乘用车驾驶员腿部空间设计研究及应用

覃星翠 李辉 周晓明 宋建新

摘  要：在乘用车驾驶员腿部空间设计中，二维人体腿部空间的关键参数设计无法得到完整的腿部空间，不利于进行实车验证。本文提出了一种基于三维人体的驾驶员腿部空间设计方法，建立了由模型设计到检查验证的一系列规范，可应用在新产品开发全流程中，提高驾驶员腿部空间设计质量和工作效率。

关键词：乘用车;驾驶员;腿部空间设计;人机工程学

中图分类号：U462.1      文献标识码：A      文章编号：1005-2550（2019）02-0007-05

1    引言

随着生活水平提高，人们对汽车驾驶的舒适性要求进一步提高，使得人机工程学在乘用车空间设计中得到普遍应用[1]。驾驶员腿部空间设计是驾驶舱空间设计的重要内容，也是整车空间分配的基础，直接影响驾驶员的乘坐舒适性。

驾驶员腿部空间设计主要体现在驾驶员姿态和乘坐空间的关键尺寸参数设计中[2]，在参数经验值和对标车数据分析中确定新车型的关键参数设计值。但驾驶员腿部跨度较大，周边零件众多，驾驶员腿部空间设计除了要滿足二维人体关键参数要求外，还要考虑周边零部件的造型、结构、性能及制造工艺等要求。因而，实际车型开发中只完成基于二维人体的关键尺寸参数的设计并不能得到完整的腿部空间，实车验证阶段容易带来设计更改。在整车开发过程中需设定全面的驾驶员腿部空间要求，并以之严格约束相关零部件的设计。但目前国内尚无公开的驾驶员腿部空间设计标准，自主品牌车企对此的研究也很缺乏，凭设计者的个人经验及局部对标竞争车，基于二维人体的腿部空间关键参数设计要素考虑不全，导致驾驶员腿部空间不足造成大量的设计反复。

本文基于人机工程学原理，结合多款车型开发实践，从设计模型、设计约束、设计检查到验证等角度提出了一种基于三维人体的驾驶员腿部空间设计方法，可应用在新产品开发全流程中，从产品开发前期避免出现驾驶员腿部空间不足问题，提高设计质量和工作效率。

2    驾驶员腿部空间关键尺寸

人体腿部位于脚踝点和跨点（H点）之间。按人体腿部组成，驾驶员腿部空间分为小腿空间、膝部空间和大腿空间。按汽车空间三维方向可对应分为腿部侧向空间、上部空间、下部空间、前后空间。

空间的设计需分解为可通过设计实现的尺寸，驾驶员腿部空间尺寸基于SAE 95%二维人体模板进行定义。SAE 1100与驾驶员腿部空间直接相关的汽车尺寸[3]见表1及图1，作为关键设计参数，从整车架构开发前期定义目标值。

3    基于三维人体的驾驶员腿部空间设计方法

3.1   建立设计人体模型

驾驶员姿态是车内空间设计的基础，合适的驾驶员姿态可为驾驶员提供安全的驾驶空间，让驾驶舒适愉悦。在驾驶员姿态设计中，基于SAE 95%二维人体[4]，完成驾驶员跨点（H点）、脚踵点（AHP）、方向盘中心点（SWC）、方向盘倾角（A18）和踏板角（A47）等关键参数的设定[5]，如图2。运用UG软件总布置模块中的二维人体建模，约束这些参数，可得到95%驾驶员人体驾驶姿态，驾驶员有效腿部空间（L34）和关节角度也随之确定。受驾驶舱零部件布局影响，驾驶员人体姿态模型初步建立后，需评估是否满足腿部空间及关节角度目标[6]，如无法满足时，需调整人体姿态直至满足要求。因此，合适的驾驶姿态是多个参数多次调整的结果。

3.2   建立设计约束

3.2.1 建立基于二维人体的关键参数约束

驾驶员二维坐姿模型建立后，驾驶员腿部空间的设计内容是以二维人体为核心对周边零部件进行关键尺寸参数约束，即设定关键尺寸参数目标值。

对不同级别车型，腿部空间（L34）有所不同，但膝部空间（L48）、小腿间隙（L58）及方向盘到大腿线最小距离（H13）与车辆的级别无关。设定这四个参数设计目标时，可参考表2进行选取，同时综合对标车数据分析确定新车型腿部空间目标值。L34过小则腿部无法充分伸展，L34过大则腿部会被过大拉伸，驾驶员腿部易疲劳受损。如果L48和L58过小，急刹车时膝盖和小腿可能碰到仪表板及转向管柱护盖，且驾驶过程时会有不适感。

在驾驶员姿态设计时，还要需考虑驾驶员坐姿高度（H30）对方向盘和座垫设计的影响，即需设定合理的方向盘到大腿线最小距离（H13）、方向盘到坐垫最小距离（H74）目标值。如H13和H74过小，将无法满足大人体的大腿空间要求，尤其踩制动时腿部易撞到方向盘，踩离合时坐垫会抑制大腿。

3.2.2 建立基于三维人体的全局空间约束

基于二维人体的关键参数只针对腿部局部位置对周边零件进行约束，无法全面评估腿部在各种驾驶姿势下的空间需求，因此需借助三维人体评估实际驾驶空间。

通过二维人体确定驾驶员坐姿后，初步完成加速、离合、制动踏板和歇脚板的布置，此时可采用Ramsis软件建立三维人体模型，如图3。同时，利用Ramsis进行各种驾驶姿势的坐姿舒适性分析，如评估结果满足要求则不需调整驾驶姿态参数，否则调整至满足要求为止。将不同驾驶姿势的Ramsis人体模型进行叠加（如图4），要求周边零件与三维人体腿部间隙大于20mm。驾驶员腿部到门饰板、副仪表板间隙要求，如图5所示：

3.2.3 建立空间限制模型

在造型设计阶段，建立空间与界限模型，可将国家法规、人机工程、零部件结构等相关约束条件用数模表现出来，作为工程与造型的设计交流工具，用于约束造型面的开发。驾驶员腿部空间设计时，可根据上述空间约束条件建立限制模型，要求仪表板、副仪表板及门饰板造型面不得与限制数模干涉。具体做法是将三维人体腿部局部数模沿约束方向外扩移一定距离，移动距离要求不小于20mm。

3.3   零部件关键部位设计

驾驶员腿部周边零件包括仪表板下护板、转向管柱护盖及调节手柄、方向盘、前门饰板及门附件、座垫及座椅饰盖、副仪表板、换挡手柄、手刹、安全带扣等。这些零件造型面均要满足驾驶员腿部空间的设计约束，应尽量避免出现侵占驾驶员腿部空间的造型特征。图6左右图对比，可看出零部件造型对腿部空间设计产生很大影响，进而影响驾驶舒适性和安全性。

3.4   设计数据检查

在数模设计阶段，直接利用驾驶员腿部空间限制模型对造型数据和零部件数模进行检查，操作简单易行。对不满足限制模型要求的数模问题，要求造型及零部件工程区域进行更改。经过多方分析确认无法更改时，需经车型总工程师认可才能减小驾驶员腿部空间目标值。

3.5   模型验证评审

车内空间设计遵循以人为本的原则，需满足不同体型用户的需求，用户最终以实车主观感知对车内空间进行评价。人机设计经验要求和Ramsis分析仍无法做出直观评价，也就不能真实确认车内空间是否能让用户满意。车内人机设计是造型和零部件结构设计的基础，人机工程问题将导致大量的设计更改，对产品开发时间和成本影响很大。因此，新车型开发前期便开始制作驾乘舱模型或样车验证人机工程设计，驾驶员腿部空间是其中一项重要的验证内容。人机工程评审时，多名不同体型的评审者对新车型及对标车的驾驶腿部空间进行评价打分，打分标准按五分制（如图10），并记录车型优缺点。对得分较低的项目，需评估对设计进行更改。

4    设计应用实例

设计者应以人机工程学为指导，充分考虑影响腿部空间各项因素，改型车与原型车进行细致的比对，按照第3章所述的驾驶员腿部空间设计方法开展各阶段工作，可有效避免因设计者经验不足及大意疏忽造成的驾驶员腿部空间设计问题。

如图8，车型A驾驶员左脚放在歇脚板上，驾驶过程中腿部外靠空间不足，腿部易产生疲劳感。原因在于，设计时仅以肩部、肘部及臀部空间要求限制左前门饰板造型，未对驾驶员腿部侧面空间进行约束。因此，造成了工装车阶段左右前门内饰板造型更改，浪费了100多万的模具费用。

如图9，车型B设计时未考虑紧急制动驾驶姿势的膝部间隙，造成实车该工况下驾驶员膝部碰到转向管柱上的点火锁处凸包及行车钥匙，凸包边缘未倒圆角与膝盖接触不舒适，影响驾驶员腿部操作舒适性。因此，对转向护壳点火锁口处造型进行了更改。

5    结论

本文基于人机工程学原理，结合某公司多款车型开发实践，研究驾驶员腿部空间的设计要求、控制及验证方法，提出了一种基于三维人体的驾驶员腿部空间设计方法，可应用在新产品开发全流程中，从产品开发前期避免驾驶员腿部空间不足问题，提高设计质量和工作效率。

（1）从建立设计模型、设计约束、设计检查到验证评审等进行全过程设计分析，可避免因工作内容遗漏导致设计失误。

（2）在二维人体的关键参数约束后，建立基于三维人体的全局空间约束，可对腿部在各种驾驶姿势下的空间需求进行设计控制，有效避免设计约束不足问题。

（3）运用三维人体腿部空间限制模型对造型进行设计约束，使工程与造型交流更加顺畅，提高设计效率。

（4）采用驾乘舱模型进行驾驶员腿部空间实际体验，可直接评估驾驶员腿部空间前期设计的合理性，有助于实现满足用户需求的空间设计。

参考文献：

[1]刘春荣.汽车内部空间的人机工程要素及其设计[C].2006年中国机械工程学会年会.中国机械工程学会，2006.

[2]張强.基于整车总布置法规和人机工程要求的参数化模型研究及其应用[J].上海汽车，2013年第4期.

[3]SAE J1100-2009 Motor Vehicle Dimensions[S].2009：71-227.

[4]吕景华.轿车人体工程设计一般方法的研究[J]. 汽车技术，2002年第10期.

[5]周晓明，陈龙姣等. H点及总布置关键参数设计[J].企业科技与发展，2015年第8期.

[6]赵韩，程飞.基于人机工程学的轿车车身总布置设计[J]. 合肥工业大学学报，2014年第11期.