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        某越野車(chē)駕駛員H點(diǎn)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

        2018-11-21 02:32:42張英孫智民陳志勝
        汽車(chē)工程師 2018年10期
        關(guān)鍵詞:后視鏡越野車(chē)人機(jī)

        張英 孫智民 陳志勝

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

        人機(jī)工程是汽車(chē)前期設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),而汽車(chē)駕駛員H點(diǎn)是人機(jī)設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵硬點(diǎn)。以前人們更多的是采用三維H點(diǎn)裝置測(cè)量參考車(chē)的駕駛員H點(diǎn)位置,來(lái)作為新設(shè)計(jì)車(chē)型的駕駛員H點(diǎn)位置。目前汽車(chē)主機(jī)廠越來(lái)越多地采用正向設(shè)計(jì)理論,但確定駕駛員H點(diǎn)仍是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程,需要不斷地校核和調(diào)整,最終確定人機(jī)硬點(diǎn)。文章在前人的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,通過(guò)將設(shè)計(jì)目標(biāo)轉(zhuǎn)換成對(duì)駕駛員簡(jiǎn)單的約束條件,縮短了駕駛員的H點(diǎn)區(qū)域,再考慮周邊的法規(guī)、人機(jī)要求等,快速準(zhǔn)確地確定了駕駛員H點(diǎn)位置。

        1 駕駛員H點(diǎn)的優(yōu)化

        1.1 整車(chē)高度和頭部空間對(duì)駕駛員H點(diǎn)的約束

        在SAE J1100中,用2個(gè)硬點(diǎn)尺寸來(lái)保證駕駛員足夠的頭部空間,一個(gè)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(diǎn)向上與垂直線向后成8°的線到駕駛員頭頂處頂棚交點(diǎn)之間的距離加102 mm;另一個(gè)是整車(chē)整備質(zhì)量狀態(tài)下的地面線到汽車(chē)頂蓋最上位置的高度(H101/mm)[1]64。圖1示出汽車(chē)駕駛員有效頭部空間。

        圖1 汽車(chē)駕駛員有效頭部空間示意圖

        因H101為已知,所以根據(jù)競(jìng)品車(chē)及參考車(chē)型可以定義駕駛員處車(chē)身頂蓋和內(nèi)飾頂棚Z向的總厚度(ZT/mm)(無(wú)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(chē)高并非是汽車(chē)的最大高度,它是整車(chē)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(chē)為20~40 mm,越野車(chē)為15~25 mm)。因此,頂棚的 Z向高度(ZHD/mm)的計(jì)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(diǎn)高度線。則駕駛員H點(diǎn)的Z坐標(biāo)(ZHPT/mm),如式(2)所示。

        設(shè)計(jì)的H點(diǎn)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(duì)駕駛員H點(diǎn)的約束

        腿部操縱空間的約束僅考慮L34[1]45對(duì)H點(diǎn)的約束。L34在SAE J1100中的定義為加速踏板在自由位置時(shí),人體模型的踝關(guān)節(jié)點(diǎn)到95%人體駕駛員H點(diǎn)的距離加上254 mm。通過(guò)競(jìng)品車(chē)分析,可以預(yù)先設(shè)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(diǎn)(AHP)的坐標(biāo)和踏板角,不同的百分位人體模型可以計(jì)算出不同踝關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置。以踝關(guān)節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn),L34為半徑,可以做出L34在一定變化范圍內(nèi)的曲線,通過(guò)它來(lái)約束H點(diǎn),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(diǎn)區(qū)域。

        圖2 汽車(chē)駕駛員腿部操作空間(L34)對(duì)H點(diǎn)的約束

        1.3 水切高度、A柱障礙角及外后視鏡三者對(duì)H點(diǎn)的約束

        AHP與駕駛員H點(diǎn)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(guān)聯(lián)的。

        1.3.1 水切高度

        水切對(duì)汽車(chē)外形設(shè)計(jì)是比較關(guān)鍵的,水切位置的高低對(duì)造型風(fēng)格及效果影響較大。目前外飾造型的發(fā)展趨勢(shì)是水切的位置越來(lái)越高,這樣乘客的私密性也越好。然而水切的位置偏高,對(duì)總布置的人機(jī)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(chē)駕駛員前方視野要求及測(cè)量方法》中對(duì)于駕駛員A柱雙目障礙角的測(cè)定方法,S1截面和S2截面分別為過(guò)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(duì)于右眼點(diǎn)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(xiàng),但右側(cè)A柱障礙角很大也會(huì)影響駕駛員轉(zhuǎn)彎時(shí)的視線,駕駛員需要采用轉(zhuǎn)動(dòng)頭部和眼睛的方法來(lái)克服A柱雙眼盲區(qū)障礙,有時(shí)由于不能及時(shí)觀察到側(cè)向路況而形成不安全的因素,所以需要在設(shè)計(jì)階段嚴(yán)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(yīng)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(zhǎng),否則會(huì)影響右側(cè)A柱障礙角。

        前期布置控制時(shí),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(pán)位置和轉(zhuǎn)向盤(pán)傾角對(duì)H點(diǎn)的約束

        H點(diǎn)并不是獨(dú)立存在的一個(gè)點(diǎn),H點(diǎn)、AHP及轉(zhuǎn)向盤(pán)中心點(diǎn)這3個(gè)點(diǎn)既相互聯(lián)系又相互制約,主要關(guān)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(diǎn)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(pán)中心點(diǎn)與AHP在X方向(L11/mm)[1]44和Z方向(H17/mm)[1]50的相對(duì)距離,以及轉(zhuǎn)向盤(pán)上表面與垂直方向的夾角(A18/(°))[1]53,圖3示出汽車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)中心點(diǎn)與AHP的關(guān)系。

        圖3 汽車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)中心點(diǎn)與踵點(diǎn)的關(guān)系示意圖

        根據(jù)式(3)~式(5)確定轉(zhuǎn)向盤(pán)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(pán)下沿與大腿的間隙、轉(zhuǎn)向盤(pán)下沿與人體軀干線的間隙及轉(zhuǎn)向盤(pán)中心點(diǎn)與人體胸部的碰撞間隙等是否滿足人機(jī)要求,如果滿足,H點(diǎn)就初步確定下來(lái),如果不滿足,需要重新調(diào)整。

        2 某越野車(chē)型實(shí)例分析

        按照上面的設(shè)計(jì)方法,針對(duì)某越野車(chē)進(jìn)行H點(diǎn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

        2.1 整車(chē)人機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)的確定

        越野車(chē)的H30一般定義在300~400 mm,根據(jù)前期競(jìng)品分析確定整車(chē)高度、頭部空間及腿部空間等設(shè)計(jì)目標(biāo),再以這些設(shè)計(jì)目標(biāo)的約束條件來(lái)確定H點(diǎn)的區(qū)域。表1示出某越野車(chē)的部分整車(chē)人機(jī)空間對(duì)比。

        表1 某越野車(chē)的部分整車(chē)人機(jī)空間對(duì)比表 mm

        經(jīng)過(guò)競(jìng)品對(duì)比分析,H30初步確定在305~360 mm區(qū)間內(nèi)。

        根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的整車(chē)高度、頭部空間及腿部空間等參數(shù),以這些設(shè)計(jì)目標(biāo)的約束條件來(lái)確定H點(diǎn)的優(yōu)化區(qū)域,某越野車(chē)H點(diǎn)的優(yōu)化區(qū)域,如圖4所示。

        圖4 某越野車(chē)H點(diǎn)優(yōu)化區(qū)域示意圖

        根據(jù)H點(diǎn)優(yōu)化區(qū)域,H點(diǎn)的Z方向初步確定在頭部空間(藍(lán)線)和H30設(shè)計(jì)目標(biāo)(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(chē)的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求;H點(diǎn)X方向根據(jù)H點(diǎn)的適意線和腿部空間來(lái)確定,H點(diǎn)的Y方向初定為整車(chē)寬度的1/4,后期可隨著組合儀表位置及視野、出風(fēng)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(chē)的水切高度對(duì)比。

        表2 某越野車(chē)的水切高度對(duì)比表mm

        由于某越野車(chē)造型想要的水切位置偏高,所以影響H點(diǎn)Z方向的設(shè)定。

        當(dāng)H30=315 mm時(shí)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(chē)的A柱障礙角示意圖

        右側(cè)A柱障礙角不滿足人機(jī)要求,主要是H點(diǎn)高度偏低,通過(guò)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(chē)為例,該車(chē)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(chē)外后視鏡相關(guān)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(huì)影響A柱障礙角,只能通過(guò)以下4種措施更改:1)水切高度下降,此措施會(huì)對(duì)造型效果產(chǎn)生較大影響;2)H點(diǎn)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(diǎn)變動(dòng)對(duì)整個(gè)人機(jī)的影響;3)H點(diǎn)位置抬高和水切高度下降2種措施同時(shí)進(jìn)行;4)將右側(cè)外后視鏡向外側(cè)Y方向移動(dòng)(但法規(guī)規(guī)定外伸量不超過(guò)250 mm,還要考慮鏡殼的強(qiáng)度要求等),保證人眼看右側(cè)時(shí),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(jì)算在內(nèi)。具體采用何種方式需要結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況而定。

        目前某越野車(chē)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(shí)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(shè)計(jì)目標(biāo)要求,確定了95%人體的H點(diǎn)位置。再根據(jù)不同百分位的適意線和選型座椅的滑軌長(zhǎng)度,要求滑軌長(zhǎng)度要包含2.5%和97.5%的H點(diǎn)范圍,這樣駕駛員H點(diǎn)就最終確定了。

        3 結(jié)論

        通過(guò)將某越野車(chē)設(shè)計(jì)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的約束方式,快速將95%人體H點(diǎn)位置限制在一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi),再通過(guò)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(jī)設(shè)計(jì)最重要的硬點(diǎn)——駕駛員H點(diǎn)位置。此方法簡(jiǎn)單快捷,考慮問(wèn)題全面,比較直觀地確定了駕駛員H點(diǎn)位置。之前的方法是初定H30,再校核人機(jī)視野、整車(chē)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(jìn)行校核,不斷地反復(fù)確認(rèn)。而新方法不但簡(jiǎn)單,同時(shí)還能提高工作效率。

        2018年9月基本型乘用車(chē)(轎車(chē))生產(chǎn)匯總表

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