基于人机工程学的轿车驾驶室设计【含CAD图纸、说明书】
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摘要目 录摘 要IIIAbstractIV第一章 绪论11.1引言11.2 国内外发展历程11.3 论文研究的内容和目的2第二章 人体特性的研究32.1 人体特征参数32.1.1 人体主要尺寸32.1.2 坐姿人体尺寸42.1.3 人体水平尺寸52.2 人的视觉响应特性62.3 人体模板应用62.4 本章小结8第三章 汽车座椅分析与设计93.1 座椅的人机工程分析93.1.2人体坐姿的体压分布103.1.3 座椅振动113.2 座椅的人机工程学要求113.3 理想座椅的设计分析123.4 轿车座椅座宽、座深以及座面倾角的设计143.5 本章小结14第四章 操纵装置的分析与布置设计164.1 驾驶员的手伸及界面164.2 方向盘的设计分析174.3 变速杆的设计分析184.4 脚踏板的设计分析194.5 本章小结20第五章 视野的分析与布置设计215.1 驾驶员的视觉特性215.2 驾驶员的眼椭圆215.3 轿车驾驶视野的设计225.3.1 直接视野225.3.2 后方视野245.3.3 侧方视野255.4 前风窗和仪表盘的布置设计255.5 本章小结25第六章 显示装置的分析与布置设计266.1 仪表盘的人机工程学原则266.2 仪表显示器的设计266.2.1 仪表盘的布置266.2.2 刻度盘的外形276.2.3 刻度盘的字符和颜色276.3 本章小结29第七章 结论31参考文献33致谢34基于人机工程学的轿车驾驶室设计摘 要本文以人机工程学的原理为基础，对人体尺寸特性、人体视觉特性进行了研究，为座椅设计提供科学依据。计算了驾驶员座椅的H点位置，确定了座椅调节行程，对座宽、座深以及座面倾角进行了设计。由H点踵点的位置确定了手伸及界面，对方向盘、操纵杆以及脚踏板进行了相关设计。分析人眼的视觉特性，介绍了眼椭圆的相关特点，对轿车驾驶视野进行设计。依据人机工程学原则对仪表盘的形状、大小、布置位置、字符样式以及仪表盘颜色进行了相关设计。总结以往设计经验，充分考虑人的因素，使驾驶室更加安全、舒适，满足用户的需求，使轿车驾驶室人机环境系统的性能达到最优。关键词：驾驶室；人机工程学；仪器；设计34目录Car cab design based on ErgonomicsAbstractBased on the principle of ergonomics, this paper studies the characteristics of human body and visual characteristics of human body, and provides scientific basis for seat design. The H point of the seat is calculated, and the width of the seat, the depth of the seat and the inclination of the seat surface are designed. The opponents interface, steering wheel, joystick and pedals are designed. This paper analyzes the visual characteristics of the human eye, introduces the characteristics of the eye ellipse, and designs the driving vision of the car. According to the principle of ergonomics, the shape, size, layout position, character style and color of dashboard of the dashboard are designed. To sum up the previous design experience and fully consider the human factors, the cab is more safe and comfortable, meets the needs of the user, and makes the performance of the car cab man - machine - environment system achieve the best.Key words: drivers cabin；human engineering；instrument；design绪论第一章 绪论1.1 引言在轿车的设计中，驾驶室的设计起着非常重要的作用。驾驶室的设计直接影响驾驶者的驾驶安全性、驾驶效率、舒适性和健康。传统的设计方法主要是基于经验设计，随着人机工程学和计算机技术的不断发展，这为使用人机工程学和计算机手段的驾驶室设计提供了条件，因为这使设计人员可以程序化的进行设计，因此设计时间变短了。更加重要的是，它可以依据我国人体尺寸的大小进行相关设计，这样可以保证设计更合理。随着当今科学技术的发展，汽车不再仅仅作为代步工具。人们对汽车性能的要求随着科技的发展也变得越来越高。其中，人们特别关系轿车的舒适性和安全性这两个特性，但是这两个特性与人体结构有着很大的关系。因此，在国内外，以人机工程学为原则的汽车设计越来越受到人们的重视。本文将探讨人机工程学在汽车驾驶室设计中的作用。人机环境系统设计的目的是创造出最优的人机关系、最佳的整体系统工作效率和最舒适的工作环境。在系统的设计中，人和机器因其不同的特点而有其自身的长处和局限性。因此，要充分发挥每一部分的长处，对人与汽车的功能进行合理的分配，相互配合，确保系统的整体工作效率最佳。在人-车-环境系统中，人与车是此系统的最重要的部分。人机交互的过程是利用人机界面上的显示器和控制器实现人与机器之间的信息交换过程。在设计和开发任何产品时，存在人机界面设计的问题。此外，随着信息技术的发展，使用该系统的人将会面对传递速度快捷并且复杂的信息，这就需要操作者在操作时快速准确。同时，随着计算机技术的日新月异，人机界面开始从硬件接口过渡到软件界面，这是人机交互的新阶段。研究人机界面的组成并且对其进行优化，该产品的质量以及功能等方面就会较之前有些许提升，并且它的技术含量与附加值也会提升【1】。1.2 国内外发展历程人机工程学起源于欧美。在工业革命中，机器第一次开始被广泛使用。为了在人与机械之间寻求契合，因此而诞生了人机工程学。特别是在第二次世界大战中，人机工程学的原理与方法被应用于广泛运用于坦克和飞机的内部舱室设计，使人们能够更有效地在舱中工作与战斗。20世纪60年代后，欧洲和美国进入了大规模的经济发展时期。尤其是第三次工业革命，伴随着原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的飞速发展。同时，由于控制论、信息论、系统论、人学等新理论的建立，新的理论、方法被注入到人类工程学中。在中国，人机工程学的研究始于上世纪三十年代，但研究范围小，深度浅，系统深入的发展则是在文革后。1980年4月，国家标准局成立了国家工效标准化委员会，统一规划、研究和审议人类工效学国家标准。1984，国防科学技术委员会成立了国家军用人机环境系统工程标准化技术委员会。人机工程技术是二十一世纪信息领域需要解决的一个重要问题。美国二十一世纪信息技术计划的基本研究内容包括软件、人机交互、网络和高性能计算机4个方面。其中，人机建模的研究被列为信息技术的六大关键技术之一，它与软件和计算机技术并列。“国防关键技术计划”不仅把人机交互列为软件技术发展的重要内容之一，同时还加入了人机界面这个内容。与此同时日本提出了FPIEND21计划（future Personalized Information Environment Development），目的是在21世纪发展个性化信息环境。1.3论文研究的内容和目的本文运用人机工程学的基本原理和理论，对轿车驾驶室设计进行了全面分析。主要研究人-汽车-环境系统中的三要素之间的相互作用和相互关系。该论文的主要内容包括：1. 人体特性的研究，包括人体形态特征参数、人的视觉响应特征以及人体模板。人体舒适坐姿和舒适操纵姿势分析2. 汽车座椅的设计分析，包括座椅的人机工程分析、座椅的人机工程学要求、理想座椅的设计分析和靠背的设计分析。3. 操纵装置设计分析，包括方向盘的设计分析、变速杆、其它手控装置和脚踏板的设计分析。4. 视野设计分析，包括驾驶员的视觉生理特性、驾驶员眼椭圆和驾驶视野的分析。5. 显示装置设计分析，包括仪表显示器的人机工程学原则和仪表显示器的设计。6. 汽车内部空间设计，包括车身侧围、膝部空间、空气环境和车内噪音。本论文研究的目的：通过对人体测量数据、人的视觉特性的研究，合理地进行汽车座椅、操纵装置、显示装置、驾驶视野以及内部空间的设计；减轻驾驶员操作的疲劳性，提高汽车的主动安全性，使驾驶员操作更加方便、舒适、安全。人体特性的研究第二章 人体特性的研究人-机-环境系统优化是基于人的生理特性、心理特性以及人的能力限度。人体特征研究包括：人的形态特征、感知特征、反映特征、工作生活中的心理特征等。本研究的目的是进行基于人机工程学的轿车驾驶室内部装置的设计，以使其满足驾驶员的生理特征和心理特征，为驾驶员创造高效、安全、健康、舒适的驾驶条件。2.1 人体特征参数人体尺寸是轿车驾驶室工程学研究的基本内容。人体大小百分位数是人体尺寸量化过程中产生的一个概念。在一组中，人体的大小不是定值，而是分布在一定范围内。在设计组件时，我们可以根据百分位数原理准确地选择某一人群的数据。人体百分位数表示人体某一基本数据的适用对象的比值，即人体尺寸数据的正态分布概率。国标 GB10000-88中国成年人人体尺寸提供了我国成年人人体尺寸的基础数据，为我国人机系统设计提供了依据。2.1.1 人体主要尺寸国标 GB 10000-88 给出身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长、眼高【2】。 图2.1 立姿人体尺寸 表2.1 立姿人体尺寸 年龄分组 百分位数测量项目男（1860岁）女（1855岁）5 50 955 50 951.1 身高1583 1678 17751484 1570 16591.2 体重，kg48 59 7542 52 661.3 上臂长289 313 338262 284 3021.4 前臂长216 237 258193 213 2341.5 大腿长428 465 505402 438 4761.6 小腿长338 369 403313 344 3751.7 眼高1474 1568 16641371 1454 15412.1.2坐姿人体尺寸 图2.2 坐姿人体尺寸国标中的成年人坐姿人体尺寸包括：坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、坐姿下肢长，坐姿尺寸见图 2.2，表 2-3 为我国成年人坐姿人体尺寸。 表2-2 坐姿人体尺寸 年龄分组 百分位数测量项目男（1860岁）女（1855岁）5 50 955 50 953.1 坐高858 908 958809 855 9013.2 坐姿颈椎点高615 657 701579 617 6573.3 坐姿眼高749 798 847695 739 7833.4 坐姿肩高557 598 641518 556 5943.5 坐姿肘高228 263 298215 251 2843.6 坐姿大腿厚112 130 151113 130 1513.7 坐姿膝高456 493 532424 458 4933.8 坐姿下肢长921 992 1063851 912 9752.1.3人体水平尺寸 图2.3 人体水平尺寸国标中提供的人体水平尺寸包括：臀宽、坐姿臀宽、臀围，其部位如图 2.3 所示，我国成年人人体水平尺寸见表 2-4。 表2-3 人体水平尺寸 年龄分组 百分位数测量项目男（1860岁）女（1855岁）5 50 955 50 954.1 臀宽282 306 334290 317 3464.2 坐姿臀宽295 321 355310 344 3824.3 臀围805 875 970824 900 10002.2人的视觉响应特性在轿车驾驶室内，驾驶员与机器的互动是通过界面进行的，人体的感觉器官通过界面接收机器传递过来的信息，并将其传递至大脑皮层。大脑皮层处理信息并使运动器官做出反应，从而使驾驶员对装置进行相关操作。所以说，人眼的视觉特性在人车系统中起着主导性的作用。视角是指视线与显示器等的垂直方向所成的角度，观察物体时，从物体两端（上、下或左、右）引出的光线在人眼光心处所成的夹角。物体的尺寸越小，离观察者越远，则视角越小3。正常眼能区分物体上的两个点的最小视角约为1分。视度即指人的肉眼可视角度的度数。人类通常是120度，当集中注意力时约为五分之一，即25度。人单眼的水平视角最大可达156度，双眼的水平视角最大可达188度。人两眼重合视域为124度，单眼舒适视域为60度。视力是指视网膜分辨影像的能力，规定当临界视角为 l时，视力等于 1.0，为正常视力。人眼的视觉运动规律如下：1、人眼视线通常是从左往右、从上往下并沿顺时针方向转动。2、人眼做水平运动比作垂直运动时的速度要快并且做垂直运动时眼睛更容易疲劳。3、人眼更容易判别和估计水平方向上物体的尺寸。4、比起曲线轮廓，人眼更易接受直线轮廓。2.3人体模板应用基于人体参数的人体模型是研究、设计、评价和测试人机系统的重要辅助工具。在设计汽车驾驶室时，系统的许多参数取决于人体参数和人体坐姿或舒适坐姿的要求。由于相关尺寸的复杂性， “人”与“机”的位置严格要求。在轿车驾驶室内部设计中，应选择一个合适的百分位人体模型，并计算出H点和座椅的可调节范围。坐姿人体模板可用于坐姿、工作面、支撑面、调节部件配置的人体工程学分析与设计。GB/T 14779-93 标准规定了不同身高的成年人坐姿模板功能设计的基本条件、功能尺寸、关节功能活动角度、设计图和使用条件。图 2.4是人体模板的侧视图，图5是侧视展开示意图。 图2.4 坐姿人体模板侧视图 图2.5 模板关节位置由侧视图展开成俯视、正视示意图在设计车辆、飞机、船舶及其他运输设备时，驾驶室的内部设计也取决于人体尺寸以及相关特性。因为人体尺寸复杂繁多，在不同姿势下的尺寸各不相同，因此要严格规定人与机器的相关位置。为了使驾驶室更好的满足人体的生理要求，应该使用人体模板来对驾驶室的大小、座椅、方向盘、操纵装置和仪表盘等进行校核，使其符合合人体尺寸和特定姿势的要求。 图2.6 三维人体模型2.4 本章小结本章对人体尺寸特性、人体视觉特性以及人体模版的应用范围进行了研究，确定了成年男子和女子的坐姿、立姿以及人体水平尺寸，为下文进行座椅设计提供科学依据。汽车座椅分析与设计第三章 汽车座椅分析与设计驾驶员的驾驶姿势直接影响着驾驶员的舒适与健康，关系到驾驶员能否安全、高效、准确地驾驶。与此同时，驾驶姿势也决定了驾驶时舒适度，以及在驾驶过程中是否会对驾驶员的生理和心理造成伤害。驾驶疲劳是发生交通事故的主要原因之一。在导致驾驶疲劳的诸多因素中，座椅舒适性是不可忽视的重要组成部分。轿车驾驶座椅的设计直接决定了驾驶员驾驶时的舒适性。同时，设计时也要考虑到汽车座椅的尺寸和空间位置。3.1 座椅的人机工程分析在坐姿状态下，主要是脚、腿部、骨盆和脊柱对人体进行支撑，人体最舒适的坐姿是臀部离开靠背略微向前移动，使上身略向后倾斜，大腿与小腿之间呈95至120度4。如图3.1所示，否则它会引起不适，如腰酸背痛、疲劳等。图3.2所示为脊柱的形状和组成。如图3.1所示，否则它会引起不适，如腰酸背痛、疲劳等。图3.2所示为脊柱的形状和组成。 图3.1 驾驶员身体关节舒适角 图3.2 脊柱的形状和组成3.1.2 人体坐姿的体压分布当身体处于稳定姿势时，身体压力在背部和坐垫上的分布称为坐姿的身体压力分布。由人体工程学知识可知，舒适的坐姿应该满足：大部分的体重应合理分配到坐垫和靠背上，压力分布应过渡平稳，避免突然变化。图 3.3 所示为座椅各部位的受力图。由图可见，人体作用在座椅上的压力并非均布，因此，人体的体压应该根据各部位在舒适坐姿下所能承受压力的大小进行合理分布。坐垫上的体压分布应使坐骨部分承受的压力最高，由坐骨周围扩展到臀部外围，压力逐渐降低，直到与坐垫前缘接触的大腿下平面趋于最低值靠背上的压力分布则应以肩胛骨和腰椎骨两个部位的压力最高。这就是靠背设计中所强调的“两点支承”。 图3.3 座椅各部位的受力图“舒适性”是驾驶室设计的一个重要准则，所以图3.1所示驾驶员的坐姿轻松范围是驾驶室设计的重要依据。但是，通常来说在使用过程中，座椅位置的经验计算公式是从整体考虑选择的，该公式符合人体工程学的要求，而舒适角度是基于人体尺寸特征，因此当两者存在矛盾时，应当在对舒适度影响不大的情况下，尽量满足座椅位置经验公式5。3.1.3 座椅振动座椅的振动会对驾驶员对乘客生理、心理造成严重的影响。表3-1列出了人体主要部分的共振频率5。表3-1 人体各个主要部位的共振频率（Hz）身体部位全身 头部 眼 胸部 肩部 手臂 脊柱 胃共振频率5620302025462610203545人体在振动的环境中会更加容易感到疲劳，特别是当振动的频率位于人体的敏感区域时，这种信号会导致人体大脑皮层细胞兴奋，一段时间后，大脑皮层细胞工作强度会减弱，人体会感到疲劳，工作效率会迅速降低。驾驶座椅的动态舒适性主要与振动特性有关。汽车行驶疲劳的主要影响因素是车辆的随机振动和路面不平顺引起的车辆的机械振动。驾驶员在纵向、横向和垂直方向上受到线性振动，以及绕这3个方向受到角振动。纵、横轴线的垂直振动和角振动对人体有很大的影响。振动通过座椅传递到臀部和背部，引起全身振动。因此，在设计汽车座椅时，应尽量避免人体的敏感振动。3.2 座椅的人机工程学要求驾驶姿势中的人体尺寸的大小是确定座椅几何形状的基准，下面是基于人机工程学的座椅参数选择方法：1.椅面高度：椅子的高度应能够让驾驶员的大腿水平，小腿自然放置，确保驾驶员的腿部不会因为椅面过高而受到压迫，同时不会因为座椅高度过低而增加背部肌肉的负荷。2.座宽：座椅的宽度必须能容纳一个身材粗壮的人。根据女性群体臀宽大小的上限设计座椅宽度，为了使驾驶员能够方便调整坐姿，座椅宽度应大于臀宽。座椅宽度不宜太大，否则肘部必须向两侧延伸，以寻找支撑，这将导致肩膀疲劳。另外座椅宽度受汽车宽度的限制。3.座椅深度：坐垫前端与靠背表面之间的距离，尺寸不宜过大，正确的座椅深度应方便地支撑腰部。4.座椅倾角：座椅表面与水平面之间的夹角。座椅表面后倾有两种功能：一种是使背部受到支撑，可以减少背部肌肉的静压。二是防止乘客从座椅表面滑出，这对于驾驶员在振动和颠簸的环境中是非常重要的。但是，如果座位是过度倾斜的话，因为身体向前弯曲，脊柱将被拉直，这不符合人体正常的腰椎曲线，长期保持这个姿势会对驾驶员身体造成伤害。所以倾角不宜太大，通常为712。垫子的表面应该有一个适合臀部形状的曲面。3.3 理想座椅的设计分析为了确定与人体模型的特定百分比相对应的H点的位置，通常有两种思路：首先，从加速器踏板开始，确定脚跟在地板上的高度，并将脚底放在加速踏板上。在加速器踏板的整个行程中，应该确保腿与脚的夹角在90到110度的范围内变化。再根据不同模型的人体生理结构所确定的关节舒适角范围，确定人体模型的平面布置关系，从而确定人体模型的H点位置。另外一种方法是已经确定车身高，然后身体模型从已知的顶盖的高度开始，留有头部间隙然后从上往下开始布置。这种方法非常适用于车身较矮的小车。然而，在座椅布局过程中，要确保人体模型的最终姿态符合人体舒适的坐姿。考虑到舒适性和安全性，驾驶员座椅位置的计算非常重要。目前，SAEJ1517给出的计算方法是常用的。 X97.5=936.6+0.613879Z-0.00186247Z2 (3-1) X95=913.7+0.672316Z-0.00195530Z2 (3-2) X50=793.7+0.903387Z-0.00225518Z2 (3-3) X5=692.6+0.981427Z-0.00226230Z2 (3-4)Xi第 i 百分位身材驾驶员的 H 点位于足部拇指参考点之后方的水平距离，单位为mm。ZH 点离加速踏板踵点的高度，单位为mm。上述公式反映了驾驶员在以自己喜爱的姿势驾驶汽车时，座椅的水平位置与座椅高度之间的关系。为了满足不同驾驶员的需要，座椅、方向盘和加速踏板通常在驾驶室的设计中被设计成是可调节的。从保证良好的视野性、操作方向盘和加速踏板的方便性出发，分析了几种不同的方案。该分析基于第95百分位男性驾驶员和第5百分位女性驾驶员的身体尺寸。对于汽车座椅的布置，有五种调节方案。1.固定H点：图3.4b是H固定点，也就是说，座椅是不能调整的。第95百分位男性驾驶员的H点和第5百分位女性驾驶员的H点被认为是相互重合的。所以，为了使上述两种身体尺寸的驾驶员都能够进行驾驶操作，加速踏板的纵向调节量为190mm，方向盘的纵向调节量为70mm，方向盘的垂直方向调节量为80mm。即使如此，眼睛的位置将在垂直方向上的位置变化将达到80mm，并且要求加速器踏板能够提供120毫米的调整量，以确保视野和坐姿。2. 固定方向盘抓取点：图3.4C对于不同身高驾驶员都能把握相同的固定点，座椅应具有纵向调节量70mm，垂直方向调节70mm，加速器踏板可提供120毫米的调整，这样可以保证视野和坐姿。3. 固定视点：例如，图3.4d，虽然它可以确保视野的恒定性，但是为了便于操作和坐姿舒适，座椅、方向盘和加速踏板应该被调节至可以满足尺寸的要求。非常不方便制造和使用。目前各部分的调节量如下：座椅：纵向调节量为20mm，垂直方向调节量为120mm；方向盘：纵向调节量为80mm，垂直方向调节量为30mm；加速踏板：纵向调节量为210mm，垂直方向调节量为130mm。 图3.4 五种调节方式4. 分离式固定油门踏板：图3.4A，为了保证坐姿舒适和操作方便，座椅应纵向调节量为80mm水平调节量为10mm。此外，方向盘应在水平方向和垂直方向上进行调节，结果视野的变化量仍然太大。5. 同时固定油门踏板和方向盘，通过座椅调节来保证坐姿姿势、视野性和操作，图3.4e。制造和使用表明，该调整方法最实用、最经济，结构最简单，使用方便。方向盘的角度调整和座椅靠背角度的调整是目前大多数汽车最合理、最广泛采用的方案。本文选用第五种。驾驶员座椅的调节应满足驾驶员的使用原则。一般来说，汽车的应用水平是90%，也就是说，满足第95百分位至第5百分位身材的驾驶员的需求。选取某款轿车，其座椅高度为320mm。 X95=913.7+0.672316Z-0.00195530Z2 (3-5)X5=692.6+0.981427Z-0.00226230Z2 (3-6)将Z=320带入公式（3-5）和（3-6）中得到：X= X95- X5=928.6184-774.9971=153.6213mm依据计算结果和现今座椅设计方式确定本文座椅的水平调节量为200mm。H点到踵点的水平距离XH和垂直距离ZH由如下公式计算： XH=-L1cos+L2cos+L3cos (3-7) ZH=L1sin+L2sin-L3sin (3-8)其中角脚踏板倾角；角小腿与水平面之间的倾角；角大腿与水平面之间的倾角；L1踵点到脚裸点在脚踏面上的投影距离；L2小腿加足高；L3大腿长。由95百分位人体尺寸数据:L1=112mm; L2=448mm; L3=505mm; =75；=40；=11。将这些数据带入公式（3-7）（3-8）中，计算得出踵点距离H点的水平距离为 XH=810mm，垂直距离为ZH=300mm。3.4 轿车座椅座宽、座深以及座面倾角的设计根据人机工程学的知识可知，驾驶室座椅的宽度应满足臀部就坐的要求，以保证驾驶员能自由地调节坐姿。如果座椅宽度太小的话，会使驾驶员感到拥挤，从而对乘员乘坐时的舒适性造成影响。由于驾驶室空间的有限，座椅的宽度也不能太大，以防止会对变速杆和仪表板的尺寸和操作造成影响。因此，根据P95女性就坐时臀围宽度为382mm，加上服装功能修正15mm，座椅宽度应为397mm。现有汽车座椅的座椅尺寸宽度为400mm，稍大于397mm 6。座椅的深度是指座椅表面前后的距离。正确的设计应使臀部受到充分支撑，腰部应靠靠背支撑。座椅的前缘和腿可以自由移动。为了适应广大用户的需要，应根据较小的百分位数的群体设计坐深。这样，身材矮小的人可以感到舒适，而身材高大的人只要小腿能得到稳定的支撑，就不会在大腿上造成压力疲劳。根据P5的女性坐深401mm，再加上装饰的修正量，座椅深度应该为415mm左右7。座椅平面和水平面之间的夹角称为座椅的表面倾角。座椅的向后倾斜可以起到两个作用：一是身体的重力作用，身体躯干向后倾斜，从而使后背依靠座椅靠背，使背部肌肉放松；二是防止乘员乘坐时滑出座椅，这在振动和颠簸的环境中非常重要，汽车座椅的座椅表面角度通常为7至12度。对于汽车驾驶座椅的设计，除了考虑正常的腰部曲线外，还应该考虑驾驶员的乘坐安全性。因此，轿车座椅表面的倾角应略大于一般汽车座椅表面的倾角。通过调查研究发现，轿车座椅表面的角度为十五度，因为这既能保证一定的舒适度，又能避免驾驶员在驾驶过程中滑出座椅的情况发生。3.5 本章小结本章介绍了座椅的人机工程学要求，按照此要求进行座椅的设计，使座椅舒适度满足要求，计算了座椅的H点，对座宽、座深以及座面倾角进行了相关设计。座椅模型如图3.5所示。 图3.5 座椅模型 图3.6 驾驶室布置侧视图操纵装置的分析与布置设计第四章 操纵装置的分析与布置设计操纵装置是一种控制装置，也可以称为调节装置，是指能够将操作者的响应输出转换为机器设备的输入信息，然后控制机器的运行状态的机构。在操纵装置的设计过程中，可以利用人体的形状、尺度、生理特性、运动特性和心理特性，以及人体的体力和能力极限，使设计的操纵装置具有更加适宜驾驶员操作。为操作者提供安全、准确、舒适的操作保障。转向装置和制动装置分别是方向盘和脚踏板。4.1 驾驶员的手伸及界面驾驶员坐在驾驶座位上保持正常姿势行驶，系上安全带，右脚位于加速踏板上，一只手握持方向盘，另一只手所能伸及的最大空间轮廓面是驾驶员的手伸及界面。驾驶室中所有的由手部操纵的操纵按键都应该在驾驶员的手伸及界面的范围内，只有这样才能满足驾驶员的生理需求，减轻疲劳。手伸及界面如图4.1与图4.2所示。其中绿色为手指可伸及界面，紫色为三指抓握可伸及界面，黄色为抓捏式可伸及界面8。一般来说，驾驶员在实验室的手伸及界面测量台上测得具体的手伸及界面的范围。实验室中的测量杆受接触端是25mm的三指抓捏式操作钮件。因此，对于不同的轿车使用不同的操纵按钮，要具体进行分析。 图4.1 手伸及界面 图4.2 手伸及界面 4.2 方向盘的设计分析方向盘是车辆行驶过程中使用时间最长的操作装置，其设计对驾驶舒适性有很大影响。从人机工程学角度出发，主要从方向盘的角度、位置和尺寸等方面进行分析。（1）角度根据人机工程学原理可知，驾驶员施加在方向盘上的力很大程度上取决于方向盘的倾斜角。如果方向盘的安装角度越平坦，驾驶员可以施加的力就越大，方向盘的角度和力之间的关系如图4.3所示。考虑到驾驶员腕关节的自然姿势，方向盘的安装角度通常应在1570之间9。（2）位置转向盘的设计不仅要考虑其安装角度，还要考虑其安装位置。它应该到座位和地板有一个合适的高度，以便司机在驾驶过程中可以保持身体各部分的舒适。P50人的手臂的尺寸可以作为设计的参考，从而身材高大和身材矮小的人都可以在操作过程中进行调整。 图4.3方向盘施加力随方向盘倾角的变化曲线（3）大小根据人体工程学原理，方向盘与手掌之间的接触位置也应具有适合手指指形形波纹的形状。横截面应为椭圆形或圆形，以确保抓握的舒适性和握持的牢靠性。此外，方向盘的大小应满足人体肢体运动学指标。研究表明，转向盘直径为330600mm，握把的直径为2050mm 10。本文设计方向盘直径取380mm,握把直径35mm。如图4.4所示。 图4.4 方向盘4.3 变速杆的设计分析变速杆是“汽车变速器操纵杆”的简称，也是汽车变速器总成的一部分，也是人机交互的共同部分。（1）变速杆的位置驾驶员为了更换档位、倒车以及驻车时会操纵变速杆，在操纵变速杆时通常有向前推和向后拉两种动作，向后拉时用的力比向前推时用的力大，所以变速杆应该布置在驾驶员易于施力的位置。驾驶员坐在座位上的姿势通常有两种，分别是坐姿和立姿，在处于立姿时，当变速杆的把手位于肩部时，驾驶员操纵最为方便。而处于坐姿时，当变速杆的把手与肘同高时，驾驶员操纵最为方便11，如图4.5所示。轿车通常采用图4.4（b）所示的操纵杆，所以本文变速杆长度为28mm。 （a） (b)图4.5变速杆的把手位置（2）变速杆的形状驾驶员通过手来操纵变速杆，因此就要求变速杆把手部位的形状应该易于把握，不易产生滑动以及便于驾驶员施力。驾驶员一般通过抓握的方式操纵变速杆，手抓握的姿势如图4.6所示。一般来说，变速杆的直径为2232mm，变速杆握把的直径不超过75mm 12。本文变速杆直径为32mm，握把的直径60mm。 图4.6 驾驶员抓握变速杆方式（3）变速杆的行程与操纵角度在变速杆的设计中，我们不仅要考虑到变速杆的外形以及位置，还要了解它的行程和操纵角度。因为车内空间有限，所以行程与操纵角度都不能太大。一般变速杆的行程在300mm至350mm之间，操纵角度为3060。4.4 脚踏板的设计分析在汽车行驶过程中，驾驶员的驾驶疲劳主要来源于频繁踩踏脚踏板,所以合理的布置三个踏板的位置尤为重要，必须要保证开关、按钮和操作杆件等在手伸及界面内，并且应满足人机工程学要求，从而减少驾驶员操作失误的概率，使驾驶更加安全。脚踏板从驾驶员角度看去，由左自右分别是离合器踏板、制动踏板和加速踏板。脚踏板的形状通常是椭圆形和矩形这两种，脚踏板与脚部接触的地方应有纹路，以增大摩擦力，防止驾驶员在踩踏脚踏板时脚部滑落。脚踏板的布置：脚踏板与地面之间的角度为3060，离合器踏板和制动踏板的间距最小值为50mm,推荐为60mm，加速踏板和制动踏板的间距为50100mm，推荐值为70mm 13。加速踏板的踏平面角如图4.7所示，它直接决定了驾驶员对加速踏板的控制能力，该角度过大或过小都会对驾驶员脚部造成损害，产生生理疲劳。踏平面角的计算公式为：=78.96-0.015Z-0.0000173Z2 (4-1)4.7加速踏板与踏平面当汽车座椅的高度为200500mm的范围内时，的取值范围为65至75度，所以设定为75。4.5 本章小结本章首先用上文中座椅的H点的位置确定了手伸及界面，之后对方向盘、操纵杆以及脚踏板进行了相关设计。设计的方向盘直径为380mm,握把直径35mm。变速杆长度为28mm，直径为32mm，握把直径为60mm。脚踏板的踏平面角为75。视野的分析与布置设计第五章 视野的分析与布置设计在汽车行驶的过程中，驾驶员通过眼睛获得80%外界信息，所以说视野是驾驶过程中最重要的一部分。驾驶室视野的设计直接影响着驾驶的安全性以及驾驶员驾驶时的视觉疲劳，因此合理的设计驾驶室视野已经是现代汽车设计必不可少的一部分。5.1 驾驶员的视觉特性（1）人眼的视觉特性驾驶员在驾驶过程中通常通过转动头部和眼睛来扩大自己的有效视区，人的眼球可以上下左右转动以增大可视范围，一般来说眼球可以向上和向下转动15，人的头部可以向上和向下转动30。但是眼睛和头部的转动范围不止这些，眼睛最多可向上转动45向下转动65，头部最多可向上和向下转动50，只是这时人的眼睛和头部会有明显的不适感14。如图5.1所示。 图5.1 眼睛与头部垂直方向的转动角度 图5.2 人眼的水平视区在水平方向上，当驾驶员坐在座位上保持头部不动时，双眼视区为120，单眼水平视区为150，两单眼水平视区为180。如图5.2所示。5.2 驾驶员的眼椭圆眼椭圆是指当不同身材的驾驶员以正常姿势坐在座位上，其眼睛的分布范围，因为呈椭圆状，所以称为眼椭圆。眼椭圆标准的建立为汽车驾驶室视野的设计提供了科学的标准。如图5.3所示。 图5.3 驾驶员眼椭圆的位置5.3 轿车驾驶视野的设计驾驶员坐在驾驶位上，其视野按照所看到的方向的不同可以分为三种，分别是前方视野、侧方视野以及后方视野。驾驶员不仅在白天，晚上也要开车行驶，所以晚上要保证晚上视野良好。驾驶员除了直接由眼睛看到的周围的物体，有一些有些视野是通过借助后视镜所看到的，所以视野又可分为直接视野与间接视野这两种15。5.3.1 直接视野驾驶员坐在驾驶位上，由眼睛中心出发，做一条射线，与发动机盖相切并延长至与地面相交，要求交点离保险杠前端的距离越小越好，最好小于5mm。除此以外，要求驾驶员能够看到前方3m及其更远的地方，能够看到前方12m远，5m高的信号灯16，如图5.4所示，图中黄线至红线代表了轿车前方35m的范围。 图5.4 轿车前方视野校核区域为满足上述要求，必须确保最小视野：=arctan5-h12+l (5-1)其中h为驾驶员眼睛距地面的距离，l为驾驶员眼睛局车辆前端的距离，单位为m。有视野就有盲区，前方视野的盲区主要由立柱A所造成的，如图5.5所示。由于立柱A的遮挡，驾驶员往往需要转头或者侧身去观察轿车左前方的情况，经常性的行为会导致驾驶疲劳，对行车安全造成不利影响。由国标GB11562汽车驾驶员前方视野要求及测量方法中规定，立柱A所造成的双目障碍角不得超过6，立柱A的盲区角是从驾驶员眼睛中心画两条射线，分别与A柱左右两侧相交，两射线之间所夹的角度就是A柱盲区角。驾驶员眼睛转动速度对驾驶时的安全性以及驾驶员的驾驶视觉疲劳有很大的影响，计算公式为：=v36zx2+z2 (5-2) 图5.5 由轿车车身各支柱形成的视野盲区其中， v是轿车最高行驶车速，z为驾驶员眼睛距地面的高度，x为驾驶员视野前方距离车辆最近的物体。据相关研究表明，值的大小反应了驾驶员的心理状态，当值小于2rad/s时，驾驶员心理表现为舒适，2rad/s4rad/s时，驾驶员心理极不舒适，此时会产生紧张和惧怕感，如图5.6所示17。 图5.6 轿车的视角速度图5.3.2 后方视野驾驶员的后方视野主要是通过观察轿车两边的后视镜得到的，驾驶员在轿车转向和变道的时候需要借助后方视野来保证行驶安全，所以说后方视野的设计关系着行驶安全。驾驶员主要通过左后视镜观察车后情况，一般能看见眼睛后方距离4m宽度为2.1m的范围，以及另外一段位于眼睛后方20m宽度为7.2m的视野区域。驾驶员通过右后视镜看到的范围没有从左后视镜中看到的范围大，一般能看见眼睛后方4m宽度为1.5m的范围，以及另外一段位于眼睛后方20m宽度为5.5m的视野区域。如图5.7所示。 图5.7 驾驶员两侧外后视镜后视野的俯视示意图当然，后视镜的外形和种类也会对视野造成影响，一般来说，后视镜的大小，镜面的曲率以及驾驶员眼睛的视角都会对后视镜中所看到的视野造成影响。通常后视镜的面积越大，曲率越大，驾驶员所看到的视野就越大。但是当后视镜面积过大的话会物体会失真，而曲率过大的话会使驾驶员难以判断车后物体的正确距离，不利于驾驶安全。后视镜的布置应该满足布置于第95百分位眼椭圆上边缘的水平切线之上，或者应该位于眼椭圆下边缘的水平切线之下，保证驾驶员眼睛与头部在看后视镜的时候转动角度小于60，后视镜不被立柱和车门遮挡。 5.3.3 侧方视野驾驶员坐在驾驶位上透过车门侧风窗所看到的范围称为侧方视野，驾驶员通过侧方视野观察轿车两边的车辆，必须要保证侧方视野不受遮挡，所以车窗玻璃不能张贴阻碍驾驶员视野的附加物。5.4 前风窗和仪表盘的布置设计前风窗的上、下、左、右边框会对视野造成影响，其中A柱双眼障碍角对驾驶员视野的影响较大。前风窗布置时确保立柱A所造成的双目障碍角不得超过6。从左右单眼出发，画若干条射线与方向盘上半圆内外两侧相交，这些射线与仪表盘相交，将交点连接起来便形成仪表盘上的左右单眼盲区。确保该盲区遮挡仪表盘的面积不超过仪表盘的5%。如图5.8所示。 图5.8 方向盘形成的视野盲区5.5 本章小结本章首先分析人眼的视觉特性，介绍了眼椭圆的相关特点，对轿车驾驶视野进行设计，校核优化直接视野、后方视野以及侧方视野并确保前风窗和仪表盘的布置不会影响视野。显示装置的分析与布置设计第六章 显示装置的分析与布置设计6.1仪表盘的人机工程学原则仪表盘人机工程学最基本的要求是其可用性，它决定着仪表盘的可用程度，此外仪表盘应该读数清晰，从而使驾驶员易于读取，且不易产生视觉疲劳。仪表盘上数字的显示方式通常有两种，分别是数字显示与模拟显示。其中对于需要定量显示的数据时使用数字显示，而对于一些不需要数字或者图形更能形象表达含义的数据时，通常使用模拟显示，模拟显示更加灵敏、方便，常见的方式就是指针式。仪表盘上的信号装置要求显示清晰、准确并且易读。通常使用发光二极管、阴极管等作为电子显示装置，因为从人机工程学角度来看，这不仅能准确显示数字和模拟量，并且还能显示图形。其颜色通常为墨绿色，符合驾驶员的人体特性，既能保证读数准确，而且也能减轻驾驶疲劳。6.2 仪表显示器的设计6.2.1 仪表盘的布置仪表盘的布置应该保证驾驶员不需要过度转动头部和眼睛就能看清仪表盘上的所有信息。仪表盘距离驾驶员眼睛的距离为560750mm，这种距离可以保证驾驶员长时间开车时不会因为看仪表盘产生视觉疲劳。驾驶员以正常姿势坐在驾驶位上时，头会微微向前倾斜，所以仪表盘不能垂直货水平布置，而是应该倾斜布置，通常来说仪表盘与地面夹角为6070。人体坐姿时的水平视角有如下规律：1、位于视野中心1.53为最优视区，在该视区内能最清晰辨认物体。2、位于视野中心318的视野区域能较为清晰的辨认物体，但视物短暂。3、位于视野中心1838的视野区域内时必须集中注意才能看清物体。4、当角度超过38的时候，当头部和眼睛均不动时超过眼睛最大视角。所以说最主要的仪表宜布置在中心视角3范围内，一般的仪表和信号指示器布置在2040范围内，次要或者不常用的仪表和信号指示器可以布置在4060的视野范围内，但是一般布置范围不会超过80。为了使驾驶员能够快速、准确的读出重要的读数，一些重要的仪表和信号指示器的布置要满足下述要求：在垂直方向上，在视角的10范围内，在水平方向上，位于视角的左右25范围内。如图6.1所示。因此本车主要仪表盘例如车速里程表、转速表、燃油表、水温表布置在视角的左右25范围内；垂直方向上仪表盘中心与眼球中心夹角为15。 图6.1 轿车仪表板的最佳布置区域6.2.2 刻度盘的外形刻度盘以其形状分为开窗式、圆形、半圆形、水平直线型和垂直直线型18。经研究发现开窗式刻度盘的准确率最高，因为相较于其他形式的刻度盘，开窗式具有范围小、视野集中的特点，因此驾驶员的眼睛扫描路线短从而降低误读率。而垂直直线型是这5种形状中误读率最高的。但是本文选用的是圆形刻度盘，因为虽然圆形刻度盘的读数准确率低于开窗式，但是在汽车长期的发展过程中驾驶员比较熟悉圆盘式和半圆盘式刻度盘，因为圆盘形读数错误率低于半圆盘形，故本文选用圆形刻度盘。五种刻度盘误读率如图6.2所示。表6-1 五种刻度盘读数准确率显示器类型最大可见度盘尺寸（cm）读数错误率（%）开窗式4.230.5圆形5.4010.9半圆形11.016.6水平直线型18.027.5垂直直线型18.035.56.2.3 刻度盘的字符和颜色为使驾驶员能够快速准确的读出仪表盘上的字符，要求字符的形状、大小和位置必须满足相关要求。字符最重要的就是简洁明了和显眼，字符可以通过直线和尖角加强字符本身。使用图6.3所示字符较好。图6.3 字符的形式对于刻度盘上的字符摆放位置，如图6.4（a）所示，指针式仪表盘上数字应该竖直布置而不能随刻度盘旋转。数字分布应在刻度盘外侧而非内测，这样便于准确读数，如图6.4（c）所示。而对于指针在刻度盘外侧的仪表盘而言，数字通常位于刻度盘内测，字符的分布方向如图6.3（b）所示。本文采用的是指针式仪表盘，指针位于仪表盘内测，所以数字直立分布于刻度盘外侧。 图6.4 不同标示方式的
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