基于正向人机工程的整车主要尺寸控制策略研究

汪万松 赵召勇

（浙江远程商用车研发有限公司，杭州 310018）

缩略语

BOF Ball Of Feet

SWC Steering Wheel Centre

AHP Accelerator Heel Point

SgRP Seating Reference Point

0 引言

汽车整车的外廓尺寸状态是由关键尺寸和人机硬点确定的，整车主要尺寸包括：整车外形长宽高尺寸、轮胎型号、轴距、轮距、前悬、后悬、接近角和离去角、最小离地间隙、前上下视野和头部空间、油门踏板中心点、驾驶员人体姿态和H 点、驾驶员肩部和臀部空间、转向盘中心点和后排H 点。在整车设计阶段，控制好整车主要尺寸和人机硬点是达成整车主要性能的基础，是达到市场定位和满足消费者需求的基础。因此，掌握好整车主要尺寸和人机硬点的控制思路和方法具有十分重要的意义。

本文提出基于正向人机工程的整车关键尺寸设定思路和具体方法，帮助整车总布置人员科学、高效设定整车关键尺寸，对平台车型的整车关键尺寸链的设定具有实际指导意义。

1 整车主要尺寸参数控制方法

根据产品研发流程，整车布置是先由产品规划提出车型级别、参考车型、外形目标尺寸、初步性能要求，整车总布置根据对标车的加速踏板参考点、H30（人体坐姿高度）、人体姿态、前后上下视野、肩头部空间等确定驾驶员初步人体姿态；根据驾驶员人体姿态确定转向盘的初步位置、3 个踏板位置和其它相关部件位置；根据转向盘的位置确定组合仪表的位置；通过人机操作舒适性（包括转向盘布置校核、3个踏板布置校核、换挡布置校核、头肩部空间校核）和视野合理性校核，保证整车主要部件能使驾驶员看得清、摸得着、操作方便舒适。所以整车布置是以人为中心、满足人的需求来进行设计，整车主要尺寸控制思路可以总结为“以人为本，由内到外，内外结合，统筹分配”的指导思想，先以人机工程为本，设定好与人机工程相关尺寸参数，再结合需要的空间定义，确认整车X、Y、Z方向尺寸链的合理性，以满足整车性能目标要求。整车X、Y、Z坐标系定义参考SAE J1100 NOV2009[1]。

人机工程参数设定的合理性是整车关键尺寸参数设定的关键，与人机工程强相关的10个关键尺寸设定尤其重要，包括：

（1）驾驶员人体坐姿H30设定。

（2）驾驶员的人体姿态设定。

（3）驾驶员人机Y向值设定。

（4）转向盘关键参数设定。

（5）3个踏板位置设定。

（6）关键视野线设定。

（7）头部空间设定。

（8）肩部和臀部空间设定。

（9）前后排H点关系设定。

（10）前悬尺寸L104设定。

1.1 驾驶员人体坐姿H30设定

驾驶员人体坐姿H30尺寸是确定人体姿态最重要的参数，H30可以先设定一个初定值，再通过车型类型、人体姿态舒适、前方上下视野和头部空间是否满足人机舒适性来校核确定。H30初定值可以通过3步来确定。

（1）充分对标至少3款以上同类车型H30值。

（2）拟合出车高和H30值之间的比例关系。

（3）通过综合校核人机舒适性、视野可视性、头脚步空间满足性来确定H30目标值。

1.2 驾驶员的人体姿态设定

驾驶员姿态的舒适性包括人体姿态角度设定和人体位置设定，即脚掌踏点（Ball Of Feet,BOF）在整车的位置。人体姿态角度设定可以分为3步实现。

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

式中，A47为初始加速踏板角度。

（2）参考SAE J1517 OTC2011 中各百分位人体尺寸定义及公式[3]，制作SAE5%～95%男性人体H点座椅适应线。通过BOF 点制作出座椅适应线，H 点在SAE95%男性人体的座椅适应线和H30交点附近，从而确定H点的初步位置，且座椅的最大调节行程应大于座椅适应线范围（图1）。

图1 座椅适应线

（3）统一设定踝关节角A46=87°，根据人机工程推荐人体各姿态的舒适角度，确定人体姿态各角度值，符合人机工程要求（图2和表1）。

图2 人体姿态角度

表1 人体姿态推荐值[3]

1.3 驾驶员人体Y向值设定

驾驶员人体Y向值设定需要考虑4个因素：

（1）对标竞品车相关尺寸参数。

（2）驾驶员肩部空间，与门板间隙预留100～120 mm。

（3）驾驶员脚部Z向空间预留270～300 mm，加速踏板距离地毯Y向空间>25 mm。

（4）转向系统转向轴线夹角应＜3.5°，满足转向波动率及布置空间要求。

1.4 转向盘关键参数设定

转向盘关键参数包括转向盘中心点位置、转向盘倾角和转向盘直径及转向盘视野校核。

1.4.1 转向盘中心点位置设定

转向盘中心（Steering Wheel Centre，SWC）的初始位置（图3）可按式（2）、式（3）求出。

图3 转向盘中心点设定

式中，Wx为从BOF 点起转向盘中心点X向距离；Wz为从脚踵点（Accelerator Heel Point,AHP）到转向盘中心点Z向距离。

转向盘中心点的最终布置位置应根据客户群的人体特点和习惯调整，调整范围Z向为±25 mm、Y向为±30 mm。

1.4.2 转向盘倾角A18的设定

转向盘倾角A18的推荐公式如下：

式中，A18为转向盘初始位置倾角。

（1）转向盘倾角A18推荐值为22°～39°，转向盘上下调整角度为5°以内，前后调整距离为40 mm以内；

（2）转向盘最高极限位置与通过V2点的视野线与水平参考线夹角大于1°（图4）。

图4 转向盘最高极限位置校核

1.4.3 转向盘外径设定

A类车转向盘外径W9推荐为380～390 mm，B类车转向盘外径W9推荐为420～560 mm。

1.4.4 转向盘视野校核

转向盘的位置要满足组合仪表视野要求，包括眼椭圆中心点到组合仪表盘中心的距离L1要合理，既能保证驾驶员看清组合仪表上的指示灯，又能保证转向盘在上下调节时，组合仪表显示符号在组合视野可视区域内，即视距L1＜800 mm；组合仪表数字盘与视距L1夹角A1为90°±10°[3]（图5）。

图5 组合仪表视野视距[3]

1.4.5 转向盘位置空间校核

转向盘布置位置初步确定后还要检查如下要点：

（1）转向盘中心至驾驶员座椅中心平面的距离应≤15 mm，且偏向Y0平面。

（2）转向盘偏心距为0～5 mm。

（3）转向盘中心到H点X向距离为400～420 mm。

（4）偏离俯倾角＜1.5°。

（5）转向盘下端与人体大腿中心线距离为70～100 mm。

（6）转向盘与组合仪表罩的最小距离＞60 mm。

（7）转向盘与门板间隙为110～120 mm，避免操作时与门板干涉。

（8）转向盘与组合开关手柄间隙＞40 mm。

1.5 3个踏板位置设定

3个踏板包括加速踏板、制动踏板和离合踏板，电动车只包括加速踏板和制动踏板。

1.5.1 3个踏板中心位置设定（图6）从AHP点计算Z向高度，加速踏板中心点高度：

图6 驾驶员脚步空间

式中，ha为加速踏板中心点高度。

制动踏板和离合踏板中心点高度计算公式如下：

式中，hb为制动踏板和离合踏板中心点参考高度。

1.5.2 3个踏板空间位置关系设定

以驾驶员人机Y向为基础布置3个踏板，3个踏板尺寸和空间关系满足驾驶员左右脚人机操作空间要求。具体布置空间推荐距离，见表2。

表2 3个踏板布置空间推荐值 mm

1.5.3 脚步空间设定

驾驶员脚步空间（图6）要满足如下要求：

（1）踏入方向踏板中心高度差c为35～45 mm；防止驾驶员误踩。

（2）脚步空间AHP 到仪表台下沿Z向距离为270～300 mm。

（3）离合踏板距离地毯Y向≥140 mm。

（4）加速踏板距离地毯Y向≥25 mm。

1.6 关键视野线设定

视野线用来校核人机工程参数设定的是否合理，保证驾驶员能够看得见、看得清。关键视野线包括前方上下视野、后方上下视野、前风透明区域、组合仪表防反光、炫目。

1.6.1 前方上下视野

（1）前方上视野：根据GB 7258—2017[4]《机动车运行安全技术条件》，通过V1点能够看到车头向前12 m、高5 m处的交通灯（图7）。

图7 前方上视野要求

（2）前方下视野：通过V2点作与发动机罩盖断面相切直线与水平直线夹角要求大于5°，即下视野角度要>5°，车头前下视野盲区距离＜6 m为好。前方下视野评价要求见表3。

表3 前方下视野评价要求

1.6.2 后方上下视野

（1）后方上视野：要求通过驾驶员的眼椭圆上参考点V1与后风窗玻璃上黑边的连线同水平线的夹角＞3°（图8）。

图8 后方上下视野线

（2）后方下视野：要求通过驾驶员的眼椭圆的下参考点V2与后风窗玻璃下黑边连线同水平线的夹角＞1°。

1.6.3 前方透明区域

根据GB 11562—2014《汽车驾驶员前方视野要求及测量方法》[5]，汽车驾驶员前方视野设计和测量方法要求前风窗玻璃至少包含：

（1）V1点水平向前偏左17°的基准点a。

（2）V1点向前在垂直平面内偏上7°的基准点b。

（3）V2点向前在垂直平面内偏下5°的基准点c。

在汽车纵向对称面内的另一侧应增加与a、b、c对称的基准点a’、b’、c’（图9）。

图9 前方透明区域[6]

1.6.4 组合仪表视野

利用95%眼椭圆和转向盘上轮缘的下边缘和轮辐的上边缘做出2条相切线，此切线的范围与组合仪表刻度盘的交线即为直视的可视区域，仪表盘应在可视范围内（图10）。

图10 组合仪表视野可视区域

1.7 头部空间设定

头部空间为95%的驾驶员头部包络与车身、顶棚、侧围的距离，头部空间包括头部Z向空间，头部Y向空间和头部Y向30°空间。

（1）对应头部空间的Z向距离H35要求在30～120 mm。

（2）头部空间的Y向尺寸W35要求在40～150 mm。

（3）头部空间的Y向30°角W27尺寸要求在40～150 mm（图11）。

图11 头部空间设定

头部空间还决定整车高度尺寸，在设定整车高度时还要考虑顶棚加上天窗的布置高度，高度需要预留40～60 mm，整车人体中心处和整车Y0处高度差为15～25 mm（即预留造型高度）。

1.8 肩部和臀部空间设定

1.8.1 肩部空间W3

肩部空间W3主要指驾驶员坐入车后肩部与门内饰板的距离，在H 点上254 mm 处量取门护板间最小间隙，此间隙需要满足如下推荐值。

（1）2座乘员肩部空间≥2×（W20+340）mm。

（2）3座乘员肩部空间≥1 490 mm。

（3）紧凑SUV肩部空间≥1 400 mm。

（4）中型SUV肩部空间≥1 500 mm。

（5）大型SUV肩部空间≥1 600 mm。

注：W20为驾驶员H点与整车Y0平面的距离。

1.8.2 臀部空间W5

臀部空间W5是指驾驶员坐入车后臀部与门内饰板的距离，在乘坐基准点（Seating Reference Point,SgRP）上76 mm，前后76 mm，下25 mm 所围成区域的最小值（图12）。

图12 肩部空间和臀部空间[1]

1.9 前后排H点关系设定

前后排H点关系设定要点如下：

（1）后排H点一般比前排H点Z向高20～50 mm。

（2）不同级别的车型对后排舒适性的要求不一样，小型和中型级别车按照SAE 50%男性人体腿部空间设计，即前后排H点间距要求在750～850 mm。

（3）大型级别车按照SAE 95%男性人体腿部空间设计，即前后H点间距在850～950 mm。

（4）头部空间可定义的比前排头部空间稍小些，按照SAE 95%男性头部包络，要求在920～1 000 mm。

1.10 前悬尺寸（L104）设定

前悬尺寸既要满足机舱零部件布置要求，也要满足碰撞安全要求。机舱布置的合理性不仅关系到动力总成及附件是否能够安装进去，同时还关系到整车性能诸多方面，比如：整车的热管理、可靠性、行人保护、碰撞安全、行车安全、整车整备质量、整车轴荷分配、整车维修工效性、美观性、电器元器件的使用寿命等[7]（表4）。

表4 机舱布置间隙要求[7]

机舱零部件布置主要考虑包括动力总成、冷却模块、保险杠、蓄电池、洗涤液壶和碰撞水壶、空调系统、制动系统和雨刮系统。碰撞安全要求主要是根据碰撞安全星级C-NCAP 五星吸能空间目标，即D1+D2＞450 mm，由此得出安全需求的最小前悬架尺寸，满足C-NCAP5星级碰撞要求[8]（图13）。

图13 前悬架尺寸设定[8]

2 基于正向人机工程的整车X、Y、Z方向尺寸链控制策略

根据整车关键尺寸和人机工程硬点的控制方法，可以把关于人机工程布置的10 个重要关键尺寸和硬点提炼出来，在产品前期策划阶段，重点对这些尺寸和硬点进行控制就可以把整车零部件布置和整车关键尺寸设定在比较合理的水平，保证整车性能达标的前提下，合理分配整车X、Y、Z方向的尺寸链。现以某欧系VAN 类车平台规划为例进行阐述尺寸链控制策略。

2.1 整车X方向尺寸链设定策略

整车X方向大尺寸链包括：前悬L104、轴距L101、后悬L105，并体现平台系列车型规划尺寸，尺寸定义按照SAE J1100 NOV2009[1]（图14）。

图14 整车X方向尺寸链[1]

前悬尺寸链包括：保险杠前端与防撞横梁间距a、防撞梁到冷凝器距离b、冷却模块厚度c和冷却模块到前轮心距离F。

轴距尺寸链包括：前轮心到BOF点的距离A、BOF点到H点距离B、前H点到隔板的距离B1、隔板到后背门的距离E。具体控制策略如下：

（1）人机工程尺寸（L114、a、b、c）保持固定值。

（2）冷却模块到轮心距离（F）保持不变，保证冷却模块与车身安装点不变，做到最大通用化。

（3）前防撞梁到轮心距离（D）＞940 mm，保证NCAP五星级前碰撞吸能空间要求。

（4）体现不同轴距和不同车顶高度变化。

整车X方向尺寸链设定策略如见表5。

表5 整车X方向尺寸链控制策略

2.2 整车Y方向尺寸链设定策略

整车Y向尺寸链控制主要包括2个：

（1）前轮中心处Y向断面尺寸链。

（2）驾驶员H点处Y向尺寸链。

最终确定整车宽度符合布置要求。

2.2.1 前轮中心处Y向断面尺寸链设定策略

前轮中心处Y向断面尺寸链包含前轮胎转向包络、车架宽度、车架间距和轮胎之间的尺寸关系，且要满足前轮胎跳动包络要求和车身轮罩与车轮之间美观要求（图15）。

图15 整车Y向尺寸链（前轮中心处）

整车Y方向尺寸链设定策略（前轮中心处）见表6。

表6 整车Y向尺寸链控制策略（前轮中心处）

2.2.2 驾驶员H点处Y向尺寸链设定策略

驾驶员H 点处Y向尺寸链包含车门宽度、肩部空间、车身纵梁外宽和车身宽度之间的布置关系，且要满足前排人机工程要求和肩部侧向距离m1≥340 mm（从驾驶员人体中心处测量）（图16）。

图16 整车Y向尺寸链（H点处）

整车Y向尺寸链（H点处）控制策略见表7。

表7 整车Y向尺寸链控制策略（H点处）

2.3 整车Z方向尺寸链设定策略

整车Z方向尺寸链包括最小离地间隙、动力电池或油箱布置、人体坐姿、头部空间、顶盖或天窗布置空间等，且要体现平台车型的顶盖高度，见图17。

图17 整车Z向尺寸链

整车Z向尺寸链控制策略如下，见表8。

表8 整车Z向尺寸链控制策略

3 结论

综上，在“以人为本，由内到外，内外结合，统筹分配”的正向人机工程布置指导思想和布置原则下，掌握10个整车关键尺寸定义方法，合理分配关键尺寸，定义出平台车型的X、Y、Z方向的整车尺寸链控制策略，做到既能满足平台车型尺寸目标定义要求和零部件布置要求，又能满足整车性能和人机舒适性要求的控制策略，最终大幅提高整车设计进度和设计质量，做到最大通用化原则，还能有效节约开发成本。所以掌握基于正向人机工程的整车主要尺寸链控制策略方法，对平台开发车型具有重大意义。