乘用車駕駛員關(guān)鍵操控件的系統(tǒng)性布置研究

張仕亮　賈吉亮　胡勝華　顧全

摘 要：為了使加速踏板、制動（離合）踏板、轉(zhuǎn)向盤等關(guān)鍵操控件在整車中具有人機最佳的位置，提出了以駕駛員坐姿為基礎(chǔ)的系統(tǒng)性布置方法；采用和坐姿關(guān)聯(lián)的擬合公式，通過計算得出在某種坐姿下的最佳加速踏板、制動（離合）踏板、轉(zhuǎn)向盤的布置位置。本文提出理論推導(dǎo)原理及相關(guān)方法。

關(guān)鍵詞：坐姿 H點 加速踏板 制動（離合）踏板 座椅 轉(zhuǎn)向盤

1 引言

常規(guī)乘用車在行駛中，加速踏板、制動（離合）踏板、轉(zhuǎn)向盤基本處于全程使用中，且操作頻率極高，是駕駛員操控車輛的關(guān)鍵部件。除了上述操控硬件自身的物理性能外，操控件的操作舒適性也是影響駕駛員與車輛交互的關(guān)鍵因素之一，且與駕駛員的身高及坐姿強相關(guān)。因此，駕駛員的坐姿（H點設(shè)定）、加速踏板、制動（離合）踏板、轉(zhuǎn)向盤的位置，形成了一個相對封閉的人機系統(tǒng)。其中，加速踏板和制動（離合）踏板主要的影響因素是距離地毯的高度，轉(zhuǎn)向盤主要的影響因素是距離踏板的前后位置、距離地毯的高度以及轉(zhuǎn)向盤面的傾角。以上尺寸處于整車坐標(biāo)系中的長度（X軸）方向和高度（Z軸）方向，本文也主要在側(cè)視圖（即XZ視圖）上進行分析。

為了使加速踏板、制動（離合）踏板及轉(zhuǎn)向盤盡可能符合人機舒適性，本文提出了一個系統(tǒng)性的布置方法。該方法從人機工程的邏輯趨勢出發(fā)，正向設(shè)定相關(guān)參數(shù)，并擬合成坐姿相關(guān)的函數(shù)式。即，只要駕駛員的坐姿已確定，加速踏板、制動（離合）踏板和轉(zhuǎn)向盤均有一個最佳布置位置與之相匹配，并輔以公差配合后期修正。因此，此方法可以大大提高車輛前期開發(fā)的工作效率。

2 乘用車駕駛員布置方法概述

2.1 人體尺寸選擇及布置方法

當(dāng)前乘用車種類繁多，不同車型會根據(jù)自身需求選取不同的坐高。一般情況，轎車坐姿較低，SUV和MPV坐姿較高。大多數(shù)主機廠和汽車設(shè)計單位，采用美國SAE的標(biāo)準(zhǔn)體系進行設(shè)計開發(fā)，其中《SAE J826》定義了95、50、10三種百分位人體模板的腿長尺寸，《SAE J1517》定義了H點舒適性函數(shù)曲線，《SAE J4004》定義了SAE95百分位鞋面角SPA（shoe plan angle）的函數(shù)式，上述函數(shù)式均是基于坐高H30的函數(shù)。

人體布置方法概述：選擇相應(yīng)百分位的人體，腳踝角設(shè)定87°，定義坐高H30，則H點（同SgRP Sitting reference point）落于對應(yīng)的舒適曲線上。一般情況下，選取SAE95百分位的人體作為車輛設(shè)計人體。

基于SAE95人體SPA的相對于H30的函數(shù)式，根據(jù)腿長和舒適曲線，可布置SAE50及SAE10的坐姿，并擬合出相應(yīng)SPA函數(shù)式。

SPASAE95=2.522*10-7*（H30）3-3.961*10-4（H30）2+4.644*10-2*（H30）+73.374 （1）

SPASAE50=1.093*10-7*（H30）3-3.234*10-4（H30）2+4.662*10-2*（H30）+65.913 （2）

SPASAE10=1.580*10-8*（H30）3-2.384*10-4（H30）2+2.552*10-2*（H30）+63.209 （3）

2.2 駕駛員坐姿的規(guī)律

通過圖2分析，人體布置體現(xiàn)如下規(guī)律：

a.單一人體，不同坐高條件下，SPA隨著坐高的增大而減小。

b.不同人體，相同坐高條件下，SPA隨著腿長的減小而減小。

3 腳踏板的布置方法

3.1 加速踏板的布置

駕駛員操縱加速踏板時，踵點AHP是與地毯面接觸的。AHP點作為旋轉(zhuǎn)支點，通過腳踝角的變化，使腳部旋轉(zhuǎn)而踩踏加速踏板。無論何種百分位的人體，均符合上述操縱程序。

乘用車加速踏板一般有兩種，懸掛式和地板式（也稱風(fēng)琴式）。

從邏輯上可知，懸掛式加速踏板的操縱是向上兼容的，即滿足小尺寸人體的加速踏板，大人體可兼容。但滿足大人體的加速踏板，小人體不兼容（初始位置趨于不舒適）。

基于坐姿規(guī)律，我們已知SAE10人體的SPA角度是小于同坐高下的SAE95人體的SPA的，即當(dāng)SAE95的人體設(shè)定好之后，SAE10的踏點BOFRP點的Z向高度相對于SAE95將更低，且可據(jù)三角函數(shù)關(guān)系量化。

因此，我們設(shè)置加速踏板的高度時，應(yīng)以SAE10（或更小）的踏點BOFRP高度為基準(zhǔn)。

懸掛式加速踏板（中心）高度設(shè)置公式：

Ha=203*SIN（SPASAE10） （4）

通過公式（4），可確定加速踏板中心高度，公差±20mm。

一般情況，懸掛式加速踏板的踏板面為弧面，使其過踏板面中心的切線與水平面的夾角和SPA（SAE10）等同即可，公差±5°。

通過上述方法即可確懸掛式加速踏板的高度和角度。懸掛式加速踏板的布置應(yīng)遵循就低不就高的原則，即能布置低時盡量布置低。

落地式加速踏板，因其踏板面為自下向上的延伸結(jié)構(gòu)，通常采用與SPA（SAE95）的角度關(guān)系來設(shè)定。

由于駕駛員可用通過實際踵點的位置自行調(diào)節(jié)踏點的高度，且始終可與踏板面相接處，故，落地式加速踏板的操縱是向下兼容的，即滿足大尺寸人體的加速踏板，小人體可兼容。但滿足小人體的加速踏板，大人體不兼容（極限位置趨于不舒適）

地板式加速踏板角度公式：

Aa=SPASAE95+5° （5）

通過（5），可確地板式加速踏板的角度。

一般情況，地板式加速踏板的踏板面為平面，為確保其兼容性，公差為-5°，即SPASAE95作為其下限值。

3.2 制動（離合）踏板的布置

一般情況，制動（離合）踏板初始位置會稍高于加速踏板，即在加速踏板面的法向存在一定的落差。制動踏板主要是為了防止誤操 作，如油門當(dāng)剎車。離合踏板與制動踏板基本等高，因其行程長短等原因，初始踏板位置會稍高于制動踏板。乘用車的制動（離合）踏板主要以懸掛式為主。

布置制動（離合）踏板，主要以與加速踏板的法向落差為設(shè)置條件。此法向落差可分解為Z向和X向的分量，其中Z向分量是影響踩踏舒適性的關(guān)鍵。BOFRP點是踩踏的最佳發(fā)力點，故正常踩踏制動（離合）踏板時，踵點AHP是需離開地毯面的，人體尺寸越小或坐姿越高，踵點離開地毯的高度越大（部分坐姿極低的車型除外）。

經(jīng)研究，制動（離合）踏板的中心高度較加速踏板增加15mm時，在法向落差和Z向高度上均可達到相對平衡。

Hb=Ha+15=203*SIN（SPASAE10）+15 （6）

通過公式（6），可確定制動（離合）踏板高度，公差±20mm。

制動（離合）踏板面為弧面，一般使其過踏板面中心的切線與水平面的夾角和SPA（SAE10）等同即可，公差±5°。即制動（離合）踏板面傾角與加速踏板面傾角相同。

初始踏板面與加速踏板面的落差一般PL52=30-40mm；離合踏板與制動踏板等高，因其行程長短等原因，初始踏板位置可稍高于制動踏板，一般PL53=0-10mm。

通過上述方法，可確定制動（離合）踏板的高度和角度。

4 座椅舒適角度的研究

駕駛員座椅，一般由坐墊和靠背（含頭枕）組成，其中坐墊傾角A27和靠背傾角A40是影響舒適性的關(guān)鍵參數(shù)。

坐墊的主要功能是承托人體的臀部和大腿，良好的承托性可以有效的減低疲勞度，增加舒適性。坐墊傾角的設(shè)定主要與大腿傾角A57有關(guān)，A57僅與H30相關(guān)，即坐高確定后，A57也隨之確定。理想的坐墊傾角A27應(yīng)等于或接近大腿傾角A57，以獲得最佳的承托性。由于腿部要參與踏板的操作，如果A27過于接近A57，則導(dǎo)致坐墊前端擋住腿部，造成踩踏舒適性降低。故需要A27小于A57。

4.1 坐墊傾角A27的量化

從人體布置維度考慮，大腿傾角A57是隨著坐高增加而減小的。故坐墊傾角A27應(yīng)與A57趨勢相同。

從制動（離合）踩踏板的操作角度分析，我們發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

（1）低坐姿人體，踏板較高，踩踏時大腿抬起的Z分量較小，X分量較大。

（2）高坐姿人體，踏板較低，踩踏時大腿抬起的Z分量較大，X分量較小。

即，在座椅設(shè)計時，低坐姿坐墊傾角A27與大腿傾角A57的差值小；高坐姿坐墊傾角A27需與大腿傾角A57的差值大。

經(jīng)研究，本文提出一個經(jīng)驗公式

A27=-0.0523（H30）+27.619 （7）

通過公式（7），計算得出A27角度。

4.2 靠背傾角A40的量化

乘用車駕駛員座椅靠背一般為可調(diào)式，故為了便于視野校核和空間對比，無論坐高如何定義，大多數(shù)車企均將靠背傾角A40定義為25°（少數(shù)車企定義22°）。因?qū)嶋H靠背可調(diào)，此定義方法并不影響駕駛員實際使用。但從趨勢分析，A40也是關(guān)于H30的函數(shù)。

當(dāng)我們把座椅考慮成一個孤立系統(tǒng)，一個獨立的沙發(fā)去分析時，《GB3326-1997》規(guī)定，沙發(fā)坐墊傾角3-6°，靠背角98-112°。由此可算，坐墊與靠背的夾角為92-109°。取均值100°，公差±5°。基于坐墊角A27，我們得到靠背角A40的計算公式：

A40=A27+100-90

=-0.0523（H30）+37.619 （8）

上述公式（7）也適用B類客車車。《QC/T 633-2009》規(guī)定，坐墊傾角3-7°。計算結(jié)果基本符合當(dāng)前客車的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。因駕駛員人體相同，坐墊傾角僅與坐高有關(guān)，具有連續(xù)性，該結(jié)果也是公式（7）合理性的佐證之一。

坐墊的傾角除評估乘坐舒適性外，也是布置轉(zhuǎn)向盤位置的重要參考項。

5 轉(zhuǎn)向盤的布置方法

轉(zhuǎn)向盤是駕駛員控制車輛方向的唯一機構(gòu)，如位置不合理會直接或間接影響到駕駛員的姿態(tài)，降低駕乘舒適。所以我們應(yīng)從理論坐姿出發(fā)，設(shè)定轉(zhuǎn)向盤的位置。

5.1 轉(zhuǎn)向盤角度的設(shè)定

考慮手臂操作的舒適性、儀表的可視性等因素，轉(zhuǎn)向盤需要按一定的傾角布置。

經(jīng)研究，本文提出一個經(jīng)驗公式

A18= 0.048（H30）+10.5 （9）

通過公式（9），可計算出轉(zhuǎn)向盤盤面與YZ平面的夾角（等同管柱軸線與XY平面夾角），公差±3°。

5.2 轉(zhuǎn)向盤X向和Z向位置的設(shè)定

當(dāng)代乘用車的轉(zhuǎn)向盤基本都可調(diào)，有的僅角度可調(diào)，有的角度和軸向均可調(diào)。我們所指的SWC點，是所有可調(diào)范圍的中間位置。根據(jù)正態(tài)分布規(guī)律，50百分位的人體為正態(tài)分布的頂點，其兩側(cè)區(qū)域的人體出現(xiàn)的概率大。我們通常定義的SWC點，應(yīng)滿足大多數(shù)人群的使用需求。

在X方向，本文用轉(zhuǎn)向盤中心SWC與踏點BOFRP的X向距離L6來描述。研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向盤的下沿與SAE50的H點的X向距離趨于某范圍245mm-295mm。取中間值270mm，結(jié)合A18定義，統(tǒng)計出常用坐高H30=200-360范圍內(nèi)的的轉(zhuǎn)向盤SWC的X向位置，并擬合成公式：

L6=-0.002215368（H30）2+0.724272727（H30）+510.385 （10）

通過公式（10），可定位轉(zhuǎn)向盤相對與人體的X向布置位置，公差±25mm。

在Z方向，本文用轉(zhuǎn)向盤中心SWC與踵點AHP的Z向距離H17來描述。高度方向的設(shè)定主要考慮兩個方面。

（1）從進出方便性維度考慮，轉(zhuǎn)向盤下沿與座坐墊的距離。

（2）從操作舒適性維度考慮，50百分位人體踩踏制動（離合）踏板時，大腿輪廓與轉(zhuǎn)向盤下沿不干涉

結(jié)合L6、A18、A27的設(shè)定，定義H74≥200mm。統(tǒng)計出常用坐高H30=200-360范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)向盤SWC的Z向位置，并擬合成公式：

H17=-0.000075758（H30）2+0.695757576 （H30）+478.218 （11）

通過公式（11），可定位轉(zhuǎn)向盤相對與人體的布置位置，公差±20mm。

6 符合性驗證

我們已知，駕駛員坐姿僅與坐高H30相關(guān)。本文將踏板高度，座椅角度、轉(zhuǎn)向盤的角度及位置全部定義成關(guān)于坐高H30的函數(shù)，其含義為一旦坐高確定，舒適坐姿即確定，且與舒適坐姿相匹配的踏板、座椅、轉(zhuǎn)向盤也隨之確定，故稱之為系統(tǒng)性的布置方法。

下面我們通過市場上的車型參數(shù)統(tǒng)計對系統(tǒng)性布置方法進行核驗。曲線為正向推導(dǎo)的公式及公差，散點為車型統(tǒng)計的數(shù)值（樣本為逆向掃描數(shù)據(jù)，存在一定誤差）。

6.1 加速踏板中心高度的驗證

6.2 加速（離合）踏板中心高度驗證

6.3 轉(zhuǎn)向盤角度A18的驗證

6.4 轉(zhuǎn)向盤X向位置L6的驗證

6.5 轉(zhuǎn)向盤Z向位置H17的核驗

綜上，從趨勢走向和公差覆蓋范圍來看，本文所推導(dǎo)的公式與絕大多數(shù)車型的數(shù)據(jù)吻合，進而可證明上述公式具備實際應(yīng)用價值。

7 其他邊界條件

加速踏板、制動（離合）踏板、轉(zhuǎn)向盤除上述在XZ視圖上需要布置外，在YZ視圖上也有相應(yīng)的約束條件，本文不做贅述。下列圖示及表格僅供參考。

7.1 踏板Y方向邊界條件

7.2 轉(zhuǎn)向盤Y方向邊界條件

為了使駕駛員舒適的操作轉(zhuǎn)向盤，且通過轉(zhuǎn)向盤觀察組合儀表視野不受影響，通常保證轉(zhuǎn)向盤中心點Y坐標(biāo)與H點坐標(biāo)一致，即：

Y向：W7=（W20-1）

若由于布置原因須調(diào)整，建議偏差量ΔL控制在±5mm以內(nèi)，最大允許±10mm。

若因力矩波動等原因，需管柱軸線與ZX平面存在夾角A17，允許范圍≤2°。一般情況，按A17=0°進行布置。

8 結(jié)語

通過系統(tǒng)性的布置方法，關(guān)鍵參數(shù)僅依據(jù)坐高H30即可確定，且能匹配駕駛員的舒適坐姿，大大減少布置的工作量。該方法大大提高車型開發(fā)前期的工作效率，也能為架構(gòu)開發(fā)中，關(guān)鍵操控件的平臺化、通用化提供有效的理論依據(jù)。

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