關于乘用車駕駛員對轉向盤可調范圍的需求的研究

張仕亮　袁鵬文　劉羅衛　孟相陽

摘 要：乘用車轉向盤的設計位置為50百分位人體所匹配的最佳位置，為了使轉向盤能夠最大化適應不同身高的駕駛員，文章對人體的H點、轉向盤中心點、腳部參考點的位置關系（即人機三角形）進行深入研究，并對人機三角形進行了重新定義。利用不同百分位的人體關節尺寸比例幾乎相同的特點，推導出基于舒適曲線的5、50、95三個百分位人體在坐高200mm至360mm范圍內的坐姿下的轉向盤中心最佳位置，即不同身高的駕駛員對轉向盤的可調范圍的需求。

關鍵詞：人機三角形 H點 舒適曲線 轉向盤

1 引言

在研發某一款車型時，轉向盤的位置是非常關鍵的人機設定。合理的轉向盤位置，能夠使駕駛員的軀干和四肢的關節都處于舒適的角度?？偛贾霉こ處熗ǔＳ萌藱C三角形（當前人機三角形由95百分位駕駛員踵點、H點、轉向盤中心點連線而成）來評估轉向盤位置是否滿足舒適性要求。如圖1。因此從某種意義上來講，人機三角形即是某一人體舒適坐姿的全簡化，其中包含腳部姿態、腿部姿態、軀干姿態、上肢姿態、手部姿態。

實際上，SAE人機布置體系中的人體是不含上肢的（圖1所顯示上肢僅出于美觀性考慮，其上肢與下肢的尺寸參數來自不同文件），轉向盤布置也不是通過上肢的關節角度分析得出的。所以，合理的應用人機三角形，在不涉及上肢布置的情況下，也可以推導出合理的轉向盤位置。進一步，可以根據三角形相似舒適性相同的原理，推導出不同百分位的人體的轉向盤的最佳位置。

當前人機三角形存在一定的不合理性，文章對人機三角形進行了重新定義（新人機三角形由舒適曲線的參考原點、H點、轉向盤中心的連線而成），并以此推導出基于舒適曲線的5、50、95三個百分位人體在坐高200mm至360mm范圍內的坐姿下的轉向盤中心最佳位置，即不同身高的駕駛員對轉向盤的可調范圍的需求。

注：如無特殊說明，文章相關參數尺寸代碼均采用SAE J1100所定義代碼。長度單位為毫米（mm），角度單位為度（°）。

2 當前人機三角形的來源及問題

據考證，當前所采用的人機三角形，來自于UG 軟件的總布置Package工具包，由人體的踵點、95百分位人體H點、轉向盤中心這三點的連線構成。如圖1所示。

對于某一特定市場人群的乘用車，其定義的轉向盤位置，是該人群50百分位的人體所匹配的最佳位置。在作者發表的論文《乘用車駕駛員關鍵操控件的系統性布置研究》中提出的轉向盤定義公式，其所匹配的是50百分位的人體所匹配的轉向盤最佳位置。上述人機三角形中，轉向盤中心點與 95百分位H點的連線，不能反映50百分位人體的舒適程度也不能反映95百分位人體的舒適程度，故該連線存在一定不合理性。

在同一款車型中，不同百分位的人體，在相同的坐高下，其踵點的位置是不同的。上述人機三角形中，轉向盤中心與95百分位人體踵點的連線，不能反映50百分位人體的舒適程度也不能反映95百分位人體的舒適程度。故該連線也存在一定不合理性。

當前人機三角形中，兩條邊的定義都存在不合理性，故用其評估駕駛員舒適性是存在問題的。

3 新人機三角形的定義及原理

3.1 新人機三角形的定義

為了解決當前人機三角形的問題，文章提出一個新型人機三角形的定義方法。如圖2所示，該三角形的三點定義如下：

（1）轉向盤中心點（與原定義一致）；

（2）腳部參考點：通過踏點BOFRP的豎直線與通過踵點AHP的水平線的交點；

（3）舒適曲線上50百分位的H點。

3.2 新人機三角形的原理

因為轉向盤的定義位置是匹配50百分位人體駕駛員的最佳位置，所以我們采用50百分位人體的H點。此時轉向盤中心點與50百分位H點的連線，可以表征該狀態下50百分位的駕駛員的舒適姿態，包含靠背姿態、上肢姿態和手部姿態。

對于舒適曲線，其表征的含義是不同百分位的人體在不同坐高下，不同百分位人體的H點與BOFRP點在水平方向上的距離變化趨勢。 該趨勢由SAE經統計方法得出，并擬合成一組公式。該組曲線，有共同的基準原點，即過BOFRP點的豎直線與過AHP的水平線的交點。該點是該組公式所對應的原點，其表征無論什么百分位的人體，以什么坐高的坐姿，只要其BOFRP點的X坐標和AHP點的Z坐標保持不變，坐姿舒適時，其H點必然落于舒適曲線上。隨著人體或坐高的變化，其BOFRP點的Z坐標發生變化、AHP點的X坐標發生變化，但原點保持不變，如圖3、圖4所示。所以，采用該原點與50百分位H點的連線，可以表征任意坐高下的舒適姿態，包含腿部姿態和腳部姿態。

綜上，此三點的連線所形成的三角形，可以完整的表征50百分位人體在某種坐高下的全身舒適姿態。

4 人體尺寸的特征

不同地區，不同百分位人體的身高是不同的，分解到人體內部，即各個肢體的尺寸也是不同的。對比發現，不同的人體其自身各個肢體尺寸相對于自身身高的占比基本相同。那么可以認為，不同身高的人體之間是互相等比例縮放的關系。如表1所示。

5 新人機三角形的應用方法

人機三角形可以表征駕駛員全身的舒適姿態，不同人體又是等比例縮放的關系。那么可以認為，不同的人體采取相似的人機三角形（角度形同，大小不同）時，其擁有等效的舒適姿態。為了便于分析，暫忽略座椅滑軌傾角帶來的影響。

5.1 方法一 直接應用法

對于某款車型，已確定的50百分位人機三角形（如無特別指出，以下均指新人機三角形），可以直接在該人機三角形中，直接作出5百分位、95百分位所相似的三角形。如圖5所示。

但該作圖方法存在一個明顯問題，就是5百分位的人體的坐高要低于50百分位人體坐高，而95百分位人體的坐高又高于50百分位的人體坐高。一般情況，駕駛員座椅的傾角為正值（即前高后低），范圍0-6deg，不會出現前低后高的情況。所以此方法不適用常規乘用車。

5.2 方法二 間接應用法

為了使人機三角形的應用符合一般乘用車的設計規律，需對方法一做一次升級，找出在同一坐高下，5百分位和95百分位分別對應的人機三角形（50百分位已知）。利用方法一，作圖并統計出 50百分位人體坐高H30在200-360mm區間內，5百分位、95百分位人體分別所對應的坐高。如表2所示。

對上述表格圖形化處理，便可直觀看出，在同一坐高下，不同百分位的人體所對應的人機三角形中的角度參數。如圖6、圖7所示。

為了簡便操作，將上述圖形進行函數擬合，得到如下系列公式。不同百分位人體所對應的人機三角形參數，均為坐高H30的函數。

根據上述公式，可快速定義出某坐高下，5、50、95三個百分位人體的人機三角形角度，進而確定其最佳轉向盤中心點的位置。

表3列舉了坐高200-360mm范圍內，每隔10mm坐高不同百分位人體的人機三角形參數，僅供參考。如坐高非表中所示時，可由公式直接計算得出。

6 駕駛員對轉向盤位置的需求

6.1 理想的轉盤可調范圍

對于單一車型，因其坐高為確定值，所以只需定義在該坐高下，不同百分位人體所對應的轉向盤的最佳位置，其中50百分位所對應的轉向盤位置為設計位置，作為整車硬點。如圖8所示，通過作圖法得出某坐高下5百分位、50百分位、95百分位的轉向盤最佳位置。其中，5百分位的轉向盤位置和95百分位的轉向盤位置之間的區域即視為理想的可調范圍。

6.2 實際的轉向盤可調范圍

轉向盤是轉向系統中的一個組件，轉向盤與轉向管柱裝配連接，轉向盤的調節實際上是由管柱的功能來實現的。早期產品的轉向盤位置是固定的，隨著人們對駕駛舒適性需求的提升，逐漸出現了角度調節，再后來又增加了軸向調節，且調節范圍有越來越大的趨勢。但由于受到儀表板結構、安全潰縮等諸多因素的影響，目前的轉向盤（管柱）調節范圍還不足以滿足小人體和大人體所需的最佳位置，即可調范圍不足。如圖9所示，是某廠家轉向盤（管柱）可實現的調節范圍（前后伸縮總行程55mm，角度調節±3°），與人機最佳需求的對比。

由于人體自身具有一定適應性，即使調節范圍不足，按正常方法設定的轉向盤位置一般不會出現不可接受的情況（不可調節時都可接受），可調功能的出現以及可調范圍的增大，實際上是讓更多的人能找到自己的舒適位置，即適應性增大。如果可調范圍是無限的，那么任意人體都可以匹配到最佳的轉向盤位置。相信隨著各項技術的升級，轉向系統可以設計出調節范圍更大的產品。

7 結語

通過對人機三角形的研究和重新定義，以及利用人體尺寸比例相同的特點，在不采用統計學的前提下，得到了不同人體的最佳轉向盤位置，即駕駛員對轉向盤可調范圍的需求。上述方法簡單有效，即可以用于指導轉向系統的布置和設計，也可以用于競品車型的逆向分析。在乘用車研發階段，具有一定的應用價值。

參考文獻：

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