汪萬松 趙召勇

（浙江遠程商用車研發(fā)有限公司，杭州 310018）

縮略語

BOF Ball Of Feet

SWC Steering Wheel Centre

AHP Accelerator Heel Point

SgRP Seating Reference Point

0 引言

汽車整車的外廓尺寸狀態(tài)是由關(guān)鍵尺寸和人機硬點確定的，整車主要尺寸包括：整車外形長寬高尺寸、輪胎型號、軸距、輪距、前懸、后懸、接近角和離去角、最小離地間隙、前上下視野和頭部空間、油門踏板中心點、駕駛員人體姿態(tài)和H 點、駕駛員肩部和臀部空間、轉(zhuǎn)向盤中心點和后排H 點。在整車設(shè)計階段，控制好整車主要尺寸和人機硬點是達成整車主要性能的基礎(chǔ)，是達到市場定位和滿足消費者需求的基礎(chǔ)。因此，掌握好整車主要尺寸和人機硬點的控制思路和方法具有十分重要的意義。

本文提出基于正向人機工程的整車關(guān)鍵尺寸設(shè)定思路和具體方法，幫助整車總布置人員科學(xué)、高效設(shè)定整車關(guān)鍵尺寸，對平臺車型的整車關(guān)鍵尺寸鏈的設(shè)定具有實際指導(dǎo)意義。

1 整車主要尺寸參數(shù)控制方法

根據(jù)產(chǎn)品研發(fā)流程，整車布置是先由產(chǎn)品規(guī)劃提出車型級別、參考車型、外形目標(biāo)尺寸、初步性能要求，整車總布置根據(jù)對標(biāo)車的加速踏板參考點、H30（人體坐姿高度）、人體姿態(tài)、前后上下視野、肩頭部空間等確定駕駛員初步人體姿態(tài)；根據(jù)駕駛員人體姿態(tài)確定轉(zhuǎn)向盤的初步位置、3 個踏板位置和其它相關(guān)部件位置；根據(jù)轉(zhuǎn)向盤的位置確定組合儀表的位置；通過人機操作舒適性（包括轉(zhuǎn)向盤布置校核、3個踏板布置校核、換擋布置校核、頭肩部空間校核）和視野合理性校核，保證整車主要部件能使駕駛員看得清、摸得著、操作方便舒適。所以整車布置是以人為中心、滿足人的需求來進行設(shè)計，整車主要尺寸控制思路可以總結(jié)為“以人為本，由內(nèi)到外，內(nèi)外結(jié)合，統(tǒng)籌分配”的指導(dǎo)思想，先以人機工程為本，設(shè)定好與人機工程相關(guān)尺寸參數(shù)，再結(jié)合需要的空間定義，確認(rèn)整車X、Y、Z方向尺寸鏈的合理性，以滿足整車性能目標(biāo)要求。整車X、Y、Z坐標(biāo)系定義參考SAE J1100 NOV2009[1]。

人機工程參數(shù)設(shè)定的合理性是整車關(guān)鍵尺寸參數(shù)設(shè)定的關(guān)鍵，與人機工程強相關(guān)的10個關(guān)鍵尺寸設(shè)定尤其重要，包括：

（1）駕駛員人體坐姿H30設(shè)定。

（2）駕駛員的人體姿態(tài)設(shè)定。

（3）駕駛員人機Y向值設(shè)定。

（4）轉(zhuǎn)向盤關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定。

（5）3個踏板位置設(shè)定。

（6）關(guān)鍵視野線設(shè)定。

（7）頭部空間設(shè)定。

（8）肩部和臀部空間設(shè)定。

（9）前后排H點關(guān)系設(shè)定。

（10）前懸尺寸L104設(shè)定。

1.1 駕駛員人體坐姿H30設(shè)定

駕駛員人體坐姿H30尺寸是確定人體姿態(tài)最重要的參數(shù)，H30可以先設(shè)定一個初定值，再通過車型類型、人體姿態(tài)舒適、前方上下視野和頭部空間是否滿足人機舒適性來校核確定。H30初定值可以通過3步來確定。

（1）充分對標(biāo)至少3款以上同類車型H30值。

（2）擬合出車高和H30值之間的比例關(guān)系。

（3）通過綜合校核人機舒適性、視野可視性、頭腳步空間滿足性來確定H30目標(biāo)值。

1.2 駕駛員的人體姿態(tài)設(shè)定

駕駛員姿態(tài)的舒適性包括人體姿態(tài)角度設(shè)定和人體位置設(shè)定，即腳掌踏點（Ball Of Feet,BOF）在整車的位置。人體姿態(tài)角度設(shè)定可以分為3步實現(xiàn)。

（1）根據(jù)SAE J1517 OTC2011公式[2]，用H30的初定值計算出初始踏板角度，如式（1）：

式中，A47為初始加速踏板角度。

（2）參考SAE J1517 OTC2011 中各百分位人體尺寸定義及公式[3]，制作SAE5%～95%男性人體H點座椅適應(yīng)線。通過BOF 點制作出座椅適應(yīng)線，H 點在SAE95%男性人體的座椅適應(yīng)線和H30交點附近，從而確定H點的初步位置，且座椅的最大調(diào)節(jié)行程應(yīng)大于座椅適應(yīng)線范圍（圖1）。

圖1 座椅適應(yīng)線

（3）統(tǒng)一設(shè)定踝關(guān)節(jié)角A46=87°，根據(jù)人機工程推薦人體各姿態(tài)的舒適角度，確定人體姿態(tài)各角度值，符合人機工程要求（圖2和表1）。

圖2 人體姿態(tài)角度

表1 人體姿態(tài)推薦值[3]

1.3 駕駛員人體Y向值設(shè)定

駕駛員人體Y向值設(shè)定需要考慮4個因素：

（1）對標(biāo)競品車相關(guān)尺寸參數(shù)。

（2）駕駛員肩部空間，與門板間隙預(yù)留100～120 mm。

（3）駕駛員腳部Z向空間預(yù)留270～300 mm，加速踏板距離地毯Y向空間>25 mm。

（4）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向軸線夾角應(yīng)＜3.5°，滿足轉(zhuǎn)向波動率及布置空間要求。

1.4 轉(zhuǎn)向盤關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定

轉(zhuǎn)向盤關(guān)鍵參數(shù)包括轉(zhuǎn)向盤中心點位置、轉(zhuǎn)向盤傾角和轉(zhuǎn)向盤直徑及轉(zhuǎn)向盤視野校核。

1.4.1 轉(zhuǎn)向盤中心點位置設(shè)定

轉(zhuǎn)向盤中心（Steering Wheel Centre，SWC）的初始位置（圖3）可按式（2）、式（3）求出。

圖3 轉(zhuǎn)向盤中心點設(shè)定

式中，Wx為從BOF 點起轉(zhuǎn)向盤中心點X向距離；Wz為從腳踵點（Accelerator Heel Point,AHP）到轉(zhuǎn)向盤中心點Z向距離。

轉(zhuǎn)向盤中心點的最終布置位置應(yīng)根據(jù)客戶群的人體特點和習(xí)慣調(diào)整，調(diào)整范圍Z向為±25 mm、Y向為±30 mm。

1.4.2 轉(zhuǎn)向盤傾角A18的設(shè)定

轉(zhuǎn)向盤傾角A18的推薦公式如下：

式中，A18為轉(zhuǎn)向盤初始位置傾角。

（1）轉(zhuǎn)向盤傾角A18推薦值為22°～39°，轉(zhuǎn)向盤上下調(diào)整角度為5°以內(nèi)，前后調(diào)整距離為40 mm以內(nèi)；

（2）轉(zhuǎn)向盤最高極限位置與通過V2點的視野線與水平參考線夾角大于1°（圖4）。

圖4 轉(zhuǎn)向盤最高極限位置校核

1.4.3 轉(zhuǎn)向盤外徑設(shè)定

A類車轉(zhuǎn)向盤外徑W9推薦為380～390 mm，B類車轉(zhuǎn)向盤外徑W9推薦為420～560 mm。

1.4.4 轉(zhuǎn)向盤視野校核

轉(zhuǎn)向盤的位置要滿足組合儀表視野要求，包括眼橢圓中心點到組合儀表盤中心的距離L1要合理，既能保證駕駛員看清組合儀表上的指示燈，又能保證轉(zhuǎn)向盤在上下調(diào)節(jié)時，組合儀表顯示符號在組合視野可視區(qū)域內(nèi)，即視距L1＜800 mm；組合儀表數(shù)字盤與視距L1夾角A1為90°±10°[3]（圖5）。

圖5 組合儀表視野視距[3]

1.4.5 轉(zhuǎn)向盤位置空間校核

轉(zhuǎn)向盤布置位置初步確定后還要檢查如下要點：

（1）轉(zhuǎn)向盤中心至駕駛員座椅中心平面的距離應(yīng)≤15 mm，且偏向Y0平面。

（2）轉(zhuǎn)向盤偏心距為0～5 mm。

（3）轉(zhuǎn)向盤中心到H點X向距離為400～420 mm。

（4）偏離俯傾角＜1.5°。

（5）轉(zhuǎn)向盤下端與人體大腿中心線距離為70～100 mm。

（6）轉(zhuǎn)向盤與組合儀表罩的最小距離＞60 mm。

（7）轉(zhuǎn)向盤與門板間隙為110～120 mm，避免操作時與門板干涉。

（8）轉(zhuǎn)向盤與組合開關(guān)手柄間隙＞40 mm。

1.5 3個踏板位置設(shè)定

3個踏板包括加速踏板、制動踏板和離合踏板，電動車只包括加速踏板和制動踏板。

1.5.1 3個踏板中心位置設(shè)定（圖6）從AHP點計算Z向高度，加速踏板中心點高度：

圖6 駕駛員腳步空間

式中，ha為加速踏板中心點高度。

制動踏板和離合踏板中心點高度計算公式如下：

式中，hb為制動踏板和離合踏板中心點參考高度。

1.5.2 3個踏板空間位置關(guān)系設(shè)定

以駕駛員人機Y向為基礎(chǔ)布置3個踏板，3個踏板尺寸和空間關(guān)系滿足駕駛員左右腳人機操作空間要求。具體布置空間推薦距離，見表2。

表2 3個踏板布置空間推薦值 mm

1.5.3 腳步空間設(shè)定

駕駛員腳步空間（圖6）要滿足如下要求：

（1）踏入方向踏板中心高度差c為35～45 mm；防止駕駛員誤踩。

（2）腳步空間AHP 到儀表臺下沿Z向距離為270～300 mm。

（3）離合踏板距離地毯Y向≥140 mm。

（4）加速踏板距離地毯Y向≥25 mm。

1.6 關(guān)鍵視野線設(shè)定

視野線用來校核人機工程參數(shù)設(shè)定的是否合理，保證駕駛員能夠看得見、看得清。關(guān)鍵視野線包括前方上下視野、后方上下視野、前風(fēng)透明區(qū)域、組合儀表防反光、炫目。

1.6.1 前方上下視野

（1）前方上視野：根據(jù)GB 7258—2017[4]《機動車運行安全技術(shù)條件》，通過V1點能夠看到車頭向前12 m、高5 m處的交通燈（圖7）。

圖7 前方上視野要求

（2）前方下視野：通過V2點作與發(fā)動機罩蓋斷面相切直線與水平直線夾角要求大于5°，即下視野角度要>5°，車頭前下視野盲區(qū)距離＜6 m為好。前方下視野評價要求見表3。

表3 前方下視野評價要求

1.6.2 后方上下視野

（1）后方上視野：要求通過駕駛員的眼橢圓上參考點V1與后風(fēng)窗玻璃上黑邊的連線同水平線的夾角＞3°（圖8）。

圖8 后方上下視野線

（2）后方下視野：要求通過駕駛員的眼橢圓的下參考點V2與后風(fēng)窗玻璃下黑邊連線同水平線的夾角＞1°。

1.6.3 前方透明區(qū)域

根據(jù)GB 11562—2014《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》[5]，汽車駕駛員前方視野設(shè)計和測量方法要求前風(fēng)窗玻璃至少包含：

（1）V1點水平向前偏左17°的基準(zhǔn)點a。

（2）V1點向前在垂直平面內(nèi)偏上7°的基準(zhǔn)點b。

（3）V2點向前在垂直平面內(nèi)偏下5°的基準(zhǔn)點c。

在汽車縱向?qū)ΨQ面內(nèi)的另一側(cè)應(yīng)增加與a、b、c對稱的基準(zhǔn)點a’、b’、c’（圖9）。

圖9 前方透明區(qū)域[6]

1.6.4 組合儀表視野

利用95%眼橢圓和轉(zhuǎn)向盤上輪緣的下邊緣和輪輻的上邊緣做出2條相切線，此切線的范圍與組合儀表刻度盤的交線即為直視的可視區(qū)域，儀表盤應(yīng)在可視范圍內(nèi)（圖10）。

圖10 組合儀表視野可視區(qū)域

1.7 頭部空間設(shè)定

頭部空間為95%的駕駛員頭部包絡(luò)與車身、頂棚、側(cè)圍的距離，頭部空間包括頭部Z向空間，頭部Y向空間和頭部Y向30°空間。

（1）對應(yīng)頭部空間的Z向距離H35要求在30～120 mm。

（2）頭部空間的Y向尺寸W35要求在40～150 mm。

（3）頭部空間的Y向30°角W27尺寸要求在40～150 mm（圖11）。

圖11 頭部空間設(shè)定

頭部空間還決定整車高度尺寸，在設(shè)定整車高度時還要考慮頂棚加上天窗的布置高度，高度需要預(yù)留40～60 mm，整車人體中心處和整車Y0處高度差為15～25 mm（即預(yù)留造型高度）。

1.8 肩部和臀部空間設(shè)定

1.8.1 肩部空間W3

肩部空間W3主要指駕駛員坐入車后肩部與門內(nèi)飾板的距離，在H 點上254 mm 處量取門護板間最小間隙，此間隙需要滿足如下推薦值。

（1）2座乘員肩部空間≥2×（W20+340）mm。

（2）3座乘員肩部空間≥1 490 mm。

（3）緊湊SUV肩部空間≥1 400 mm。

（4）中型SUV肩部空間≥1 500 mm。

（5）大型SUV肩部空間≥1 600 mm。

注：W20為駕駛員H點與整車Y0平面的距離。

1.8.2 臀部空間W5

臀部空間W5是指駕駛員坐入車后臀部與門內(nèi)飾板的距離，在乘坐基準(zhǔn)點（Seating Reference Point,SgRP）上76 mm，前后76 mm，下25 mm 所圍成區(qū)域的最小值（圖12）。

圖12 肩部空間和臀部空間[1]

1.9 前后排H點關(guān)系設(shè)定

前后排H點關(guān)系設(shè)定要點如下：

（1）后排H點一般比前排H點Z向高20～50 mm。

（2）不同級別的車型對后排舒適性的要求不一樣，小型和中型級別車按照SAE 50%男性人體腿部空間設(shè)計，即前后排H點間距要求在750～850 mm。

（3）大型級別車按照SAE 95%男性人體腿部空間設(shè)計，即前后H點間距在850～950 mm。

（4）頭部空間可定義的比前排頭部空間稍小些，按照SAE 95%男性頭部包絡(luò)，要求在920～1 000 mm。

1.10 前懸尺寸（L104）設(shè)定

前懸尺寸既要滿足機艙零部件布置要求，也要滿足碰撞安全要求。機艙布置的合理性不僅關(guān)系到動力總成及附件是否能夠安裝進去，同時還關(guān)系到整車性能諸多方面，比如：整車的熱管理、可靠性、行人保護、碰撞安全、行車安全、整車整備質(zhì)量、整車軸荷分配、整車維修工效性、美觀性、電器元器件的使用壽命等[7]（表4）。

表4 機艙布置間隙要求[7]

機艙零部件布置主要考慮包括動力總成、冷卻模塊、保險杠、蓄電池、洗滌液壺和碰撞水壺、空調(diào)系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和雨刮系統(tǒng)。碰撞安全要求主要是根據(jù)碰撞安全星級C-NCAP 五星吸能空間目標(biāo)，即D1+D2＞450 mm，由此得出安全需求的最小前懸架尺寸，滿足C-NCAP5星級碰撞要求[8]（圖13）。

圖13 前懸架尺寸設(shè)定[8]

2 基于正向人機工程的整車X、Y、Z方向尺寸鏈控制策略

根據(jù)整車關(guān)鍵尺寸和人機工程硬點的控制方法，可以把關(guān)于人機工程布置的10 個重要關(guān)鍵尺寸和硬點提煉出來，在產(chǎn)品前期策劃階段，重點對這些尺寸和硬點進行控制就可以把整車零部件布置和整車關(guān)鍵尺寸設(shè)定在比較合理的水平，保證整車性能達標(biāo)的前提下，合理分配整車X、Y、Z方向的尺寸鏈。現(xiàn)以某歐系VAN 類車平臺規(guī)劃為例進行闡述尺寸鏈控制策略。

2.1 整車X方向尺寸鏈設(shè)定策略

整車X方向大尺寸鏈包括：前懸L104、軸距L101、后懸L105，并體現(xiàn)平臺系列車型規(guī)劃尺寸，尺寸定義按照SAE J1100 NOV2009[1]（圖14）。

圖14 整車X方向尺寸鏈[1]

前懸尺寸鏈包括：保險杠前端與防撞橫梁間距a、防撞梁到冷凝器距離b、冷卻模塊厚度c和冷卻模塊到前輪心距離F。

軸距尺寸鏈包括：前輪心到BOF點的距離A、BOF點到H點距離B、前H點到隔板的距離B1、隔板到后背門的距離E。具體控制策略如下：

（1）人機工程尺寸（L114、a、b、c）保持固定值。

（2）冷卻模塊到輪心距離（F）保持不變，保證冷卻模塊與車身安裝點不變，做到最大通用化。

（3）前防撞梁到輪心距離（D）＞940 mm，保證NCAP五星級前碰撞吸能空間要求。

（4）體現(xiàn)不同軸距和不同車頂高度變化。

整車X方向尺寸鏈設(shè)定策略如見表5。

表5 整車X方向尺寸鏈控制策略

2.2 整車Y方向尺寸鏈設(shè)定策略

整車Y向尺寸鏈控制主要包括2個：

（1）前輪中心處Y向斷面尺寸鏈。

（2）駕駛員H點處Y向尺寸鏈。

最終確定整車寬度符合布置要求。

2.2.1 前輪中心處Y向斷面尺寸鏈設(shè)定策略

前輪中心處Y向斷面尺寸鏈包含前輪胎轉(zhuǎn)向包絡(luò)、車架寬度、車架間距和輪胎之間的尺寸關(guān)系，且要滿足前輪胎跳動包絡(luò)要求和車身輪罩與車輪之間美觀要求（圖15）。

圖15 整車Y向尺寸鏈（前輪中心處）

整車Y方向尺寸鏈設(shè)定策略（前輪中心處）見表6。

表6 整車Y向尺寸鏈控制策略（前輪中心處）

2.2.2 駕駛員H點處Y向尺寸鏈設(shè)定策略

駕駛員H 點處Y向尺寸鏈包含車門寬度、肩部空間、車身縱梁外寬和車身寬度之間的布置關(guān)系，且要滿足前排人機工程要求和肩部側(cè)向距離m1≥340 mm（從駕駛員人體中心處測量）（圖16）。

圖16 整車Y向尺寸鏈（H點處）

整車Y向尺寸鏈（H點處）控制策略見表7。

表7 整車Y向尺寸鏈控制策略（H點處）

2.3 整車Z方向尺寸鏈設(shè)定策略

整車Z方向尺寸鏈包括最小離地間隙、動力電池或油箱布置、人體坐姿、頭部空間、頂蓋或天窗布置空間等，且要體現(xiàn)平臺車型的頂蓋高度，見圖17。

圖17 整車Z向尺寸鏈

整車Z向尺寸鏈控制策略如下，見表8。

表8 整車Z向尺寸鏈控制策略

3 結(jié)論

綜上，在“以人為本，由內(nèi)到外，內(nèi)外結(jié)合，統(tǒng)籌分配”的正向人機工程布置指導(dǎo)思想和布置原則下，掌握10個整車關(guān)鍵尺寸定義方法，合理分配關(guān)鍵尺寸，定義出平臺車型的X、Y、Z方向的整車尺寸鏈控制策略，做到既能滿足平臺車型尺寸目標(biāo)定義要求和零部件布置要求，又能滿足整車性能和人機舒適性要求的控制策略，最終大幅提高整車設(shè)計進度和設(shè)計質(zhì)量，做到最大通用化原則，還能有效節(jié)約開發(fā)成本。所以掌握基于正向人機工程的整車主要尺寸鏈控制策略方法，對平臺開發(fā)車型具有重大意義。