乘用車駕駛員腿部空間設計研究及應用

覃星翠 李輝 周曉明 宋建新

摘? 要：在乘用車駕駛員腿部空間設計中，二維人體腿部空間的關鍵參數設計無法得到完整的腿部空間，不利于進行實車驗證。本文提出了一種基于三維人體的駕駛員腿部空間設計方法，建立了由模型設計到檢查驗證的一系列規范，可應用在新產品開發全流程中，提高駕駛員腿部空間設計質量和工作效率。

關鍵詞：乘用車;駕駛員;腿部空間設計;人機工程學

中圖分類號：U462.1? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2019）02-0007-05

1? ? 引言

隨著生活水平提高，人們對汽車駕駛的舒適性要求進一步提高，使得人機工程學在乘用車空間設計中得到普遍應用[1]。駕駛員腿部空間設計是駕駛艙空間設計的重要內容，也是整車空間分配的基礎，直接影響駕駛員的乘坐舒適性。

駕駛員腿部空間設計主要體現在駕駛員姿態和乘坐空間的關鍵尺寸參數設計中[2]，在參數經驗值和對標車數據分析中確定新車型的關鍵參數設計值。但駕駛員腿部跨度較大，周邊零件眾多，駕駛員腿部空間設計除了要滿足二維人體關鍵參數要求外，還要考慮周邊零部件的造型、結構、性能及制造工藝等要求。因而，實際車型開發中只完成基于二維人體的關鍵尺寸參數的設計并不能得到完整的腿部空間，實車驗證階段容易帶來設計更改。在整車開發過程中需設定全面的駕駛員腿部空間要求，并以之嚴格約束相關零部件的設計。但目前國內尚無公開的駕駛員腿部空間設計標準，自主品牌車企對此的研究也很缺乏，憑設計者的個人經驗及局部對標競爭車，基于二維人體的腿部空間關鍵參數設計要素考慮不全，導致駕駛員腿部空間不足造成大量的設計反復。

本文基于人機工程學原理，結合多款車型開發實踐，從設計模型、設計約束、設計檢查到驗證等角度提出了一種基于三維人體的駕駛員腿部空間設計方法，可應用在新產品開發全流程中，從產品開發前期避免出現駕駛員腿部空間不足問題，提高設計質量和工作效率。

2? ? 駕駛員腿部空間關鍵尺寸

人體腿部位于腳踝點和跨點（H點）之間。按人體腿部組成，駕駛員腿部空間分為小腿空間、膝部空間和大腿空間。按汽車空間三維方向可對應分為腿部側向空間、上部空間、下部空間、前后空間。

空間的設計需分解為可通過設計實現的尺寸，駕駛員腿部空間尺寸基于SAE 95%二維人體模板進行定義。SAE 1100與駕駛員腿部空間直接相關的汽車尺寸[3]見表1及圖1，作為關鍵設計參數，從整車架構開發前期定義目標值。

3? ? 基于三維人體的駕駛員腿部空間設計方法

3.1? ?建立設計人體模型

駕駛員姿態是車內空間設計的基礎，合適的駕駛員姿態可為駕駛員提供安全的駕駛空間，讓駕駛舒適愉悅。在駕駛員姿態設計中，基于SAE 95%二維人體[4]，完成駕駛員跨點（H點）、腳踵點（AHP）、方向盤中心點（SWC）、方向盤傾角（A18）和踏板角（A47）等關鍵參數的設定[5]，如圖2。運用UG軟件總布置模塊中的二維人體建模，約束這些參數，可得到95%駕駛員人體駕駛姿態，駕駛員有效腿部空間（L34）和關節角度也隨之確定。受駕駛艙零部件布局影響，駕駛員人體姿態模型初步建立后，需評估是否滿足腿部空間及關節角度目標[6]，如無法滿足時，需調整人體姿態直至滿足要求。因此，合適的駕駛姿態是多個參數多次調整的結果。

3.2? ?建立設計約束

3.2.1 建立基于二維人體的關鍵參數約束

駕駛員二維坐姿模型建立后，駕駛員腿部空間的設計內容是以二維人體為核心對周邊零部件進行關鍵尺寸參數約束，即設定關鍵尺寸參數目標值。

對不同級別車型，腿部空間（L34）有所不同，但膝部空間（L48）、小腿間隙（L58）及方向盤到大腿線最小距離（H13）與車輛的級別無關。設定這四個參數設計目標時，可參考表2進行選取，同時綜合對標車數據分析確定新車型腿部空間目標值。L34過小則腿部無法充分伸展，L34過大則腿部會被過大拉伸，駕駛員腿部易疲勞受損。如果L48和L58過小，急剎車時膝蓋和小腿可能碰到儀表板及轉向管柱護蓋，且駕駛過程時會有不適感。

在駕駛員姿態設計時，還要需考慮駕駛員坐姿高度（H30）對方向盤和座墊設計的影響，即需設定合理的方向盤到大腿線最小距離（H13）、方向盤到坐墊最小距離（H74）目標值。如H13和H74過小，將無法滿足大人體的大腿空間要求，尤其踩制動時腿部易撞到方向盤，踩離合時坐墊會抑制大腿。

3.2.2 建立基于三維人體的全局空間約束

基于二維人體的關鍵參數只針對腿部局部位置對周邊零件進行約束，無法全面評估腿部在各種駕駛姿勢下的空間需求，因此需借助三維人體評估實際駕駛空間。

通過二維人體確定駕駛員坐姿后，初步完成加速、離合、制動踏板和歇腳板的布置，此時可采用Ramsis軟件建立三維人體模型，如圖3。同時，利用Ramsis進行各種駕駛姿勢的坐姿舒適性分析，如評估結果滿足要求則不需調整駕駛姿態參數，否則調整至滿足要求為止。將不同駕駛姿勢的Ramsis人體模型進行疊加（如圖4），要求周邊零件與三維人體腿部間隙大于20mm。駕駛員腿部到門飾板、副儀表板間隙要求，如圖5所示：

3.2.3 建立空間限制模型

在造型設計階段，建立空間與界限模型，可將國家法規、人機工程、零部件結構等相關約束條件用數模表現出來，作為工程與造型的設計交流工具，用于約束造型面的開發。駕駛員腿部空間設計時，可根據上述空間約束條件建立限制模型，要求儀表板、副儀表板及門飾板造型面不得與限制數模干涉。具體做法是將三維人體腿部局部數模沿約束方向外擴移一定距離，移動距離要求不小于20mm。

3.3? ?零部件關鍵部位設計

駕駛員腿部周邊零件包括儀表板下護板、轉向管柱護蓋及調節手柄、方向盤、前門飾板及門附件、座墊及座椅飾蓋、副儀表板、換擋手柄、手剎、安全帶扣等。這些零件造型面均要滿足駕駛員腿部空間的設計約束，應盡量避免出現侵占駕駛員腿部空間的造型特征。圖6左右圖對比，可看出零部件造型對腿部空間設計產生很大影響，進而影響駕駛舒適性和安全性。

3.4? ?設計數據檢查

在數模設計階段，直接利用駕駛員腿部空間限制模型對造型數據和零部件數模進行檢查，操作簡單易行。對不滿足限制模型要求的數模問題，要求造型及零部件工程區域進行更改。經過多方分析確認無法更改時，需經車型總工程師認可才能減小駕駛員腿部空間目標值。

3.5? ?模型驗證評審

車內空間設計遵循以人為本的原則，需滿足不同體型用戶的需求，用戶最終以實車主觀感知對車內空間進行評價。人機設計經驗要求和Ramsis分析仍無法做出直觀評價，也就不能真實確認車內空間是否能讓用戶滿意。車內人機設計是造型和零部件結構設計的基礎，人機工程問題將導致大量的設計更改，對產品開發時間和成本影響很大。因此，新車型開發前期便開始制作駕乘艙模型或樣車驗證人機工程設計，駕駛員腿部空間是其中一項重要的驗證內容。人機工程評審時，多名不同體型的評審者對新車型及對標車的駕駛腿部空間進行評價打分，打分標準按五分制（如圖10），并記錄車型優缺點。對得分較低的項目，需評估對設計進行更改。

4? ? 設計應用實例

設計者應以人機工程學為指導，充分考慮影響腿部空間各項因素，改型車與原型車進行細致的比對，按照第3章所述的駕駛員腿部空間設計方法開展各階段工作，可有效避免因設計者經驗不足及大意疏忽造成的駕駛員腿部空間設計問題。

如圖8，車型A駕駛員左腳放在歇腳板上，駕駛過程中腿部外靠空間不足，腿部易產生疲勞感。原因在于，設計時僅以肩部、肘部及臀部空間要求限制左前門飾板造型，未對駕駛員腿部側面空間進行約束。因此，造成了工裝車階段左右前門內飾板造型更改，浪費了100多萬的模具費用。

如圖9，車型B設計時未考慮緊急制動駕駛姿勢的膝部間隙，造成實車該工況下駕駛員膝部碰到轉向管柱上的點火鎖處凸包及行車鑰匙，凸包邊緣未倒圓角與膝蓋接觸不舒適，影響駕駛員腿部操作舒適性。因此，對轉向護殼點火鎖口處造型進行了更改。

5? ? 結論

本文基于人機工程學原理，結合某公司多款車型開發實踐，研究駕駛員腿部空間的設計要求、控制及驗證方法，提出了一種基于三維人體的駕駛員腿部空間設計方法，可應用在新產品開發全流程中，從產品開發前期避免駕駛員腿部空間不足問題，提高設計質量和工作效率。

（1）從建立設計模型、設計約束、設計檢查到驗證評審等進行全過程設計分析，可避免因工作內容遺漏導致設計失誤。

（2）在二維人體的關鍵參數約束后，建立基于三維人體的全局空間約束，可對腿部在各種駕駛姿勢下的空間需求進行設計控制，有效避免設計約束不足問題。

（3）運用三維人體腿部空間限制模型對造型進行設計約束，使工程與造型交流更加順暢，提高設計效率。

（4）采用駕乘艙模型進行駕駛員腿部空間實際體驗，可直接評估駕駛員腿部空間前期設計的合理性，有助于實現滿足用戶需求的空間設計。

參考文獻：

[1]劉春榮.汽車內部空間的人機工程要素及其設計[C].2006年中國機械工程學會年會.中國機械工程學會，2006.

[2]張強.基于整車總布置法規和人機工程要求的參數化模型研究及其應用[J].上海汽車，2013年第4期.

[3]SAE J1100-2009 Motor Vehicle Dimensions[S].2009：71-227.

[4]呂景華.轎車人體工程設計一般方法的研究[J]. 汽車技術，2002年第10期.

[5]周曉明，陳龍姣等. H點及總布置關鍵參數設計[J].企業科技與發展，2015年第8期.

[6]趙韓，程飛.基于人機工程學的轎車車身總布置設計[J]. 合肥工業大學學報，2014年第11期.