乘員艙區域模塊化設計思路

王玉龍，翟文濤，宋必文，畢雅荃

乘員艙區域模塊化設計思路

王玉龍，翟文濤，宋必文，畢雅荃

（嵐圖汽車科技有限公司，湖北 武漢 430050）

上車體特別是乘員艙區域，是平臺化模塊化開發的薄弱環節，經驗較少。文章通過深入分析乘員艙區域的關鍵零部件設計開發的主要影響因素，并結合ESSA平臺架構對后續車型開發的實際影響，在實際解決了一系列乘員艙區域系列化布置問題后，總結出了乘員艙區域模塊化設計的一般開發流程、關鍵硬點及主要影響因素。這為平臺下系列車型后續開發的連續性，零部件布置的通用性及車型演變過程中乘員艙區域的帶寬調整提供了有力的支撐。同時這也是平臺化模塊化在乘員艙區域開展的有益的探索，為上車體的模塊化布置提供了一些思路。

乘員艙區域；模塊化布置；人機工程；開發流程

自從大眾將平臺架構的概念普及以來，各主機廠新開發車型基本都宣稱基于某平臺架構或新開平臺架構開發。然而平臺化雖然能大幅度提高零部件的通用化率，降低零部件的成本，降低試驗周期及整車開發周期，但也有不能回避的問題。比如當平臺架構下整體的銷量過低時，整車成本無法降低，反而會增加；當某個通用化零件出現故障時，面臨召回的車型會涉及平臺下的所有車型等。另外，平臺化車型導致了不可避免的套娃特征，比如大眾MQB，MEB平臺整體的造型風格越來越趨于一致，使消費者產生審美疲勞，這需要平臺架構開發重點規避[1]。

基于以上情況，模塊化布置逐漸被引入到平臺架構開發上。模塊化布置明確了同一模塊的零部件的功能定義、幾何尺寸帶寬限制，幾何接口，以及功能輸入、輸出接口特征等信息。將消費者看不到的地方或不關注的地方盡量通用化，而將消費者關注的地方，盡量差異化或模塊系列化，僅保證其基本接口或基本功能的一致性。

目前，模塊化布置主要集中在動力總成、底盤懸架、轉向、制動區域，而在乘員艙區域開展的較少。本文將重點探討消費者重點關注的乘員艙區域在平臺開發前期，乘員艙內關鍵零部件特別是駕駛員使用的關鍵操縱件是如何實現兼容不同類型車型的模塊化布置的。

1 乘員艙區域模塊化設計基本流程

乘員艙區域模塊化設計是整個平臺架構模塊化設計的一部分，而平臺架構及覆蓋的車型規劃則由商企及策劃部門經過市場調研及未來預測輸出的結果。

前期商企、策劃的主要輸入包括整車軸距、輪距、長、寬、高等基本尺寸范圍；動力總成形式主要參數、底盤基本形式及主要性能參數；座椅、車門、天窗、輪輞等關鍵外觀件基本特征及尺寸；以及安全、自動駕駛等級、加速制動性等關鍵的性能目標。有了這些基本的輸入總布置就可以接手開展具體的架構布置分析了。

平臺架構在接收到商企、策劃的輸入后，開展詳細的模塊化布置分析、關鍵尺寸帶寬分析，同時也會將乘員艙內關鍵硬點、核心部件的模塊化策略逐步確定和落地。乘員艙區域內的工作大致分為兩個部分：人體的模塊化布置及乘員艙內關鍵指標的帶寬設定、關鍵操縱件的模塊化布置等。操縱件的布置一般是在人體的模塊化布置完成后進行，并和操縱件模塊化布置進行迭代。

人體關鍵硬點特別是駕駛員人體硬點，是乘員艙區域設計的基準。盡量減少駕駛員硬點的類型將大大有利于后期平臺特別是乘員艙區域的模塊化工作。大致思路如下：

1.結合對標確認駕駛員坐姿的基本種類

駕駛員姿態的設定根據SAEJ1100、SAEJ826、SAEJ4004的相關說明或公司內部的設定規范確定。根據系列車型的需求，首先確定H30-1的基本種類：Seden設定為220 mm～280 mm；運動型多用途汽車（Sport Utility Vehicle,SUV）設定為280 mm～330 mm；多用途汽車（Multi-Purpose Vehicles,MPV）設定為330 mm～360 mm[2]。H30-1的種類基本決定了該架構平臺駕駛員坐姿的種類。然后分別根據相關公式，計算出對應的L99-1的結果[3]。如無特殊約定，一般將A40-1（靠背角）設定為25°，A46-1（踝關節角）設定為87°，這樣系列車型的駕駛員的坐姿基本就確定了。

2.人體在整車的位置及在不同車型上的演化

結合實際平臺架構開發經驗，通過同一平臺下不同車型間駕駛員姿態的演變可知：應盡量保證駕駛員的踏點方向位置一致，踵點方向一致。所以對同一類型車駕駛員的姿態應一致，不同類型車在踏點方向，踵點方向一致的基礎上匹配調整駕駛員坐姿。這樣系列化的設定基本保證了乘員艙內零部件的模塊化設定盡量多的共用[4]。

3.結合人機目標、尺寸鏈、硬點斷面分析確定模塊化設定的人體模塊的帶寬及可行性

將前期基本確認的模塊化的人體位置結合系列車型的定位，按、、三個方向通過關鍵位置的尺寸鏈并結合硬點斷面確認帶寬的合理性。從而保證后續車型開發中硬點、目標、帶寬的正確合理，降低開發成本。

上述工作完成后，就可以開展乘員艙內操縱件的模塊化布置了。

2 關鍵操縱件的模塊化布置

關鍵操縱件布置流程是：首先收集足夠的信息，包括人體位置、零部件自身的借用情況、關鍵特性目標要求、零部件的通用化目標、配接策略等。前期收集的信息越多，后期布置方案的變化就越少。模塊化布置需要考慮平臺下所有車型的需求，零部件布置要求就會成倍增加。根據收集到的信息，參考對標車情況，結合現有的布置規范則可以初步完成零部件的模塊化布置。這個過程往往會和前期設定的人體位置有較多的交互，逐步固化。主要零部件布置完成后再通過虛擬校核和仿真確認。最后進行裝車或路試等實物驗證確認。

3 踏板模塊化布置流程及設定基本原則

1.基于平臺策略、借用件情況確定零部件通用化策略、配接策略

（1）加速踏板。首先需確定形式，懸掛式加速踏板或臥式加速踏板。以ESSA平臺為例，基于通用化策略，為保證加速踏板可以更容易地匹配不同車型，同時考慮車型定位，及現有可用資源，選取臥式加速踏板。配接則是通過支架將不同車型的加速踏板和地板連接。其次，如果需要新開發，對于總布置來說，需要提出長、寬、角度等加速踏板基本參數供專業新開加速踏板用。最后經過交互確認加速踏板的通用化策略及配接策略的可行性。

（2）制動踏板。對于制動踏板，由于不同平臺下制動主缸或one box的位置不同，以及不同平臺下布置人體相對制動主缸或one box的位置差異較大，很難完全共用不在一個平臺下的現有制動踏板，一般對于一個新開發的平臺，需要重新開發一套制動踏板。制動踏板開發前和總布置直接相關的參數，如踏板面的尺寸，踏板行程，以及專業關注的踏板比、助力器推桿行程等參數提供后，結合布置的人體及周邊環境數據，可以初步完成大致的制動踏板數據。制動踏板一般分為制動踏板支架、制動踏板臂、制動踏板面3塊。一般制動踏板支架、制動踏板面可以共用。制動踏板臂需根據實際需求重開。制動踏板一般直接和前圍板配接。同一個平臺下，一般要求配接位置完全一致，這樣就可以保證前圍板該位置的一致，以及one box或制動主缸在整車上位置的一致，從而提高通用化率[5]。

2.基于人體位置，按通用化策略及布置要求將系列車型的踏板布置完成

結合前期確定的踏板組的初步數據、通用化策略及配接策略，結合設計規范及經驗同步對平臺下系列車型進行踏板組的布置。以ESSA平臺為例，初步設定的方案是將制動踏板、加速踏板的向相對整車的位置在整個平臺保持不變，并確認不同位置的人體和踏板相對關系的合理性。如圖1、表1所示。然后根據設計規范適當調整踏板對應的角度來適配具體車型。

圖1 踏板組和人體關系示意圖

3.虛擬、實物驗證確認后鎖定方案

平臺下系列車型的踏板組布置完成后，后期主要通過人機臺架驗證其舒適性；整車數據完成后的數字樣機（Digital Mock Up, DMU）校核確認其和周邊環境的關系，同時需要零部件廠家確認其自身的性能、強度、溫度等目標是否達標。該過程往往因為前期分析不到位而導致反復，因此，應在前期布置的過程中把相關需要考慮到的因素考慮到位，減少方案的反復調整。

4 轉向系統模塊化布置流程及設定基本原則

1.基于平臺策略、借用件情況確定零部件通用化策略、配接策略

對于乘員艙內的轉向系統，其包含的部件主要有轉向柱（包含上轉向軸、上柱管、調節機構、安裝支架、下轉向軸），中間軸總成以及轉向下軸帶連接節叉。為降低開發成本，往往優先考慮現有資源的基礎上的修改借用。

結合總布置提供的調節行程的需求，安全對潰縮距離的要求，平臺轉向機的位置，專業對轉向系統自身剛度、固有頻率以及重量成本等的需求，前期選型確定在哪一款現有產品上修改借用。然后初步確定零部件的通用化策略目標：對于ESSA，首先要保證轉向柱的通用性，僅通過調節下轉向軸的尺寸來適配不同車型的需求。其次是中間軸，由于中間軸長度本身在250 mm～280 mm的范圍內是可以共用的。因此，初步確定不同車型中間軸的長度在該范圍內變動，保證中間軸總成共用的策略。轉向下軸及連接節叉總成，則需保證連接節叉的共用，通過調整轉向下軸的尺寸來適配不同車型。配接策略則主要保證和轉向機的配接所有平臺下車型的完全一致，和汽車橫梁（Car Cross Beam, CCB）的配接，配接結構完全一致，不同車型下通過調整CCB帶轉向柱支架的位置來保證該位置轉向柱配接的一致性。至于和組合開關、方向盤的配接同CCB的配接策略一致。

2.基于人體位置，按通用化策略及布置要求將系列車型的轉向系統布置完成

結合前期確定的轉向系統的初步數據、通用化策略及配接策略、設計規范及經驗同步對平臺下系列車型進行轉向系統的布置。結合ESSA平臺，初步設定的方案是轉向柱向位置隨不同車型人的W20-1統一調整，保證向和人體的一致性，然后根據經驗公式計算出不同車型下方向盤硬點及方向盤傾角的范圍。并需滿足下面的主要要求：

（1）轉向柱、中間軸總成及轉向下軸的結構可行性：這三個軸的長度都有一個可行的范圍，需滿足長度要求；

（2）轉向柱力矩波動要求：一般要求力矩波動范圍應小于5%；

（3）轉向柱剛度、模態要求：一般自身的垂向和側向模態應大于55 Hz；

（4）方向盤和人體的距離要求：方向盤到駕駛員座椅的距離一般建議轎車應大于160 mm，SUV應大于180 mm；

（5）潰縮距離要求：轉向柱應保證安全需要的潰縮距離；

（6）間距要求：應保證轉向柱及其運動包絡和周邊儀表板、CCB等零件有足夠的運動間隙；

（7）駕駛員安全氣囊（Driver Air Bag, DAB）爆破空間要求：應保證方向盤到安全假人的距離有足夠的DAB爆破空間；

（8）裝配維修要求：轉向系統的裝配維修空間應滿足要求；

（9）組合儀表盲區要求：方向盤及轉向柱護罩引起的組合儀表盲區應滿足人機目標等。

根據上述策略及關鍵要求的限制，結合平臺下不同車型的人機硬點可以初步確認轉向系統的系列布置方案，如圖2、表2所示。

由于轉向柱系統周邊的零部件多，因此，特別需要在前期平臺化車型上布置時慎重分析，從而減少后期因細節調整導致周邊數據甚至是人體布置的變動。

圖2 轉向系統和人體關系示意圖

表2 轉向系統和人體關系的關鍵尺寸 單位：mm

3.虛擬、實物驗證確認后鎖定方案

平臺下系列車型的轉向系統布置完成后，后期主要通過人機臺架驗證其舒適性；整車數據完成后的DMU校核確認其和周邊環境的關系，同時需要零部件廠家確認其自身的性能、強度、噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）模態情況、重量等目標是否達標。轉向系統在整個儀表板內甚至是乘員艙內都是一個特別重要的零部件，且和周邊件的交互非常多，后期驗證出現問題往往代價巨大。

5 操縱件模塊化布置中的問題及解決

1.碰撞時制動踏板在乘員艙的侵入量大問題

由于REV車型乘員艙內發動機和智能集成制動系統（one box）的布置相對關系不太合理，后期碰撞仿真中發現前碰過程中電機撞擊one box，導致防火墻及腳踏板侵入到乘員艙的量超標。安全給出的解決措施是one box上抬20 mm。該問題直接原因是電機和one box布置相對關系不合理。但由于電機位置無法在發生問題的時間再做調整，因此只能抬高one box來增加相對間距。對于沒有抬頭顯示系統（Head Up Display, HUD）配置的車型，該方法可行，但對于有HUD配置的車型，由于制動踏板和HUD間距本身就不充足，因此，不能抬高。經過反復討論提出了增加防竄鉤并且局部修改鈑金結構的方案。如圖3所示，細桿就是改善侵入量的防竄鉤裝置。對于這類其他區域對乘員艙的影響，前期不太容易發現。因此，需要在布置過程中，適當留有一些布置余量，來消化后期修改的空間需求。

圖3 制動踏板防竄鉤示意圖

2.制動踏板拆卸不方便問題

在前期制動踏板布置時，由于環境條件不足，不能很好地確認其拆卸維修的空間需求。但是在環境數據完善后發現問題的時候，修改的成本和代價往往比較大，只能采用折中的方案去改善。因此，應注意收集可能出現問題的地方，在前期布置時盡量壓縮可能影響裝配的零件的結構空間。對于ESSA，由于前期未預留HUD的布置空間，且后期增加了防竄鉤的要求，使得制動踏板的上固定點拆卸路徑被HUD擋住，拆卸拿出的路徑被防竄鉤擋住。修改前需要拆卸掉整改儀表板才能把制動踏板拆卸掉。后期經過反復論證，做了如下優化，防竄鉤位置調整，保證拆卸路徑不被遮擋，如圖4所示。HUD周邊儀表板（Instrument Panel, IP）分件，保證HUD可以在不拆卸儀表板的情況下先拆卸掉。這樣就把拆卸上固定點的空間留出來了。整體來說這也屬于一個讓步方案，如果前期考慮到的話，應盡量把制動踏板的上固定點調整到合適的位置，防止被HUD遮擋。

圖4 制動踏板拆卸示意圖

3.轉向柱安全距離不足的問題

在整車概念數據完成后安全反饋方向盤到安全假人的距離不足，會導致DAB爆破時對人的胸部沖擊較大。且轉向柱的裝配在整車上的潰縮距離沒有達到安全前期≥60 mm的要求，更加劇了該傷害的狀況。由于轉向柱系統硬點的調整涉及范圍較大，特別是對于ESSA平臺本來就由于大屏的盲區問題已經將轉向柱和 CCB的距離壓縮到了極限。結合斷面分析基本上5 mm的調整量也無法做到，而且也影響了模塊化轉向柱和CCB配接的一致性策略。鑒于此，經過反復論證，做出了如下方案不調整方向盤硬點，而是調整人體硬點的狀態，減小R點前的調節行程10 mm，并增加 R點后的調節行程10 mm。同時通過修改轉向柱模具將轉向柱裝配到整車中的潰縮距離做到了60 mm，如圖5所示。經過仿真確認，按此方案修改的狀態基本滿足安全的要求。

圖5 轉向柱修改件爆炸圖

其他如重量增大導致的制動踏板杠桿比不滿足要求的問題、制動踏板臂在駕駛時有和腳干涉的風險、加速踏板和周邊匹配的美觀性問題、轉向柱和轉向機裝配空間不足問題，轉向柱調節手柄間距不足的問題，轉向柱和護罩的安全距離不足的問題，轉向柱自身模態不足的問題、方向盤位置導致的組合儀表盲區問題、方向盤到駕駛員的氣囊爆破空間不足等問題，都需要在零部件模塊化布置時提前分析并規避。

6 總結

本文結合ESSA架構開發，對乘員艙內的人機硬點系列化設定，特別是乘員艙內關鍵操縱件的模塊化布置提出了基本開發流程思路、重點需要考慮的因素以及開發過程中發生的重點問題的解決措施做了詳細的分析。這也為新的平臺車型開發中乘員艙區域的平臺化、模塊化的布置工作提供了一些經驗和思路。

[1] 王君,莫冬秀.乘用車開發平臺化模塊化的淺析和構想[J].裝備制造技術,2014(6):154-156.

[2] SAE. Motor Vehicle Dimensions:J1100[S].New York: SAE International,2009.

[3] SAE. Devices for Use in Defining and Measuring Vehicle Seating Accommodation:J826 [S].New York: SAE International,2021.

[4] 任金東.汽車人機工程學[M].北京:北京大學出版社, 2010.

[5] 黃向東,陳上華,曾慶洪,等.高拓展性模塊化車身架構的研究和應用[J].汽車工程,2016,38(9):1101-1106.

The Modularized Design and Problem Solving in Compartment Area

WANG Yulong, ZHAI Wentao, SONG Biwen, BI Yaquan

( VOYAH Automobile Technology Company, Wuhan 430050, China )

The development in compartment area is normally weak part during the platform modular development and have less experience. In this paper, through in-depth analysis of the main factors affecting the development of the key components in compartment area, combined with the actual impact of the ESSA platform architecture on the development of subsequent cars, after actually a series of problems solving in the serial layout of the compartment area, it summarizes the general development process, hard points and main influencing factors of the modular design of compartment area. This provides a strong support for the continuity of the subsequent development of the series of cars under the platform, the versatility of component layout and the bandwidth adjustment of the compartment area during the evolution of the cars. At the same time, this is also a beneficial exploration of platform modularization in compartment area, which provides some ideas for the modular layout of the upper body as well.

Compartment area; Modularized layout; Ergonomics;Develepment process

U463.8

A

1671-7988(2022)24-73-06

U463.8

A

1671-7988(2022)24-73-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.013

王玉龍（1987—），男，工程師，研究方向為乘用車人機工程、乘用車上車體布置，E-mail:h-wangyl@ voyah.com.cn。