10.16638/jki.1671-7988.2017.03.020
基于人机工程设计中头部包络的整车尺寸确定
杨波
（江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥230022）
摘要：一个新车型的开发，从概念到实物状态，需要经过效果图，油泥造型的过程。在确定整车外形尺寸时，人机工程中头部包络位置的校核设计在决定整车尺寸方面起到了决定性作用，文章阐述了人体头部包络在确定整车外形尺寸的应用。
关键词：新车型开发；整车；人机工程；头部包络
中图分类号：U466 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)03-50-04
Size Determination of Vehicle Based on Head Envelope in Ergonomics Design
Yang Bo
（Technological Center, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Auhui Hefei 230022）
Abstract: The development of a new vehicle model, from the concept to the product, undergoes the process of the effect diagram and sludge modeling. In determining the overall size of the vehicle, ergonomic design of the head envelop position has played a decisive role in deciding the size of the vehicle. This paper describes the application of human head envelop in determining the size of the vehicle.
Key words: new vehicle development; vehicle; ergonomics; head envelop
CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)03-50-04
引言
新车型的开发，从概念到实物状态，需要经过效果图，油泥造型的过程。效果图的绘制基于整车尺寸的确定，形成各个特征合理的比例，让整车造型符合人们的审美观念。整车尺寸的确定对整车开发成功与否有一定的重要意义，同时也决定了后期各种配置匹配的可行性。在设计过程中，人体乘坐的舒适性与各种配置决定了整车的外形尺寸范围。人机工程中，头部包络位置的校核设计在决定整车尺寸方面起到了决定性作用。
1、人机工程设计
目前随着世界汽车行业竞争的加剧，世界各大汽车公司都在降低公司各方面的成本以提高公司在全球的竞争力。很多大公司为了降低设计方面的成本，加快产品的开发进度，都越来越倾向于电脑的自动化设计。人机工程设计中，人体的头部包络与周边零件的距离决定了人体乘坐空间的舒适性。本文阐述基于利用CATIA软件阐述利用人机工程设计，确定人体头部包络空间。基于人体头部包络空间确定整车外形尺寸。
美国机动车工程师学会(Society of AutomotiveEngineers，以下简称SAE)。是国际上最大的汽车工程学会组织，制定的标准具有权威性．是机动车行业的技术标准，本文以SAE的标准绘制人体头部包络空间。
一个新车型的开发，首先需要定义整车配置，整车配置的定义决定了人机工程的校核内容。人机工程校核初期，需要根据各种配置，确定整车的内部空间，整车内部空间的定义决定了整车的外形尺寸。
1.1 头部包络的定义
头部包络是指不同人体坐于汽车内．将座椅调整到合适
作者简介：杨波，就职于安徽江淮汽车股份有限公司。
汽车实用技术
51 2017年第3期
的位置，头部运动在整车坐标系下所形成的分布图形，为研究车辆的头部空间提供基准。SAE J1052—2002版标准详细地定义并描述了头部包络的类及生成方法。
1.2 头部包络的决定因素
考虑到头部包络包含大部分人体正常乘坐状态下的头部运动空间，其大小取决于3个因素，分别是座椅移动行程(TL23)、期望头部运动轮廓的百分点、驾乘人员的座位位置。
座椅移动行程。头部轮廓的大小和位置均随着座椅运行轨迹的变化而变化。根据座椅可否调整以及调整的大小，对应的座椅行程可分为3大类：0 mm(固定座椅)、133 mm、大于133 mm。其中可调整的座椅(即座椅行程大于0 mm)，头部轮廓要求往前倾斜12°，反之，头部轮廓相对于固定位置没有倾斜。
期望的百分点。这里的百分点是指相应比例的人体头部轮廓处于这个范围内，百分点影响了头部轮廓的大小。SAE J1052—2002中提供了第95和99百分点的头部轮廓，显然，第99百分点的轮廓要大于第95百分点。其中第95百分点的头部轮廓满足汽车尺寸标准(SAE J1100)所提供的尺寸要求。
驾乘人员的座椅位置。通常，对驾驶员和前排外侧乘客来说，后视图中的头部位置轮廓要比其他人的宽23 mm．这额外的23 mm被定位在乘客中心线的外侧。
1.3 头部包络的构造
头部轮廓是通过修改3D椭圆体创立的，根据2.2中的三大因素调整椭圆体的轴长和倾角、整车人机硬点及标准中的参数确定椭圆体的中心点．抛弃下半区，即得到对应状态下的头部包络。如图1所示为固定座椅的头部包络图2 所示为座椅导轨行程大于133mm的驾驶员头部位置包络。
图1 A类轿车固定座椅的头部包络
图2 A级车座椅导轨行程大于133mm的驾驶员头部位置包络
1.3.1 椭圆体的尺寸确定
头部包络椭圆体的轴长根据2.2中的三大因素确定。通常情况下，车辆固定座椅的头包椭圆体各轴长的确定见表1。椭圆体的下半部分不被利用，所以仅截取上半部分椭圆体。如图1所示。对于驾驶员和前排外侧乘客的头部位置曲线而言．当座椅行程不为0 mm时。其在后视图中是不对称的，外侧曲线轮廓比内侧要进一步延伸23mm，椭圆体的中心不再是全轮廓的中心。以椭圆体向中心面将轮廓划一分为二。并沿着Y向外侧延伸23 mm，创建一个23 mm宽的弧带，图3所示。头部包络轮廓尺寸见表2（95百分点轮廓）和表3（99百分点轮廓）。
表1 A类轿车固定座椅头包椭圆各轴的尺寸
1.3.2 椭圆体中心点确定
椭圆体的中心点，对于驾驶员和第一排外侧乘客的头部位置曲线而言，是指23 mm弧带内边的椭圆中心点，有两种定位方法，一种是根据眼椭圆中心点的位置进行换算得到，另一种是根据人机硬点，相对于整车坐标原点进行定位。无论选用何种方法，头部包络在Y方向的定位，与眼椭圆中心一样，均与整车定义的H点的Y坐标( W20)一致。
图3 外侧面增加23mm的头包透视图
从眼椭圆中心点定位。头部包络的相对坐标值（Xh, Yh,Zh）的确定详见表4。
表2 95百分点头部位置轮廊尺寸（从椭圆体中心
到轮廊外边的距离）[1]
表3 99百分点头部位置轮廓尺寸（从椭圆体中心
到轮廓外边的距离）
[1]
杨波：基于人机工程设计中头部包络的整车尺寸确定52 2017年第3期
表4 头部包络中心相对于眼椭圆中心的坐标
[1]
方法2：从整车坐标原点(前轴中心点)进行定位。头包中心坐标( X，Y，Z)的确定方法见表5。
表5 头部包络中心相对于眼椭圆中心的坐标
[1]
d = 0.719(A40) – 9.6
Xh 和Zh可从表4中选择适当的序列；
L1为PRP的X向坐标值；
L6为从方向盘坐标中心到PRP的X向距离；
H30为AHP点测量的R点Z向坐标值；
t表示变速器类型（1表示带有离合踏板，0表示无离合踏板）；
W20为R点Y向坐标值；
H8为AHP的Z向坐标值；
A40为乘员设计靠背角。
2、人机工程设计的具体应用
2.1 整车尺寸的初步调查
图4
表6 部分车型相关外部尺寸
同一平台的车型，整车尺寸都较接近。基本型的开发，在确定整车外形尺寸时，需要了解市场上现有同一平台各车型的整车外形尺寸，在确定整车外形尺寸时可以作为参考值。下图为目前市场上SUV平台的，部分车型相关尺寸值如表6：
根据统计数据，就可以确定平台车型各外形尺寸的大概范围。
在初步确定整车外形尺寸后，利用人机工程中，头部包络与各相关零部件总成的距离，确定整车外形尺寸的具体数据。
头部包络与各相关零部件总成的距离是否合理可以参考市场上同平台车型的具体空间确定，如下表为市场上在售的一款SUV车型，其头部包络与内饰相关零部件总成距离如下表7：
表7 部包络与内饰相关零部件总成
整车人机工程校核中，对于整车的外形尺寸，需要考虑整车车型座椅布置，整车配置：整车座椅、天窗，气囊等。
2.2 下面具体说明开发过程中的具体思路
2.2.1 整车座椅的布局对整车尺寸的影响
整车座椅的数量及布局，直接决定了人体H点的位置，H点位置及座椅靠背角决定了人体的头部包络位置，
考虑到内饰安装空间及车身钣金空间，决定整车的高度。如果整车只有5人座（2+3）。布置时需要将第二排人体H点往整车X 方向前移。为了满足第二排人体腿部夹角舒适性，需要将人体H点向整车Z向下移，从而第二排对整车高度的影响很小。如果整车是7座布置（2+3+2）。布置人体空间较大，可以将第二排人体适当后移。为了保证人体腿部夹角舒适性，将人体适当沿整车Z向向上调整。同时导致了人体头部包络的上移，将影响到整车的高度。具体如图5：
图5 不同位置头部包络影响整车高度
2.2.2 天窗对整车尺寸的影响
整车设计过程中，需要考虑整车匹配的天窗配置。天窗
汽车实用技术
53 2017年第3期
安徽江淮汽车
配置中需要考虑单天窗，还是全景天窗。由于单天窗，全景天窗布置位置的不同，导致人体头部包络相对于天窗距离的不同。如果人体头部包络相对于天窗空间不满足设计要求，就需要调整天窗位置在整车坐标Z向的位置，这样就会决定到整车的外形高度。
图6 单天窗对整车高度的影响
图7 全景天窗对整车高度的影响
2.2.3 气囊对整车高度及宽度的影响
在整车配置中，需要考虑人体头部包络与侧气帘，侧气帘固定处总成零部件的具体距离及爆破要求。图7为某车型设计开发初期，校核距离如下图：
图8 侧气帘对整车宽度的影响
利用头部包络确定人体头部与侧气帘的最小距离，设计过程中，此距离需要满足侧气帘爆破的最小距离要求。考虑到内饰包覆侧气帘。需要在最小距离要求上增加12mm左右距离。基于外部造型弧面需求，外侧钣金设计厚度，这样就决定了整车宽度。
侧气囊一般布置在座椅内部。在布置过程中，人体H点位置决定了座椅的位置，座椅位置确定后，需要考虑安装侧气囊座椅与侧边内饰的最小距离。同时需要满足侧气囊的爆破距离。具体如下图9：
图9 侧气囊对整车宽度的影响
参考已有车型内饰，同时外部造型弧面需求及参考现有车型钣金厚度就可以确定整车宽度。
3、结论
一个新车型的开发，整车外形尺寸的确定对于车型开发成功与否具有一定的重要性。参考市场上成熟同平台车型尺寸有一定的参考意义。针对不同配置及不同设计状态，人机工程校核对于整车外形尺寸起到了决定性的作用。
参考文献
[1] Society of Automotive Engineers.SAE 1052-2002.Motor Vehicle
Driver and Passenger Head Position[S].SAE PUBLICA TIONS, 2002.8.
[2] 周一鸣，毛恩荣.车辆人机工程学.北京：理工大学出版社,1999.
[3] 李佳洁．基于人机工程学的汽车车身内部布置方法研究[D]．长
春：吉林大学汽车工程学院,2007.
[4] 施卢丹，黄正军，徐建军.基于CA TIA知识工程的头部包络模板建
立研究.金华职业技术学院学报.