王玉龍，翟文濤，宋必文，畢雅荃

乘員艙區(qū)域模塊化設(shè)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(qū)域，是平臺化模塊化開發(fā)的薄弱環(huán)節(jié)，經(jīng)驗較少。文章通過深入分析乘員艙區(qū)域的關(guān)鍵零部件設(shè)計開發(fā)的主要影響因素，并結(jié)合ESSA平臺架構(gòu)對后續(xù)車型開發(fā)的實際影響，在實際解決了一系列乘員艙區(qū)域系列化布置問題后，總結(jié)出了乘員艙區(qū)域模塊化設(shè)計的一般開發(fā)流程、關(guān)鍵硬點及主要影響因素。這為平臺下系列車型后續(xù)開發(fā)的連續(xù)性，零部件布置的通用性及車型演變過程中乘員艙區(qū)域的帶寬調(diào)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(qū)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(qū)域；模塊化布置；人機工程；開發(fā)流程

自從大眾將平臺架構(gòu)的概念普及以來，各主機廠新開發(fā)車型基本都宣稱基于某平臺架構(gòu)或新開平臺架構(gòu)開發(fā)。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(fā)周期，但也有不能回避的問題。比如當平臺架構(gòu)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(xiàn)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(dǎo)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(fēng)格越來越趨于一致，使消費者產(chǎn)生審美疲勞，這需要平臺架構(gòu)開發(fā)重點規(guī)避[1]。

基于以上情況，模塊化布置逐漸被引入到平臺架構(gòu)開發(fā)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(guān)注的地方盡量通用化，而將消費者關(guān)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(zhuǎn)向、制動區(qū)域，而在乘員艙區(qū)域開展的較少。本文將重點探討消費者重點關(guān)注的乘員艙區(qū)域在平臺開發(fā)前期，乘員艙內(nèi)關(guān)鍵零部件特別是駕駛員使用的關(guān)鍵操縱件是如何實現(xiàn)兼容不同類型車型的模塊化布置的。

1 乘員艙區(qū)域模塊化設(shè)計基本流程

乘員艙區(qū)域模塊化設(shè)計是整個平臺架構(gòu)模塊化設(shè)計的一部分，而平臺架構(gòu)及覆蓋的車型規(guī)劃則由商企及策劃部門經(jīng)過市場調(diào)研及未來預(yù)測輸出的結(jié)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(shù)、底盤基本形式及主要性能參數(shù)；座椅、車門、天窗、輪輞等關(guān)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(guān)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(gòu)布置分析了。

平臺架構(gòu)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(guān)鍵尺寸帶寬分析，同時也會將乘員艙內(nèi)關(guān)鍵硬點、核心部件的模塊化策略逐步確定和落地。乘員艙區(qū)域內(nèi)的工作大致分為兩個部分：人體的模塊化布置及乘員艙內(nèi)關(guān)鍵指標的帶寬設(shè)定、關(guān)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(guān)鍵硬點特別是駕駛員人體硬點，是乘員艙區(qū)域設(shè)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(qū)域的模塊化工作。大致思路如下：

1.結(jié)合對標確認駕駛員坐姿的基本種類

駕駛員姿態(tài)的設(shè)定根據(jù)SAEJ1100、SAEJ826、SAEJ4004的相關(guān)說明或公司內(nèi)部的設(shè)定規(guī)范確定。根據(jù)系列車型的需求，首先確定H30-1的基本種類：Seden設(shè)定為220 mm～280 mm；運動型多用途汽車（Sport Utility Vehicle,SUV）設(shè)定為280 mm～330 mm；多用途汽車（Multi-Purpose Vehicles,MPV）設(shè)定為330 mm～360 mm[2]。H30-1的種類基本決定了該架構(gòu)平臺駕駛員坐姿的種類。然后分別根據(jù)相關(guān)公式，計算出對應(yīng)的L99-1的結(jié)果[3]。如無特殊約定，一般將A40-1（靠背角）設(shè)定為25°，A46-1（踝關(guān)節(jié)角）設(shè)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(jié)合實際平臺架構(gòu)開發(fā)經(jīng)驗，通過同一平臺下不同車型間駕駛員姿態(tài)的演變可知：應(yīng)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(tài)應(yīng)一致，不同類型車在踏點方向，踵點方向一致的基礎(chǔ)上匹配調(diào)整駕駛員坐姿。這樣系列化的設(shè)定基本保證了乘員艙內(nèi)零部件的模塊化設(shè)定盡量多的共用[4]。

3.結(jié)合人機目標、尺寸鏈、硬點斷面分析確定模塊化設(shè)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(jié)合系列車型的定位，按、、三個方向通過關(guān)鍵位置的尺寸鏈并結(jié)合硬點斷面確認帶寬的合理性。從而保證后續(xù)車型開發(fā)中硬點、目標、帶寬的正確合理，降低開發(fā)成本。

上述工作完成后，就可以開展乘員艙內(nèi)操縱件的模塊化布置了。

2 關(guān)鍵操縱件的模塊化布置

關(guān)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(guān)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(jù)收集到的信息，參考對標車情況，結(jié)合現(xiàn)有的布置規(guī)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(shè)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(shè)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(xiàn)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(fā)，對于總布置來說，需要提出長、寬、角度等加速踏板基本參數(shù)供專業(yè)新開加速踏板用。最后經(jīng)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(xiàn)有制動踏板，一般對于一個新開發(fā)的平臺，需要重新開發(fā)一套制動踏板。制動踏板開發(fā)前和總布置直接相關(guān)的參數(shù)，如踏板面的尺寸，踏板行程，以及專業(yè)關(guān)注的踏板比、助力器推桿行程等參數(shù)提供后，結(jié)合布置的人體及周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，可以初步完成大致的制動踏板數(shù)據(jù)。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(jù)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(jié)合前期確定的踏板組的初步數(shù)據(jù)、通用化策略及配接策略，結(jié)合設(shè)計規(guī)范及經(jīng)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(shè)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(guān)系的合理性。如圖1、表1所示。然后根據(jù)設(shè)計規(guī)范適當調(diào)整踏板對應(yīng)的角度來適配具體車型。

圖1 踏板組和人體關(guān)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(shù)據(jù)完成后的數(shù)字樣機（Digital Mock Up, DMU）校核確認其和周邊環(huán)境的關(guān)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(dǎo)致反復(fù)，因此，應(yīng)在前期布置的過程中把相關(guān)需要考慮到的因素考慮到位，減少方案的反復(fù)調(diào)整。

4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模塊化布置流程及設(shè)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(nèi)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其包含的部件主要有轉(zhuǎn)向柱（包含上轉(zhuǎn)向軸、上柱管、調(diào)節(jié)機構(gòu)、安裝支架、下轉(zhuǎn)向軸），中間軸總成以及轉(zhuǎn)向下軸帶連接節(jié)叉。為降低開發(fā)成本，往往優(yōu)先考慮現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上的修改借用。

結(jié)合總布置提供的調(diào)節(jié)行程的需求，安全對潰縮距離的要求，平臺轉(zhuǎn)向機的位置，專業(yè)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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(xiàn)有產(chǎn)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(zhuǎn)向柱的通用性，僅通過調(diào)節(jié)下轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)變動，保證中間軸總成共用的策略。轉(zhuǎn)向下軸及連接節(jié)叉總成，則需保證連接節(jié)叉的共用，通過調(diào)整轉(zhuǎn)向下軸的尺寸來適配不同車型。配接策略則主要保證和轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)完全一致，不同車型下通過調(diào)整CCB帶轉(zhuǎn)向柱支架的位置來保證該位置轉(zhuǎn)向柱配接的一致性。至于和組合開關(guān)、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(zhuǎn)向系統(tǒng)布置完成

結(jié)合前期確定的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的初步數(shù)據(jù)、通用化策略及配接策略、設(shè)計規(guī)范及經(jīng)驗同步對平臺下系列車型進行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置。結(jié)合ESSA平臺，初步設(shè)定的方案是轉(zhuǎn)向柱向位置隨不同車型人的W20-1統(tǒng)一調(diào)整，保證向和人體的一致性，然后根據(jù)經(jīng)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(zhuǎn)向柱、中間軸總成及轉(zhuǎn)向下軸的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向柱力矩波動要求：一般要求力矩波動范圍應(yīng)小于5%；

（3）轉(zhuǎn)向柱剛度、模態(tài)要求：一般自身的垂向和側(cè)向模態(tài)應(yīng)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(yīng)大于160 mm，SUV應(yīng)大于180 mm；

（5）潰縮距離要求：轉(zhuǎn)向柱應(yīng)保證安全需要的潰縮距離；

（6）間距要求：應(yīng)保證轉(zhuǎn)向柱及其運動包絡(luò)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(yīng)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(zhuǎn)向系統(tǒng)的裝配維修空間應(yīng)滿足要求；

（9）組合儀表盲區(qū)要求：方向盤及轉(zhuǎn)向柱護罩引起的組合儀表盲區(qū)應(yīng)滿足人機目標等。

根據(jù)上述策略及關(guān)鍵要求的限制，結(jié)合平臺下不同車型的人機硬點可以初步確認轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的系列布置方案，如圖2、表2所示。

由于轉(zhuǎn)向柱系統(tǒng)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(jié)調(diào)整導(dǎo)致周邊數(shù)據(jù)甚至是人體布置的變動。

圖2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和人體關(guān)系示意圖

表2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和人體關(guān)系的關(guān)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(zhuǎn)向系統(tǒng)布置完成后，后期主要通過人機臺架驗證其舒適性；整車數(shù)據(jù)完成后的DMU校核確認其和周邊環(huán)境的關(guān)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(tài)情況、重量等目標是否達標。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在整個儀表板內(nèi)甚至是乘員艙內(nèi)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(xiàn)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(nèi)發(fā)動機和智能集成制動系統(tǒng)（one box）的布置相對關(guān)系不太合理，后期碰撞仿真中發(fā)現(xiàn)前碰過程中電機撞擊one box，導(dǎo)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(guān)系不合理。但由于電機位置無法在發(fā)生問題的時間再做調(diào)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(tǒng)（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(jīng)過反復(fù)討論提出了增加防竄鉤并且局部修改鈑金結(jié)構(gòu)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(qū)域?qū)Τ藛T艙的影響，前期不太容易發(fā)現(xiàn)。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(huán)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(huán)境數(shù)據(jù)完善后發(fā)現(xiàn)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(yīng)注意收集可能出現(xiàn)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(jié)構(gòu)空間。對于ESSA，由于前期未預(yù)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(jīng)過反復(fù)論證，做了如下優(yōu)化，防竄鉤位置調(diào)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(yīng)盡量把制動踏板的上固定點調(diào)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(zhuǎn)向柱安全距離不足的問題

在整車概念數(shù)據(jù)完成后安全反饋方向盤到安全假人的距離不足，會導(dǎo)致DAB爆破時對人的胸部沖擊較大。且轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向柱系統(tǒng)硬點的調(diào)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(qū)問題已經(jīng)將轉(zhuǎn)向柱和 CCB的距離壓縮到了極限。結(jié)合斷面分析基本上5 mm的調(diào)整量也無法做到，而且也影響了模塊化轉(zhuǎn)向柱和CCB配接的一致性策略。鑒于此，經(jīng)過反復(fù)論證，做出了如下方案不調(diào)整方向盤硬點，而是調(diào)整人體硬點的狀態(tài)，減小R點前的調(diào)節(jié)行程10 mm，并增加 R點后的調(diào)節(jié)行程10 mm。同時通過修改轉(zhuǎn)向柱模具將轉(zhuǎn)向柱裝配到整車中的潰縮距離做到了60 mm，如圖5所示。經(jīng)過仿真確認，按此方案修改的狀態(tài)基本滿足安全的要求。

圖5 轉(zhuǎn)向柱修改件爆炸圖

其他如重量增大導(dǎo)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(fēng)險、加速踏板和周邊匹配的美觀性問題、轉(zhuǎn)向柱和轉(zhuǎn)向機裝配空間不足問題，轉(zhuǎn)向柱調(diào)節(jié)手柄間距不足的問題，轉(zhuǎn)向柱和護罩的安全距離不足的問題，轉(zhuǎn)向柱自身模態(tài)不足的問題、方向盤位置導(dǎo)致的組合儀表盲區(qū)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(guī)避。

6 總結(jié)

本文結(jié)合ESSA架構(gòu)開發(fā)，對乘員艙內(nèi)的人機硬點系列化設(shè)定，特別是乘員艙內(nèi)關(guān)鍵操縱件的模塊化布置提出了基本開發(fā)流程思路、重點需要考慮的因素以及開發(fā)過程中發(fā)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(fā)中乘員艙區(qū)域的平臺化、模塊化的布置工作提供了一些經(jīng)驗和思路。

[1] 王君,莫冬秀.乘用車開發(fā)平臺化模塊化的淺析和構(gòu)想[J].裝備制造技術(shù),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(xué)[M].北京:北京大學(xué)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(gòu)的研究和應(yīng)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。