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1、 86适用于任何目标驾驶员群体的座椅位置 设计方法研究 黄金陵任金东李炭李国富（吉林大学汽车工程学院）（上海大众汽车有限公司）摘要：现行的SAEJ1517 标准中推荐的一组轿车驾驶员座椅位置适应线，是基于20 世纪 60 年代早期美国的统计人群而开发的布置设计工具。这种固定的模式不能适应当今不同国家或地区驾驶员群体的座椅位置选择。本文提出一种适用于任何目标群体的，灵活、直观的座椅位置设计方法，并在CAD系统中付诸实现。关键词：驾驶员座椅位置设计方法0 前言 传统的车身布置方法是用二维样板表示各种百分位人体肢体尺寸和形状，通过骨骼关节点将肢体分别联接成各种百分位的人体样板；一般用第5 百分位（5
2、th）身高的女性样板代表小个子，用第95 百分位（95th）身高的男性样板代表大个子。当时用样板方法进行汽车内部设计时注重人机关系，例如小个子的女性样板能否从方向盘上看前方路面，大个子男性样板能否有足够的仪表板下方的腿部空间；如果小个子和大个子物理尺寸都适合汽车内部空间，且能维持必须的手伸及性和视野性，那么在这两个试验样板的中间人体尺寸也认为是适应的。美国 SAE（Society of Automotive Engineers）推荐实施的现行 SAEJ1517 标准中面向百分位驾驶员座椅适应位置线，就是在这个前提下研制出来并用于汽车内部布置设计的工具，如图 1 所示1，这些位置线是座椅高度Z的
3、函数。驾驶员座椅高度指的是驾驶员坐姿下H 点（人体躯干与大腿中心线的交点，即胯点）到踵点的垂直距离。在 SAEJ1100标准中定义第 95 百分位驾驶员 H 点为座椅参考点SgRP（Seating Reference Point），此时座椅高度 Z 用硬点符号 H30 表示2。根据 H30 可求得相应的水平距离X。将 95th 人体样板的 H 点放在 SgRP点上，脚放在踏板上，手放在方向盘上，躯干角一定，则人的位置和姿态就基本定下来了。这种方法没有重视人体姿势的适应能力。也就是说现行的面向百分位位置线的主要缺陷是基本上仅限于驾驶员某一静态行为的研究，没有反映驾驶员姿势和人机关系的可变能力。而
4、且SAEJ1517 中的适应性模型是基于 20 世纪 60 年代早期美国驾驶员统计样本研制的3，不能适应不同国家或地区的群体，例如对中国人就不适用。即便是对现在的美国人，人体尺寸和汽车的布置形式也都在变化，SAEJ1517 中固定的适应性模式当然也就过时了。1 基于统计分析的SAM 模型近几年，美国密歇根大学研究人员经过统计分析提出了 SAM 模型（Seating Accommodation Model），该模型是基于测量目标群体人体数据和影响驾驶员座椅位置的有关的座椅和车辆的几何尺寸，经过多元因子相关分析和回归分析建立的，表示如下45：twphs2.1841.019.224.0433.083
5、.16?-+-+=其中?预测因子（因变量），即驾驶员 H 点至BOF 的水平距离（mm）s目标驾驶员的身高（mm）图 1 SAEJ1517 中驾驶员座椅适应位置线（AHP踵点，BOF拇趾参考点）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 4 页 -87h 驾驶员座椅高度（H30，mm）p驾驶员座垫倾角（L27，）w方向盘中心到BOF 的水平距离（L6，mm）t汽车变速类型（0：自动变速；1：手动变速）可见，SAM 模型采用了目标驾驶员身高，座椅高度H30，座垫倾角 L27，方向盘相对踏板位置L6 和传动类型作为因子。分析表明这5 个因子之间相关性较小，它们的组合对设计H 点水
6、平位置预测效果很好。只要输入上述目标驾驶员身高、座椅和汽车硬点数据，即可预测任何指定的用户群体或个人的座椅位置。但是SAM模式回归的结果决定于统计样本的选取。不能直观地看出驾驶员的具体状况，这是所有统计方法的不足。2 适用于任何目标群体座椅位置预测的模拟分析法 本文提出一种适用于任何目标驾驶员群体座椅位置预测的模拟分析法，并集成于CAD 系统。由于是传统样板法的发展能直观看到驾驶员的姿态，可作为统计方法的补充。本方法基于如下研究。2.1 坐姿舒适性 驾驶员坐在工作位置，手握方向盘，脚置于踏板，右手还经常要操作变速杆，眼睛直视前方，这种人机关系确定了驾驶员的基本姿势。所谓姿势舒适性，由于其评价指
7、标带有主观性、空间关系复杂性和依赖性，无法给出舒适性的广义上的精确定义。然而人类总是本能地在有限的精神、生理上和生物力学上寻求人体姿势消耗最低的能量，并求得在操作过程中动作容易和有效，因此称这种姿势为“舒适”“方便”的姿势。在研究驾驶员的姿势时，为了简化，通常将人的骨骼模拟成由若干个关节连接成的二维杆状人体模型如图2 所示。这种人体模型忽略了关节的瞬时转动中心在空间是不固定的，而且脊柱具有柔性的实际情况，但是这个模型可用于有关姿势基本问题的理解。图 2 参数化人体模型为了驾驶时保持一定的舒适工作状态，人们统计出坐姿下各关节运动的舒适角度范围，参见表1 和图 2。这里没有反映不同舒适坐姿之间差别
8、。显然，对于不同类型的车辆，如驾驶室内部空间尺寸和形状不同，各操纵件、调节件等硬件位置和物理特性、功能模式不同，舒适角度范围应该有所不同。表1 中推荐的数据适合于一般轿车，括弧中数据是对H 点到AHP 的垂直距离为200-260mm，水平距离为830-890mm 的紧凑型轿车统计所得。2.2 面向任何目标群体中的大多数 众所周知，依赖用平均人体尺寸不能确保产品设计为所要求的多数用户满意。人机工程学基于人体尺寸服从正态分布规律，采用某用户群体第5 百分位和第 95 百分位的人体尺寸进行车身内部布置设计，则认为用户满意度可达 90%。2.2.1 计算 95th 百分位舒适 H点域 由图 2 中人体
9、模型下肢几何关系可得9384+=+（1）设已知踵点（AHP）坐标（AHPAHPZX,），则 H 点的坐标位置（XH、ZH）可由下式计算表 1 人体模型舒适关节角度范围67关节角范围（）关节角范围（）120-30（23.5-24.5）5 0-50 295-120（95-98）6 80-170 3 95-135（126-130）7 170-190 478-105（85-89.5）8 40-70 9 12-25 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 4 页 -88)180cos(89-?+=LXXAHPH（2）)cos()180cos(93484?+-?+LL)180sin(
10、89-+=LZZAHPH)sin()180sin(93484LL-+式中、9L、4L、3L 人体模型下肢尺寸8、4、9均为变量，让它们在各自舒适范围内变化，可求得一系列 H 点并构成舒适 H 点域和等9线（域）如图 3 所示。参照 SAEJ826标准规定的人体样板定位方法8，采用男子 95th百分位人体样板尺寸，保持脚底与小腿夹角=874，并已知地板线和加速踏板位置，即可求出对应的舒适H 点域。然后，用户根据所选的 H 点高度（H30）和9（参考座垫角）就可以在舒适H 点域的等9线上得到设计H 点，即 SgRP 点（在图 3(c)中=199线上）。2.2.2 计算其它百分位舒适H点域 系统采用
11、下肢所有关节角度在舒适范围内变化的方法，求5th 和 50th 等百分位的舒适H 点域，并按给定的9在域中选取 H 点。算法如下：首先取对应某舒适8的踵点，并给定9，则可由公式（2）计算出4在舒适范围内变化所对应的一条H点线（等9线）。随着踵点（8）变化，即可获得同一9值下的一个 H 点域，如图 3（B）、（A）中粗线所围分别为人体模型男子50th百分位和女子 5th 百分位相应给定=199，并参照下节的方法进行约束处理后的舒适 H 点域。人体模型在相应的H 点域中任何一点定位时，都至少可对应有一组舒适关节角（8，4，9，3），从系统计算信息中可以得到。这表明当驾驶员 H 点在此域中定位时，通
12、过脚跟的变化总可以找到舒适位置。因此，分别在上述 5th、50th 和 95th 百分位的 H 点域中取设计 H 点，即可获得 90%用户满意度的舒适H 点行程，参见图 3。2.3 分析汽车硬件环境对驾驶位置预测的影响，选择控制参数 在 2.2 中只是求得了人体关节角舒适的H 点位置域，为了满足人机关系舒适、驾驶安全的要求，还必须分析驾驶员周围的硬件环境（人机关系），合理设计硬点尺寸。汽车平台与座椅相关的硬点项列举如图4 所示；在 SAEJ1100中对硬点符号均有明确定义。这些尺寸参数交叉影响，体现车辆对驾驶员姿势的约束，影响座椅位置预测。包括有：1）加速踏板位置：1自由行程位置；2部分负荷位
13、置（巡航时的位置）；2）SgRP点到踵点的垂直距离H30；3）驾驶员右脚踝点到SgRP点的距离 L34；控制对踏板的操纵力；4）方向盘下缘至大腿中心线距离H13，防止大腿和方盘发生干涉；5）方向盘下缘到躯干的距离L7，保证手长期握住方向盘而肩不动时，臂关节角的舒适性；L7 过小对胸部碰撞安全不利；6）上、下视野控制线对眼睛位置的要求；7）方向盘中心到踏板的距离L11 或 L6；8）顶盖对 H 点的约束应控制H61；9）座垫角 L27（参考大腿角9）；10）靠背角 L40，影响对方向盘的伸及性和舒适性，并影响眼点位置；11）上述的组合相对于车身内表面（如前风窗、仪表板表面）的位置关系等。研究表明
14、，除了驾驶员群体的统计尺寸以外，影响座椅位置和行程的主要因素是座椅高度、座垫角、踏板位置及其对方向盘的距离，以及它们的组合相对于车身内表面（如前风窗、仪表板表面）的位置关系等，这与基于统计分析的SAM 模型的结果基本相同；用 H13 和 L7 硬点可内含方向盘的位置对驾驶员H 点位置的影响。图 3 舒适 H点域和等9线（域）图 4 轿车座椅位置约束硬点项名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 4 页 -89系统中参数输入形式：H13 和 L7、H61 是给出最小值，而 L34、L40 和 L27（9）都是给出范围系统对舒适关节角H 域中的每一个 H 点经过上述约束处理后，
15、获得的舒适 H 域如图 3 中粗线所围。可见经约束处理后的H 点域小了很多，但在这些域中选择H 点，既能满足乘坐舒适性，又能满足人机关系要求；而且由于是个域，无论与SAEJ1517 中的位置线，或与 SAM 模型相比较，提高了设计的灵活性。可供选择的设计方案往往是多个，最后可以通过定位人体模型来比较各方案的适用度（指满足目标驾驶员群体中的人数比率，参见图 5），以取得座椅最优位置及调节行程。2.4 驾驶员座椅位置预测CAD系统设计思想及流程见图61014 系统运行过程反复进行人体模型定位，姿势和人机关系检查与判别；迭代过程的各种参数都保留在计算信息中，可供方案组合分析。3 结束语 由于现行美国
16、SAEJ1517 标准中推荐的驾驶员座椅位置线不能为当今汽车行业普遍采用，本文基于驾驶员群体统计特性和坐姿舒适性、视野性、操纵性和车内空间等人机关系的分析，提出了一套能适用于任何驾驶员目标群体，包括肢体比例特殊的身材，不受时代和地区的限制，灵活、直观、快速的优化座椅位置的H 域法，和相应的CAD系统；从根本上克服了SAEJ1517 中方法的不足，改进了汽车内部布置设计方法，提高了设计精度。在确定座椅位置的同时，还可对座椅图 6 流程图调节行程、座垫角、靠背角提出多种组合方案，以便根据具体工程条件选用，具有较高的实用价值。但设计工程师在运用 CAD 系统时必须把握输入的参数值，这还有待进一步积累
17、数据，总结经验。参 考 文 献1 SAE J1517 MAR90,Driver Selected seat position,Society of Autmotive Engineers Inc.Warrendale,PA 2 SURFACE VEHICLE Recommended Practice,Motor Vehicle Dimensions,SAEJ1100 JUN1998 3 Nancy L.Philippart,Ronald W.Roe,et al.Driver Selected Seat Position Model,SAE Paper 840508 4 Flannagan C.
18、A.C,Schneider L.W,et al.Development of a New Seating Accommodation Model,SAE Paper 960479 5 Carol A.C Flannagan,Miriam A.Mnanry,et al.An Improved Seating Accommodation Model with Application to Different User Populations.SAE Paper 980651 6 Judic J.-M,Cooper J.A,et al.More objective tools for the int
19、egration of postural comfort in automotive seat design.SAE Technical Paper 930113,67-76 7 Mike kolich,Driver Selected Seat Position:Practical Applications,SAE Paper 2000-01-0644 8 SURFACE VEHICLE STANDARD Devices for Use in defining and Measuring vehicle Seating Accommodation.SAE J826,Revised 1995-0
20、7.Society of Automotive engineers,Inc 9 Matthew P.Reed,Rom W.Roe,Carol A.C.Flannagan,et al.New concepts in vehicle design using ASPECT,SAE Technical Paper,1999-01-0967 10 李炭.汽车内部布置 CAD方法的研究与应用：硕士学位论文.长春：吉林工业大学，1997 11 黄金陵、龚礼洲、葛安林，车身布置中H点的优化，汽车工程，2000（6）：368372 12 嵇建波，轿车驾驶位置尺寸优化系统研究与开发：硕士学位论文.长春：吉林大学，2001 13 李国富，基于 CATIA的轿车驾驶员位置优化系统：硕士学位论文.长春：吉林大学，2002 14 任金东，车身布置方法研究和布置系统开发：博士学位论文.长春：吉林大学，2003参数化人体模型及其定位方法约束条件舒适关节角度范围人机关系控制参数H 点舒适域计算约束处理计算输出 H 域图形选择 H 点，优化 H 点行程图 5 方案优化名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 4 页 -