基于人机工程学的轿车车身总布置设计

寸内布置所有的 总 成 和 部 件，并 获 得 最 大 的 室 内 角度将各种身材人体模型定位，再评价其视野、伸
空间，提高产品的市场竞争力。然而，轿车车身总 及性、舒适性等。舒适关节角度通常因车型而异，
布置的工作量大，需要花费较长时间，如果能够基 图１所示为轿车驾驶员舒适关节角度范围的参考
收 稿 日 期 ：２０１３－１２－０２；修 回 日 期 ：２０１４－０１－０９ 基 金 项 目 ：国 家 “８６３”节 能 与 新 能 源 汽 车 专 项 资 助 项 目 （２０１１ＡＡ１１Ａ２２０） 作 者 简 介 ：赵 韩 （１９５７－ ），男 ，安 徽 滁 州 人 ，博 士 ，合 肥 工 业 大 学 教 授 ，博 士 生 导 师 ．
１．２ 驾 驶 员 座 椅 位 置 和 行 程 调 节 的 确 定 驾驶员座椅的位 置 是 通 过 座 椅 参 考 点 ＳｇＲＰ
点来确定的。ＳｇＲＰ 点 是 座 椅 制 造 厂 规 定 的 设 计 基准点，考虑到座 椅 的 所 有 调 节 形 式 （水 平、垂 直 和 倾 斜 调 节 ），座 椅 参 考 点 确 定 了 在 正 常 驾 驶 或 乘 坐 的 最 后 位 置 ，它 表 示 当 ９５ｔｈ 百 分 位 的 人 体 模 型 按规定摆放在座椅上时，实际 Ｈ 点应与座椅参考 点 ＳｇＲＰ 重合。驾驶员座椅位置和行程调节的确 定方法如图２所示。为满足大多数驾驶员乘坐需 求，参考 ＳＡＥ 标准的 Ｈ 点位置曲线模型，如图２ａ 所示，在模型中通过选取 ９５ｔｈ百分位与 ５ｔｈ 百 分 位的 Ｈ 点位置曲线来确定座椅的行程调节（这里 仅考虑水平和 垂 直 调 节）范 围，其 Ｈ 点 位 置 曲 线 的数学模型为： ｘ９７．５ ＝９３６．６＋０．６１３ ８７９ｚ－０．００１ ８６２ ４７ｚ２， ｘ９５ ＝９１３．７＋０．６７２ ３１６ｚ－０．００１ ９５５ ３０ｚ２， ｘ９０ ＝８８５．０＋０．７３５ ３７４ｚ－０．００２ ０１６ ５０ｚ２， ｘ５０ ＝７９３．７＋０．９０３ ３８７ｚ－０．００２ ２５５ １８ｚ２， ｘ１０ ＝７１５．９＋０．９６８ ７９３ｚ－０．００２ ２８６ ７４ｚ２，
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｃａｒ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ａｎｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｏｆ ｅｒｇｏｎｏｍ－ ｉｃｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ’ｓ ｓｅａｔ ｌａｙｏｕｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｙｅｌｌｉｐｓｅ ａｎｄ ｈｅａｄ ｅｎｖｅｌｏｐ ｓｕｒｆａｃｅ ｕｓｅ ｉｎ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａｎｄ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ’ｓ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｈｅａｄ ｓｐａｃｅ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｅｒ－ ｇｏｎｏｍｉｃｓ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｒｉｄｅ ｃｏｍｆｏｒｔ，ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ’ｓ ｖｉｓｉｏｎ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｄ ｓｐａｃｅ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＣＡＴＩＡ Ｖ５ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ－ｂａｓｅｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＫＢＥ）ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ａｕｔｏ ｂｏｄｙ ｌａｙｏｕｔ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｏｕｔｌｉｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ；ａｕｔｏ ｂｏｄｙ ｌａｙｏｕｔ ｄｅｓｉｇｎ；ＣＡＴＩＡ Ｖ５ｓｏｆｔｗａｒｅ；ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ－ｂａｓｅｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ （ＫＢＥ）；ｐａｒａｍｅｔｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ
２ 驾 驶 员 眼 椭 圆 和 头 廓 包 络 设 计
汽车驾驶员眼椭圆是指不同身材的驾驶员按 自己的意愿将座 椅 调 整 到 适 宜 位 置，并 以 正 常 的 驾驶姿势入座后，他 们 的 眼 睛 位 置 在 车 身 坐 标 系 中的统计分布图形。驾驶员眼椭圆的确立为研究 汽车视野性能提 供 了 科 学 的 视 野 原 点 基 准，为 衡 量和评价驾驶员视野性的好坏提供了有效方法。 利用眼椭圆可进行汽车前风窗玻璃及除霜部位的 确定、汽车风窗遮 阳 带 位 置 的 确 定 以 及 汽 车 后 视 镜位置设计和视野校核等等。
Ａｕｔｏ ｂｏｄｙ ｌａｙｏｕｔ ｄｅｓｉｇｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ
ＺＨＡＯ Ｈａｎ， ＣＨＥＮＧ Ｆｅｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）
ｘ５ ＝６９２．６＋０．９８１ ４２７ｚ－０．００２ ２６２ ３０ｚ２， ｘ２．５ ＝６８７．１＋０．８９５ ３３６ｚ－０．００２ １０４ ９４ｚ２。 其中，ｘｉ 为第ｉ 百分位身材的驾驶 员 的 Ｈ 点 距 离 拇指基准点（ＢＯＦ）的水平距离；ｚ 为 Ｈ 点到加速 踏 板 踵 点 （ＡＨＰ）的 垂 直 距 离 。
垂 直距离ｚ９５和ｚ５（座椅垂直调节升程 Ｈ５８＝ｚ５－ ｚ９５），可计算得 到 座 椅 水 平 调 节 行 程 Ｌ２３＝ｘ９５ － ｘ５。 最 终 可 确 定 座 椅 行 程 调 节 范 围 如 图 ２ｂ 所 示 。
图 ２ 驾 驶 员 座 椅 位 置 和 行 程 调 节 的 确 定 方 法
图 １ 驾 驶 员 适 宜 乘 坐 姿 势
研究表明，人 体 乘 坐 时 的 坐 姿 关 节 角 直 接 影
等具有重要意义。
响到乘员对乘坐舒适程度的主观感受 。 ［２］ 人 体 驾
轿车车身总布置是在整车总布置设计的基础 驶、乘坐的舒适和 疲 劳 程 度 与 设 计 中 根 据 人 体 关
上进行的，其最 终 目 的 就 是 在 有 限 的 车 身 外 形 尺 节角度确定的姿势有关［３］，因此，可根据舒适 关 节
头廓包络是指不同身材的乘员以正常坐姿坐 在合适的位置时其 头 部 （包 括 头 发）的 包 络，它 用 于在设计中确定乘员所需的头部空间。乘员头部 与车身结构之间的空间对于保证乘员头部活动， 以及在颠簸和翻车等情况下使头部具有必要的缓 冲空间具有重要意义。
参照 ＳＡＥ 标准，驾驶员眼椭圆和头廓包络面 的位置受 到 踏 板 位 置 （ＰＲＰ、ＡＨＰ）、座 椅 位 置 参 考点（ＳｇＲＰ）、方 向 盘 中 心 点 位 置 的 约 束，如 图 ４ 所示，也就是说眼 椭 圆 和 头 廓 包 络 面 的 位 置 会 随 着踏板、座椅及方 向 盘 布 置 的 位 置 不 同 而 相 应 地 变化。
同的数值，便可方 便 地 得 到 眼 椭 圆 和 头 廓 包 络 面 新的位置坐标以及不同百分位的三维眼椭圆和头 廓包络面模型，从 而 进 行 不 同 尺 寸 下 模 型 的 分 析 与 对 比 ，确 定 最 佳 的 数 值 ，这 样 大 大 降 低 了 建 模 的 工 作 量 ，提 高 了 工 作 效 率 。
汽车上的应用越来越受到重视 。 ［１］ 在轿车车 身 总 布置设计过程中需充分考虑到人机工程学的理论
１ 驾 驶 员 座 椅 布 置
知识，合理的人机 工 程 学 尺 寸 对 于 保 证 不 同 用 车 １．１ 驾驶员座椅布置方法
人 群 乘 坐 舒 适 性 、安 全 性 、操 作 以 及 上 下 车 方 便 性
现代轿车设计强调以人为中心，安全性、舒适 于人机工程 学 理 论 并 以 ＣＡＴＩＡ Ｖ５ 知 识 工 程 模
性一直是轿车设 计 的 主 题 和 追 求 的 目 标，而 舒 适 块作为工具进行知识驱动的参数化汽车总布置设
性、安全性直接与人相关，所以研究人机工程学在 计，将大大提高设计效率及质量，缩短设计周期。
１２８２
合 肥 工 业 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
第 ３７ 卷 ຫໍສະໝຸດ 值 ，不 同 类 型 的 汽 车 ，其 驾 驶 室 地 板 高 度 和 驾 驶 室 高 度 不 同 ，驾 驶 员 乘 坐 姿 势 也 要 与 之 相 适 应 。
驾驶员乘坐位 置 必 须 与 整 车 尺 寸 相 适 应，以 保证驾驶员良好 的 前 方 视 野，为 了 满 足 不 同 驾 驶 员 的 坐 姿 舒 适 性 ，座 椅 位 置 一 般 设 计 为 可 调 节 的 。 驾驶员乘坐位置设计的原则是在保证前方视野的 条件下，确定具有极限人体尺寸（女子 ５ｔｈ 和男子 ９５ｔｈ 人 体 尺 寸）驾 驶 员 的 乘 坐 极 限 位 置，据 此 来 确定座椅位置的调节范围。
基于人机工程学的轿车车身总布置设计
赵 韩， 程 飞
（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 ２３０００９）
摘 要 ：文 章 以 普 通 轿 车 为 例 ，基 于 人 机 工 程 学 理 论 知 识 ，介 绍 了 轿 车 驾 驶 员 座 椅 布 置 以 及 利 用 眼 椭 圆 和 头 廓 包络对驾驶员视野及头部空间进行设计和校核的一般方 法，并 对 影 响 轿 车 乘 坐 舒 适 性 、驾 驶 员 视 野 区 域 以 及 头部活动空间大小等主要人机工程学尺寸做了 探 讨，最 后 概 述 了 ＣＡＴＩＡ Ｖ５ 知 识 工 程 和 参 数 化 设 计 技 术 在 轿车车身总布置设计中的重要意义。 关 键 词 ：人 机 工 程 学 ；车 身 总 布 置 设 计 ；ＣＡＴＩＡ Ｖ５ 软 件 ；知 识 工 程 ；参 数 化 设 计 中 图 分 类 号 ：Ｕ４６３．８２１ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００３－５０６０（２０１４）１１－１２８１－０４
根 据 经 验，选 择 合 理 的 座 椅 垂 直 调 节 升 程 Ｈ５８以及９５ｔｈ、５ｔｈ身 材 驾 驶 员 Ｈ 点 到 ＡＨＰ 的
当加速踏板、驾 驶 员 座 椅 以 及 方 向 盘 位 置 布 置完成后，为了直 观 地 校 核 驾 驶 员 在 已 经 布 置 好 的座椅上处于正常驾驶时的坐姿角是否能够满足 人机工程学的要求，可通过 ＣＡＴＩＡ Ｖ５ 软件平台 来完成 驾 驶 员 坐 姿 角 的 确 定。ＣＡＴＩＡ Ｖ５ 的 人 体模型构造模块 （Ｈｕｍａｎ Ｂｕｉｌｄｅｒ）可 在 虚 拟 环 境 中建立和管理标 准 的 数 字 化 虚 拟 人 体 模 型，基 于 它的人体模型数 据 库，可 以 很 方 便 地 直 接 生 成 各 百 分 位 的 男 、女 人 体 模 型 ，这 种 建 立 人 体 模 型 的 方 法 ，由 于 其 所 需 要 的 测 量 数 据 大 大 减 少 ，从 而 降 低 了 建 立 人 体 模 型 所 消 耗 的 时 间 、物 力 和 财 力 ，有 着 较大的实际应用价值。在 Ｈｕｍａｎ Ｂｕｉｌｄｅｒ模块中 通 过 Ｎｅｗ Ｐａｃｋａｇｅ 和 Ｎｅｗ Ｏｃｃｕｐａｎｔ Ｐｏｓｔｕｒｅ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ２ 个 命 令 和 已 经 布 置 好 的 坐 标 （如 加 速 踏板坐标、座 椅 Ｒ 点 坐 标、方 向 盘 坐 标 和 驾 驶 员 左 脚 坐 标 ）可 自 动 约 束 驾 驶 员 坐 姿 ，其 约 束 后 的 驾 驶员坐姿如图３所示。