張仕亮　袁鵬文　劉羅衛(wèi)　孟相陽(yáng)

摘 要：乘用車轉(zhuǎn)向盤的設(shè)計(jì)位置為50百分位人體所匹配的最佳位置，為了使轉(zhuǎn)向盤能夠最大化適應(yīng)不同身高的駕駛員，文章對(duì)人體的H點(diǎn)、轉(zhuǎn)向盤中心點(diǎn)、腳部參考點(diǎn)的位置關(guān)系（即人機(jī)三角形）進(jìn)行深入研究，并對(duì)人機(jī)三角形進(jìn)行了重新定義。利用不同百分位的人體關(guān)節(jié)尺寸比例幾乎相同的特點(diǎn)，推導(dǎo)出基于舒適曲線的5、50、95三個(gè)百分位人體在坐高200mm至360mm范圍內(nèi)的坐姿下的轉(zhuǎn)向盤中心最佳位置，即不同身高的駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤的可調(diào)范圍的需求。

關(guān)鍵詞：人機(jī)三角形 H點(diǎn) 舒適曲線 轉(zhuǎn)向盤

1 引言

在研發(fā)某一款車型時(shí)，轉(zhuǎn)向盤的位置是非常關(guān)鍵的人機(jī)設(shè)定。合理的轉(zhuǎn)向盤位置，能夠使駕駛員的軀干和四肢的關(guān)節(jié)都處于舒適的角度。總布置工程師通常用人機(jī)三角形（當(dāng)前人機(jī)三角形由95百分位駕駛員踵點(diǎn)、H點(diǎn)、轉(zhuǎn)向盤中心點(diǎn)連線而成）來(lái)評(píng)估轉(zhuǎn)向盤位置是否滿足舒適性要求。如圖1。因此從某種意義上來(lái)講，人機(jī)三角形即是某一人體舒適坐姿的全簡(jiǎn)化，其中包含腳部姿態(tài)、腿部姿態(tài)、軀干姿態(tài)、上肢姿態(tài)、手部姿態(tài)。

實(shí)際上，SAE人機(jī)布置體系中的人體是不含上肢的（圖1所顯示上肢僅出于美觀性考慮，其上肢與下肢的尺寸參數(shù)來(lái)自不同文件），轉(zhuǎn)向盤布置也不是通過(guò)上肢的關(guān)節(jié)角度分析得出的。所以，合理的應(yīng)用人機(jī)三角形，在不涉及上肢布置的情況下，也可以推導(dǎo)出合理的轉(zhuǎn)向盤位置。進(jìn)一步，可以根據(jù)三角形相似舒適性相同的原理，推導(dǎo)出不同百分位的人體的轉(zhuǎn)向盤的最佳位置。

當(dāng)前人機(jī)三角形存在一定的不合理性，文章對(duì)人機(jī)三角形進(jìn)行了重新定義（新人機(jī)三角形由舒適曲線的參考原點(diǎn)、H點(diǎn)、轉(zhuǎn)向盤中心的連線而成），并以此推導(dǎo)出基于舒適曲線的5、50、95三個(gè)百分位人體在坐高200mm至360mm范圍內(nèi)的坐姿下的轉(zhuǎn)向盤中心最佳位置，即不同身高的駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤的可調(diào)范圍的需求。

注：如無(wú)特殊說(shuō)明，文章相關(guān)參數(shù)尺寸代碼均采用SAE J1100所定義代碼。長(zhǎng)度單位為毫米（mm），角度單位為度（°）。

2 當(dāng)前人機(jī)三角形的來(lái)源及問(wèn)題

據(jù)考證，當(dāng)前所采用的人機(jī)三角形，來(lái)自于UG 軟件的總布置Package工具包，由人體的踵點(diǎn)、95百分位人體H點(diǎn)、轉(zhuǎn)向盤中心這三點(diǎn)的連線構(gòu)成。如圖1所示。

對(duì)于某一特定市場(chǎng)人群的乘用車，其定義的轉(zhuǎn)向盤位置，是該人群50百分位的人體所匹配的最佳位置。在作者發(fā)表的論文《乘用車駕駛員關(guān)鍵操控件的系統(tǒng)性布置研究》中提出的轉(zhuǎn)向盤定義公式，其所匹配的是50百分位的人體所匹配的轉(zhuǎn)向盤最佳位置。上述人機(jī)三角形中，轉(zhuǎn)向盤中心點(diǎn)與 95百分位H點(diǎn)的連線，不能反映50百分位人體的舒適程度也不能反映95百分位人體的舒適程度，故該連線存在一定不合理性。

在同一款車型中，不同百分位的人體，在相同的坐高下，其踵點(diǎn)的位置是不同的。上述人機(jī)三角形中，轉(zhuǎn)向盤中心與95百分位人體踵點(diǎn)的連線，不能反映50百分位人體的舒適程度也不能反映95百分位人體的舒適程度。故該連線也存在一定不合理性。

當(dāng)前人機(jī)三角形中，兩條邊的定義都存在不合理性，故用其評(píng)估駕駛員舒適性是存在問(wèn)題的。

3 新人機(jī)三角形的定義及原理

3.1 新人機(jī)三角形的定義

為了解決當(dāng)前人機(jī)三角形的問(wèn)題，文章提出一個(gè)新型人機(jī)三角形的定義方法。如圖2所示，該三角形的三點(diǎn)定義如下：

（1）轉(zhuǎn)向盤中心點(diǎn)（與原定義一致）；

（2）腳部參考點(diǎn)：通過(guò)踏點(diǎn)BOFRP的豎直線與通過(guò)踵點(diǎn)AHP的水平線的交點(diǎn)；

（3）舒適曲線上50百分位的H點(diǎn)。

3.2 新人機(jī)三角形的原理

因?yàn)檗D(zhuǎn)向盤的定義位置是匹配50百分位人體駕駛員的最佳位置，所以我們采用50百分位人體的H點(diǎn)。此時(shí)轉(zhuǎn)向盤中心點(diǎn)與50百分位H點(diǎn)的連線，可以表征該狀態(tài)下50百分位的駕駛員的舒適姿態(tài)，包含靠背姿態(tài)、上肢姿態(tài)和手部姿態(tài)。

對(duì)于舒適曲線，其表征的含義是不同百分位的人體在不同坐高下，不同百分位人體的H點(diǎn)與BOFRP點(diǎn)在水平方向上的距離變化趨勢(shì)。 該趨勢(shì)由SAE經(jīng)統(tǒng)計(jì)方法得出，并擬合成一組公式。該組曲線，有共同的基準(zhǔn)原點(diǎn)，即過(guò)BOFRP點(diǎn)的豎直線與過(guò)AHP的水平線的交點(diǎn)。該點(diǎn)是該組公式所對(duì)應(yīng)的原點(diǎn)，其表征無(wú)論什么百分位的人體，以什么坐高的坐姿，只要其BOFRP點(diǎn)的X坐標(biāo)和AHP點(diǎn)的Z坐標(biāo)保持不變，坐姿舒適時(shí)，其H點(diǎn)必然落于舒適曲線上。隨著人體或坐高的變化，其BOFRP點(diǎn)的Z坐標(biāo)發(fā)生變化、AHP點(diǎn)的X坐標(biāo)發(fā)生變化，但原點(diǎn)保持不變，如圖3、圖4所示。所以，采用該原點(diǎn)與50百分位H點(diǎn)的連線，可以表征任意坐高下的舒適姿態(tài)，包含腿部姿態(tài)和腳部姿態(tài)。

綜上，此三點(diǎn)的連線所形成的三角形，可以完整的表征50百分位人體在某種坐高下的全身舒適姿態(tài)。

4 人體尺寸的特征

不同地區(qū)，不同百分位人體的身高是不同的，分解到人體內(nèi)部，即各個(gè)肢體的尺寸也是不同的。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同的人體其自身各個(gè)肢體尺寸相對(duì)于自身身高的占比基本相同。那么可以認(rèn)為，不同身高的人體之間是互相等比例縮放的關(guān)系。如表1所示。

5 新人機(jī)三角形的應(yīng)用方法

人機(jī)三角形可以表征駕駛員全身的舒適姿態(tài)，不同人體又是等比例縮放的關(guān)系。那么可以認(rèn)為，不同的人體采取相似的人機(jī)三角形（角度形同，大小不同）時(shí)，其擁有等效的舒適姿態(tài)。為了便于分析，暫忽略座椅滑軌傾角帶來(lái)的影響。

5.1 方法一 直接應(yīng)用法

對(duì)于某款車型，已確定的50百分位人機(jī)三角形（如無(wú)特別指出，以下均指新人機(jī)三角形），可以直接在該人機(jī)三角形中，直接作出5百分位、95百分位所相似的三角形。如圖5所示。

但該作圖方法存在一個(gè)明顯問(wèn)題，就是5百分位的人體的坐高要低于50百分位人體坐高，而95百分位人體的坐高又高于50百分位的人體坐高。一般情況，駕駛員座椅的傾角為正值（即前高后低），范圍0-6deg，不會(huì)出現(xiàn)前低后高的情況。所以此方法不適用常規(guī)乘用車。

5.2 方法二 間接應(yīng)用法

為了使人機(jī)三角形的應(yīng)用符合一般乘用車的設(shè)計(jì)規(guī)律，需對(duì)方法一做一次升級(jí)，找出在同一坐高下，5百分位和95百分位分別對(duì)應(yīng)的人機(jī)三角形（50百分位已知）。利用方法一，作圖并統(tǒng)計(jì)出 50百分位人體坐高H30在200-360mm區(qū)間內(nèi)，5百分位、95百分位人體分別所對(duì)應(yīng)的坐高。如表2所示。

對(duì)上述表格圖形化處理，便可直觀看出，在同一坐高下，不同百分位的人體所對(duì)應(yīng)的人機(jī)三角形中的角度參數(shù)。如圖6、圖7所示。

為了簡(jiǎn)便操作，將上述圖形進(jìn)行函數(shù)擬合，得到如下系列公式。不同百分位人體所對(duì)應(yīng)的人機(jī)三角形參數(shù)，均為坐高H30的函數(shù)。

根據(jù)上述公式，可快速定義出某坐高下，5、50、95三個(gè)百分位人體的人機(jī)三角形角度，進(jìn)而確定其最佳轉(zhuǎn)向盤中心點(diǎn)的位置。

表3列舉了坐高200-360mm范圍內(nèi)，每隔10mm坐高不同百分位人體的人機(jī)三角形參數(shù)，僅供參考。如坐高非表中所示時(shí)，可由公式直接計(jì)算得出。

6 駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤位置的需求

6.1 理想的轉(zhuǎn)盤可調(diào)范圍

對(duì)于單一車型，因其坐高為確定值，所以只需定義在該坐高下，不同百分位人體所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向盤的最佳位置，其中50百分位所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向盤位置為設(shè)計(jì)位置，作為整車硬點(diǎn)。如圖8所示，通過(guò)作圖法得出某坐高下5百分位、50百分位、95百分位的轉(zhuǎn)向盤最佳位置。其中，5百分位的轉(zhuǎn)向盤位置和95百分位的轉(zhuǎn)向盤位置之間的區(qū)域即視為理想的可調(diào)范圍。

6.2 實(shí)際的轉(zhuǎn)向盤可調(diào)范圍

轉(zhuǎn)向盤是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的一個(gè)組件，轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向管柱裝配連接，轉(zhuǎn)向盤的調(diào)節(jié)實(shí)際上是由管柱的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。早期產(chǎn)品的轉(zhuǎn)向盤位置是固定的，隨著人們對(duì)駕駛舒適性需求的提升，逐漸出現(xiàn)了角度調(diào)節(jié)，再后來(lái)又增加了軸向調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)范圍有越來(lái)越大的趨勢(shì)。但由于受到儀表板結(jié)構(gòu)、安全潰縮等諸多因素的影響，目前的轉(zhuǎn)向盤（管柱）調(diào)節(jié)范圍還不足以滿足小人體和大人體所需的最佳位置，即可調(diào)范圍不足。如圖9所示，是某廠家轉(zhuǎn)向盤（管柱）可實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)范圍（前后伸縮總行程55mm，角度調(diào)節(jié)±3°），與人機(jī)最佳需求的對(duì)比。

由于人體自身具有一定適應(yīng)性，即使調(diào)節(jié)范圍不足，按正常方法設(shè)定的轉(zhuǎn)向盤位置一般不會(huì)出現(xiàn)不可接受的情況（不可調(diào)節(jié)時(shí)都可接受），可調(diào)功能的出現(xiàn)以及可調(diào)范圍的增大，實(shí)際上是讓更多的人能找到自己的舒適位置，即適應(yīng)性增大。如果可調(diào)范圍是無(wú)限的，那么任意人體都可以匹配到最佳的轉(zhuǎn)向盤位置。相信隨著各項(xiàng)技術(shù)的升級(jí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)出調(diào)節(jié)范圍更大的產(chǎn)品。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)人機(jī)三角形的研究和重新定義，以及利用人體尺寸比例相同的特點(diǎn)，在不采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的前提下，得到了不同人體的最佳轉(zhuǎn)向盤位置，即駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤可調(diào)范圍的需求。上述方法簡(jiǎn)單有效，即可以用于指導(dǎo)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置和設(shè)計(jì)，也可以用于競(jìng)品車型的逆向分析。在乘用車研發(fā)階段，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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