張仕亮　袁鵬文　李宏洋　顧全

摘 要：為了使駕駛員座椅位置更加符合目標(biāo)人體，本文提出一種方法，該方法依據(jù)目標(biāo)人體的關(guān)節(jié)尺寸，制定相應(yīng)的舒適坐姿，確定專屬H點(diǎn)，從而確定符合目標(biāo)人體的座椅位置。依據(jù)定制化的駕駛員H點(diǎn)位置，可以有效的評(píng)估目標(biāo)人體的人機(jī)性能，進(jìn)而合理的設(shè)計(jì)車身結(jié)構(gòu)以及車內(nèi)空間布局。

關(guān)鍵詞：H點(diǎn) 百分位 人體 舒適坐姿

1 引言

當(dāng)今，乘用車行業(yè)基本采用美國(guó)SAE體系中95百分位的人體進(jìn)行駕駛員的H點(diǎn)（同座椅參考點(diǎn)SgRP： Sitting reference point）布置，并根據(jù)H點(diǎn)位置確定座椅設(shè)計(jì)位置。大多數(shù)駕駛員座椅前后調(diào)節(jié)范圍在220mm-240mm，覆蓋SAE2.5-SAE97.5的人群。原則上，通過上述方法設(shè)定的座椅位置及調(diào)節(jié)范圍，符合SAE體系所統(tǒng)計(jì)的人群，即符合美國(guó)人體的使用需求。

我們知道，H點(diǎn)設(shè)定主要與腿長(zhǎng)有關(guān)，而不同的地域的人群樣本，所統(tǒng)計(jì)的尺寸是不同的。以美國(guó)和中國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，如下表1。

中國(guó)人體尺寸與SAE體系所描述人體尺寸存在明顯差異，中國(guó)95百分位的人體腿長(zhǎng)尺寸與美國(guó)50百分位相當(dāng)，中國(guó)男性50百分位的人體尺寸與美國(guó)10百分位相當(dāng)。故依據(jù)SAE方法所設(shè)定的H點(diǎn)不能與中國(guó)人體相匹配。且其他國(guó)家的人體與中國(guó)的人體又不同。說明，完全按照SAE體系設(shè)定H點(diǎn)是有局限性的。

本文將提出一種方法，定義任意身高（主要指腿長(zhǎng)）的人體的舒適坐姿，從而定義出任意人體的專屬H點(diǎn)，進(jìn)而設(shè)定專屬的座椅位置和調(diào)節(jié)范圍。

2 SAE體系人體的布置

2.1 SAE各百分位人體的布置方法

《SAE J826》定義了95、50、10三種百分位的人體模板的腿長(zhǎng)尺寸，《SAE J1517》定義了H點(diǎn)舒適性曲線函數(shù)式，《SAE J4004》定義了SAE95百分位鞋面角SPA（shoe plan angle）的函數(shù)式， 上述函數(shù)式均是基于坐高H30的函數(shù)。

人體布置方法概述：選擇相應(yīng)百分位的人體，腳踝角設(shè)定87°，定義坐高H30，則H點(diǎn)（同SgRP）落于對(duì)應(yīng)的舒適曲線上。圖1為SAE95人體的人體坐姿。

依據(jù)表1，同理可布置SAE50及SAE10的坐姿，可測(cè)得相應(yīng)的SPA值，并擬合出相應(yīng)的關(guān)于坐高H30的函數(shù)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 SAE各百分位人體坐姿的規(guī)律

通過圖2分析，SAE各百分位人體布置體現(xiàn)如下規(guī)律：

a.單一人體，不同坐高條件下，SPA隨著坐高的增大而減小。

b.不同人體，相同坐高條件下，SPA隨著腿長(zhǎng)的減小而減小。

3 任意人體的布置

3.1 任意人體SPA的計(jì)算

對(duì)于SAE各百分位人體坐姿的規(guī)律，能否將其量化呢？答案是肯定的。因坐姿僅僅和人體的腿長(zhǎng)和坐高有關(guān)系，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律。

（4）

在相同坐高下，不同百文位之間的人體，腿長(zhǎng)的差值與SPA的差值的比值近似相等，見表2。

K的均值與SAE95-SAE10的比值K十分接近。為方便計(jì)算，我們直接采用SAE95和SAE10的相關(guān)參數(shù)，得到如下近似比例等式：

（5）

其中，

X為目標(biāo)人體，已知其腿長(zhǎng)參數(shù)；

△L（SAE95-SAE10）為SAE95與SAE10的腿長(zhǎng)差值，已知114.7mm；

△SPA（SAE95-SAE10）根據(jù)公式（1）（3）可計(jì)算；

△L（SAE95-X）為SAE95與目標(biāo)人體的腿長(zhǎng)差值，已知；

△SPA（SAE95-X） 為SAE95與目標(biāo)人體的SPA差值；

以上，未知數(shù)僅為△SPA（SAE95-X）。

SPAX = SPA（SAE95） - △SPA（SAE95-X） （6）

為了簡(jiǎn)化公式，將△SPA（SAE95-SAE10）也擬合成坐高H30的函數(shù)。如下

△SPA（SAE95-SAE10）=2.364*10-7*（H30）3

-1.577*10-4（H30）2+2.092*10-2*（H30）+10.165 （7）

那么，任意人體的SPA計(jì)算公式為：

SPAX=SPA（SAE95）-△L（SAE95-X）*[2.364*10-7*（H30）3-1.577*10-4（H30）2

+2.092*10-2*（H30）+10.165]/114.7 （8）

3.2 任意人體布置方法

當(dāng)已知目標(biāo)人體的尺寸信息后，坐高H30確定后，即可計(jì)算出該人體的SPA值。為方便布置，腳部模型采取與SAE標(biāo)準(zhǔn)中的尺寸一致。如圖3。

當(dāng)坐高H30和SPAX確定后，目標(biāo)人體的坐姿是唯一的，將該坐姿的人體布置到整車坐標(biāo)系中，即可得到整車坐標(biāo)系中的H點(diǎn)位置。

3.3 非作圖環(huán)境的H點(diǎn)評(píng)估

SAE體系中的舒適性曲線函數(shù)，描述的是H點(diǎn)與BOFRP點(diǎn)在X方向上的距離。任意人體的H點(diǎn)與BOFRP點(diǎn)的X方向距離，可由三角函數(shù)導(dǎo)出。其中，踝點(diǎn)和踵點(diǎn)的距離可測(cè)，為134.2mm，小腿線與踝踵連線的角度可測(cè)，為152.374°，踝踵線與鞋底邊線的角度可測(cè)，為52.874°。如圖4。

其中，

M為目標(biāo)人體的大腿長(zhǎng)度；

N為目標(biāo)人體的小腿長(zhǎng)度；

SPAX為目標(biāo)人體的SPA角，可由公式（8）求出。

通過三角函數(shù)的推導(dǎo)，可分別求出A、B、C、D的長(zhǎng)度（推導(dǎo)過程略），其和為H點(diǎn)與BOFRP的X向距離。其表達(dá)式為：

WX=A+B+C+D

=203*cos（SPAX）+134.2*cos（127.126°-SPAX）+N*cos（99.5°-SPAX）+

（9）

通過公式（8）和公式（9），在非作圖環(huán)境下，即可評(píng)估目標(biāo)人體的H點(diǎn)位置。

4 驗(yàn)證

4.1 SAE體系內(nèi)部驗(yàn)證

采用公式（8）計(jì)算并布置SAE50百分位的人體，表3所示。SPA偏差值在-0.3°以內(nèi)，W偏差-2mm以內(nèi)，計(jì)算值與理論值非常接近。

4.2 SAE體系外部驗(yàn)證

驗(yàn)證a：采用公式⑻計(jì)算并布置中國(guó)男50百分位的人體，表4所示。因中國(guó)男子50百分位的人體腿長(zhǎng)與SAE10百分位的人體腿長(zhǎng)非常接近，長(zhǎng)度僅增加0.6mm，所以SPA和W計(jì)算值也非常接近，隨腿長(zhǎng)的增加有相應(yīng)的正增量。

驗(yàn)證b：采用公式⑻計(jì)算并布置中國(guó)男95的人體，表5所示。因中國(guó)男子95百分位的人體腿長(zhǎng)較SAE50百分位的人體腿長(zhǎng)接近，長(zhǎng)度僅增加9mm，所以SPA和W計(jì)算值也非常接近，隨腿長(zhǎng)的增加有相應(yīng)的正增量。

4.3 實(shí)物驗(yàn)證

車型：本田奧德賽2015款（中國(guó)市場(chǎng)）

我們?cè)谀嫦蛱幚碓撥囆蜁r(shí)，發(fā)現(xiàn)其座椅調(diào)節(jié)軌跡線范圍不能覆蓋SAE95百分位的H點(diǎn)（舒適線），但經(jīng)計(jì)算其滿足中國(guó)95百分位男性，最小可滿足中國(guó)5百分位女性。見圖5。市場(chǎng)上并無反饋該車型有座椅調(diào)節(jié)行程不足的問題，故證明公式⑻和⑼的計(jì)算結(jié)果是合理的。

通過以上驗(yàn)證，從變化趨勢(shì)和變化增量分析，都符合邏輯規(guī)律和實(shí)際情況。故，認(rèn)為采用公式（8）所計(jì)算的SPA和W值是可信的。

5 結(jié)語

SAE體系中各百分位人體的舒適坐姿函數(shù)和布置方法，是統(tǒng)計(jì)學(xué)的成果，是經(jīng)過一定的人體樣本量和長(zhǎng)時(shí)間的理論推導(dǎo)完成。對(duì)于SAE體系之外的人體，暫無相應(yīng)的指導(dǎo)性文件予以應(yīng)用，且短時(shí)期內(nèi)難以完成相關(guān)的統(tǒng)計(jì)研究工作。

本文的主要研究成果是發(fā)現(xiàn)了SPA與腿長(zhǎng)的關(guān)系并將其量化，轉(zhuǎn)化成一種人體布置的方法。該方法，僅需求腿長(zhǎng)的尺寸就可以設(shè)計(jì)專屬舒適坐姿和專屬H點(diǎn)。其方法簡(jiǎn)便，結(jié)果偏差可控，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。例如針對(duì)中國(guó)女性客戶人群的微型乘用車，就可以采用本方法，制定專屬的H點(diǎn)，從而可根據(jù)實(shí)際需求評(píng)估人機(jī)性能，進(jìn)而合理的設(shè)計(jì)車身結(jié)構(gòu)以及車內(nèi)空間布局。

參考文獻(xiàn)：

[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 15759.人體模板設(shè)計(jì)和使用要求，1995.