溜背車(chē)型后排乘員頭部空間的優(yōu)化設(shè)計(jì)

戴曉燕，余潮鋒

溜背車(chē)型后排乘員頭部空間的優(yōu)化設(shè)計(jì)

戴曉燕，余潮鋒

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 汽車(chē)工程研究院，廣東 廣州 511434）

目前越來(lái)越多的溜背車(chē)型推出市場(chǎng)，后排乘員的頭部空間設(shè)計(jì)面臨空前挑戰(zhàn)。現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外普遍采用最新的SAE J1100—2009標(biāo)準(zhǔn)以及全球汽車(chē)制造商信息交換組織2011年的工程圖標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于乘員后方的頭部空間均沒(méi)有有效控制的指標(biāo)。為了解決這一不足，論文提出了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在美國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)（SAE）定義的4個(gè)乘員后排后方頭部空間的客觀指標(biāo)基礎(chǔ)上，引入了一個(gè)新增指標(biāo)61-（后排座椅靠背角對(duì)應(yīng)的有效頭部空間），替代原有指標(biāo)L39。通過(guò)一個(gè)新車(chē)型開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)實(shí)例，說(shuō)明了這一方法的有效性，對(duì)整車(chē)人機(jī)工程開(kāi)發(fā)具有十分重要的意義。

溜背車(chē)型；SAE；頭部空間；人機(jī)工程；優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

近年來(lái)，溜背式設(shè)計(jì)被越來(lái)越多的車(chē)型采用，使車(chē)型美觀度得到顯著提升，創(chuàng)造出更加理想的銷(xiāo)售業(yè)績(jī)[1]。但是這種設(shè)計(jì)對(duì)乘員乘坐空間的影響不容忽視。乘坐空間作為汽車(chē)內(nèi)部空間設(shè)計(jì)的核心部分，占據(jù)了50%～80%的內(nèi)部空間[2]。乘員頭部空間是評(píng)價(jià)乘員內(nèi)部空間尺寸的重要指標(biāo)之一，它直接影響客戶(hù)對(duì)車(chē)輛的空間感受[3]。

如何兼顧造型美觀性及人機(jī)工程舒適性，是溜背車(chē)型設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)。為了更直觀地評(píng)價(jià)和校核頭部空間，用人體頭部包絡(luò)來(lái)表示駕乘人員的頭部范圍[4]。頭部包絡(luò)在整車(chē)坐標(biāo)系下的定位，是在汽車(chē)內(nèi)部描繪出駕駛員及成員在舒適的乘坐狀態(tài)下頭部活動(dòng)范圍[5]。

目前業(yè)內(nèi)普遍采用美國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)（Society of Automotive Engineers, SAE）在其標(biāo)準(zhǔn)SAE J1100—2009[6]和全球汽車(chē)制造商信息交換組織（Global Cars Manufacturers Information Exchange Group, GCIE）2011年的工程圖標(biāo)準(zhǔn)[7]，對(duì)頭部空間的定義來(lái)表征乘客的頭部與頂棚之間的空間大小。但是實(shí)際車(chē)型開(kāi)發(fā)中已有定義并不能完全表征乘員對(duì)頭頂周邊空間的感受，常需要到人機(jī)模型驗(yàn)證階段才能發(fā)現(xiàn)頭部空間不足的問(wèn)題。而要解決這個(gè)問(wèn)題，需要更改頂棚造型、鈑金結(jié)構(gòu)及頂蓋外造型，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)工作的反復(fù)，嚴(yán)重影響車(chē)型的開(kāi)發(fā)進(jìn)度。若是車(chē)型開(kāi)發(fā)決策者基于時(shí)間進(jìn)度的考慮，不同意整改，將產(chǎn)品直接推向市場(chǎng)，則給用戶(hù)帶來(lái)不好的體驗(yàn)。

本文從用戶(hù)體驗(yàn)的角度出發(fā)，提出一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合實(shí)車(chē)評(píng)價(jià)驗(yàn)證了有效性。

1 頭部空間

SAE J1100—2009對(duì)頭部空間的定義包括有效頭部空間、側(cè)向頭部間隙、斜向頭部間隙、垂向頭部間隙等多種維度。

本文研究的溜背車(chē)型后排頭部空間，因?yàn)檐?chē)輛頂蓋后端的下壓效果，關(guān)鍵點(diǎn)在于乘員頭頂正上方以及后腦勺附近的空間大小，本文統(tǒng)一稱(chēng)為后排后方頭空。SAE J1100—2009中與其有關(guān)的尺寸共有4個(gè)，均在乘員中心平面內(nèi)測(cè)量，分別為61、46、47和39。

為了表述清晰，本文用表示SAE 95%人體頭部包絡(luò)在乘員中心平面內(nèi)的截面。

61是沿垂直方向向后8度線的方向上，座椅參考點(diǎn)（Seating Reference Point, SgRP）到頂棚或遮陽(yáng)簾的距離加上102 mm得到的數(shù)值，如圖1所示。

圖1 H61定義示意圖

46是截面垂直向上移動(dòng)至與內(nèi)飾相切時(shí)的移動(dòng)量，若與內(nèi)飾干涉，則記負(fù)值。47是截面與內(nèi)飾的最小距離，若與內(nèi)飾干涉，則記負(fù)值。39是截面與后窗裝飾件最低水平切點(diǎn)的最小距離，若與內(nèi)飾干涉，則記負(fù)值。如圖2所示。

圖2 H46 H47及L39定義示意圖

2 后排后方頭空設(shè)計(jì)流程

在新車(chē)型的正向開(kāi)發(fā)中，乘員的頭部空間大小是需要在車(chē)型開(kāi)發(fā)的初期階段就明確設(shè)定的客觀指標(biāo)。一個(gè)典型的頭部空間設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)流程圖如圖3所示。

在項(xiàng)目預(yù)研階段，產(chǎn)品規(guī)劃部門(mén)根據(jù)車(chē)型的產(chǎn)品定位輸出頭部空間的商品性目標(biāo)，通常使用“L”“T”“A”“B”來(lái)分別代表“超好”“最好”“相當(dāng)”和“最差”水平。

在概念設(shè)計(jì)階段，人機(jī)工程師需確定輸出頭部空間的目標(biāo)值。主要通過(guò)掃描對(duì)標(biāo)車(chē)內(nèi)外表面及座椅行程、人機(jī)坐姿等，測(cè)量對(duì)標(biāo)車(chē)型頭部空間的客觀數(shù)值，再根據(jù)規(guī)劃部門(mén)輸入的商品性目標(biāo)來(lái)確定頭空的目標(biāo)值。進(jìn)而轉(zhuǎn)化為三維（Three Dimensions, 3D）數(shù)據(jù)輸出至造型，作為工程與造型的設(shè)計(jì)交流工具，用于約束造型面的開(kāi)發(fā)[8]。

在造型設(shè)計(jì)階段，造型數(shù)據(jù)發(fā)布后，人機(jī)工程師需分析數(shù)據(jù)是否符合目標(biāo)。當(dāng)不滿(mǎn)足目標(biāo)時(shí)，需反饋造型部門(mén)修改，直到造型數(shù)據(jù)滿(mǎn)足人機(jī)目標(biāo)后，才能進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。

圖3 頭部空間設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)流程

3 后排后方頭空的設(shè)計(jì)實(shí)例

下面以一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明后排乘員后方頭部空間的具體設(shè)計(jì)方法。

3.1 按現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)分析的后排后方頭空設(shè)計(jì)

第一步，根據(jù)產(chǎn)品定位以及對(duì)標(biāo)車(chē)型的客觀數(shù)據(jù)，確定了A車(chē)型的后排后方頭空的目標(biāo)值，如表1所示。

表1 A車(chē)型后排后方頭空目標(biāo)設(shè)定表 單位：mm

H61H46H47L39 目標(biāo)≥910≥5≥5≥70

第二步，在CATIA里將目標(biāo)轉(zhuǎn)化成3D數(shù)據(jù)，因?yàn)橹笜?biāo)本身定義的緣故，47和39無(wú)法直接表示，僅輸出了61和46這兩個(gè)指標(biāo)作為造型數(shù)據(jù)的約束，如圖4所示。

第三步，在造型設(shè)計(jì)階段，造型工程師輸出了兩個(gè)頂棚方案，如圖5所示，下方頂棚線為方案一；上方頂棚線為方案二。

兩個(gè)方案的頂棚線均在約束線之上，滿(mǎn)足目標(biāo)要求。不能用約束表達(dá)的47和39，分析校核結(jié)果如表2所示，也均滿(mǎn)足目標(biāo)要求。而且在61、46和47這三個(gè)指標(biāo)數(shù)值完全相同的情況下，方案一的39更大，方案一明顯更優(yōu)。

圖4 A車(chē)型后排后方頭空3D約束示意圖

圖5 按現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)分析的頂棚方案分析示意圖

表2 按現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)分析的后排后方頭空對(duì)比表 單位：mm

H61H46H47L39 方案一9105582 方案二9105572

第四步，按此分析結(jié)論，推薦采用方案一的凍結(jié)頂棚造型。

3.2 優(yōu)化的后排后方頭空設(shè)計(jì)

本文引入一個(gè)新增指標(biāo)61-，后排座椅靠背角對(duì)應(yīng)的有效頭部空間，替代指標(biāo)39。具體測(cè)量方法：在乘員中心平面內(nèi)，過(guò)SgRP沿垂直方向向后度線的方向上，SgRP到頂棚的距離加上102 mm得到的數(shù)值。如圖5所示。

圖6 H61-K定義示意圖

第一步，新增61-指標(biāo)，替代39。根據(jù)商品性目標(biāo)A，以及幾個(gè)對(duì)標(biāo)車(chē)型的61-客觀數(shù)據(jù)的平均值，確定A車(chē)型的61-目標(biāo)值≥950 mm，優(yōu)化后的后排后方目標(biāo)設(shè)定表如表3所示。

表3 優(yōu)化的后排后方頭空目標(biāo)設(shè)定表 單位：mm

H61H46H47H61-K 目標(biāo)≥910≥5≥5≥950

第二步，輸出3D約束，如圖7所示。

第三步，校核分析結(jié)果如圖8和表4所示。

圖8 優(yōu)化的后排后方頭空分析示意圖

表4 優(yōu)化分析的后排后方頭空對(duì)比表 單位：mm

H61H46H47H61-K 方案一91055937 方案二91055956

方案一頂棚線不滿(mǎn)足目標(biāo)要求，方案二頂棚線滿(mǎn)足要求。

第四步，推薦采用方案二凍結(jié)頂棚造型。

3.3 模型驗(yàn)證

兩個(gè)方法得到完全不同的結(jié)論，為了驗(yàn)證到底哪個(gè)方案更優(yōu)，制作了兩個(gè)方案對(duì)應(yīng)的頂棚樣件，在人機(jī)模型上進(jìn)行靜態(tài)主觀評(píng)價(jià)。

人機(jī)靜態(tài)主觀評(píng)價(jià)是汽車(chē)靜止?fàn)顟B(tài)下，由人機(jī)主觀評(píng)價(jià)人員根據(jù)評(píng)價(jià)的內(nèi)容結(jié)合設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)和駕駛經(jīng)驗(yàn)對(duì)人機(jī)性能的主觀感受和評(píng)價(jià)[9]。

評(píng)價(jià)結(jié)果反饋方案二比方案一的頭部舒適性更好。主要表現(xiàn)在后排乘客在乘坐時(shí)，因?yàn)橹饕枨笫切菹?，所以他們的乘坐姿?shì)，頭部是倚靠在座椅頭枕上的。

按SAE定義的采用39這個(gè)指標(biāo)來(lái)分析時(shí)，39測(cè)量的“頂棚等內(nèi)飾件的水平最低點(diǎn)”可能離頭包很遠(yuǎn)，根本無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)乘員頭部與頂棚的關(guān)系，而本文新增的指標(biāo)61-有效表達(dá)了后排乘客頭部倚靠在座椅頭枕上時(shí)，頭部與其上方頂棚的間隙。

4 總結(jié)

本文從業(yè)內(nèi)普遍采用的SAE及GCIE現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)后排乘客頭部空間的定義出發(fā)，提出了對(duì)于溜背車(chē)型而言至關(guān)重要的后排乘員頭部空間的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過(guò)一個(gè)具體車(chē)型的開(kāi)發(fā)案例，驗(yàn)證了本文提出的用新增指標(biāo)61-替代39的方法，可以有效表征后排乘員的后方頭部空間，大幅提升了車(chē)型研發(fā)的效率。此方法也得到了之后多款車(chē)型開(kāi)發(fā)的實(shí)踐應(yīng)用，值得推廣。

[1] 高鵬.汽車(chē)外觀設(shè)計(jì)中的溜背式設(shè)計(jì)風(fēng)格研究[J].智庫(kù)時(shí)代,2019(19):242-243.

[2] 花月明,儲(chǔ)蕾芳.新能源汽車(chē)內(nèi)部空間設(shè)計(jì)[J].設(shè)計(jì), 2018(9):98-99.

[3] 孔祥龍,趙毅,徐佳奕,等.六西格瑪案例:家庭型轎車(chē)后排頭部空間優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].上海質(zhì)量,2014(7):56-59.

[4] 周俠.乘用車(chē)人體頭部包絡(luò)繪制方法[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2020,45(12):158-161.

[5] 孫洋,王帥.汽車(chē)內(nèi)飾造型與人機(jī)工程學(xué)[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2019,44(13):195-197.

[6] SAE.Motor Vehicle Dimensions:SAE J1100—2009 [S].Washington:Society of Automotive Engineers,2009.

[7] GCIE.Package Drawing Exchanges:GCIE2011[S]. Washington:Global Cars Manufacturers Information Exchange Group,2011.

[8] 覃星翠,李輝,周曉明,等.乘用車(chē)駕駛員腿部空間設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用[J].汽車(chē)科技,2019(2):7-11.

[9] 張海濤,祁建,李祥.汽車(chē)人機(jī)靜態(tài)主觀評(píng)價(jià)方法[J].汽車(chē)工程師,2019(2):39-42.

The Optimization Design Method of Rear Head Room for Fastback Cars

DAI Xiaoyan, YU Chaofeng

( Automotive Engineering Institute, Guangzhou Automobile Group Company Limited, Guangzhou 511434, China )

Currently, more and more fastback models are being introduced into the market, which presents unprecedented challenges to the design of headspace for the rear passengers. The existing industry standards, including SAE J1100—2009 and global cars manufacturers information exchange group's engineering drawing standards in 2011, do not provide effective control indicators for the headspace behind the passengers. To address this shortcoming, this paper proposes an optimization design method that introduces a new index,61-, which represents the effective headspace for the rear seat backrest angle, replacing the original index L39, based on the objective indicators of the four rear passenger headspaces defined by Society of Automotive Engineers (SAE). Through a design example of a new vehicle development, the effectiveness of this method is demonstrated, which is of great significance for the development of human-vehicle engineering.

Fastback cars; SAE; Head room; Human-vehicle engineering; Optimization design method

U461.4

A

1671-7988(2023)10-85-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.017

戴曉燕（1987—），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)檐?chē)輛人機(jī)工程學(xué)，E-mail:daixiaoyan@gacrnd.com。