基于中国人体尺寸的驾驶员驾姿舒适性分析

霍灿坚，华 波，曹 勇，王景兴

（广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广东 广州 511434）

驾驶员在驾驶汽车时，座椅、方向盘和踏板这三个系统贯穿整个驾车的过程，因此，这三者的相对位置是否合适直接影响驾驶员驾车的舒适性和驾驶乐趣。目前主机厂对三者位置的匹配多基于美国汽车工程师学会（Society of Automotive Engineers, SAE）标准或设计经验，研究手段多为仿真、试验加主观评价[1-6]，并未形成基于中国驾驶员身体尺寸和驾驶习惯的驾驶模型，导致部分中国驾驶员调整不到最合适的驾乘坐姿。本文利用人机台架，通过纪录驾驶员在最舒适驾车状态时，油门踏板、方向盘和座椅三者的位置参数，然后对参数进行分析并定义推荐的舒适性范围值，建立舒适的驾驶姿态模型。

1 研究对象

1.1 研究对象

本文主要分析中国驾驶员在驾驶车辆时油门踏板、方向盘和座椅三者的位置关系，为了简化模型，将三者的关系通过L6、H17、L53-1、H30-1四个参数进行分析（如图1所示）。其中，L6为方向盘中心点到踏点的水平距离；H17为方向盘中心点到踵点的垂直距离；L53-1为踵点到H点的水平距离；H30-1为驾驶员座椅高度。

图1 驾乘坐姿模型

1.2 座椅高度H30-1选择

本文研究的座椅高度（H30-1）的大小选择在190 mm～390 mm，测试时座椅高度按照（200±10）mm、（220±10）mm、（240±10）mm、（260±10）mm、（280±10）mm、（300±10）mm、（320±10）mm、（340±10）mm、（360±10）mm、（380±10）mm这10组参数测试，可涵盖Sedan、运动型多用途汽车（Sport/Suburban Utility Vehicle,SUV）、多用途汽车（Multi-Purpose Vehicles, MPV）的座椅高度设计需求。

2 客观测量

柔性人机台架，如图2所示，是一个能模拟各种车型（Sedan、SUV、MPV）坐姿的人机台架，台架通过电控模块控制各个系统的调整，调节精度为1 mm，并能显示系统的调整量。只要设定好基准坐姿，并能记录测试人员调整到舒适坐姿的参数，步骤如下：

（1）按照1.2定义好的座椅高度设定台架座椅、踏板和方向盘的位置，并记录这三个零件的位置参数作为基准；

（2）测试人员进入台架，模拟开车时的姿态，通过调节方向盘的位置，座椅的前后位置和上下位置（上下调整量为±10 mm），得到一个舒适的坐姿；

（3）记录调整后的方向盘和座椅在X和Z方向的位置参数（L53-1、L6、H17和H30-1）的调整量。

以上述3个步骤为一组测量数据，通过更换不同的测试人员或座椅高度，可纪录不同驾驶员在不同座椅高度的坐姿数据。

图2 柔性人机台架

3 数据分析

3.1 试验样本数据分析

试验人员来自全国6大区（东北华北区、中西部区、长江中游区、长江下游区、两广福建区、云贵川区），年龄涵盖18岁～60岁，身高涵盖1.5 m～1.85 m。

本文主要研究1.65 m～1.69 m成年人身高人群的坐姿舒适性，一共采集到有效样本1 032份。其中男性616份，女性416份，样本摘录如表1所示。

表1 测试采集样本（摘录） 单位：mm

表1 （续）

男性样本参数均值、标准差如表2所示。

表2 男性样本参数分析（样本数：616） 单位：mm

女性样本参数均值、标准差如表3所示。男女性样本参数均值、标准差如表4所示。

表3 女性样本参数分（样本数：416） 单位：mm

表4 男女性样本参数分（样本数：1032） 单位：mm

男性坐姿参数L53-1、L6、H17与H30-1的相关性如表5所示。

表5 男性样本参数相关性

女性坐姿参数L53-1、L6、H17与H30-1的相关性如表6所示。

表6 女性样本参数相关性

男女性坐姿参数L53-1、L6、H17与H30-1的相关性如表7所示。

表7 男女性样本参数相关性

由上述表格可知，驾驶员的坐姿H30-1与L53-1、L6、H17的相关性高，可进行下一步的模型分析。

3.2 驾驶员舒适性坐姿模型建立

基于3.1的数据分析结果，进行驾驶员坐姿舒适性模型建立的可行性分析。

3.2.1 男性驾驶员舒适性模型建立

616份男性样本数据做以下分析处理：

（1）男性的L53-1与H30-1、L6与H30-1、H17与H30-1的关系，如图3、图4、图5散点与趋势线（虚线）所示。

（2）男性的L53-1与H30-1、L6与H30-1、H17与H30-1的趋势关系，如式（1）—式（3）所示。

图3 L53-1与H30-1的关系图

图4 L6与H 30-1的关系图

图5 H17与H 30-1的关系图

（3）男性的L53-1与H30-1、L6与H30-1、H17与H30-1的趋势线R2值如表8所示。

表8 男性样本趋势线R 2

由表8的R2值可知，H30-1与L53-1、L6、H17的回归方程具有一定的拟合度，但不十分高。但可通过车辆的座椅、方向盘的调节行程来提高回归方程的覆盖范围，采用表2中L53-1、L6、H17的标准差分别作为座椅的前后调节行程、方向盘的前后和上下调节行程，此时可覆盖绝大部分男性人群的舒适性使用范围，如图3、图4、图5中的点实线所示。

3.2.2 女性驾驶员舒适性模型建立

416份女性样本数据做以下分析处理：

（1）女性的L53-1与H30-1、L6与H30-1、H17与H30-1的关系，如图6、图7、图8散点与趋势线（虚线）所示。

图6 L53-1与H 30-1的关系图

图7 L6与H 30-1的关系图

图8 H17与H 30-1的关系图

（2）女性的L53-1与H30-1、L6与H30-1、H17与H30-1的趋势关系，如式（4）、式（5）、式（6）所示。

（3）女性的L53-1与H30-1、L6与H30-1、H17与H30-1的趋势线R2值如表9所示。

表9 女性样本趋势线R 2

由表9的R2值可知，H30-1与L53-1、L6、H17的回归方程具有一定的拟合度，但不十分高。但可通过车辆的座椅、方向盘的调节行程来提高回归方程的覆盖范围，采用表3中L53-1、L6、H17的标准差分别作为座椅的前后调节行程、方向盘的前后和上下调节行程，此时可覆盖绝大部分女性人群的舒适性使用范围，如图6、图7、图8中的点实线所示。

3.2.3 男女性驾驶员舒适性模型建立

1 032份男女性样本数据做以下分析处理：

（1）男女性的L53-1与H30-1、L6与H30-1、H17与H30-1的关系，如图9—图11散点与趋势线（虚线）所示。

图9 L53-1与H 30-1的关系图

（2）男女性的L53-1与H30-1、L6与H30-1、H17与H30-1的趋势关系，如式（7）—式（9）所示。

图10 L6与H 30-1的关系图

图11 H 17与H 30-1的关系图

（3）男女性的L53-1与H30-1、L6与H30-1、H17与H30-1的趋势线R2值如表10所示。

表10 男女性样本趋势线R 2

由表10的R2值可知，H30-1与L53-1、L6、H17的回归方程具有一定的拟合度，但不十分高。但可通过车辆的座椅、方向盘的调节行程来提高回归方程的覆盖范围，采用表4中L53-1、L6、H17的标准差分别作为座椅的前后调节行程、方向盘的前后和上下调节行程，此时可覆盖绝大部分人群的舒适性使用范围，如图9—图11中的点实线所示。

3.3 市场上车型的管柱调节和驾驶员座椅行程调查

测量市场上58款车型（涵盖Sedan、SUV、MPV，及美系、德系、日系、国产等车型），管柱调节行程如图12、图13所示。

图12 管柱上下调节角度

图13 管柱轴向调节行程

管柱行程参数分析如表11所示。

表11 管柱调节参数分析

以某款车型的管柱为例，该管柱的上下角度调节总行程为5°，转化成上下调节的距离为63 mm，如图14所示。

图14 某款管柱上下调节行程

若上下调节总角度改为4.64°，则上下调节距离为60 mm。因此，表11的管柱参数分析表可调整为表12。

表12 管柱调节参数分析（调整）

测量市场上58款车型（涵盖Sedan、SUV、MPV），驾驶员座椅水平调节行程如图15所示。

座椅调节行程参数分析如表13所示。

表13 驾驶员座椅水平调节参数分析

市场上车型的驾驶员座椅和管柱的调节行程与L53-1、L6和H17的标准差相当，配合3.2节的坐姿模型，可弥补H30-1与L53-1、L6、H17的回归方程拟合度不十分高的不足，满足此身高段的人群驾车舒适性的要求。

图15 驾驶员座椅水平调节行程

3.4 与SAE座椅舒适性参数对比

参考SAE的人体尺寸标准[7]，本文的驾驶员舒适性模型与SAE驾驶员座椅位置选择[4]中的50%的H点位置-座椅高度曲线做对比，SAE的L53-1与H30-1 的关系如式（10）所示。

式中，203为BOF（踏点）点与AHP（踵点）点的水平距离[9]；A47（SPA）为踏板角，大小的计算参考SAE标准[10]。

中国与SAE的L53-1的对比如表14和图16所示。

表14 L53-1值中国与SAE对比 单位：mm

注：L53-1大小差异是指SAE与中国对应类别驾驶员之间的差值。

图16 中国与SAE座椅位置曲线对比

由表14和图16可知，中国驾驶员的H点曲 线（座椅舒适性位置曲线）均比SAE的靠前，特别是女性在低座椅高度。主要原因：（1）人体尺寸[7-8]的差异，如表15所示，中国人体的会阴高度比SAE的小约30 mm；（2）驾驶习惯，美国的驾驶员在开车时习惯将座椅靠后调整。

表15 人体尺寸对比

4 结论

综上，油门踏板、座椅和方向盘为驾驶员坐姿模型里面的主要组成部分，三者的布置关系直接影响驾驶员的驾驶舒适性。为保证并提升（1.65±0.1）m身高段的成年驾驶员驾驶舒适性，给出了座椅高度（H30-1）的大小在190 mm～390 mm范围内对应的L6、H17、L53-1参数值。

（1）男性驾驶员，如表16所示。

表16 男性驾驶员坐姿参数 单位：mm

驾驶员座椅和方向盘调节行程设计范围：座椅水平调节行程：±42 mm；方向盘上下调节行程：±41 mm；方向盘轴向调节行程：±31 mm。

（2）女性驾驶员，如表17所示。

驾驶员座椅和方向盘调节行程设计范围：座椅水平调节行程：±38 mm；方向盘上下调节行程：±36 mm；方向盘轴向调节行程：±29 mm。

表17 女性驾驶员坐姿参数 单位：mm

（3）男女性驾驶员，如表18所示。

表18 男女性驾驶员坐姿参数 单位：mm

驾驶员座椅和方向盘调节行程设计范围：座椅水平调节行程：±40 mm；方向盘上下调节行程：±41 mm；方向盘轴向调节行程：±30 mm。

此坐姿模型对于此身高段的驾驶员的驾乘舒适性设计有一定的指导意义。