基于数字人体模型舒适性的越野车驾驶员区域布置

祁磊，董鹏，刘星星

（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，陕西 西安 710000）

前言

利用汽车车身设计方法和人机工程学理论，根据GB100 00-88中人体数据，利用Pro/E软件Manikin人机工程模块提供的数字人体模型，进行越野汽车驾驶员区域布置。具体工作内容如下：

（1）生成数字人体模型，并构成舒适的驾驶姿态；

（2）按H点理论，安置驾驶员座椅；

（3）布置操纵踏板，踏板应放置在符合脚操作舒适区内；

（4）以操纵踏板为基准，将5th男性模型予以布置，此时该人体模型的H点就是座椅最前调整点；

（5）根据5th和95th的人体模型布置两个合适的方向盘位置；

（6）布置换挡手柄位置，使其同时处于5th和95th人体的舒适操纵区域内；

（7）完成驾驶员区域初步布置。

1 人体模型

表1 中国成年男子（18—60岁）身高百分位数值

该型越野汽车是提供给特定用户使用的一种重型越野卡车，使用人群均为成年男性，故在H点布置时，不考虑第5百分位的成年女性，仅分析标准GB10000-88中18—60岁成年男子人体身高的人体模型，如表1所示。

随着经济社会的不断发展，我国成年男子人体平均身高一直增长。根据 GB10000-88表查得成年男子平均身高最高的是我国东北地区，身高平均值为 X＝1693mm，标准差 S为56.6，比较接近目前我国成年男子平均身高1697mm，故以第5百分位为下限和第95百分位为上限，变换系数K值根据5%查得1.645。则根据估算公式，得：

第5百分位数值为：

Pv=X-(SK)=1693－（56.6×1.645）=1599.9mm

第95百分位数值为：

Pv=X+(SK)＝1693＋（56.6×1.645）＝1786.1mm

2 人体模型的舒适驾驶姿势

驾驶员处于舒适驾驶姿势时，身体各关节的角度一般在一定的范围内。根据各国研究结果，驾驶员舒适坐姿下的关节角度范围如下表所示。

表2 驾驶员舒适坐姿下的关节角度范围

将驾驶员简化为二维人体模型并建立如图1所示的坐标系。

图1 人体坐姿二维模型及坐标系

设AHP点的坐标为（XAHP,ZAHP），H点的坐标为（XH，ZH），以 AHP点的坐标为坐标系的参考点，则 H点相对于AHP点的坐标值为：

3 驾驶员H点优化

由图1可知H点坐标（XH，ZH）相关的人体关节角度为a、a3、a4、a8、a9，其中a是固定值。由几何关系可知：

在确定H点位置的时候，脚踏板倾角a8非常重要。考虑到驾驶员的舒适性，令a8=42°。

大腿轴线与水平线的夹角 a9主要影响驾驶员大腿的体压分布，由于重型车座椅H点相对轿车H点高度较高，所以为了减轻座椅面对驾驶员大腿的压力，一般会取一个较小的角度。这里令a9=3°。

由表 2 可知，a3∈[95°,135°]、a4∈[71.5°,98.5°]，为了保证驾驶员各关节均在舒适范围内，由式（4-1）得 a3∈[114.5°，135°]、a4∈[71.5°，92°]。L3、L4、L10 分别为驾驶员膝关节到H点的长度、膝关节到踝关节点的长度、踵点到踝关节点的长度。由《汽车人机工程学》中提供的人体尺寸比例关系及GB10000-88可得所需参数的值。

利用 Matlab进行仿真得到舒适坐姿下基于中国人体特征的最佳H点位置范围，如图2所示，蓝色曲线为5th驾驶员的最佳H点位置范围；红色曲线为95th驾驶员的最佳H点位置范围。

图2 驾驶员的最佳H点位置

4 操纵踏板和驾驶员座椅的布置

根据选定的踏板角度a8和AHP点，布置油门踏板位置。

图3 踏板和座椅布置

图4 座椅调节行程和安装高度

对于可调节座椅来说，座椅参考点SgRP点是指将座椅调整到最后位置时95th男性驾驶员坐在上面的H点位置。根据最终确定的H点位置布置座椅。按95th人体模型布置的踏板和座椅如图3所示。

生成18-60岁5th男性舒适驾驶姿态的数字人体模型，以制动踏板为基准，将人体模型予以布置安装，此时人体模型的H点就是座椅最前位置，根据座椅的调节行程可确定座椅的安装高度。如图4所示。

5 方向盘位置

方向盘的布置参数包括方向盘中点的位置、方向盘倾角、方向盘直径等。设方向盘中点的坐标为（XW，ZW），座椅H点的坐标为（XH，ZH），如图 1所示，则方向盘中心相对于H点的坐标为：

由表 2 可知，a1∈[3o,20o]、a5∈[0o,50o]、a6∈[80o,130o]、a7∈[170o,190o]，L2、L5、L6、L7分别为驾驶员肩关节到 H点的长度、肩关节点到肘关节点的长度、肘关节点到腕关节点的长度、腕关节点到手心的长度。由《汽车人机工程学》中人体尺寸比例关系及 GB10000-88可得出不同年龄段男性的人体参数，如表3所示。

表3 人体参数

由于变量 a1、a5、a6、a7是相互独立的，所以可以在这四个变量处于各自极限值时求得 XWH与垂直距离 ZWH的极值。从图1易知，当a1=20o、a5=0o、a6=80o、a7=170o时为驾驶员的手掌中心处在各关节舒适角度范围内离开身体最近的位置，所以此时XWH取得最大值XWHMAX。用相同方法可以得到 XWHMIN、ZWHMAX、ZWHMIN。同时求得 a1、a5、a6、a7在各自舒适角度中间值时XWH与ZWH的值，结果如表4所示。

表4 方向盘中点相对于H点的取值范围

由表 4 可知，XWH5∈[-472,-189]、XWH95∈[-523,-208]、ZWH5∈[98,595]、ZWH95∈[111,661]、所以驾驶员在舒适坐姿下，方向盘中心点相对于 H点的位置：XWH∈[-472,-189]、ZWH∈[98,595]。此结果并不意味着方向盘可以布置在舒适范围内的任意位置，还要受到驾驶员视野等条件的约束。

6 换挡操纵杆和手制动杆的布置

操纵杆的布置是基于驾驶员的手伸及界面完成的，另外GB15705-1995中规定，变速杆手柄在所有工作位置时，应位于转向盘下面和驾驶员座椅右面，不低于座垫表面.在通过R点横向垂直平面之前，而在投影平面上距a点(a点为R点在水平面上的投影)<600(如图5阴影线所示范围)。

图5 换挡杆位置

将本车的换挡杆手柄和手制动操纵杆布置在驾驶员右侧合适区域内，布置结果如图6所示。

图6 操纵手柄布置结果

至此，基于数字人体模型舒适性的驾驶员区域布置已基本完成，再经过整车布置、人机工程校核之后，会得到更为详细的驾驶室硬点尺寸。

7 本文不足

本文介绍的驾驶员区域布置方法仅考虑了数字人体模型的舒适性，并未结合视野、操作方便性及手触及范围，有一定的局限性，在实际人机工程布置时，还需根据结合其他约束条件。

参考文献

[1] 黄金陵,龚礼洲,葛安林.车身布置中H点的优化.[J]汽车工程 2000.06.368-372.

[2] 黄金陵等.汽车车身设计. [Z]机械工业出版社.

[3] 任金东等.汽车人机工程学. [Z]北京大学出版社.