乘用车驾驶员关键操控件的系统性布置研究

张仕亮　贾吉亮　胡胜华　顾全

摘 要：为了使加速踏板、制动（离合）踏板、转向盘等关键操控件在整车中具有人机最佳的位置，提出了以驾驶员坐姿为基础的系统性布置方法；采用和坐姿关联的拟合公式，通过计算得出在某种坐姿下的最佳加速踏板、制动（离合）踏板、转向盘的布置位置。本文提出理论推导原理及相关方法。

关键词：坐姿 H点 加速踏板 制动（离合）踏板 座椅 转向盘

1 引言

常规乘用车在行驶中，加速踏板、制动（离合）踏板、转向盘基本处于全程使用中，且操作频率极高，是驾驶员操控车辆的关键部件。除了上述操控硬件自身的物理性能外，操控件的操作舒适性也是影响驾驶员与车辆交互的关键因素之一，且与驾驶员的身高及坐姿强相关。因此，驾驶员的坐姿（H点设定）、加速踏板、制动（离合）踏板、转向盘的位置，形成了一个相对封闭的人机系统。其中，加速踏板和制动（离合）踏板主要的影响因素是距离地毯的高度，转向盘主要的影响因素是距离踏板的前后位置、距离地毯的高度以及转向盘面的倾角。以上尺寸处于整车坐标系中的长度（X轴）方向和高度（Z轴）方向，本文也主要在侧视图（即XZ视图）上进行分析。

为了使加速踏板、制动（离合）踏板及转向盘尽可能符合人机舒适性，本文提出了一个系统性的布置方法。该方法从人机工程的逻辑趋势出发，正向设定相关参数，并拟合成坐姿相关的函数式。即，只要驾驶员的坐姿已确定，加速踏板、制动（离合）踏板和转向盘均有一个最佳布置位置与之相匹配，并辅以公差配合后期修正。因此，此方法可以大大提高车辆前期开发的工作效率。

2 乘用车驾驶员布置方法概述

2.1 人体尺寸选择及布置方法

当前乘用车种类繁多，不同车型会根据自身需求选取不同的坐高。一般情况，轿车坐姿较低，SUV和MPV坐姿较高。大多数主机厂和汽车设计单位，采用美国SAE的標准体系进行设计开发，其中《SAE J826》定义了95、50、10三种百分位人体模板的腿长尺寸，《SAE J1517》定义了H点舒适性函数曲线，《SAE J4004》定义了SAE95百分位鞋面角SPA（shoe plan angle）的函数式，上述函数式均是基于坐高H30的函数。

人体布置方法概述：选择相应百分位的人体，脚踝角设定87°，定义坐高H30，则H点（同SgRP Sitting reference point）落于对应的舒适曲线上。一般情况下，选取SAE95百分位的人体作为车辆设计人体。

基于SAE95人体SPA的相对于H30的函数式，根据腿长和舒适曲线，可布置SAE50及SAE10的坐姿，并拟合出相应SPA函数式。

SPASAE95=2.522*10-7*（H30）3-3.961*10-4（H30）2+4.644*10-2*（H30）+73.374 （1）

SPASAE50=1.093*10-7*（H30）3-3.234*10-4（H30）2+4.662*10-2*（H30）+65.913 （2）

SPASAE10=1.580*10-8*（H30）3-2.384*10-4（H30）2+2.552*10-2*（H30）+63.209 （3）

2.2 驾驶员坐姿的规律

通过图2分析，人体布置体现如下规律：

a.单一人体，不同坐高条件下，SPA随着坐高的增大而减小。

b.不同人体，相同坐高条件下，SPA随着腿长的减小而减小。

3 脚踏板的布置方法

3.1 加速踏板的布置

驾驶员操纵加速踏板时，踵点AHP是与地毯面接触的。AHP点作为旋转支点，通过脚踝角的变化，使脚部旋转而踩踏加速踏板。无论何种百分位的人体，均符合上述操纵程序。

乘用车加速踏板一般有两种，悬挂式和地板式（也称风琴式）。

从逻辑上可知，悬挂式加速踏板的操纵是向上兼容的，即满足小尺寸人体的加速踏板，大人体可兼容。但满足大人体的加速踏板，小人体不兼容（初始位置趋于不舒适）。

基于坐姿规律，我们已知SAE10人体的SPA角度是小于同坐高下的SAE95人体的SPA的，即当SAE95的人体设定好之后，SAE10的踏点BOFRP点的Z向高度相对于SAE95将更低，且可据三角函数关系量化。

因此，我们设置加速踏板的高度时，应以SAE10（或更小）的踏点BOFRP高度为基准。

悬挂式加速踏板（中心）高度设置公式：

Ha=203*SIN（SPASAE10） （4）

通过公式（4），可确定加速踏板中心高度，公差±20mm。

一般情况，悬挂式加速踏板的踏板面为弧面，使其过踏板面中心的切线与水平面的夹角和SPA（SAE10）等同即可，公差±5°。

通过上述方法即可确悬挂式加速踏板的高度和角度。悬挂式加速踏板的布置应遵循就低不就高的原则，即能布置低时尽量布置低。

落地式加速踏板，因其踏板面为自下向上的延伸结构，通常采用与SPA（SAE95）的角度关系来设定。

由于驾驶员可用通过实际踵点的位置自行调节踏点的高度，且始终可与踏板面相接处，故，落地式加速踏板的操纵是向下兼容的，即满足大尺寸人体的加速踏板，小人体可兼容。但满足小人体的加速踏板，大人体不兼容（极限位置趋于不舒适）

地板式加速踏板角度公式：

Aa=SPASAE95+5° （5）

通过（5），可确地板式加速踏板的角度。

一般情况，地板式加速踏板的踏板面为平面，为确保其兼容性，公差为-5°，即SPASAE95作为其下限值。

3.2 制动（离合）踏板的布置

一般情况，制动（离合）踏板初始位置会稍高于加速踏板，即在加速踏板面的法向存在一定的落差。制动踏板主要是为了防止误操 作，如油门当刹车。离合踏板与制动踏板基本等高，因其行程长短等原因，初始踏板位置会稍高于制动踏板。乘用车的制动（离合）踏板主要以悬挂式为主。

布置制动（离合）踏板，主要以与加速踏板的法向落差为设置条件。此法向落差可分解为Z向和X向的分量，其中Z向分量是影响踩踏舒适性的关键。BOFRP点是踩踏的最佳发力点，故正常踩踏制动（离合）踏板时，踵点AHP是需离开地毯面的，人体尺寸越小或坐姿越高，踵点离开地毯的高度越大（部分坐姿极低的车型除外）。

经研究，制动（离合）踏板的中心高度较加速踏板增加15mm时，在法向落差和Z向高度上均可达到相对平衡。

Hb=Ha+15=203*SIN（SPASAE10）+15 （6）

通过公式（6），可确定制动（离合）踏板高度，公差±20mm。

制动（离合）踏板面为弧面，一般使其过踏板面中心的切线与水平面的夹角和SPA（SAE10）等同即可，公差±5°。即制动（离合）踏板面倾角与加速踏板面倾角相同。

初始踏板面与加速踏板面的落差一般PL52=30-40mm；离合踏板与制动踏板等高，因其行程长短等原因，初始踏板位置可稍高于制动踏板，一般PL53=0-10mm。

通过上述方法，可确定制动（离合）踏板的高度和角度。

4 座椅舒适角度的研究

驾驶员座椅，一般由坐垫和靠背（含头枕）组成，其中坐垫倾角A27和靠背倾角A40是影响舒适性的关键参数。

坐垫的主要功能是承托人体的臀部和大腿，良好的承托性可以有效的减低疲劳度，增加舒适性。坐垫倾角的设定主要与大腿倾角A57有关，A57仅与H30相关，即坐高确定后，A57也随之确定。理想的坐垫倾角A27应等于或接近大腿倾角A57，以获得最佳的承托性。由于腿部要参与踏板的操作，如果A27过于接近A57，则导致坐垫前端挡住腿部，造成踩踏舒适性降低。故需要A27小于A57。

4.1 坐垫倾角A27的量化

从人体布置维度考虑，大腿倾角A57是随着坐高增加而减小的。故坐垫倾角A27应与A57趋势相同。

从制动（离合）踩踏板的操作角度分析，我们发现如下规律：

（1）低坐姿人体，踏板较高，踩踏时大腿抬起的Z分量较小，X分量较大。

（2）高坐姿人体，踏板较低，踩踏时大腿抬起的Z分量较大，X分量较小。

即，在座椅设计时，低坐姿坐垫倾角A27与大腿倾角A57的差值小；高坐姿坐垫倾角A27需与大腿倾角A57的差值大。

经研究，本文提出一个经验公式

A27=-0.0523（H30）+27.619 （7）

通过公式（7），计算得出A27角度。

4.2 靠背倾角A40的量化

乘用车驾驶员座椅靠背一般为可调式，故为了便于视野校核和空间对比，无论坐高如何定义，大多数车企均将靠背倾角A40定义为25°（少数车企定义22°）。因实际靠背可调，此定义方法并不影响驾驶员实际使用。但从趋势分析，A40也是关于H30的函数。

当我们把座椅考虑成一个孤立系统，一个独立的沙发去分析时，《GB3326-1997》规定，沙发坐垫倾角3-6°，靠背角98-112°。由此可算，坐垫与靠背的夹角为92-109°。取均值100°，公差±5°。基于坐垫角A27，我们得到靠背角A40的计算公式：

A40=A27+100-90

=-0.0523（H30）+37.619 （8）

上述公式（7）也适用B类客车车。《QC/T 633-2009》规定，坐垫倾角3-7°。计算结果基本符合当前客车的设计标准。因驾驶员人体相同，坐垫倾角仅与坐高有关，具有连续性，该结果也是公式（7）合理性的佐证之一。

坐垫的倾角除评估乘坐舒适性外，也是布置转向盘位置的重要参考项。

5 转向盘的布置方法

转向盘是驾驶员控制车辆方向的唯一机构，如位置不合理会直接或间接影响到驾驶员的姿態，降低驾乘舒适。所以我们应从理论坐姿出发，设定转向盘的位置。

5.1 转向盘角度的设定

考虑手臂操作的舒适性、仪表的可视性等因素，转向盘需要按一定的倾角布置。

经研究，本文提出一个经验公式

A18= 0.048（H30）+10.5 （9）

通过公式（9），可计算出转向盘盘面与YZ平面的夹角（等同管柱轴线与XY平面夹角），公差±3°。

5.2 转向盘X向和Z向位置的设定

当代乘用车的转向盘基本都可调，有的仅角度可调，有的角度和轴向均可调。我们所指的SWC点，是所有可调范围的中间位置。根据正态分布规律，50百分位的人体为正态分布的顶点，其两侧区域的人体出现的概率大。我们通常定义的SWC点，应满足大多数人群的使用需求。

在X方向，本文用转向盘中心SWC与踏点BOFRP的X向距离L6来描述。研究发现，转向盘的下沿与SAE50的H点的X向距离趋于某范围245mm-295mm。取中间值270mm，结合A18定义，统计出常用坐高H30=200-360范围内的的转向盘SWC的X向位置，并拟合成公式：

L6=-0.002215368（H30）2+0.724272727（H30）+510.385 （10）

通过公式（10），可定位转向盘相对与人体的X向布置位置，公差±25mm。

在Z方向，本文用转向盘中心SWC与踵点AHP的Z向距离H17来描述。高度方向的设定主要考虑两个方面。

（1）从进出方便性维度考虑，转向盘下沿与座坐垫的距离。

（2）从操作舒适性维度考虑，50百分位人体踩踏制动（离合）踏板时，大腿轮廓与转向盘下沿不干涉

结合L6、A18、A27的设定，定义H74≥200mm。统计出常用坐高H30=200-360范围内的转向盘SWC的Z向位置，并拟合成公式：

H17=-0.000075758（H30）2+0.695757576 （H30）+478.218 （11）

通过公式（11），可定位转向盘相对与人体的布置位置，公差±20mm。

6 符合性验证

我们已知，驾驶员坐姿仅与坐高H30相关。本文将踏板高度，座椅角度、转向盘的角度及位置全部定义成关于坐高H30的函数，其含义为一旦坐高确定，舒适坐姿即确定，且与舒适坐姿相匹配的踏板、座椅、转向盘也随之确定，故称之为系统性的布置方法。

下面我们通过市场上的车型参数统计对系统性布置方法进行核验。曲线为正向推导的公式及公差，散点为车型统计的数值（样本为逆向扫描数据，存在一定误差）。

6.1 加速踏板中心高度的验证

6.2 加速（离合）踏板中心高度验证

6.3 转向盘角度A18的验证

6.4 转向盘X向位置L6的验证

6.5 转向盘Z向位置H17的核验

综上，从趋势走向和公差覆盖范围来看，本文所推导的公式与绝大多数车型的数据吻合，进而可证明上述公式具备实际应用价值。

7 其他边界条件

加速踏板、制动（离合）踏板、转向盘除上述在XZ视图上需要布置外，在YZ视图上也有相应的约束条件，本文不做赘述。下列图示及表格仅供参考。

7.1 踏板Y方向边界条件

7.2 转向盘Y方向边界条件

为了使驾驶员舒适的操作转向盘，且通过转向盘观察组合仪表视野不受影响，通常保证转向盘中心点Y坐标与H点坐标一致，即：

Y向：W7=（W20-1）

若由于布置原因须调整，建议偏差量ΔL控制在±5mm以内，最大允许±10mm。

若因力矩波动等原因，需管柱轴线与ZX平面存在夹角A17，允许范围≤2°。一般情况，按A17=0°进行布置。

8 结语

通过系统性的布置方法，关键参数仅依据坐高H30即可确定，且能匹配驾驶员的舒适坐姿，大大减少布置的工作量。該方法大大提高车型开发前期的工作效率，也能为架构开发中，关键操控件的平台化、通用化提供有效的理论依据。

参考文献：

[1]SAE J1100. Motor Vehicle Dimensions， 2009.

[2]SAE J1517. Driver Selected Seat Position， 1998.

[3]SAEJ4004.Positioning the H-Point Design Tool—Seating Reference Point and Seat Track Length，2008

[4]SAEJ826. Devices for Use in Defining and Measuring Vehicle Seating Accommodation， 2008.

[5]GB/T 3326. 家具、桌椅、凳类主要尺寸， 1997.

[6]QC/T 633. 客车座椅，2009.