关于乘用车驾驶员对转向盘可调范围的需求的研究

张仕亮　袁鹏文　刘罗卫　孟相阳

摘 要：乘用车转向盘的设计位置为50百分位人体所匹配的最佳位置，为了使转向盘能够最大化适应不同身高的驾驶员，文章对人体的H点、转向盘中心点、脚部参考点的位置关系（即人机三角形）进行深入研究，并对人机三角形进行了重新定义。利用不同百分位的人体关节尺寸比例几乎相同的特点，推导出基于舒适曲线的5、50、95三个百分位人体在坐高200mm至360mm范围内的坐姿下的转向盘中心最佳位置，即不同身高的驾驶员对转向盘的可调范围的需求。

关键词：人机三角形 H点 舒适曲线 转向盘

1 引言

在研发某一款车型时，转向盘的位置是非常关键的人机设定。合理的转向盘位置，能够使驾驶员的躯干和四肢的关节都处于舒适的角度。总布置工程师通常用人机三角形（当前人机三角形由95百分位驾驶员踵点、H点、转向盘中心点连线而成）来评估转向盘位置是否满足舒适性要求。如图1。因此从某种意义上来讲，人机三角形即是某一人体舒适坐姿的全简化，其中包含脚部姿态、腿部姿态、躯干姿态、上肢姿态、手部姿态。

实际上，SAE人机布置体系中的人体是不含上肢的（图1所显示上肢仅出于美观性考虑，其上肢与下肢的尺寸参数来自不同文件），转向盘布置也不是通过上肢的关节角度分析得出的。所以，合理的应用人机三角形，在不涉及上肢布置的情况下，也可以推导出合理的转向盘位置。进一步，可以根据三角形相似舒适性相同的原理，推导出不同百分位的人体的转向盘的最佳位置。

当前人机三角形存在一定的不合理性，文章对人机三角形进行了重新定义（新人机三角形由舒适曲线的参考原点、H点、转向盘中心的连线而成），并以此推导出基于舒适曲线的5、50、95三个百分位人体在坐高200mm至360mm范围内的坐姿下的转向盘中心最佳位置，即不同身高的驾驶员对转向盘的可调范围的需求。

注：如无特殊说明，文章相关参数尺寸代码均采用SAE J1100所定义代码。长度单位为毫米（mm），角度单位为度（°）。

2 当前人机三角形的来源及问题

据考证，当前所采用的人机三角形，来自于UG 软件的总布置Package工具包，由人体的踵点、95百分位人体H点、转向盘中心这三点的连线构成。如图1所示。

对于某一特定市场人群的乘用车，其定义的转向盘位置，是该人群50百分位的人体所匹配的最佳位置。在作者发表的论文《乘用车驾驶员关键操控件的系统性布置研究》中提出的转向盘定义公式，其所匹配的是50百分位的人体所匹配的转向盘最佳位置。上述人机三角形中，转向盘中心点与 95百分位H点的连线，不能反映50百分位人体的舒适程度也不能反映95百分位人体的舒适程度，故该连线存在一定不合理性。

在同一款车型中，不同百分位的人体，在相同的坐高下，其踵点的位置是不同的。上述人机三角形中，转向盘中心与95百分位人体踵点的连线，不能反映50百分位人体的舒适程度也不能反映95百分位人体的舒适程度。故该连线也存在一定不合理性。

当前人机三角形中，两条边的定义都存在不合理性，故用其评估驾驶员舒适性是存在问题的。

3 新人机三角形的定义及原理

3.1 新人机三角形的定义

为了解决当前人机三角形的问题，文章提出一个新型人机三角形的定义方法。如图2所示，该三角形的三点定义如下：

（1）转向盘中心点（与原定义一致）；

（2）脚部参考点：通过踏点BOFRP的竖直线与通过踵点AHP的水平线的交点；

（3）舒适曲线上50百分位的H点。

3.2 新人机三角形的原理

因为转向盘的定义位置是匹配50百分位人体驾驶员的最佳位置，所以我们采用50百分位人体的H点。此时转向盘中心点与50百分位H点的连线，可以表征该状态下50百分位的驾驶员的舒适姿态，包含靠背姿态、上肢姿态和手部姿态。

对于舒适曲线，其表征的含义是不同百分位的人体在不同坐高下，不同百分位人体的H点与BOFRP点在水平方向上的距离变化趋势。 该趋势由SAE经统计方法得出，并拟合成一组公式。该组曲线，有共同的基准原点，即过BOFRP点的竖直线与过AHP的水平线的交点。该点是该组公式所对应的原点，其表征无论什么百分位的人体，以什么坐高的坐姿，只要其BOFRP点的X坐标和AHP点的Z坐标保持不变，坐姿舒适时，其H点必然落于舒适曲线上。随着人体或坐高的变化，其BOFRP点的Z坐标发生变化、AHP点的X坐标发生变化，但原点保持不变，如图3、图4所示。所以，采用该原点与50百分位H点的连线，可以表征任意坐高下的舒适姿态，包含腿部姿态和脚部姿态。

综上，此三点的连线所形成的三角形，可以完整的表征50百分位人体在某种坐高下的全身舒适姿态。

4 人体尺寸的特征

不同地区，不同百分位人体的身高是不同的，分解到人体内部，即各个肢体的尺寸也是不同的。对比发现，不同的人体其自身各个肢体尺寸相对于自身身高的占比基本相同。那么可以认为，不同身高的人体之间是互相等比例缩放的关系。如表1所示。

5 新人机三角形的应用方法

人机三角形可以表征驾驶员全身的舒适姿态，不同人体又是等比例缩放的关系。那么可以认为，不同的人體采取相似的人机三角形（角度形同，大小不同）时，其拥有等效的舒适姿态。为了便于分析，暂忽略座椅滑轨倾角带来的影响。

5.1 方法一 直接应用法

对于某款车型，已确定的50百分位人机三角形（如无特别指出，以下均指新人机三角形），可以直接在该人机三角形中，直接作出5百分位、95百分位所相似的三角形。如图5所示。

但该作图方法存在一个明显问题，就是5百分位的人体的坐高要低于50百分位人体坐高，而95百分位人体的坐高又高于50百分位的人体坐高。一般情况，驾驶员座椅的倾角为正值（即前高后低），范围0-6deg，不会出现前低后高的情况。所以此方法不适用常规乘用车。

5.2 方法二 间接应用法

为了使人机三角形的应用符合一般乘用车的设计规律，需对方法一做一次升级，找出在同一坐高下，5百分位和95百分位分别对应的人机三角形（50百分位已知）。利用方法一，作图并统计出 50百分位人体坐高H30在200-360mm区间内，5百分位、95百分位人体分别所对应的坐高。如表2所示。

对上述表格图形化处理，便可直观看出，在同一坐高下，不同百分位的人体所对应的人机三角形中的角度参数。如图6、图7所示。

为了简便操作，将上述图形进行函数拟合，得到如下系列公式。不同百分位人体所对应的人机三角形参数，均为坐高H30的函数。

根据上述公式，可快速定义出某坐高下，5、50、95三个百分位人体的人机三角形角度，进而确定其最佳转向盘中心点的位置。

表3列举了坐高200-360mm范围内，每隔10mm坐高不同百分位人体的人机三角形参数，仅供参考。如坐高非表中所示时，可由公式直接计算得出。

6 驾驶员对转向盘位置的需求

6.1 理想的转盘可调范围

对于单一车型，因其坐高为确定值，所以只需定义在该坐高下，不同百分位人体所对应的转向盘的最佳位置，其中50百分位所对应的转向盘位置为设计位置，作为整车硬点。如图8所示，通过作图法得出某坐高下5百分位、50百分位、95百分位的转向盘最佳位置。其中，5百分位的转向盘位置和95百分位的转向盘位置之间的区域即视为理想的可调范围。

6.2 实际的转向盘可调范围

转向盘是转向系统中的一个组件，转向盘与转向管柱装配连接，转向盘的调节实际上是由管柱的功能来实现的。早期产品的转向盘位置是固定的，随着人们对驾驶舒适性需求的提升，逐渐出现了角度调节，再后来又增加了轴向调节，且调节范围有越来越大的趋势。但由于受到仪表板结构、安全溃缩等诸多因素的影响，目前的转向盘（管柱）调节范围还不足以满足小人体和大人体所需的最佳位置，即可调范围不足。如图9所示，是某厂家转向盘（管柱）可实现的调节范围（前后伸缩总行程55mm，角度调节±3°），与人机最佳需求的对比。

由于人体自身具有一定适应性，即使调节范围不足，按正常方法设定的转向盘位置一般不会出现不可接受的情况（不可调节时都可接受），可调功能的出现以及可调范围的增大，实际上是让更多的人能找到自己的舒适位置，即适应性增大。如果可调范围是无限的，那么任意人体都可以匹配到最佳的转向盘位置。相信随着各项技术的升级，转向系统可以设计出调节范围更大的产品。

7 结语

通过对人机三角形的研究和重新定义，以及利用人体尺寸比例相同的特点，在不采用统计学的前提下，得到了不同人体的最佳转向盘位置，即驾驶员对转向盘可调范围的需求。上述方法简单有效，即可以用于指导转向系统的布置和设计，也可以用于竞品车型的逆向分析。在乘用车研发阶段，具有一定的应用价值。

参考文献：

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

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

[3]SAE J1516. Accommodation Tool Reference Point，1998.

[4]SAE J833.HUMAN PHYSICAL DIMENSIONS，1989.

[5]ISO 3411. Earth-moving machinery— Physical dimensions of operators and minimum operator space envelope，2007.

[6]GB/T 15759. 人體模板设计和使用要求， 1995.

[6]张仕亮，贾吉亮，胡胜华，顾全. 乘用车驾驶员关键操控件的系统性布置研究[J].时代汽车，总421期，2024 .