某越野车驾驶员H点的设计及优化

张英 孙智民 陈志胜

（1.北京汽车研究总院有限公司；2.北京利德曼生化股份有限公司）

人机工程是汽车前期设计的基础，而汽车驾驶员H点是人机设计的最关键硬点。以前人们更多的是采用三维H点装置测量参考车的驾驶员H点位置，来作为新设计车型的驾驶员H点位置。目前汽车主机厂越来越多地采用正向设计理论，但确定驾驶员H点仍是一个比较复杂的过程，需要不断地校核和调整，最终确定人机硬点。文章在前人的经验基础上，通过将设计目标转换成对驾驶员简单的约束条件，缩短了驾驶员的H点区域，再考虑周边的法规、人机要求等，快速准确地确定了驾驶员H点位置。

1 驾驶员H点的优化

1.1 整车高度和头部空间对驾驶员H点的约束

在SAE J1100中，用2个硬点尺寸来保证驾驶员足够的头部空间，一个是驾驶员有效头部空间（H61/mm）[1]52，也就是95%人体驾驶员H点向上与垂直线向后成8°的线到驾驶员头顶处顶棚交点之间的距离加102 mm；另一个是整车整备质量状态下的地面线到汽车顶盖最上位置的高度（H101/mm）[1]64。图1示出汽车驾驶员有效头部空间。

图1 汽车驾驶员有效头部空间示意图

因H101为已知，所以根据竞品车及参考车型可以定义驾驶员处车身顶盖和内饰顶棚Z向的总厚度（ZT/mm）（无天窗一般为15～20 mm，有天窗一般为100 mm），考虑到驾驶员头顶处车高并非是汽车的最大高度，它是整车顶盖的最高位置与驾驶员头顶位置处顶盖之间的高度差（ZR/mm)（轿车为20～40 mm，越野车为15～25 mm）。因此，顶棚的 Z向高度(ZHD/mm)的计算，如式（1）所示。

在确定了ZHD后，即可求出在H61约束下的95%人体驾驶员H点高度线。则驾驶员H点的Z坐标（ZHPT/mm）,如式（2）所示。

设计的H点必须在ZHPT高度线的下方，这样就可以满足头部空间的要求。

1.2 腿部空间对驾驶员H点的约束

腿部操纵空间的约束仅考虑L34[1]45对H点的约束。L34在SAE J1100中的定义为加速踏板在自由位置时，人体模型的踝关节点到95%人体驾驶员H点的距离加上254 mm。通过竞品车分析，可以预先设定L34的取值范围。根据地板上的地毯压陷后的位置高度及SAE规定的踏板角度公式，可确定踵点（AHP）的坐标和踏板角，不同的百分位人体模型可以计算出不同踝关节点的位置。以踝关节点为原点，L34为半径，可以做出L34在一定变化范围内的曲线，通过它来约束H点，如图2所示。从图2可以看出，在L34最小值约束线和最大值约束线之间的区域即为满足L34约束的H点区域。

图2 汽车驾驶员腿部操作空间（L34）对H点的约束

1.3 水切高度、A柱障碍角及外后视镜三者对H点的约束

AHP与驾驶员H点之间Z向距离（H30/mm）[1]50的确定，需要考虑水切位置高度、A柱障碍角及外后视镜镜壳与镜片位置，三者之间是相互关联的。

1.3.1 水切高度

水切对汽车外形设计是比较关键的，水切位置的高低对造型风格及效果影响较大。目前外饰造型的发展趋势是水切的位置越来越高，这样乘客的私密性也越好。然而水切的位置偏高，对总布置的人机影响也较大，主要影响外后视镜的位置及A柱障碍角。

1.3.2 A柱障碍角

根据法规GB 11562—2014《汽车驾驶员前方视野要求及测量方法》中对于驾驶员A柱双目障碍角的测定方法，S1截面和S2截面分别为过A柱的偏上和偏下位置的截面[2]，其中S2截面切到了外后视镜的镜壳位置，且切去的量较大，由于右侧A柱投影和右侧镜壳投影相对于右眼点有重叠区域，所以右侧A柱投影和右侧镜壳投影的总和是右侧A柱障碍角。

右侧A柱障碍角虽然在法规中不作为考察项，但右侧A柱障碍角很大也会影响驾驶员转弯时的视线，驾驶员需要采用转动头部和眼睛的方法来克服A柱双眼盲区障碍，有时由于不能及时观察到侧向路况而形成不安全的因素，所以需要在设计阶段严格控制双眼A柱的盲区。

1.3.3 外后视镜布置位置

外后视镜镜壳布置位置应尽量与S2截面保持一定的间隙，或者被S2截面相切的量较小且颈脖较长，否则会影响右侧A柱障碍角。

前期布置控制时，根据S2截面与水切的高度差可以初步判断是否可以布置满足视野及法规的外后视镜。

1.4 转向盘位置和转向盘倾角对H点的约束

H点并不是独立存在的一个点，H点、AHP及转向盘中心点这3个点既相互联系又相互制约，主要关系到乘员的驾驶舒适性和前方视野。由确定的AHP与驾驶员 H点之间的 Z向距离（H30/mm）[1]50，根据式（3）～式（5）可求得转向盘中心点与AHP在X方向（L11/mm）[1]44和Z方向（H17/mm）[1]50的相对距离，以及转向盘上表面与垂直方向的夹角（A18/（°））[1]53，图3示出汽车转向盘中心点与AHP的关系。

图3 汽车转向盘中心点与踵点的关系示意图

根据式（3）～式（5）确定转向盘的位置和倾角后，需要校核前方视野、组合仪表视野、转向盘下沿与大腿的间隙、转向盘下沿与人体躯干线的间隙及转向盘中心点与人体胸部的碰撞间隙等是否满足人机要求，如果满足，H点就初步确定下来，如果不满足，需要重新调整。

2 某越野车型实例分析

按照上面的设计方法，针对某越野车进行H点设计和优化。

2.1 整车人机设计目标的确定

越野车的H30一般定义在300～400 mm，根据前期竞品分析确定整车高度、头部空间及腿部空间等设计目标，再以这些设计目标的约束条件来确定H点的区域。表1示出某越野车的部分整车人机空间对比。

表1 某越野车的部分整车人机空间对比表 mm

经过竞品对比分析，H30初步确定在305～360 mm区间内。

根据设计目标的整车高度、头部空间及腿部空间等参数，以这些设计目标的约束条件来确定H点的优化区域，某越野车H点的优化区域，如图4所示。

图4 某越野车H点优化区域示意图

根据H点优化区域，H点的Z方向初步确定在头部空间（蓝线）和H30设计目标（紫线）围成的交集区域内，由于AHP和踏板角已确定，所以根据交集区域，H30确定在315～355 mm范围内，可以满足整车的设计目标要求；H点X方向根据H点的适意线和腿部空间来确定，H点的Y方向初定为整车宽度的1/4，后期可随着组合仪表位置及视野、出风口位置大小及周边结构的合理性等最终确定。

2.2 A柱障碍角和外后视镜位置

2.2.1 A柱障碍角

表2示出某越野车的水切高度对比。

表2 某越野车的水切高度对比表mm

由于某越野车造型想要的水切位置偏高，所以影响H点Z方向的设定。

当H30=315 mm时的左、右侧A柱障碍角，如图5所示。右侧A柱障碍角为11°。左侧由于镜壳与A柱投影之间有较大间隙，所以不影响左侧A柱障碍角。

图5 某越野车的A柱障碍角示意图

右侧A柱障碍角不满足人机要求，主要是H点高度偏低，通过加大H30，保证S2截面切不到镜壳或者切的量很小就可以满足要求。

2.2.2 外后视镜布置位置

以某越野车为例，该车能布置外后视镜，满足外后视镜的视野法规要求[3]，S2截面与水切的高度差最小在188 mm，如表3所示。

表3 某越野车外后视镜相关尺寸 mm

布置外后视镜必须考虑人眼看外后视镜的视野不能被水切遮挡，并与水切、A柱及镜座三角区等周边件的间隙为8 mm以上。

如果S2截面与水切的高度差偏小，会影响A柱障碍角，只能通过以下4种措施更改：1）水切高度下降，此措施会对造型效果产生较大影响；2）H点位置抬高（H30加大），此方案需考虑头部空间是否能接受及H点变动对整个人机的影响；3）H点位置抬高和水切高度下降2种措施同时进行；4）将右侧外后视镜向外侧Y方向移动（但法规规定外伸量不超过250 mm，还要考虑镜壳的强度要求等），保证人眼看右侧时，右侧外后视镜和A柱之间有一定的缝隙，这样外后视镜截面可以不计算在内。具体采用何种方式需要结合项目的实际情况而定。

目前某越野车由于采用偏高的水切，考虑到A柱障碍角和外后视镜视野等，采用H30=335 mm，S2截面刚好切不到外后视镜镜壳，同时人眼看右外后视镜的视线距离水切高度8 mm，头部空间也满足设计目标要求，确定了95%人体的H点位置。再根据不同百分位的适意线和选型座椅的滑轨长度，要求滑轨长度要包含2.5%和97.5%的H点范围，这样驾驶员H点就最终确定了。

3 结论

通过将某越野车设计目标转化为简单的约束方式，快速将95%人体H点位置限制在一个较小的区域内，再通过满足A柱障碍角法规和满足视野要求的外后视镜大小等，最终确定了人机设计最重要的硬点——驾驶员H点位置。此方法简单快捷，考虑问题全面，比较直观地确定了驾驶员H点位置。之前的方法是初定H30，再校核人机视野、整车高度、头部空间及腿部空间等，如果发现有不满足，再重新确定H30，并进行校核，不断地反复确认。而新方法不但简单，同时还能提高工作效率。

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