汽车组合仪表布置和光学分析

方星 宋建新

【摘 要】汽车组合仪表是汽车零件中最重要的功能部件之一，是驾驶员和汽车进行信息交流的重要接口和界面，为驾驶员提供汽车运行中的各种参数、指示汽车运行状态、提供故障警示等信息，是驾驶员了解汽车运行状况信息最直接的信息窗口。文章主要介绍了汽车组合仪表的布置方法，并详细对比了2种组合仪表可视视野的校核方法；同时，对组合仪表可能产生的反光进行分析，进而在组合仪表帽檐和护罩设计方面提出解决方案，为后续车型的设计提供参考和借鉴。

【关键词】组合仪表；布置；视野；反光

【中图分类号】U463.7 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）06-0104-03

0 引言

汽车组合仪表是驾驶员获取汽车状态信息的重要设备。它对汽车的安全、经济行驶起着重要作用，是汽车主动安全的关键设施。在汽车安全驾驶过程中，驾驶者和汽车、仪表显示等构成了人机系统。对于我国这样一个车辆保有量急剧增加、交通配套设施尚在建设中、事故多发的国家而言，汽车安全关注度的提升对用户和社会有着极其重要的意义。

1 组合仪表布置

1.1 组合仪表布置原则

组合仪表布置的大致原则是不同百分位驾驶员在正常驾驶姿态时，能方便地通过方向盘观看组合仪表，同时要求组合仪表表盘面尽可能大，各类指针和读数清晰明了。以上原则转化为组合仪表的具体布置要素有3条：一是眼椭圆与组合仪表表盘面的目视距离；二是眼椭圆与组合仪表表盘面的目视角度及下视角；三是组合仪表表盘面的大小。

1.2 目视距离的确定

组合仪表表盘面的目视距离是指组合仪表表盘面中心与眼椭球中心2点连线的距离。经验表明，乘用车应控制在770～820 mm，建议取最佳值为780 mm，其他车型的距离控制在800～840 mm，太远或太近都容易让驾驶员产生视觉疲劳。

1.3 目视角度及下视角的确定

眼椭圆与组合仪表表盘面的目视角度由仪表盘中心与眼椭圆中心连线确定。研究表明，当视线与观察物平面垂直时有效认读误差最小，故仪表盘平面与仪表盘中心与眼椭球中心连线的夹角一般控制在90°±10°，建议取最佳值90°；同时，驾驶员在观察组合仪表时的下视角不能太大，否则将产生视觉疲劳进而引发交通事故，经验表明下视角一般控制在18°～21°，建议取最佳值为20°。

1.4 表盘面大小的确定

组合仪表表盘面越大，能显示的信息量就越大，同时仪表区的指针、图标、读数字体将越大，这样能给驾驶员提供一个清晰明了的仪表区域，减少驾驶疲劳进而增强行车安全。但表盘面也不能无限增大，在组合仪表目视距离和目視角度及下视角确定的情况下，其大小还受因方向盘布置而产生的仪表盲区的影响。

仪表盲区是指驾驶员观察仪表盘上的仪表和显示信号灯时，驾驶员的视线受方向盘的阻挡而形成的区域，仪表盘上仪表和显示信号灯应布置在此盲区以外。依据方向盘的形状，仪表板盲区由方向盘轮缘形成的障碍区和方向盘轮毂形成的障碍区组成。

通过方向盘计算组合仪表限制面的方法，主要有以下2种。

1.4.1 方法一：使用UG package模块

打开UG界面，点击总布置模块中的组合仪表可视性校核分析工具图标 。选择校核组合仪表视野的眼椭圆。选择组合仪表表盘基准面。定义方向盘运算类型，一般选取线条形式（不会出错，运算时间相对少）。选择方向盘外径线，选择方向盘内径线。选择方向盘最高点的Y向平面（SWC点Y坐标）轮辋截面线，截面线为闭合曲线。选择方向盘中心点，即SWC点。选择方向盘轮毂上的表面线，表面线为封闭曲线。定义生成组合仪表视野限制面的颜色。自动生成组合仪表限制面（如图1所示）。组合仪表表盘需要显示给驾驶员的信息（如车速、转速、转向灯、液晶显示等信息）都必须在此限制面内。

1.4.2 方法二：使用双眼眼椭圆中心视野相交

打开UG界面，抽取左、右眼椭圆中心点。抽取方向盘轮廓。通过 命令，分别用左、右眼椭圆中心点和方向盘轮廓线做曲面。通过 命令，延长所做的曲面，并与组合仪表显示平面相交，限制面即可完成，并可查看组合仪表是否满足视野要求（如图2所示）。

经过测量对比，方法二将获得更大的仪表视野限制面（大8 mm），推荐使用。

需要注意的是，有些小型车由于尺寸限制无法提供足够大的仪表区域时，可考虑在中控台上增加一个小仪表，如“铃木奥拓”等。

通过上述的布置，组合仪表的位置和大小基本可以确定。此外，还需要考虑方向盘上下/前后调节时，转向管柱是否与组合仪表干涉。

2 组合仪表光学分析

在汽车驾驶舱布置及人机工程光学分析中，结合车辆内部环境及外部光源情况，主要考虑2个方面的要求：？譹？訛避免外部光源影响仪表的观察；？譺？訛避免夜间仪表背光影响驾驶员的视野。笔者以某车型的组合仪表光学分析过程为例，系统讲述组合仪表在驾驶舱布置中的光学分析过程。

组合仪表光学分析包含白天反光和晚上反光校核，其中晚上反光校核包括组合仪表晚上反光至前挡风玻璃和侧窗玻璃的校核。

2.1 组合仪表白天反光校核

在白天正常驾驶的环境下，车辆的外部最大光源是太阳光。太阳光对组合仪表的影响主要体现在当强烈的阳光直接照射在组合仪表表盘面上时，盘面及刻度、标识、数字等亮度增大，彼此间的对比度降低，造成驾驶员对刻度、标识、数字的识别困难，严重影响行车安全，所以避免表盘上的刻度、标识、数字被强烈阳光直接照射，为白天反光校核首要考虑的内容。

直射到表盘上的阳光可能来自前挡风玻璃或者侧窗的方向，来自侧窗的阳光一般为早晨或者傍晚的阳光，光线的强度不高，且照射到表盘的概率较低，所以一般情况下不考虑此种情况对仪表的影响，我们重点考虑中午时段来自前挡风玻璃的阳光。

组合仪表的表壳形式因为内饰造型及结构设计的差异而有所不同，然而不是每种造型的组合仪表表壳都需要分析反光。依据光的入射、反射原理，表壳面方向偏上的类型才有可能发生炫目的情况。

2.1.1 对于玻璃曲面上小下大式的组合仪表

照射到组合仪表上的阳光一部分穿透透明的表壳照射到仪表内部，另一部分直接被表壳的外表面反射出去，这一部分反射出去的光线也是我们需要关注的重点，必须保证这一部分光线不能进入人眼中，否则将使人产生严重的眩目，即驾驶员通过表壳看到了太阳的虚像（如图3所示）。

2.1.2 对于玻璃曲面上大下小式的组合仪表

应满足驾驶员身体倒影不会影响组合仪表的观察，如图4所示。

这种组合仪表需要考虑炮筒镀铬的情况，从前挡发出的光在镀铬件上进行了二次传递，形成了一个间接光源，应尽量避免炮筒内圈镀铬设计。

2.2 组合仪表晚上反光分析

2.2.1 组合仪表晚上反光至前挡风玻璃分析

晚上组合仪表发出的光线在前挡风玻璃上所成的虛像不会影响驾驶员前方视野（如图5所示）。

2.2.2 组合仪表侧窗反光分析

在三维设计软件中（以UG为例），可以采用反射数据命令较快速地做出量化的分析，选取眼椭圆中心作为眼点位置；选取表盘发光的数据及仪表板的遮光边界结构作为反射分析对象；选取侧窗玻璃内表面作为反射物体进行反射分析，可做出仪表发光数据在侧窗上的投影，再做出后视镜镜面沿视线方向在侧窗上的投影，即可对比判断分析出背光对外后视镜观察的影响。晚上组合仪表发出的光线不会在侧窗玻璃上形成虚像影响驾驶员观察外后视镜（如图6所示）。

（1）打开UG界面，点击总布置模块中的组合仪表反光校核分析工具图标 。

（2）分别选择眼点、组合仪表晚上发光边界线和组合仪表遮光罩边界线及侧窗玻璃，软件运行后，在侧窗玻璃上形成反光倒影，最后把组合仪表遮光罩里面的反光倒影沿着眼点拉伸至外后视镜。

（3）拉伸面与外后视镜没有交线，或拉伸面在外后视镜镜面上的投影占外后视镜镜面面积≤10%，晚上组合仪表在侧窗玻璃上的反光不会影响驾驶员观察外后视镜。

（4）拉伸面与外后视镜有交线，且拉伸面在外后视镜镜面上的投影占外后视镜镜面面积>10%，晚上组合仪表在侧窗玻璃上的反光倒影会影响驾驶员观察外后视镜，应优化组合仪表护罩结构及外后视镜位置，直到满足反光要求。

为得到一个更直观、更接近真实的结果，我们需要借用SPEOS的虚拟实验室模块来进行人眼视觉的仿真。主要步骤如下：将需要的数据导入SPEOS中；设置外部光源参数；将内饰数据赋予上材质参数；设置亮度感应器；设置组合仪表背光光源参数；设置仿真参数并计算；进行结果分析（如图6所示）。图6中仪表背光的虚像有小部分与外后视镜重叠，需要进行优化。两者的相对关系优化主要可从外后视镜耳朵高度位置及仪表板的遮光特征优化这2个方面着手。

3 结语

本文讲述了汽车组合仪表的布置方法，同时对驾驶舱总布置和人机工程分析中与组合仪表相关的反光问题，给出了较完备的分析方法及解决方案，能指导后续车型设计，有效地提高效率的同时减少反复设计。

参 考 文 献

[1]GB 11562—2014，汽车驾驶员前方视野要求及测量方法[S].

[2]SAE J941—2002，Motor Vehicle Drivers Eye Lo-

cations[S].

[3]黄金陵.汽车车身设计[M].北京：机械工业出版社，

2007.

[责任编辑：陈泽琦]