眼椭圆在汽车视野设计中的应用研究*

2021-12-17汪新伟

南方农机 2021年23期

汪新伟

（芜湖职业技术学院，安徽芜湖 241003）

视野设计作为汽车前期造型工程的一项重要设计环节，直接关系到车辆的驾乘舒适性和行驶安全性。对于不同身高、性别和坐姿的驾驶员，眼睛的位置各不相同，在视野设计中保证满足大多数驾驶员要求是设计的基本原则[1]。在设计过程中，视野边界可以调取车辆数据获取，但驾驶员的眼睛位置为一抽象概念，为准确描述驾驶员眼睛位置，美国汽车工程师协会（SAE）对美国近2 000 名驾驶员眼点位置进行大量实验统计分析，将研究结果整理成SAE J941 驾驶员眼点位置眼椭圆标准，并成为当今全球汽车设计开发中采用的主流标准。笔者根据SAE J941（2010）版标准，结合具体案例，详细分析了眼椭圆在汽车上下视野、内部可见性、仪表盲区和防眩目校核等方面的应用。

1 眼椭圆的构建

1.1 眼椭圆定义

眼椭圆是描述不同身高、性别和坐姿的驾驶员眼睛在空间上相对车辆内部位置的一种统计图形，由于呈椭圆形，故称为眼椭圆。针对不同人群，眼椭圆有不同百分位类型，其大小位置各不相同。考虑到实际应用情况，SAE 直接给出了95%和99%的两个百分位眼椭圆的尺寸，并对其他百分位眼椭圆尺寸的计算方法做出了说明。如图1 所示，对于95%百分位的眼椭圆，在眼椭圆任意一点引一条切线，将会有95%的眼点位置是位于切线眼椭圆侧，而5%的眼点位置是位于另外一侧[2-3]。同理，对于99%百分位的眼椭圆，在眼椭圆任意一点引一条切线，将会有99%的眼点位置是位于切线眼椭圆侧，而1%的眼点位置是位于另外一侧。

图1 95%切线眼椭圆示意图

1.2 眼椭圆尺寸

眼椭圆呈现出立体椭圆形，眼椭圆三轴尺寸定义如图2 所示，其大小由椭圆的三根轴X、Y 和Z 的长度共同确定。因驾驶侧座椅的滑轨长度影响驾驶员及眼睛位置，故不同座椅滑轨长度的尺寸有所差异。其三轴尺寸长度如表1所示[4]。

图2 眼椭圆三轴尺寸定义

表1 眼椭圆三轴尺寸长度

1.3 眼椭圆位置

眼椭圆在整车中的位置由眼椭圆质心的三个坐标值决定。在整车坐标系中，其质心位置坐标可由下列公式进行计算。

式中：Xc、Ycl、Ycr、Zc 为左右眼椭圆的质心位置坐标（左右眼椭圆的Xc、Zc 相同），L1 为踏板参考点X坐标，L6 为方向盘中心点到踏板参考点X 向距离，H30 为座椅参考点到终点Z 向距离，t 为变速器类型（手动档取1、自动档取2），W20 为座椅参考点Y 坐标，H8为终点Z坐标[4]。

2 眼椭圆在汽车视野设计中的应用

2.1 汽车上下视野校核

汽车的上下视野一般用于车辆行驶过程中观察车辆前方上部的红绿灯和下部的路面障碍物和行人。其大小用视野线角度来衡量，角度越大，驾驶员视野越开阔，车辆安全性及舒适性越好。在SAE 法规中要求上视野≧7º，下视野≧5º。在汽车造型设计和工程设计阶段，需要根据数模校核上下视野大小。进行上下视野校核时，一般步骤为：1）根据车辆人体位置做出95%百分位眼椭圆；2）找到车辆前挡风玻璃的上下黑边边界；3）分别过上下黑边边界点做眼椭圆的上下切线；4）分别测量上下切线与水平线的夹角。

两切线即为车辆的上下视野线，视野线与水平线的夹角即为上下视野大小。某轿车用眼椭圆进行车辆上下视野校核，如图3 所示。其上视野为7.68º，下视野为5.95º，均满足法规要求。

图3 眼椭圆校核车辆上下视野

2.2 内部可见性校核

为追求美观性，车辆内饰一般为封闭或半封闭结构。一些特殊区域或零件如仪表板手套箱下部的空调蒸发器，需要外露在仪表板之外，如果驾驶员或后排乘客在座椅上看到外露的蒸发器，势必会影响到整车感官质量和精细化水平，故在设计阶段需要对车辆内部的可见性进行校核，因在车内副驾驶侧和后排乘客的眼睛位置有明确的位置分布，故采用眼椭圆校核法。某SUV 的仪表板区域如图4 所示，分别做出副驾驶侧和后排乘客95%百分位眼椭圆，过眼椭圆下部和手套箱下部做出切线，切线下部即为可见区域，观察发现蒸发器不在可见区域内，满足要求。

图4 汽车内饰蒸发器可视性校核

2.3 仪表盲区校核

驾驶员在车辆行驶过程中需要密切关注组合仪表内的车速、转速及各种指示灯信息以确保行驶安全。方向盘位于驾驶员人眼和组合仪表之间，其轮缘内外侧会对驾驶员视野起阻碍作用，造成仪表视野盲区，影响行车安全。仪表盲区校核的目的是通过眼椭圆做出仪表盲区的边界，在组合仪表布置时确保仪表的信息区不在盲区边界范围内[5]。其校核一般采用UG 软件中的车辆设计自动化模块，具体步骤为：1）建立车辆坐标系，一般以整车（0，0，0）为坐标系原点；2）输入相应参数，包括车辆类型、座椅滑轨行程、座椅位置、靠背角度及换档类型，UG 软件根据这些参数自动生成眼椭圆；3）输入方向盘的轮缘上下边缘线，软件自动提取轮缘上下边界；4）选择生成双眼盲区即可见盲区边界。

某SUV 车型的仪表视野盲区如图5 所示，可以看见组合仪表部分信息区在盲区范围内，影响驾驶员读取车辆行驶信息，组合仪表需要重新布置位置。

图5 汽车组合仪表视野盲区校核

2.4 防眩目校核

车辆内饰中的部分零件如空调旋钮、出风口边缘等常采用镀铬亮条处理以增加车辆美观性。在清晨或黄昏时太阳高度较低，可能会有部分阳光透过挡风玻璃经过镀铬亮条的反光射入人眼造成驾驶员眩目，影响行车安全。通过眼椭圆可以校核驾驶员眩目的风险，利用光线可逆原理，将光线从眼点射出，经过亮条反射，判断是否透过透明区，进而判断汽车设计是否合理。其具体步骤为：1）做出驾驶员的眼椭圆，提取镀铬亮条边界；2）连接眼椭圆的边界点和亮条的边界点形成直线，做出此直线关于亮条的对称线并向外延长至车外；3）按照步骤2 做出多根对称线，观察对称线和风挡玻璃的相交情况。

某SUV 的防眩目校核如图6 所示，仅有少部分线条（小于5%）透过挡风玻璃，说明只有很少一部分阳光可以通过镀铬亮条反射到人眼，不会引起眩目风险，满足要求，达到了兼顾造型和工程的目的。