基于數字人體模型舒適性的越野車駕駛員區(qū)域布置

祁磊，董鵬，劉星星

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710000）

前言

利用汽車車身設計方法和人機工程學理論，根據GB100 00-88中人體數據，利用Pro/E軟件Manikin人機工程模塊提供的數字人體模型，進行越野汽車駕駛員區(qū)域布置。具體工作內容如下：

（1）生成數字人體模型，并構成舒適的駕駛姿態(tài)；

（2）按H點理論，安置駕駛員座椅；

（3）布置操縱踏板，踏板應放置在符合腳操作舒適區(qū)內；

（4）以操縱踏板為基準，將5th男性模型予以布置，此時該人體模型的H點就是座椅最前調整點；

（5）根據5th和95th的人體模型布置兩個合適的方向盤位置；

（6）布置換擋手柄位置，使其同時處于5th和95th人體的舒適操縱區(qū)域內；

（7）完成駕駛員區(qū)域初步布置。

1 人體模型

表1 中國成年男子（18—60歲）身高百分位數值

該型越野汽車是提供給特定用戶使用的一種重型越野卡車，使用人群均為成年男性，故在H點布置時，不考慮第5百分位的成年女性，僅分析標準GB10000-88中18—60歲成年男子人體身高的人體模型，如表1所示。

隨著經濟社會的不斷發(fā)展，我國成年男子人體平均身高一直增長。根據 GB10000-88表查得成年男子平均身高最高的是我國東北地區(qū)，身高平均值為 X＝1693mm，標準差 S為56.6，比較接近目前我國成年男子平均身高1697mm，故以第5百分位為下限和第95百分位為上限，變換系數K值根據5%查得1.645。則根據估算公式，得：

第5百分位數值為：

Pv=X-(SK)=1693－（56.6×1.645）=1599.9mm

第95百分位數值為：

Pv=X+(SK)＝1693＋（56.6×1.645）＝1786.1mm

2 人體模型的舒適駕駛姿勢

駕駛員處于舒適駕駛姿勢時，身體各關節(jié)的角度一般在一定的范圍內。根據各國研究結果，駕駛員舒適坐姿下的關節(jié)角度范圍如下表所示。

表2 駕駛員舒適坐姿下的關節(jié)角度范圍

將駕駛員簡化為二維人體模型并建立如圖1所示的坐標系。

圖1 人體坐姿二維模型及坐標系

設AHP點的坐標為（XAHP,ZAHP），H點的坐標為（XH，ZH），以 AHP點的坐標為坐標系的參考點，則 H點相對于AHP點的坐標值為：

3 駕駛員H點優(yōu)化

由圖1可知H點坐標（XH，ZH）相關的人體關節(jié)角度為a、a3、a4、a8、a9，其中a是固定值。由幾何關系可知：

在確定H點位置的時候，腳踏板傾角a8非常重要。考慮到駕駛員的舒適性，令a8=42°。

大腿軸線與水平線的夾角 a9主要影響駕駛員大腿的體壓分布，由于重型車座椅H點相對轎車H點高度較高，所以為了減輕座椅面對駕駛員大腿的壓力，一般會取一個較小的角度。這里令a9=3°。

由表 2 可知，a3∈[95°,135°]、a4∈[71.5°,98.5°]，為了保證駕駛員各關節(jié)均在舒適范圍內，由式（4-1）得 a3∈[114.5°，135°]、a4∈[71.5°，92°]。L3、L4、L10 分別為駕駛員膝關節(jié)到H點的長度、膝關節(jié)到踝關節(jié)點的長度、踵點到踝關節(jié)點的長度。由《汽車人機工程學》中提供的人體尺寸比例關系及GB10000-88可得所需參數的值。

利用 Matlab進行仿真得到舒適坐姿下基于中國人體特征的最佳H點位置范圍，如圖2所示，藍色曲線為5th駕駛員的最佳H點位置范圍；紅色曲線為95th駕駛員的最佳H點位置范圍。

圖2 駕駛員的最佳H點位置

4 操縱踏板和駕駛員座椅的布置

根據選定的踏板角度a8和AHP點，布置油門踏板位置。

圖3 踏板和座椅布置

圖4 座椅調節(jié)行程和安裝高度

對于可調節(jié)座椅來說，座椅參考點SgRP點是指將座椅調整到最后位置時95th男性駕駛員坐在上面的H點位置。根據最終確定的H點位置布置座椅。按95th人體模型布置的踏板和座椅如圖3所示。

生成18-60歲5th男性舒適駕駛姿態(tài)的數字人體模型，以制動踏板為基準，將人體模型予以布置安裝，此時人體模型的H點就是座椅最前位置，根據座椅的調節(jié)行程可確定座椅的安裝高度。如圖4所示。

5 方向盤位置

方向盤的布置參數包括方向盤中點的位置、方向盤傾角、方向盤直徑等。設方向盤中點的坐標為（XW，ZW），座椅H點的坐標為（XH，ZH），如圖 1所示，則方向盤中心相對于H點的坐標為：

由表 2 可知，a1∈[3o,20o]、a5∈[0o,50o]、a6∈[80o,130o]、a7∈[170o,190o]，L2、L5、L6、L7分別為駕駛員肩關節(jié)到 H點的長度、肩關節(jié)點到肘關節(jié)點的長度、肘關節(jié)點到腕關節(jié)點的長度、腕關節(jié)點到手心的長度。由《汽車人機工程學》中人體尺寸比例關系及 GB10000-88可得出不同年齡段男性的人體參數，如表3所示。

表3 人體參數

由于變量 a1、a5、a6、a7是相互獨立的，所以可以在這四個變量處于各自極限值時求得 XWH與垂直距離 ZWH的極值。從圖1易知，當a1=20o、a5=0o、a6=80o、a7=170o時為駕駛員的手掌中心處在各關節(jié)舒適角度范圍內離開身體最近的位置，所以此時XWH取得最大值XWHMAX。用相同方法可以得到 XWHMIN、ZWHMAX、ZWHMIN。同時求得 a1、a5、a6、a7在各自舒適角度中間值時XWH與ZWH的值，結果如表4所示。

表4 方向盤中點相對于H點的取值范圍

由表 4 可知，XWH5∈[-472,-189]、XWH95∈[-523,-208]、ZWH5∈[98,595]、ZWH95∈[111,661]、所以駕駛員在舒適坐姿下，方向盤中心點相對于 H點的位置：XWH∈[-472,-189]、ZWH∈[98,595]。此結果并不意味著方向盤可以布置在舒適范圍內的任意位置，還要受到駕駛員視野等條件的約束。

6 換擋操縱桿和手制動桿的布置

操縱桿的布置是基于駕駛員的手伸及界面完成的，另外GB15705-1995中規(guī)定，變速桿手柄在所有工作位置時，應位于轉向盤下面和駕駛員座椅右面，不低于座墊表面.在通過R點橫向垂直平面之前，而在投影平面上距a點(a點為R點在水平面上的投影)<600(如圖5陰影線所示范圍)。

圖5 換擋桿位置

將本車的換擋桿手柄和手制動操縱桿布置在駕駛員右側合適區(qū)域內，布置結果如圖6所示。

圖6 操縱手柄布置結果

至此，基于數字人體模型舒適性的駕駛員區(qū)域布置已基本完成，再經過整車布置、人機工程校核之后，會得到更為詳細的駕駛室硬點尺寸。

7 本文不足

本文介紹的駕駛員區(qū)域布置方法僅考慮了數字人體模型的舒適性，并未結合視野、操作方便性及手觸及范圍，有一定的局限性，在實際人機工程布置時，還需根據結合其他約束條件。

參考文獻

[1] 黃金陵,龔禮洲,葛安林.車身布置中H點的優(yōu)化.[J]汽車工程 2000.06.368-372.

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