乘用车驾驶员H点位置定制化研究

张仕亮　袁鹏文　李宏洋　顾全

摘 要：为了使驾驶员座椅位置更加符合目标人体，本文提出一种方法，该方法依据目标人体的关节尺寸，制定相应的舒适坐姿，确定专属H点，从而确定符合目标人体的座椅位置。依据定制化的驾驶员H点位置，可以有效的评估目标人体的人机性能，进而合理的设计车身结构以及车内空间布局。

关键词：H点 百分位 人体 舒适坐姿

1 引言

当今，乘用车行业基本采用美国SAE体系中95百分位的人体进行驾驶员的H点（同座椅参考点SgRP： Sitting reference point）布置，并根据H点位置确定座椅设计位置。大多数驾驶员座椅前后調节范围在220mm-240mm，覆盖SAE2.5-SAE97.5的人群。原则上，通过上述方法设定的座椅位置及调节范围，符合SAE体系所统计的人群，即符合美国人体的使用需求。

我们知道，H点设定主要与腿长有关，而不同的地域的人群样本，所统计的尺寸是不同的。以美国和中国的相关标准中的统计数据为例，如下表1。

中国人体尺寸与SAE体系所描述人体尺寸存在明显差异，中国95百分位的人体腿长尺寸与美国50百分位相当，中国男性50百分位的人体尺寸与美国10百分位相当。故依据SAE方法所设定的H点不能与中国人体相匹配。且其他国家的人体与中国的人体又不同。说明，完全按照SAE体系设定H点是有局限性的。

本文将提出一种方法，定义任意身高（主要指腿长）的人体的舒适坐姿，从而定义出任意人体的专属H点，进而设定专属的座椅位置和调节范围。

2 SAE体系人体的布置

2.1 SAE各百分位人体的布置方法

《SAE J826》定义了95、50、10三种百分位的人体模板的腿长尺寸，《SAE J1517》定义了H点舒适性曲线函数式，《SAE J4004》定义了SAE95百分位鞋面角SPA（shoe plan angle）的函数式， 上述函数式均是基于坐高H30的函数。

人体布置方法概述：选择相应百分位的人体，脚踝角设定87°，定义坐高H30，则H点（同SgRP）落于对应的舒适曲线上。图1为SAE95人体的人体坐姿。

依据表1，同理可布置SAE50及SAE10的坐姿，可测得相应的SPA值，并拟合出相应的关于坐高H30的函数式。

SPASAE95=2.522*10-7*（H30）3-3.961*10-4（H30）2+4.644*10-2*（H30）+73.374 （1）

SPASAE50=1.093*10-7*（H30）3-3.234*10-4（H30）2+4.662*10-2*（H30）+65.913 （2）

SPASAE10=1.580*10-8*（H30）3-2.384*10-4（H30）2+2.552*10-2*（H30）+63.209 （3）

2.2 SAE各百分位人体坐姿的规律

通过图2分析，SAE各百分位人体布置体现如下规律：

a.单一人体，不同坐高条件下，SPA随着坐高的增大而减小。

b.不同人体，相同坐高条件下，SPA随着腿长的减小而减小。

3 任意人体的布置

3.1 任意人体SPA的计算

对于SAE各百分位人体坐姿的规律，能否将其量化呢？答案是肯定的。因坐姿仅仅和人体的腿长和坐高有关系，经研究发现如下规律。

（4）

在相同坐高下，不同百文位之间的人体，腿长的差值与SPA的差值的比值近似相等，见表2。

K的均值与SAE95-SAE10的比值K十分接近。为方便计算，我们直接采用SAE95和SAE10的相关参数，得到如下近似比例等式：

（5）

其中，

X为目标人体，已知其腿长参数；

△L（SAE95-SAE10）为SAE95与SAE10的腿长差值，已知114.7mm；

△SPA（SAE95-SAE10）根据公式（1）（3）可计算；

△L（SAE95-X）为SAE95与目标人体的腿长差值，已知；

△SPA（SAE95-X） 为SAE95与目标人体的SPA差值；

以上，未知数仅为△SPA（SAE95-X）。

SPAX = SPA（SAE95） - △SPA（SAE95-X） （6）

为了简化公式，将△SPA（SAE95-SAE10）也拟合成坐高H30的函数。如下

△SPA（SAE95-SAE10）=2.364*10-7*（H30）3

-1.577*10-4（H30）2+2.092*10-2*（H30）+10.165 （7）

那么，任意人体的SPA计算公式为：

SPAX=SPA（SAE95）-△L（SAE95-X）*[2.364*10-7*（H30）3-1.577*10-4（H30）2

+2.092*10-2*（H30）+10.165]/114.7 （8）

3.2 任意人体布置方法

当已知目标人体的尺寸信息后，坐高H30确定后，即可计算出该人体的SPA值。为方便布置，脚部模型采取与SAE标准中的尺寸一致。如图3。

当坐高H30和SPAX确定后，目标人体的坐姿是唯一的，将该坐姿的人体布置到整车坐标系中，即可得到整车坐标系中的H点位置。

3.3 非作图环境的H点评估

SAE体系中的舒适性曲线函数，描述的是H点与BOFRP点在X方向上的距离。任意人体的H点与BOFRP点的X方向距离，可由三角函数导出。其中，踝点和踵点的距离可测，为134.2mm，小腿线与踝踵连线的角度可测，为152.374°，踝踵线与鞋底边线的角度可测，为52.874°。如图4。

其中，

M为目标人体的大腿长度；

N为目标人体的小腿长度；

SPAX为目标人体的SPA角，可由公式（8）求出。

通过三角函数的推导，可分别求出A、B、C、D的长度（推导过程略），其和为H点与BOFRP的X向距离。其表达式为：

WX=A+B+C+D

=203*cos（SPAX）+134.2*cos（127.126°-SPAX）+N*cos（99.5°-SPAX）+

（9）

通過公式（8）和公式（9），在非作图环境下，即可评估目标人体的H点位置。

4 验证

4.1 SAE体系内部验证

采用公式（8）计算并布置SAE50百分位的人体，表3所示。SPA偏差值在-0.3°以内，W偏差-2mm以内，计算值与理论值非常接近。

4.2 SAE体系外部验证

验证a：采用公式⑻计算并布置中国男50百分位的人体，表4所示。因中国男子50百分位的人体腿长与SAE10百分位的人体腿长非常接近，长度仅增加0.6mm，所以SPA和W计算值也非常接近，随腿长的增加有相应的正增量。

验证b：采用公式⑻计算并布置中国男95的人体，表5所示。因中国男子95百分位的人体腿长较SAE50百分位的人体腿长接近，长度仅增加9mm，所以SPA和W计算值也非常接近，随腿长的增加有相应的正增量。

4.3 实物验证

车型：本田奥德赛2015款（中国市场）

我们在逆向处理该车型时，发现其座椅调节轨迹线范围不能覆盖SAE95百分位的H点（舒适线），但经计算其满足中国95百分位男性，最小可满足中国5百分位女性。见图5。市场上并无反馈该车型有座椅调节行程不足的问题，故证明公式⑻和⑼的计算结果是合理的。

通过以上验证，从变化趋势和变化增量分析，都符合逻辑规律和实际情况。故，认为采用公式（8）所计算的SPA和W值是可信的。

5 结语

SAE体系中各百分位人体的舒适坐姿函数和布置方法，是统计学的成果，是经过一定的人体样本量和长时间的理论推导完成。对于SAE体系之外的人体，暂无相应的指导性文件予以应用，且短时期内难以完成相关的统计研究工作。

本文的主要研究成果是发现了SPA与腿长的关系并将其量化，转化成一种人体布置的方法。该方法，仅需求腿长的尺寸就可以设计专属舒适坐姿和专属H点。其方法简便，结果偏差可控，具有实际应用价值。例如针对中国女性客户人群的微型乘用车，就可以采用本方法，制定专属的H点，从而可根据实际需求评估人机性能，进而合理的设计车身结构以及车内空间布局。

参考文献：

[1]SAE J1100. Motor Vehicle Dimensions， 2009.

[2]SAE J1517. Driver Selected Seat Position， 1998.

[3]SAEJ4004. Positioning the H-Point Design Tool—Seating Reference Point and Seat Track Length， 2008.

[4]SAEJ826. Devices for Use in Defining and Measuring Vehicle Seating Accommodation， 2008.

[5]GB/T 15759.人体模板设计和使用要求，1995.