溜背车型后排乘员头部空间的优化设计

戴晓燕，余潮锋

溜背车型后排乘员头部空间的优化设计

戴晓燕，余潮锋

（广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广东 广州 511434）

目前越来越多的溜背车型推出市场，后排乘员的头部空间设计面临空前挑战。现有国内外普遍采用最新的SAE J1100—2009标准以及全球汽车制造商信息交换组织2011年的工程图标准，对于乘员后方的头部空间均没有有效控制的指标。为了解决这一不足，论文提出了一种优化设计方法，在美国汽车工程学会（SAE）定义的4个乘员后排后方头部空间的客观指标基础上，引入了一个新增指标61-（后排座椅靠背角对应的有效头部空间），替代原有指标L39。通过一个新车型开发的设计实例，说明了这一方法的有效性，对整车人机工程开发具有十分重要的意义。

溜背车型；SAE；头部空间；人机工程；优化设计方法

近年来，溜背式设计被越来越多的车型采用，使车型美观度得到显著提升，创造出更加理想的销售业绩[1]。但是这种设计对乘员乘坐空间的影响不容忽视。乘坐空间作为汽车内部空间设计的核心部分，占据了50%～80%的内部空间[2]。乘员头部空间是评价乘员内部空间尺寸的重要指标之一，它直接影响客户对车辆的空间感受[3]。

如何兼顾造型美观性及人机工程舒适性，是溜背车型设计的一大难点。为了更直观地评价和校核头部空间，用人体头部包络来表示驾乘人员的头部范围[4]。头部包络在整车坐标系下的定位，是在汽车内部描绘出驾驶员及成员在舒适的乘坐状态下头部活动范围[5]。

目前业内普遍采用美国汽车工程学会（Society of Automotive Engineers, SAE）在其标准SAE J1100—2009[6]和全球汽车制造商信息交换组织（Global Cars Manufacturers Information Exchange Group, GCIE）2011年的工程图标准[7]，对头部空间的定义来表征乘客的头部与顶棚之间的空间大小。但是实际车型开发中已有定义并不能完全表征乘员对头顶周边空间的感受，常需要到人机模型验证阶段才能发现头部空间不足的问题。而要解决这个问题，需要更改顶棚造型、钣金结构及顶盖外造型，势必会带来工作的反复，严重影响车型的开发进度。若是车型开发决策者基于时间进度的考虑，不同意整改，将产品直接推向市场，则给用户带来不好的体验。

本文从用户体验的角度出发，提出一种优化设计方法，并结合实车评价验证了有效性。

1 头部空间

SAE J1100—2009对头部空间的定义包括有效头部空间、侧向头部间隙、斜向头部间隙、垂向头部间隙等多种维度。

本文研究的溜背车型后排头部空间，因为车辆顶盖后端的下压效果，关键点在于乘员头顶正上方以及后脑勺附近的空间大小，本文统一称为后排后方头空。SAE J1100—2009中与其有关的尺寸共有4个，均在乘员中心平面内测量，分别为61、46、47和39。

为了表述清晰，本文用表示SAE 95%人体头部包络在乘员中心平面内的截面。

61是沿垂直方向向后8度线的方向上，座椅参考点（Seating Reference Point, SgRP）到顶棚或遮阳帘的距离加上102 mm得到的数值，如图1所示。

图1 H61定义示意图

46是截面垂直向上移动至与内饰相切时的移动量，若与内饰干涉，则记负值。47是截面与内饰的最小距离，若与内饰干涉，则记负值。39是截面与后窗装饰件最低水平切点的最小距离，若与内饰干涉，则记负值。如图2所示。

图2 H46 H47及L39定义示意图

2 后排后方头空设计流程

在新车型的正向开发中，乘员的头部空间大小是需要在车型开发的初期阶段就明确设定的客观指标。一个典型的头部空间设计的开发流程图如图3所示。

在项目预研阶段，产品规划部门根据车型的产品定位输出头部空间的商品性目标，通常使用“L”“T”“A”“B”来分别代表“超好”“最好”“相当”和“最差”水平。

在概念设计阶段，人机工程师需确定输出头部空间的目标值。主要通过扫描对标车内外表面及座椅行程、人机坐姿等，测量对标车型头部空间的客观数值，再根据规划部门输入的商品性目标来确定头空的目标值。进而转化为三维（Three Dimensions, 3D）数据输出至造型，作为工程与造型的设计交流工具，用于约束造型面的开发[8]。

在造型设计阶段，造型数据发布后，人机工程师需分析数据是否符合目标。当不满足目标时，需反馈造型部门修改，直到造型数据满足人机目标后，才能进入详细设计阶段。

图3 头部空间设计的开发流程

3 后排后方头空的设计实例

下面以一个实例来说明后排乘员后方头部空间的具体设计方法。

3.1 按现有标准分析的后排后方头空设计

第一步，根据产品定位以及对标车型的客观数据，确定了A车型的后排后方头空的目标值，如表1所示。

表1 A车型后排后方头空目标设定表 单位：mm

H61H46H47L39 目标≥910≥5≥5≥70

第二步，在CATIA里将目标转化成3D数据，因为指标本身定义的缘故，47和39无法直接表示，仅输出了61和46这两个指标作为造型数据的约束，如图4所示。

第三步，在造型设计阶段，造型工程师输出了两个顶棚方案，如图5所示，下方顶棚线为方案一；上方顶棚线为方案二。

两个方案的顶棚线均在约束线之上，满足目标要求。不能用约束表达的47和39，分析校核结果如表2所示，也均满足目标要求。而且在61、46和47这三个指标数值完全相同的情况下，方案一的39更大，方案一明显更优。

图4 A车型后排后方头空3D约束示意图

图5 按现有标准分析的顶棚方案分析示意图

表2 按现有标准分析的后排后方头空对比表 单位：mm

H61H46H47L39 方案一9105582 方案二9105572

第四步，按此分析结论，推荐采用方案一的冻结顶棚造型。

3.2 优化的后排后方头空设计

本文引入一个新增指标61-，后排座椅靠背角对应的有效头部空间，替代指标39。具体测量方法：在乘员中心平面内，过SgRP沿垂直方向向后度线的方向上，SgRP到顶棚的距离加上102 mm得到的数值。如图5所示。

图6 H61-K定义示意图

第一步，新增61-指标，替代39。根据商品性目标A，以及几个对标车型的61-客观数据的平均值，确定A车型的61-目标值≥950 mm，优化后的后排后方目标设定表如表3所示。

表3 优化的后排后方头空目标设定表 单位：mm

H61H46H47H61-K 目标≥910≥5≥5≥950

第二步，输出3D约束，如图7所示。

第三步，校核分析结果如图8和表4所示。

图8 优化的后排后方头空分析示意图

表4 优化分析的后排后方头空对比表 单位：mm

H61H46H47H61-K 方案一91055937 方案二91055956

方案一顶棚线不满足目标要求，方案二顶棚线满足要求。

第四步，推荐采用方案二冻结顶棚造型。

3.3 模型验证

两个方法得到完全不同的结论，为了验证到底哪个方案更优，制作了两个方案对应的顶棚样件，在人机模型上进行静态主观评价。

人机静态主观评价是汽车静止状态下，由人机主观评价人员根据评价的内容结合设计开发经验和驾驶经验对人机性能的主观感受和评价[9]。

评价结果反馈方案二比方案一的头部舒适性更好。主要表现在后排乘客在乘坐时，因为主要需求是休息，所以他们的乘坐姿势，头部是倚靠在座椅头枕上的。

按SAE定义的采用39这个指标来分析时，39测量的“顶棚等内饰件的水平最低点”可能离头包很远，根本无法准确表达乘员头部与顶棚的关系，而本文新增的指标61-有效表达了后排乘客头部倚靠在座椅头枕上时，头部与其上方顶棚的间隙。

4 总结

本文从业内普遍采用的SAE及GCIE现有标准对后排乘客头部空间的定义出发，提出了对于溜背车型而言至关重要的后排乘员头部空间的优化设计方法。通过一个具体车型的开发案例，验证了本文提出的用新增指标61-替代39的方法，可以有效表征后排乘员的后方头部空间，大幅提升了车型研发的效率。此方法也得到了之后多款车型开发的实践应用，值得推广。

[1] 高鹏.汽车外观设计中的溜背式设计风格研究[J].智库时代,2019(19):242-243.

[2] 花月明,储蕾芳.新能源汽车内部空间设计[J].设计, 2018(9):98-99.

[3] 孔祥龙,赵毅,徐佳奕,等.六西格玛案例:家庭型轿车后排头部空间优化设计[J].上海质量,2014(7):56-59.

[4] 周侠.乘用车人体头部包络绘制方法[J].汽车实用技术,2020,45(12):158-161.

[5] 孙洋,王帅.汽车内饰造型与人机工程学[J].汽车实用技术,2019,44(13):195-197.

[6] SAE.Motor Vehicle Dimensions:SAE J1100—2009 [S].Washington:Society of Automotive Engineers,2009.

[7] GCIE.Package Drawing Exchanges:GCIE2011[S]. Washington:Global Cars Manufacturers Information Exchange Group,2011.

[8] 覃星翠,李辉,周晓明,等.乘用车驾驶员腿部空间设计研究及应用[J].汽车科技,2019(2):7-11.

[9] 张海涛,祁建,李祥.汽车人机静态主观评价方法[J].汽车工程师,2019(2):39-42.

The Optimization Design Method of Rear Head Room for Fastback Cars

DAI Xiaoyan, YU Chaofeng

( Automotive Engineering Institute, Guangzhou Automobile Group Company Limited, Guangzhou 511434, China )

Currently, more and more fastback models are being introduced into the market, which presents unprecedented challenges to the design of headspace for the rear passengers. The existing industry standards, including SAE J1100—2009 and global cars manufacturers information exchange group's engineering drawing standards in 2011, do not provide effective control indicators for the headspace behind the passengers. To address this shortcoming, this paper proposes an optimization design method that introduces a new index,61-, which represents the effective headspace for the rear seat backrest angle, replacing the original index L39, based on the objective indicators of the four rear passenger headspaces defined by Society of Automotive Engineers (SAE). Through a design example of a new vehicle development, the effectiveness of this method is demonstrated, which is of great significance for the development of human-vehicle engineering.

Fastback cars; SAE; Head room; Human-vehicle engineering; Optimization design method

U461.4

A

1671-7988(2023)10-85-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.017

戴晓燕（1987—），女，硕士，工程师，研究方向为车辆人机工程学，E-mail:daixiaoyan@gacrnd.com。