技術條件》，通過V1點能夠看到車頭向前12 m、高5 m處的交通燈（圖7）。

圖7 前方上視野要求

（2）前方下視野：通過V2點作與發動機罩蓋斷面相切直線與水平直線夾角要求大于5°，即下視野角度要>5°，車頭前下視野盲區距離＜6 m為好。前方下視野評價要求見表3。

表3 前方下視野評價要求

1.6.2 后方上下視野

（1）后方上視野：要求通過駕駛員的眼橢圓上參考點V1與后風窗玻璃上黑邊的連線同水平線的夾角＞3°（圖8）。

圖8 后方上下視野線

（2）后方下視野：要求通過駕駛員的眼橢圓的下參考點V2與后風窗玻璃下黑邊連線同水平線的夾角＞1°。

1.6.3 前方透明區域

根據GB 11562—2014《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》[5]，汽車駕駛員前方視野設計和測量方法要求前風窗玻璃至少包含：

（1）V1點水平向前偏左17°的基準點a。

（2）V1點向前在垂直平面內偏上7°的基準點b。

（3）V2點向前在垂直平面內偏下5°的基準點c。

在汽車縱向對稱面內的另一側應增加與a、b、c對稱的基準點a’、b’、c’（圖9）。

圖9 前方透明區域[6]

1.6.4 組合儀表視野

利用95%眼橢圓和轉向盤上輪緣的下邊緣和輪輻的上邊緣做出2條相切線，此切線的范圍與組合儀表刻度盤的交線即為直視的可視區域，儀表盤應在可視范圍內（圖10）。

圖10 組合儀表視野可視區域

1.7 頭部空間設定

頭部空間為95%的駕駛員頭部包絡與車身、頂棚、側圍的距離，頭部空間包括頭部Z向空間，頭部Y向空間和頭部Y向30°空間。

（1）對應頭部空間的Z向距離H35要求在30～120 mm。

（2）頭部空間的Y向尺寸W35要求在40～150 mm。

（3）頭部空間的Y向30°角W27尺寸要求在40～150 mm（圖11）。

圖11 頭部空間設定

頭部空間還決定整車高度尺寸，在設定整車高度時還要考慮頂棚加上天窗的布置高度，高度需要預留40～60 mm，整車人體中心處和整車Y0處高度差為15～25 mm（即預留造型高度）。

1.8 肩部和臀部空間設定

1.8.1 肩部空間W3

肩部空間W3主要指駕駛員坐入車后肩部與門內飾板的距離，在H 點上254 mm 處量取門護板間最小間隙，此間隙需要滿足如下推薦值。

（1）2座乘員肩部空間≥2×（W20+340）mm。

（2）3座乘員肩部空間≥1 490 mm。

（3）緊湊SUV肩部空間≥1 400 mm。

（4）中型SUV肩部空間≥1 500 mm。

（5）大型SUV肩部空間≥1 600 mm。

注：W20為駕駛員H點與整車Y0平面的距離。

1.8.2 臀部空間W5

臀部空間W5是指駕駛員坐入車后臀部與門內飾板的距離，在乘坐基準點（Seating Reference Point,SgRP）上76 mm，前后76 mm，下25 mm 所圍成區域的最小值（圖12）。

圖12 肩部空間和臀部空間[1]

1.9 前后排H點關系設定

前后排H點關系設定要點如下：

（1）后排H點一般比前排H點Z向高20～50 mm。

（2）不同級別的車型對后排舒適性的要求不一樣，小型和中型級別車按照SAE 50%男性人體腿部空間設計，即前后排H點間距要求在750～850 mm。

（3）大型級別車按照SAE 95%男性人體腿部空間設計，即前后H點間距在850～950 mm。

（4）頭部空間可定義的比前排頭部空間稍小些，按照SAE 95%男性頭部包絡，要求在920～1 000 mm。

1.10 前懸尺寸（L104）設定

前懸尺寸既要滿足機艙零部件布置要求，也要滿足碰撞安全要求。機艙布置的合理性不僅關系到動力總成及附件是否能夠安裝進去，同時還關系到整車性能諸多方面，比如：整車的熱管理、可靠性、行人保護、碰撞安全、行車安全、整車整備質量、整車軸荷分配、整車維修工效性、美觀性、電器元器件的使用壽命等[7]（表4）。

表4 機艙布置間隙要求[7]

機艙零部件布置主要考慮包括動力總成、冷卻模塊、保險杠、蓄電池、洗滌液壺和碰撞水壺、空調系統、制動系統和雨刮系統。碰撞安全要求主要是根據碰撞安全星級C-NCAP 五星吸能空間目標，即D1+D2＞450 mm，由此得出安全需求的最小前懸架尺寸，滿足C-NCAP5星級碰撞要求[8]（圖13）。

圖13 前懸架尺寸設定[8]

2 基于正向人機工程的整車X、Y、Z方向尺寸鏈控制策略

根據整車關鍵尺寸和人機工程硬點的控制方法，可以把關于人機工程布置的10 個重要關鍵尺寸和硬點提煉出來，在產品前期策劃階段，重點對這些尺寸和硬點進行控制就可以把整車零部件布置和整車關鍵尺寸設定在比較合理的水平，保證整車性能達標的前提下，合理分配整車X、Y、Z方向的尺寸鏈。現以某歐系VAN 類車平臺規劃為例進行闡述尺寸鏈控制策略。

2.1 整車X方向尺寸鏈設定策略

整車X方向大尺寸鏈包括：前懸L104、軸距L101、后懸L105，并體現平臺系列車型規劃尺寸，尺寸定義按照SAE J1100 NOV2009[1]（圖14）。

圖14 整車X方向尺寸鏈[1]

前懸尺寸鏈包括：保險杠前端與防撞橫梁間距a、防撞梁到冷凝器距離b、冷卻模塊厚度c和冷卻模塊到前輪心距離F。

軸距尺寸鏈包括：前輪心到BOF點的距離A、BOF點到H點距離B、前H點到隔板的距離B1、隔板到后背門的距離E。具體控制策略如下：

（1）人機工程尺寸（L114、a、b、c）保持固定值。

（2）冷卻模塊到輪心距離（F）保持不變，保證冷卻模塊與車身安裝點不變，做到最大通用化。

（3）前防撞梁到輪心距離（D）＞940 mm，保證NCAP五星級前碰撞吸能空間要求。

（4）體現不同軸距和不同車頂高度變化。

整車X方向尺寸鏈設定策略如見表5。

表5 整車X方向尺寸鏈控制策略

2.2 整車Y方向尺寸鏈設定策略

整車Y向尺寸鏈控制主要包括2個：

（1）前輪中心處Y向斷面尺寸鏈。

（2）駕駛員H點處Y向尺寸鏈。

最終確定整車寬度符合布置要求。

2.2.1 前輪中心處Y向斷面尺寸鏈設定策略

前輪中心處Y向斷面尺寸鏈包含前輪胎轉向包絡、車架寬度、車架間距和輪胎之間的尺寸關系，且要滿足前輪胎跳動包絡要求和車身輪罩與車輪之間美觀要求（圖15）。

圖15 整車Y向尺寸鏈（前輪中心處）

整車Y方向尺寸鏈設定策略（前輪中心處）見表6。

表6 整車Y向尺寸鏈控制策略（前輪中心處）

2.2.2 駕駛員H點處Y向尺寸鏈設定策略

駕駛員H 點處Y向尺寸鏈包含車門寬度、肩部空間、車身縱梁外寬和車身寬度之間的布置關系，且要滿足前排人機工程要求和肩部側向距離m1≥340 mm（從駕駛員人體中心處測量）（圖16）。

圖16 整車Y向尺寸鏈（H點處）

整車Y向尺寸鏈（H點處）控制策略見表7。

表7 整車Y向尺寸鏈控制策略（H點處）

2.3 整車Z方向尺寸鏈設定策略

整車Z方向尺寸鏈包括最小離地間隙、動力電池或油箱布置、人體坐姿、頭部空間、頂蓋或天窗布置空間等，且要體現平臺車型的頂蓋高度，見圖17。

圖17 整車Z向尺寸鏈

整車Z向尺寸鏈控制策略如下，見表8。

表8 整車Z向尺寸鏈控制策略

3 結論

綜上，在“以人為本，由內到外，內外結合，統籌分配”的正向人機工程布置指導思想和布置原則下，掌握10個整車關鍵尺寸定義方法，合理分配關鍵尺寸，定義出平臺車型的X、Y、Z方向的整車尺寸鏈控制策略，做到既能滿足平臺車型尺寸目標定義要求和零部件布置要求，又能滿足整車性能和人機舒適性要求的控制策略，最終大幅提高整車設計進度和設計質量，做到最大通用化原則，還能有效節約開發成本。所以掌握基于正向人機工程的整車主要尺寸鏈控制策略方法，對平臺開發車型具有重大意義。