乘用車人體頭部包絡繪制方法

周俠

摘 要：在乘用車設計中，為直觀的表達車內頭部空間，普遍使用人體頭部包絡進行校核及分析，文章介紹了基于CATIA及UG軟件的人體頭部包絡的繪制方法，可以為廣大汽車工程師、學者、專家及汽車愛好者等提供參考。

關鍵詞：CAITA;UG;乘用車;頭部包絡;繪制方法

Abstract： To describe the space of interior of passenger car， head position contour is used in designing often. This paper introduces the drawing method of passenger head position contour based on CATIA and UG for engineer， expert， scholar and fan and so on.

Keywords： CATIA; UG;Passenger car; Head position contour; Drawing method

前言

在乘用車總布置設計中，為了保證車內空間能夠滿足駕乘人員的使用，引入頭部空間[1]這一指標。為更直觀的評價和校核頭部空間，用人體頭部包絡來表示駕乘人員的頭部范圍。根據SAE J1052的2002版本作為論述頭部包絡繪制方法的標準。

1 影響頭部包絡的因素

根據SAE J1052的2002版本標準的說明，影響頭部包絡的因素有三個：座椅的調節行程、采用的人體百分位及座椅的位置。

座椅的調節行程分為3種，即0mm，0到133mm，大于133mm。0mm及座椅固定，不能調節。不同的座椅調節行程對應的人體頭部包絡尺寸范圍不同，見表1。

人體百分位有兩種，即第95百分位和第99百分位，兩種人體百分位對應的人體頭部包絡尺寸范圍不同，見表1。

前排駕駛員和前排外側乘員的頭部包絡，會比其他乘員寬23mm，額外的23mm位于頭部包絡中心線處向外側擴展而來，見圖1。

2 頭部包絡中心點的確定

使用CATIA軟件進行頭部包絡的繪制時，首先需要確定頭部包絡的中心點，也即頭部包絡的定位點，以駕駛員為例進行說明。根據SAE J1052的2002版本標準的說明，頭部包絡也是一個橢球體，它的定位有兩種方法，一是相對眼橢圓[2]中心的位置，在X、Y、Z三個方向上移動一定的距離，得到頭部包絡的中心點，移動量如表2。這個方法需要先做出眼橢圓中心點。

第二種方法是，根據SAE J1052的2002版本標準中公式計算出頭部包絡的中心點坐標進行定位，這種方法不需要依賴眼橢圓。如圖2所示，為定位點的計算公式。

其中，δ=0.719*（A40）-9.6，Xh和Zh在表2內取值，L1為加速踏板踏點的X坐標，L6是加速踏板踏點與方向盤中心點的X向距離，H30是R點與踵點的Z向距離，t=0或者1（有離合踏板為1，無離合踏板為0），W20為R點的Y坐標，H8為踵點的Z坐標，δ為側視圖上看固定座椅眼橢圓的前傾角度，A40為座椅靠背角，H70為R點的Z坐標。

用第二種方法確定某車頭部包絡中心點。某車駕駛員座椅調節行程為200mm，所以選擇圖2中的公式1、2、3進行計算。另外，該車的L1=443.168，L6= 581.89，H30=242，t=0，W20=-355.5，H8=293。Xh和Zh在表2內取值，分別為90.6和52.6。根據公式1、2、3進行計算可得，頭部包絡橢球體中心點坐標為（1496.745，-355.5，983.6）。

3 使用CATIA軟件繪制頭部包絡

上述某車駕駛員的頭部包絡橢球體中心點確定好后，就可以繪制頭部包絡了。根據中心點坐標建一個點元素，并用球面命令，建立一個球體，取半徑為1mm，如圖3所示。

駕駛員采用第95百分位的人體，座椅調節行程為200mm，根據表1，取橢球體X、Y、Z軸長分別為211.25mm、143.75mm、133.5mm。點擊“仿射”命令按鈕，將橢球體3個軸長輸入到對話框，如圖4所示。點擊確定，此時頭部包絡橢球體已經繪制完成。

SAE J1052同時規定，對于可調節座椅，從側視圖上看，頭部包絡需向前12°。所以用旋轉命令，將橢球體向前旋轉12°，如圖5所示。

對于人體頭部包絡，橢球體下部將被舍棄，用分割命令，將下半部分切除，如圖6所示。

駕駛員人體頭部包絡還會向外擴展23mm。用橢球體的縱向對稱面，將上半橢球體分成左右兩個部分，并將左側部分向左平移23mm，如圖7所示。

最后通過橋接命令，將左右兩部分連接起來，駕駛員頭部包絡繪制完成，如圖8所示。

4 使用UG軟件繪制頭部包絡

UG軟件中具有專門的車輛設計自動化模塊，輸入人體坐姿參數就可以 繪制出相對應的人體頭部包絡，繪制過程相對于CATIA軟件更為方便，但使用CATIA軟件繪制人體頭部包絡有助于對人體頭部包絡的理解。點擊UG軟件工具欄的“車輛設計自動化”，再點擊里面的“眼橢圓”，即可開始繪制人體頭部包絡，且人體頭部包絡和眼橢圓可以同時生成。先建立車輛坐標系，如圖9所示，一般以（0，0，0）為坐標系原點，點擊“確定”。

在UG軟件中，有1997版、2002版、2010版的頭部包絡和眼橢圓標準版本，如圖10所示。由于行業中，使用2002版的較多，因此可以選擇2002版的標準，點擊“下一步”。

選擇“A類車輛”及人體的百分位，如圖11所示。“A類車輛”就是指乘用車，“B類車輛”是指貨車這類的商用車。人體百分位一般選擇95%，點擊“下一步”。

繼續選擇座椅滑軌行程、座椅位置、靠背角度及換擋類型等車輛參數，如圖12所示。駕駛員和前排座椅一般均為可調座椅，滑軌行程一般大于158mm或者根據實際選擇行程范圍;后排座椅很多是固定座椅，即座椅滑軌行程為0;靠背角一般為20°至30°;換擋類型一般為自動或者手動，自動換擋不帶離合器踏板。點擊“下一步”。

輸入人體坐姿參數，如BOF點（踏點）X坐標、R點X坐標、R點Y坐標、R點Z坐標、AHP點（踵點）Z坐標等，如圖13所示。點擊“下一步”。

繼續默認選擇頭頂間隙準則及顯示和輸出選項，可以直接點擊“下一步”，直至完成設置，生成頭部包絡和眼橢圓，如圖14和15所示。

可以點擊工具欄的“文件”，將生成的頭部包絡和眼橢圓進行“另存為”.igs文件。.igs文件可以在CATIA軟件中打開，實現數據共享，如圖16所示。

5 結語

使用CATIA和UG軟件均可繪制人體頭部包絡。使用CATIA軟件時，需注意前排外側乘員頭部包絡的做法與駕駛員相同;前排中間乘員和其他座位的乘員頭部包絡不需要向外側擴展23mm，固定座椅的乘員頭部包絡沒有12°的傾角，具體的頭部包絡橢球體尺寸和定位點，需根據人體百分位、座椅調節行程來確定，具體參考表1、表2和圖2得出。使用UG軟件時，只需要輸入車輛參數、人體坐姿參數等，即可繪制出人體頭部包絡，較為方便，且將結果通過生成.igs文件，可以在CATIA軟件中使用，可以提高繪制效率。

參考文獻

[1] SAE J1052 Motor vehicle driver and passenger head position[s]. 2002：2.

[2] SAE J941 Motor vehicle drivers eye locations[s].2002：1.