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        某越野車駕駛員H點的設計及優(yōu)化

        2018-11-21 02:32:42張英孫智民陳志勝
        汽車工程師 2018年10期
        關鍵詞:后視鏡越野車人機

        張英 孫智民 陳志勝

        (1.北京汽車研究總院有限公司;2.北京利德曼生化股份有限公司)

        人機工程是汽車前期設計的基礎,而汽車駕駛員H點是人機設計的最關鍵硬點。以前人們更多的是采用三維H點裝置測量參考車的駕駛員H點位置,來作為新設計車型的駕駛員H點位置。目前汽車主機廠越來越多地采用正向設計理論,但確定駕駛員H點仍是一個比較復雜的過程,需要不斷地校核和調(diào)整,最終確定人機硬點。文章在前人的經(jīng)驗基礎上,通過將設計目標轉(zhuǎn)換成對駕駛員簡單的約束條件,縮短了駕駛員的H點區(qū)域,再考慮周邊的法規(guī)、人機要求等,快速準確地確定了駕駛員H點位置。

        1 駕駛員H點的優(yōu)化

        1.1 整車高度和頭部空間對駕駛員H點的約束

        在SAE J1100中,用2個硬點尺寸來保證駕駛員足夠的頭部空間,一個是駕駛員有效頭部空間(H61/mm)[1]52,也就是95%人體駕駛員H點向上與垂直線向后成8°的線到駕駛員頭頂處頂棚交點之間的距離加102 mm;另一個是整車整備質(zhì)量狀態(tài)下的地面線到汽車頂蓋最上位置的高度(H101/mm)[1]64。圖1示出汽車駕駛員有效頭部空間。

        圖1 汽車駕駛員有效頭部空間示意圖

        因H101為已知,所以根據(jù)競品車及參考車型可以定義駕駛員處車身頂蓋和內(nèi)飾頂棚Z向的總厚度(ZT/mm)(無天窗一般為15~20 mm,有天窗一般為100 mm),考慮到駕駛員頭頂處車高并非是汽車的最大高度,它是整車頂蓋的最高位置與駕駛員頭頂位置處頂蓋之間的高度差(ZR/mm)(轎車為20~40 mm,越野車為15~25 mm)。因此,頂棚的 Z向高度(ZHD/mm)的計算,如式(1)所示。

        在確定了ZHD后,即可求出在H61約束下的95%人體駕駛員H點高度線。則駕駛員H點的Z坐標(ZHPT/mm),如式(2)所示。

        設計的H點必須在ZHPT高度線的下方,這樣就可以滿足頭部空間的要求。

        1.2 腿部空間對駕駛員H點的約束

        腿部操縱空間的約束僅考慮L34[1]45對H點的約束。L34在SAE J1100中的定義為加速踏板在自由位置時,人體模型的踝關節(jié)點到95%人體駕駛員H點的距離加上254 mm。通過競品車分析,可以預先設定L34的取值范圍。根據(jù)地板上的地毯壓陷后的位置高度及SAE規(guī)定的踏板角度公式,可確定踵點(AHP)的坐標和踏板角,不同的百分位人體模型可以計算出不同踝關節(jié)點的位置。以踝關節(jié)點為原點,L34為半徑,可以做出L34在一定變化范圍內(nèi)的曲線,通過它來約束H點,如圖2所示。從圖2可以看出,在L34最小值約束線和最大值約束線之間的區(qū)域即為滿足L34約束的H點區(qū)域。

        圖2 汽車駕駛員腿部操作空間(L34)對H點的約束

        1.3 水切高度、A柱障礙角及外后視鏡三者對H點的約束

        AHP與駕駛員H點之間Z向距離(H30/mm)[1]50的確定,需要考慮水切位置高度、A柱障礙角及外后視鏡鏡殼與鏡片位置,三者之間是相互關聯(lián)的。

        1.3.1 水切高度

        水切對汽車外形設計是比較關鍵的,水切位置的高低對造型風格及效果影響較大。目前外飾造型的發(fā)展趨勢是水切的位置越來越高,這樣乘客的私密性也越好。然而水切的位置偏高,對總布置的人機影響也較大,主要影響外后視鏡的位置及A柱障礙角。

        1.3.2 A柱障礙角

        根據(jù)法規(guī)GB 11562—2014《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》中對于駕駛員A柱雙目障礙角的測定方法,S1截面和S2截面分別為過A柱的偏上和偏下位置的截面[2],其中S2截面切到了外后視鏡的鏡殼位置,且切去的量較大,由于右側(cè)A柱投影和右側(cè)鏡殼投影相對于右眼點有重疊區(qū)域,所以右側(cè)A柱投影和右側(cè)鏡殼投影的總和是右側(cè)A柱障礙角。

        右側(cè)A柱障礙角雖然在法規(guī)中不作為考察項,但右側(cè)A柱障礙角很大也會影響駕駛員轉(zhuǎn)彎時的視線,駕駛員需要采用轉(zhuǎn)動頭部和眼睛的方法來克服A柱雙眼盲區(qū)障礙,有時由于不能及時觀察到側(cè)向路況而形成不安全的因素,所以需要在設計階段嚴格控制雙眼A柱的盲區(qū)。

        1.3.3 外后視鏡布置位置

        外后視鏡鏡殼布置位置應盡量與S2截面保持一定的間隙,或者被S2截面相切的量較小且頸脖較長,否則會影響右側(cè)A柱障礙角。

        前期布置控制時,根據(jù)S2截面與水切的高度差可以初步判斷是否可以布置滿足視野及法規(guī)的外后視鏡。

        1.4 轉(zhuǎn)向盤位置和轉(zhuǎn)向盤傾角對H點的約束

        H點并不是獨立存在的一個點,H點、AHP及轉(zhuǎn)向盤中心點這3個點既相互聯(lián)系又相互制約,主要關系到乘員的駕駛舒適性和前方視野。由確定的AHP與駕駛員 H點之間的 Z向距離(H30/mm)[1]50,根據(jù)式(3)~式(5)可求得轉(zhuǎn)向盤中心點與AHP在X方向(L11/mm)[1]44和Z方向(H17/mm)[1]50的相對距離,以及轉(zhuǎn)向盤上表面與垂直方向的夾角(A18/(°))[1]53,圖3示出汽車轉(zhuǎn)向盤中心點與AHP的關系。

        圖3 汽車轉(zhuǎn)向盤中心點與踵點的關系示意圖

        根據(jù)式(3)~式(5)確定轉(zhuǎn)向盤的位置和傾角后,需要校核前方視野、組合儀表視野、轉(zhuǎn)向盤下沿與大腿的間隙、轉(zhuǎn)向盤下沿與人體軀干線的間隙及轉(zhuǎn)向盤中心點與人體胸部的碰撞間隙等是否滿足人機要求,如果滿足,H點就初步確定下來,如果不滿足,需要重新調(diào)整。

        2 某越野車型實例分析

        按照上面的設計方法,針對某越野車進行H點設計和優(yōu)化。

        2.1 整車人機設計目標的確定

        越野車的H30一般定義在300~400 mm,根據(jù)前期競品分析確定整車高度、頭部空間及腿部空間等設計目標,再以這些設計目標的約束條件來確定H點的區(qū)域。表1示出某越野車的部分整車人機空間對比。

        表1 某越野車的部分整車人機空間對比表 mm

        經(jīng)過競品對比分析,H30初步確定在305~360 mm區(qū)間內(nèi)。

        根據(jù)設計目標的整車高度、頭部空間及腿部空間等參數(shù),以這些設計目標的約束條件來確定H點的優(yōu)化區(qū)域,某越野車H點的優(yōu)化區(qū)域,如圖4所示。

        圖4 某越野車H點優(yōu)化區(qū)域示意圖

        根據(jù)H點優(yōu)化區(qū)域,H點的Z方向初步確定在頭部空間(藍線)和H30設計目標(紫線)圍成的交集區(qū)域內(nèi),由于AHP和踏板角已確定,所以根據(jù)交集區(qū)域,H30確定在315~355 mm范圍內(nèi),可以滿足整車的設計目標要求;H點X方向根據(jù)H點的適意線和腿部空間來確定,H點的Y方向初定為整車寬度的1/4,后期可隨著組合儀表位置及視野、出風口位置大小及周邊結(jié)構(gòu)的合理性等最終確定。

        2.2 A柱障礙角和外后視鏡位置

        2.2.1 A柱障礙角

        表2示出某越野車的水切高度對比。

        表2 某越野車的水切高度對比表mm

        由于某越野車造型想要的水切位置偏高,所以影響H點Z方向的設定。

        當H30=315 mm時的左、右側(cè)A柱障礙角,如圖5所示。右側(cè)A柱障礙角為11°。左側(cè)由于鏡殼與A柱投影之間有較大間隙,所以不影響左側(cè)A柱障礙角。

        圖5 某越野車的A柱障礙角示意圖

        右側(cè)A柱障礙角不滿足人機要求,主要是H點高度偏低,通過加大H30,保證S2截面切不到鏡殼或者切的量很小就可以滿足要求。

        2.2.2 外后視鏡布置位置

        以某越野車為例,該車能布置外后視鏡,滿足外后視鏡的視野法規(guī)要求[3],S2截面與水切的高度差最小在188 mm,如表3所示。

        表3 某越野車外后視鏡相關尺寸 mm

        布置外后視鏡必須考慮人眼看外后視鏡的視野不能被水切遮擋,并與水切、A柱及鏡座三角區(qū)等周邊件的間隙為8 mm以上。

        如果S2截面與水切的高度差偏小,會影響A柱障礙角,只能通過以下4種措施更改:1)水切高度下降,此措施會對造型效果產(chǎn)生較大影響;2)H點位置抬高(H30加大),此方案需考慮頭部空間是否能接受及H點變動對整個人機的影響;3)H點位置抬高和水切高度下降2種措施同時進行;4)將右側(cè)外后視鏡向外側(cè)Y方向移動(但法規(guī)規(guī)定外伸量不超過250 mm,還要考慮鏡殼的強度要求等),保證人眼看右側(cè)時,右側(cè)外后視鏡和A柱之間有一定的縫隙,這樣外后視鏡截面可以不計算在內(nèi)。具體采用何種方式需要結(jié)合項目的實際情況而定。

        目前某越野車由于采用偏高的水切,考慮到A柱障礙角和外后視鏡視野等,采用H30=335 mm,S2截面剛好切不到外后視鏡鏡殼,同時人眼看右外后視鏡的視線距離水切高度8 mm,頭部空間也滿足設計目標要求,確定了95%人體的H點位置。再根據(jù)不同百分位的適意線和選型座椅的滑軌長度,要求滑軌長度要包含2.5%和97.5%的H點范圍,這樣駕駛員H點就最終確定了。

        3 結(jié)論

        通過將某越野車設計目標轉(zhuǎn)化為簡單的約束方式,快速將95%人體H點位置限制在一個較小的區(qū)域內(nèi),再通過滿足A柱障礙角法規(guī)和滿足視野要求的外后視鏡大小等,最終確定了人機設計最重要的硬點——駕駛員H點位置。此方法簡單快捷,考慮問題全面,比較直觀地確定了駕駛員H點位置。之前的方法是初定H30,再校核人機視野、整車高度、頭部空間及腿部空間等,如果發(fā)現(xiàn)有不滿足,再重新確定H30,并進行校核,不斷地反復確認。而新方法不但簡單,同時還能提高工作效率。

        2018年9月基本型乘用車(轎車)生產(chǎn)匯總表

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