（机械设计及理论专业论文）公交车内环境数字化人机设计与评估技术.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 社会在解决了人们“乘车难”的矛盾之后，公交车内环境的安全、舒适、健 康、高效等的人性化需求矛盾就突现出来了。因此有必要探讨基于人机工程学的 公交车内环境设计理论与方法，改进设计以满足人们对现代公交车的新需求。 论文在总结分析汽车车身内部布置的基础上，运用车辆人机工程学的理论， 提出了公交车驾驶区及乘客区人机设计与评估方法：1 、驾驶员h 点的设计：前 风窗下沿高度的设计；驾驶员手伸及界面的评估；2 、乘客座椅的设计；乘客用 扶手横杆高度的设计；乘客视野校核。并以s o l i d w o r k s2 0 0 5 软件为支撑平台， 辅助以v i s u a lb a s i c6 0 为基本语言和二次开发工具，开发了公交车内环境人机 设计专用系统。 系统的实现利用了相关设计知识和相关领域专家经验，采用s o l i d w o r k s 2 0 0 5 标准界面，二次开发了专用的工具条和图标。提供了符合中国人体尺寸的设计方 法，初步实现了公交车内环境相关部件人机设计与评估的智能化。弥补了中国公 交车内环境人机设计的不足，提高了设计效率和质量。 关键词：车辆人机工程学，公交车，内环境，h 点，座椅， s o l i d w o r k s2 0 0 5 西北i 业大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t e r g o n o m i c s b a s e da n dd i g i t i z e dd e s i g n e v a l u a t i o n t e c h n i c sf o rb u si n t e m a le n v i r o n m e n t a f t e rt h ed i f f i c u l t yo fb u sr i d ew a ss e t t l e d ，h o m i n i z a t i o nd e m a n d so nb u s i n t e r n a le n v i r o n m e n t ( b 1 e ) s u c ha ss a f e t y , e a s i n e s s ，h e a l t h ，a n dh i g l ie f f i c i e n c yc o m e f o r t h s oi ti sq u i t en e c e s s a r yt oe x p l o r en e wd e s i g ni d e a sw h i c hs h o u l db eb a s e do n e r g o n o m i c sf o rb i e t os a t i s f yt h ea b o v en e wd e m a n d s b a s e do ns u m m a r i z i n ga n da n a l y s i so fa u t ob o d yi n t e r n a ll a y o u t ，e r g o n o m i c s - b a s e dd e s i g na n de v a l u a t i o nm e t h o d sf o rb u sd r i v e ra n dp a s s e n g e rc o m p a r t m e n tw a s p u tf o r w a r db yu s i n ga u t o m o b i l eh u m a ne n g i n e e r i n gt h e o r i e s ： 1 、d r i v e rh p o i n td e s i g n ；h e i 曲to fw i n d s h i e l dl o w e re d g ed e s i g n ；d r i v e rh a n dr e a c h e v a l u a t i o n2 、p a s s e n g e rs e a td e s i g n ；h e i g h to fr o o fh a n d r a i ld e s i g n ；p a s s e n g e rv i s i o n f i e l d c h e c k m e a n w h i l e ，s p e c i a le r g o n o m i c s b a s e dd e s i g ns y s t e m f o rb i ew a s d e v e l o p e d ，w h i c hw a ss u p p o r t e db ys o l i d w o r k s2 0 0 5s o f t w a r ea sw o r k i n gp l a t f o r m a n da i d e db yv i s u a lb a s i c6 0a sb a s i cl a n g u a g e t h es y s t e mw a sr e a l i z e d b yu t i l i z i n gr e l e v a n tk n o w l e d g eo fd e s i g na n d e x p e r t i s e s o fr e l e v a n tf i e l d c u s t o m i z e dt o o l b a ra n di c o nw a sd e v e l o p e du p o n s o l i d w o r k s2 0 0 5s t a n d a r di u t e r f a c e a tt h es a m et i m e ，h u m a nd i m e n s i o n so fc h i n e s e c o n f o r m e dd e s i g nm e t h o dw a so f f e r e d ，a n di n t e l l i g e n t i z a t i o no fe r g o n o m i c s b a s e d d e s i g na n de v a l u a t i o nf o rc o m p o n e n t si nb u sw a sa l s op r e l i m i n a r i l ya c h i e v e d ，w h i c h a c t u a l l yr e m e d i e dt h ed e f i c i e n c yl i e d i nb i ed e s i g ni nc h i n a ，a l s oi m p r o v e di t s e f f i c i e n c ya n dq u a l i ty k e y w o r d s ：a u t o m o b i l eh u m a ne n g i n e e r i n g ，b u s ，i n t e r n a le n v i r o n m e n t ，hp o i n t ， s e a t ，s o l i d w o r k s2 0 0 5 蘸北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 - ii i ii i i - - - _ _ _ _ _ _ _ 第一章绪论 1 1 车辆人机工程学的原理及研究现状 1 1 1 人机工程学的基本原理 随着科学技术的高速发展，各种生产活动及人们日常生活越来越多地采用 多种多样的现代工业产品，涉及到工业生产及人们的衣、食、住、行等各个方面。 现代的工业产品造型设计不仅要求造型新颖、美观、大方，色彩符合现代人的欣 赏习惯，使用新材料、新工艺、新结构，还应满足人们对产品的各种要求，以达 到人们使用这些产品时舒适、高效、安全。所以在产品造型设计中，必须考虑人 机关系这个重要的设计因素1 1 1 。 目前，从日用品到工程建筑，从大型机具到高技术制品，从家庭活动到巨大 的工业系统，各个方面都在运用人机工程学的原理和方法。 人机工程学是从人的生理和心理特点出发，研究人、机、环境和相互作用的 规律，以优化人机环境系统的边缘学科【2 】。人机学豹研究对象是工作环境的解 剖学、生理学、心理学等方丽的因素。研究内容是人机环境的最佳匹配、人 机环境系统的优化。研究目的通过各学科知识的应用，来指导工作器具、工作 方式和工作环境的设计和改造，使得作业在效率、健康、安全等几个方蕊的特性 得以提高。 从2 0 世纪起的经验人机工程学到第二次世界大战期间的科学人机工程学再 到6 0 年代的现代入机工程学，作为一门新兴的学科，人机学在其自身的发展过 程中，有机地吸收和融合各相关学科的理论，不断的完善本学科的基本概念、理 论体系、研究方法、技术标准和规范。 作为一门综合性的边缘学科，它除了同有关工程技术学科关系密切外，还与 生理学、心理学、人体解剖学、人体测量学、人类学、运动生物力学、环境保护 学、环境医学、环境卫生学、管理科学等学科有密切联系。此外，还和社会学、 技术美学、语言学等学科关系密切。 1 1 2 车辆人机工程学的基本原理 车辆人机工程学是人机工程学在地面机动车辆这一特定领域的应用分支， 它以人( 包括驾驶员和车内乘员) 车环境系统为对象，以改善驾驶员的劳动条 件和车内乘员的舒适性为核心，以人的安全、健康、舒适、高效为目标，使整个 系统的总体性能达到最优1 2 l 。 人机工程学作为一门应用性极广的学科，首先在航天航空领域获得应用，其 1 硝j b ，i 。业人学硕士学位论文 第一章绪论 次就迅速向汽车工程领域渗透，逐渐形成了人机工程学的一个分支汽车人机 j i 程学。它主要研究人一车一环境之间的关系。经过多年的发展，汽车人机工程学 已经建立了一些比较成熟的理论和方法，为汽车设计提供了一定的理论、方法、 规范和标准，成为现代汽车设计不可缺少的理论依据，并已不断获得应用。 在驾驶员一车辆一环境系统中，驾驶员是人机工程学研究的核心对象。随着机 动车辆用途的日益扩大，形态的r 益多样化、功率和工作速度的不断增长、自动 化程度的不断提高、行驶道路和交通环境条件的f = l 益复杂化，驾驶员的工作越来 越繁重、复杂，因而对改善驾驶员劳动条件的要求越来越迫切。这就使得机动车 辆设计和使用中人机工程学的重要性更为突出。 机动车辆的种类很多，其用途、功能、使用条件各不相同，对其性能指标、 结构参数、人际关系匹配等方面的具体要求，可能差别很大。然而各种机动车辆 所面临的人机工程问题，在很大程度上确有共同的内容。目前，车辆工程领域的 人机工程问题大致可归纳为以下几个主要方面： 1 、机动车辆驾驶操纵系统人机界面的优化匹配； 2 、机动车辆的行车安全性及车内乘员的人体保护技术； 3 、机动车辆乘员的乘坐舒适性； 4 、机动车辆的噪声控制； 5 、机动车辆车内小气候环境的宜人化控制； 6 、机动车辆的道路交通适应性； 7 、人一车路系统的综合优化； 8 、机动车辆驾驶员的驾驶适宜性； 所谓驾驶适宜性，是指人具备圆满、不出差诘地完成驾驶工作的素质。 驾驶员是引起事故的主要因素。人不仅年龄和性别不同，而且在生理和心 理方面也存在着较大的个体差异。并彳：是所有的人都适宜从事驾驶工作和都具备 与驾驶工作相适应的生理和心理素质。国内外大量的交通事故统计资料表明，在 基本相同的行车条件卜，有些人发生的交通事故要明显多于其他入，这说明在驾 驶员中确实存在着驾驶适宜性问题。 1 1 3 工业设计与人机工程学 1 业设计是一项综合性的规划活动，是埽十融合了理性与感性的创造性活 动。它不仅要处理产品的形态问题，而且要处理产品与使用者的接口问题，也要 处理产品与其使用环境的各个凶素的关系问题。它受自然环境和社会形态、文化 规念以及经济等多方蕊的制约和影响。 业设训的出发点足人，殴计的目的是为 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 _ _ _ _ - - _ l _ i i i i i ii 人而不是产品，工业设计必须遵循自然与客观的法则来进行。这明确地体现了现 代工业设计强调“用”与“美”的高度统一、“物”与“人”的完美结合，把先 进的技术科学和广泛的社会需求作为设计的基础。总之，工业设计的指导思想在 于以人为中心，着熏研究“物”与“人”之间的协调关系。这就离不开以研究“物” ( 即“机器”) 、“入”以及它们的“环境”这三者相互关系和相互作用为中心内 容的人机工程学及其设计与应用研究。 1 、人机工程学与工业设计在诸多方面存在着共同点 围绕设计中对“人的因素”人的生理和心理因素的考虑，人机工程学和工 业设计具有共同的研究内容和设计事项1 3 l ：人机工程学的基本理论( 即产品设计 要适合人的生理、心理因素) 与工业设计的基本观念( 创造的产晶应同时满足人 们的物质与精神需求) 意义基本相同。 人杌工程学和工业设计有很多共同的研究与应用领域。因为实际上工业设计 学科参与研究和设计的对象。大至宇航系统，小到家具、文具、日常用品以至口 红。总之，在人类为生产和生活需要而进行的造物活动中，无论是人机工程学还 是工业设计学科，都是把“人的因素”作为一个首要因素来考虑的。 2 、人枫工程学是工业设计的重要组成都分。 无论是在传统的、还是在新必的人机工程学领域，“以人为中心的设计”是 人机工程学的根本出发点。这也是人机工程学作为工业设计( 尤其是产品设计) 支撑学科的根本原因。入机工程学应用在工业设计领域中，将人机学的理论、知 识、数据资料“流向”该领域、与这些领域的问题结合以后，为其服务。 单就工业设计的三类设计而言，产品是给人用的；视觉传达是供人看的；环 境是为人在其问生活、工作的。可见工业设计所涉及到的三大设计领域均需要人 机工程学的参与来完成1 3 1 。以汽车为例，怎样提高发动机的功率、减少油耗、怎 样加工变速箱里的齿轮、选用怎样的材料以提高零部件强度、刚度、使用寿命等， 属予工程设计要解决的课题；而汽车怎样才美观新潮、乘坐舒适、驾驶方便、安 全等直接关系人的方面，就是工业设计和人机工程设计要共同解决的课题。再以 汽车驾驶室为例，仪表板、转向盘、操纵杆、座椅、后视镜的选用和布置都是最 典型的人机工程课题，工业设计要创造美好、舒心、有艺术氛围的驾驶室环境， 是绝不可能脱离这些人机工程学因素的。 人机工程学为产品设计中考虑“人的因素”提供关于人体尺度的设计参数； 为产品设计中“物”的功能合理性提供科学依据；为产品设计中考虑“环境因素” 提供了设计准则；为人机环境系统提供理论依据。另一方面，工业设计也反过 来推动了人机工程学的发展。从3 0 年代起，就有工业设计师介入了人机工程学 耋蓦北京市区晨茹车行驶工况 洲 d 4 蜘啪 0 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 整个工况运行时间1 7 2 7 s ，行驶距离8 6 4 k m ，站停1 8 次，平均车速1 8 1 u n h ， 最高车速4 8 k m h ，最大加速度1 9 4 m s 2 ，最大减速度4 1 7 m s 2 ，各速度区段的分 布如图1 2 所示。可见，城市公交车站停次数多，平均速度不高，大部分时间在 速度较低区域运行【6 】。 一丌椭。1 - r 门ln 圈1 2 北京市区1 0 路车工况的速度分布 车速体 1 2 1 谚驾骢鬻麓荣客对公交率内环境的要求 城市客运市场在解决“乘车难”矛盾以后，必然会产生新屡次的需求。马 斯洛盼层次最求理论告诉我们，低一层次器求满足以后，高一层次的需求必然出 现朔 步入2 l j 世纪，随着“大公交”、“公交优先”等政策的实施，各城市对公交车 辆的要求由原来单一的满足乘客“走得了”，发展到今天要让乘客“走得好”、“走 得快”。人们对公交车的要求不仅是代步工具，还希望它美观、操纵方便、驾驶 和乘坐舒适，不会对驾驶员和乘客产生身心伤害。人性化设计己被提升到设计的 前沿。公交车设计应首先考虑人的因素，一切均应从人的安全性、乘坐舒适性、 操作方便性来考虑。 公交车作为交通工具，涉及了乘坐和操纵两个方面，这两个方面均存在座椅 舒适性的问题。在过去的一段时间里，人们错误地认为，内怖越豪华就越舒适， 自从引入人机工程学以后，舒适性就有了新的定义。按照现代设计的观点，要求 采用人体工程学的科学方法对客车的座椅做舒适性评价。 驾驶区： 公交车驾驶室是一个典型的人一机环境系统的交互界面，是驾驶员与汽车之 间进行信息传递的通道。在此区域内，驾驶员通常必须长时间全神贯注的工作。 在驾驶室中常会出现使驾驶员分心的事，如儿童在公路上玩耍，恶劣的交通条件， 坏的气候。特别是由于公交车的特殊性，驾驶员需久坐于驾驶室并且往返于同一 条线路，极易产生疲劳和烦躁的情绪。 百分比蘸 第一章绪论 刘1 - 3 宇通公司某型公交车驾驶区 为此，驾驶室中各种操 纵器必须放在驾驶员能触及 的范围内，并且容易诅! 别和 使用方便、轻巧。而显示器 必须能使各种身材的人在任 粤竺犁竺譬霎要苎。坌查耋 圈1 4 宇通公司某型公交车驾驶区操纵件 地板上的各种踏板，不用眼 一 。 叩i 找到并识别。座椅的设计，驾驶员的视野范围是否符合人机工程学原理等诸 多因素都将直接关系到驾驶员的舒适、健康和安全，也就l 剖接影响到乘客的安全。 圈1 - 5 客午驾驶区布置相关参数及h 关系荆f 9 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - 5 为客车驾驶区布置相关参数及其关系。 乘客区： 圈 - 6 宇通公司某型公交攀乘客区 公交车乘客区是公交车的主体，是移动着的休息室，是乘客暂时休憩的场 所融部设置应体现人、车、环境的协调。具有时代气息。地板和车门踏步的高 度要尽可能低，以满足乘客安全、方便、快捷上下车的要求。另外乘客座椅、 座椅布局、横梁、玻璃窗等的设计也是保证乘客舒适性和安全性的重要一环。 一 l l1 哲 i 一班i 弓? _ d 弋口7 cd 图1 7 客车乘客区布置相关参数及其关系【1 0 】1 1 1 】 1 2 2 车辆人机工程学国内外研究现状 1 2 2 1 国外研究现状 国外对汽车人体工程学的研究始于二十世纪五十年代，并陆续作了大量的测 量分析和基础研究工作，提出了许多推荐执行的标准，如美国s a e 标准中的眼 7 固 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 椭圆、头廓包络线、驾驶员手伸及界面等已被国际标准组织( i s o ) 所采纳。 国外汽车行业对人体工程学的应用方面也非常重视，如德国一些公司开发的 r a m s i s 软件建立了详细的三维人体模型，共提供各种年限参考。用户还可以根 据自己的数据建立自己的三维人体模型，而且该软件可适用的范围也是非常广泛 的。以汽车为例，它可以根据定的约束如人的h 点和座椅参考点( s g r p 点) 重 舍等，来定位人体模型的坐姿，而后进行舒适性分析、视野分析、手与脚的伸及 性检查等。世界各大汽车公司大多在通用的商业c a d c a m 软件基础上开发自 己的车身布置专用软件，但一般不作为商品出售，少数成为商品化应用软件，价 格也很昂贵，据知基于c a t i a 的r a m s i s 软件售价约8 万美元。 除此之外，法国i n 】l e l r s u 璐c o 公司的m a n 3 d 等都是2 0 世纪8 0 年 代来、9 0 年代初达到实用化的系统， 也已在r e n a u l t 公司技术中心被用于 各种车辆的设计。 另外，j a c k 、s a f e w o r k 和老牌 的s a m m i e 也有在交通工具设计领 域的不少应用实例。 图1 8s a l ：e w o r k 软件用于交通工具设计 1 2 2 2 国内研究现状 国内由于条件的限制，在人机方面的研究与国外存在较大的差距。在这方面 的研究起步较晚，二十世纪八十年代才由汽车学术界正式提出汽车人体工程学的 内容，开始学习国外制订的一些标准法规，如美国s a e 、f m v s s 、欧洲e e c 等 等。在传统的设计方法中，与人相关的一些参数的确定往往是以经验设计为主， 通常在整车性能参数选定之后，参考设计较为成功的同类车型的数据，在其基础 上进行修改，并进一步和其他参数进行反复协调后，确定相关参数，可以认为这 种设计带有模糊人机工程学的思想，此方法获得的最终结果，虽然也是可接受的， 但可能不是真正符合人体需求的结果。再者就是借鉴国外的研究成果，但驾驶室 和乘客区的内环境设计与人体尺寸关系密切，不同国家、民族之间人体尺寸差异 很大，借鉴国外车型参数进行设计就不是非常理想，西方人垫颈的凸包顶住了中 国人的后脑勺就是个典型的例证。 近年来国内的一些大学和研究所作了一些研究和探索工作，一些新的汽车内 环境人机设计研究方法和成果也相继出现，如吉林大学汽车学院黄金陵主持开发 的k b e 车身布置系统，将人机工程学的知识专家系统集成到a u t o c a d 和 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 c a t a 等设计软件中；哈尔滨工业大学宋宝玉也开展在现有软件平台上研究车 身布置；中国农业大学毛愚荣研究的初步立体人体模型；江苏理工大学刘军研究 的计算机辘助车辆人机工程设计系统；武汉理工大学刘春荣在u g l l 软件环境下 开发了三维s i n o m a n 的汽车车身c a d 软件； 但据调研结果显示，由于公交车的社会保有量低于轿车，上述研究成果较多 集中于轿车的人机设计，人机工程在公交车上的应用与发展远落后于轿车行业， 针对城市公交车内环境的人机设计方法和系统开发还尚不成熟。 1 2 3 论文背景及研究意义 1 2 3 1 论文背豢 本论文的研究课题来源于西北工业大学工业设计研究所承担的国家8 6 3 高技术研究发展计划项目“产品数字化创新开发网络化支持系统( 项目编号： 2 0 0 5 a a 4 1 4 0 2 0 ) ”和国家8 6 3 高技术研究发展计划项目“面向行业典型产品的三 维数字化设计专用系统及工具集( 项目编号：2 0 0 2 a a 4 1 1 0 3 0 ) ” 1 2 0 0 论文研究目的和意义 利用公交车内环境( 驾驶区和乘客区) 的人机设计和评估技术，可以改善驾 驶员的工作舒适度，减少其疲劳损伤，保证操作者长时间的注意力，降低安全事 放发生率，获得更大的工作效益。改善乘客的乘坐或站立舒适性，提高乘客的乘 车及出行质量。具有很强的现实意义。 具体研究目的和意义如下： 1 、可以弥补中国公交车内环境人机设计的不足，为公交车内环境设计提供 符合中国人体尺寸的设计方法。 2 、通过设计方法的程序化及系统集成，完善在s o l i d w o r k s 2 0 0 5 环境下公交 车的c a d c a m 系统，进一步提高公交车的设计速度和方便性。 3 、可以提高与促进国内人机工程的应用研究与扩展使用领域，改进公交车 设计方法并提高其开发水平。 4 、可以将汽车目前成熟的设计方法应用于公交车，并相应研究公交车对人 机工程学的特别要求，发展相应理论研究。 1 3 论文内容 论文旨在借鉴国内外汽车人机研究成果，对公交车内环境中的若干典型部件 提出一种更加合理、适用的人机设计和评估方法。并通过s o l i d w o r k s 2 0 0 5 软件 的二次开发技术，将设计方法系统模块化后集成到该平台。 9 西北工业大学硕士学位论文 第一章缝论 图1 - 9 论文内容结构圈 具体研究内容如下： 1 、公交车内环境人机设计与评估方法研究 驾驶区：公交车前风窗下沿高度的设计方法；驾驶员座椅h 点的设计；驾 驶员手伸及界面的评估。 乘客区：乘客座椅的设计；乘客用扶手横杆高度的设计；乘员视野校核。 2 、开发公交车内环境人机设计专用模块。 论文内容结构图如图1 - 9 1 0 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 _ _ _ - _ _ _ l - _ _ i i i ii - - _ _ _ _ 1 4 开发系统简介 1 4 1 系统的支撑环境 1 a 1 。1 系统的硬律环境 1 、主机c p u ：p e n t i u m l i ，6 0 0 m h z 或更高；内存：至少为5 1 2 m b ；显卡： 正确支持o p e n o l 的3 d 专业图形卡，至少显存3 2 m b ；显示器：c r t 。1 7i n c h 以上，分辨率1 2 8 0 x 9 6 0 ；【c d ，1 6 英寸以上，分辨率1 2 8 0 9 6 0 。 2 、外设标准3 d 鼠标和键盘，高效能的7 2 0 0 转硬盘且至少1 g 以上空 间。 1 4 1 2 系统的软件环境 1 、支撑软件w i n 2 0 0 0w i t hs p a 以上版本的操作系统，o f f i c e 2 0 0 0 办公 软件，v i s u a lb a s i c6 。0 以上编译环境。 2 、图形支撑软件s o l i d w o r k s2 0 0 5 1 4 0 系统开发平自及开发语言的选取 1 4 2 i 系统开发平台的选取 s o l i d w o r k s2 0 0 5 是一套基于w i n d o w s 的a 啦c a e c a m 功m 桌面集 成系统，是由美国s o l i d w o r k s 公司在总结和继承大型机械c a d 软件的基础上， 在w i n d o w s 环境下实现的第一个机械三维。国软件。 s o l i d w o r k s2 0 0 5 的突出特点1 1 2 l ：( 1 ) ，傲枫平台上的高级三维c a d 软件，运行 于w i n d o w s 环境中，与o f f i c e 软件兼容；( 2 ) - - 维参数化特征造型软件，1 0 0 特征造型，1 0 0 参数化，1 0 0 可修改；( 3 ) 特征管理员功能；( 4 ) 全相关的数 据管理；s o l i d w o r k s 包括三部分：零部件设计、装配设计及二维绘图，三部分互 相关联，工程师可以在设计的各个阶段修改( 比如在二维出图阶段) 一旦修改的部 分会自动相应修改；( 5 ) 功能丰富；( 6 ) 操作简单，维护方便，学习周期短；( 7 ) 应 用开发方便：( 8 ) 与多家c a m 、c a e 软件有紧密接口。 本课题选用s o l i d w o r k s2 0 0 5 作为开发平台除基于以上该软件的特点外，还 主要基于以下两方面的考虑： 1 、s o l i d w o r k s 良好的曲面造型和后期演染功能 s o l i d w o r k s 变量化的草图轮廓绘制，能自动进行动态约束检查。通过拉伸、 旋转、特征阵列等操作更简便地实现产品的设计。通过带控制线的扫描、放样、 等可控的相关操作能生成形状复杂的构造曲面。s o l i d w o r k s 的p h o t o w o r k s 提供了 制作高质量图像的渲染工具，能使零件或装配的显现近乎照片。p h o t o w o r k s 完全 集成在s o l i d w o r k s 的设计环境中，从下拉菜单或图形菜单条中即可方便地获取具 媸北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 - _ l _ _ _ - - _ _ ii - _ _ _ 体的功能。因此适合完成汽车车身造型设计【1 3 】。 公交车内环境布置设计是在其车身造型设计基础之上进行的。既然 s o l i d w o r k s 软件舱够完好的履行曲面造型和渲染功能，那么在该平台上开发人机 设计模块也就颇有价值。同时也完善了在s o l i d w o r k s 环境下汽车设计的功能。 2 、s o l i d w o r k s 的易开发性 s o l i d w o r k s 采用了c o m 技术标准，将复杂的应用程序设计成许多小的、功能 相对简单的组件软件，各个组件软件完成某些特定的功能，同时按照c o m 标准 对外提供接口，然后把这些独立的软件组件粘合在一起组成了功能强大、能满足 企业产品设计的集成系统。同时s o l i d w o r k s 为用户提供了强大的二次开发接口， 任何支持o l e 和c o m 的编程语言都可以作为s o l i d w o r k s 的开发工具。如v i s u a l c + + 、v i s u a lb a s i c 、v b a 、d e l p h i 等等均可用于s o l i 羽v b r k s 的二次开剔1 4 】。 1 , 4 2 2 二次开发工具的选取 上述众多语言都可作为s o l i d w o r k s 的二次开发工具。但本论文选用v i s u a l b a s i c 作为二次开发工具，主要考虑到： 1 ) s o l i d w o r k s 系统为v b 开发提供了大量实用的a p l 函数； 2 1 v b 对数据库编程功能强大同时使用也非常方便； 3 1 利用开发的程序界面十分友好，下拉菜单添加及与平台集成容易； 4 1 用开发s o l i d w b r k s 开发周期短。代码效率高。 1 4 3 系统内容介绍 该系统包括以下模块( 如图1 - 1 0 ) 并可通过两种方式运行各模块：添加相应下拉菜单：添加工具栏圈标 前风窗下沿高度及驾驶员h 点设计模块 驾驶员手伸及界面校核模块 乘客座椅设计模块 扶手横杆高度设计模块 乘客视野校核模块 驾驶区人机设计ll 乘客区人机设计 公交车内环境人机设计 s o l i d w o r k s2 0 0 5 平台 图1 1 0 丌发系统的模块简介 1 2 鹾北工业大学硕士学位论文 第二章汽车车身总布置设计原理及工具 _ ii i i i i ifi - 第二章汽车车身总布置设计原理及工其 2 1 汽车车身总布置设计原理 从结构和功能上划分，汽车可分为三大部分底盘、发动机和车身。车身可 以定义为装在底盘上的建筑型结构。它的主要功能在于保证司机便于操纵以及为 司机和乘客提供安全舒适的乘坐环境，隔绝振动和噪声。免受风霜雨雪等恶劣自 然环境的影响。 车身直接决定整车的安全性、舒适性、美观。车身外形的空气动力性能决定 了操纵稳定性、动力性、经济性。因此车身在汽车整车中占有举足轻熏的地位。 国内、外汽车生产的实践表明，整车生产能力的发展取决于车身的生产能力；汽 车的更新抉代在很大程度上也决定车身。 车身涉及到机械、电子、电力、纺织、化工、冶金、建材等工业部门以及机 械制造、微电子、力学、材料、人体工程、美学、交通运输、经济管理、市场营 销等学科领域，是一个知识和技术高度综合的领域【1 5 1 。 2 1 1 汽车车身总布置设计的特点及原则 汽车车身总布置设计属于汽车设计中的一部分，它是在整车总布置的基础上 进行的。整车的总布置提供了汽车的长、宽、高等控制尺寸、轴荷分布范围以及 水箱、动力总成、前后桥、传动轴与车轮等的轮廓尺寸和位置。据此参考同类车 型有关数据作为借鉴，即可初步确定前悬和后悬的长度，前后风窗位置和角度、 发动机罩高度、地板平面高度、前围板位置、座椅布置、内部空间控制尺寸、方 向盘位置角度及操纵桃构和踏板的相互位置等。然后将布景结果传递回底盘总布 置和造型，进行校核、协商、修改。汽车车身总布置是汽车整个设计流程的入口， 只有确定了总布置方案后，才能进行汽车各部件的详细设计。总布置设计的目的 是使车辆在质量相近的情况下具有最大的室内空闻、最方便的操作环境和具有最 舒适的操作性能。因此车身总布置设计的好坏直接决定着整个汽车设计的成败 1 1 6 1 。 2 111 车身总布量与人机工程 指导汽车车身总布置设计的核心理念是“人- 机- 环境”思想。 在“人机环境”理论中，“入”是指作为主体工作的人；“机”是广义的， 泛指一切人造物，大到飞机、轮船、火车、生产设备，小到一把钳子、一支笔、 一个水杯，也包括室内外人工建筑、环境及其中的设旖；“环境”是指人、机共 处的特殊条件，它既包括物理、化学因素的效应，也包括社会因素的影响。b t l l l 8 l 在汽车车身总布置设计系统中，“人”对应为驾驶员和乘员；“机”对应为驾 1 3 西北工业大学硕士学位论文 第二章汽车车身总布置设计原理及工具 驶员和乘员操纵控制的对象，如方向盘、踏板、变速杆、制动手柄以及操作钮件 等的控制对象集；“环境”对应为驾驶员和乘员驾驶和乘坐的空间，车身外形控 制以及管线、道路等外部因素。 人、机、环境是人机环境系统的三大要素。通过这三大要素之间的物质、 能量和信息传递、加工与控制等作用，组成一个复杂的系统，显然，对饪何一个 系统来讲，系统的总体性能不仅取决于各组成要素的单独性能，更重要的是取决 于系统中各要素的关联形式，即物质、能量、信息的传递、加工和控制的方式。 人机工程学就是从系统的总体出发，一方面既要研究人、机、环境备要素本 身的性能，另一方面又要研究这三大要素之间的相互关系、相互作用、相互影响 以及它们之间的协调方式，运用系统工程的方法找出最优组合方案，使人机环 境系统的总体性能达到最佳状态，即满足舒适、安全、高效、经济等指标【1 8 l 。 人机工程学的研究及应用是改进汽车使用性能的最直接的措施，特剐是对驾 驶条件及乘用环境的改进尤为显著，是进行车身室内布置设计的理论依据。现代 汽车车身的内环境设计中，不仅座椅、仪表板及所有操纵控制装置的尺寸形状、 布置位置是以人车工程的基本原理为依据的，车室内空间由人体尺寸决定，而且 车身内饰的色彩、质感等也是以适应人体的心理要求来设计的，从而达至给乘员 以舒适、轻松的心理感觉1 4 j 。 2 1 1 2 车身总布置设计内客 车身总布置设计内容包括： 1 ) 车身结构与承载类型的方案设计； 2 ) 汽车内部的人枫工程设计，包括h 点、驾驶员眼椭圆、手伸及界面、 座椅设计等； 3 ) 汽车造型设计与空气动力学设计，使汽车具有完美的形象与良好的工艺 性，更小的空气阻力和稳定性； 4 ) 车身结构设计与碰撞安全性设计，满足汽车既轻巧又稳固的结构，极低 的噪声与振动，同时符合汽车碰撞安全； 5 ) 最后通过车身实验测试，确定车身的性能并验证设计的效果。 2 1 1 3 车身总布置设计原则 一般情况下，车身总布置的原则还是围绕着车身设计内容而展开的 1 ) 外观协调符合美学与空气动力学； 2 ) 内部空间在满足布景与外形的情况下尽可能地宽大，扩大乘坐空间； 3 ) 尽可能地满足最大范围人群的人机工程学要求； 4 ) 满足各项法规要求与技术要求的设计 】4 西北工业大学硕士学位论文 第二章汽车车身总布置设计原理及工具 2 1 1 4 车身总布置设计的两种方法 自从汽车问世1 0 0 多年来，车身设计方法不断改进和完善，经历了从传统的 设计方法( 图2 - 1 ) 到现在的计算机辅助设计方法。 计算机辅助设计及制造( c 6 d 忙a m ) 技术将计算机迅速、准确的处理信息 的特点与人类的创造性思维能力及推理判断能力巧妙地结合起来，用计算机硬 件、软件的新成就，特别是计算机绘图、数据库、智能库、智能模拟技术，为现 代设计提供了理想的手段。计算机和数控加工技术的配合，可用来精确制造机械 零件和对产品进行自动检验和装配，这就是计算机辅助胄i 造( c a m ) 。近年来这 一技术与计算机技术一起得到了突飞猛进的发展，并在汽车车身设计制造中率先 使用，引起了汽车设计制造技术革命性的变革。 计算机辅助车身设计开发( 图2 2 ) 从初始的概念设计、几何造型设计、车 身结构设计及分析直到生产准备阶段的冲模设计都在计算机中利用专门的或通 用的软件进行【1 5 l 。 初步设计技术设计 凳 修 舞 豢 廓 交付生产 在实际设计过程中，一般采用由内到外和由外到内两种设计方法。这两种 方法各有其自身的特点，适用于不同的设计条件。 1 、从内到外法fi n s i d e o u t a p p r o a c h ) 从内到外设计方法简单地说，即是人的位置定义到车身定义( p o s t u r a l d e f i n i t i o nt ov e h i c l ed e f i n i t i o n ) 。s a e 有关标准推荐的眼椭圆、头廓包络线、手 伸及界面等都说明了以h 点为核心的从内到外的布置方法。这些标准都是基于 一个恩想：从一些布置工具( 如眼椭圆等) 的创建和定位来一步一步地定义驾驶员 和乘员的乘坐空间和车内附件的布置，这也是从内到外布置方法的基本思想。 西北工业大学硕士学位论文第二章汽车车身总布置设计原理及工具 l _ _ _ _ ii i i i i l l 图2 2 计算机辅助车身设计开发步骤 具体实现过程如下： 1 ) 由s a e 推荐的适意线或区域法来确定不同百分位人体模型的h 点位 置： 2 ) 确定座椅参考点( s g r p ) 的位置、座椅靠背角和座椅调节行程； 3 ) 调用头廓包络线，结合内部空间控制尺寸确定顶盖的位置以及完成对车 身内部宽度的确定； 4 ) 调用眼椭圆、手伸及界面等布置工具设计仪表盘的断面形状及其操纵件 的布置； 5 ) 方向盘、操纵机构、踏板等的布置； 6 ) 驾驶员的视野设计； 7 ) 前后风窗玻璃的设计和后围的布置等； 1 6 西北工业大学硕士学位论文 第二章汽车车身总布置设计原理及工具 对于上述的步骤，并不是严格的、固定不变的过程，在真正的布置中，它们 往往是反复交叉进行。 2 、从外到内法( o u t s i d e i n a p p r o a c h ) 从外到内的布置方法实际上是一种从零开始的设计方法，是一个反复设计和 检验的过程。当今，随着市场全球一体化以及商业竞争的日益激烈，反复冗长汽 车开发周期和昂贵的成本是不允许的。现在的汽车设计，一般在参考同类型车或 基于某一平台的基础上，运用专家设计经验，进行变型车设计，这就是从外到内 的布置方法。如在不对乘员空问做改动的前提下，布置合理地满足舒适性、视野 性、操纵方便性的座椅f 1 9 1 。 2 1 2 公交车车身总布置设计内容及要求 2 1 2 1 公交车车身总布置设计内容 公交车车身布置设计是在车辆总布置方案的基础上进行的。其车厢内部布置 设计通常分为驾驶区布置设计和乘客区布鬻设计。 1 ) 驾驶区布置设计：驾驶员坐在工作位置上，手握方向盘，脚置于踏板上， 右手还经常要操作变速杆，眼睛直视前方，这种人机关系确定了驾驶员的基本姿 势。驾驶区域布置是否合理，将直接影响驾驶员坐姿的舒适性和操纵的方便性， 进而涉及到行车的安全性。驾驶区域内部布置的目的是合理布置脚踏板、座椅和 转向盘的位置，确定硬点，如脚踏板位置和角度、方向盘中心点及倾斜角度、排 挡杼的位置及操纵移动量、手制动的位置及手柄的操纵移动量、仪表板上仪表位 置、驾驶室里各种开关按钮位置、驾驶员座最高最低位置、前后位置、安全带的 固定点等，使得驾驶员乘座舒适和操纵方便、视野开阔。踏板、座椅和转向盘豹 汽车驾驶区域布置对象 踏板类转肉盘类人体模型类 驾驶员座椅 视野类操纵类 i 上 _ l- j ll。l _ j 一 上l 制油 离 女男男 前侧后 动门 性性性 视视视 踏踏 器55 09 5 野野野 踏 板板 类 类 类 板类类类 图2 3 驾驶区域布置对象及其层次结构图 布置是客车驾驶区域布置设计的关键。客车驾驶区域的内部布胃所涉及的对象及 1 7 西北工业大学硕士学位论文 第二章汽车车身总布置设计原理及工具 其层次结构如图2 3 所示1 2 0 1 。 2 ) 乘客区布置设计：确定乘客座椅的布置形式，并加以布置，选择座椅尺 寸、靠背角范围、确定座椅间距；地板通道布置；车厢内空高度确定、扶手高度 布置。 2 1 2 2 公交车车身总布置设计要求 1 、公交车车身设计总体要求 1 ) 车厢内地板应平整，地板高度应尽可能低，减少上下车的踏板级数。 2 ) 足够的满足乘客上下车流通的车门数，一般设置前、后两个乘客门和一 个驾驶员车门，车门净宽要大。 3 ) 车厢内通道要宽敞，便于乘客在车内流动，载客量要大，座椅数不要求 多，但车内任何位置上都应设置扶手或拉手，以保证乘客站立稳定，安全性好。 4 ) 较大的车厢内空高 5 ) 车窗玻璃面积要大，方便站立乘客观察外界情况。 6 ) 车身结构强度高，要能适应载客量变化相对大的使用工况。 2 、公交车车身设计技术要求 1 ) 造型：客车造型应以“美观实用”为原则，使车身的功能、物质技术和 美学要素三者达到完美结合。造型中应综合考虑安全性、制造工艺性、通透性、 节能降噪、减小风阻和避免车身表面沉积物等功能要求，同时应力求形体上具有 动感、线条流畅、造型薪颖，以及内馋美观豪华。 2 ) 安全性：为了提高安全性，采用安全玻璃。高性能的风窗除霜( 雾) 装 置和雨刮装置、吸能保险杠和转向柱、安全座椅、车内饰软化、安全门、安全窗、 安全带以及翻车后足够的顶盖支撑强度、自动报警和安全监视系统等技术措施是 非常必要的。 3 ) 驾驶操纵性：驾驶区设计应符合人体工程要求，保证视野良好、操纵轻 便、环境和气候适宜等。 4 ) 乘坐舒适性；乘坐舒适性与座椅性能、车厢内空间大小、乘客区布置、 车内装饰、车内设施水平及性能有关。同时。车身设计应保证具有良好的隔热、 密封、隔音和隔振等性能 5 ) 其它：车身结构轻、良好的防腐性能和制造工艺性。良好的车身附件性 能及技术水平。 论文将在上述原理指导下，分别在驾驶区和乘客区中选择有代表性的部分作 布置设计：即驾驶区中驾驶员h 点设计，前风窗下沿高度设计以及驾驶员手伸 及界面的评估；乘客区中乘客座椅设计，乘客用扶手横杆高度设计以及乘客视野 西北工业大学硕士学位论文 第二章汽车车身总布景设计原理及工具 _ ii ii i i i _ 校核。 2 2 车身总布置工具 2 2 1 人体尺度和人体模型 2 2 1 1 人体尺度 人体尺度是工业设计师进行产品设计时必须考虑的基本因素。为了使各种与 人体尺度有关的设计对象能够符合人的生理特点，让人在使用时处于舒适状态和 适宜环境之中，并能保证安全和高效工作，就必须考虑到产品在造型尺度及其它 方面符合正常人体各部分的结构尺寸及关节运动所能达到的范围，以及人体在不 同姿势下操作活动所需的工作空间等。设计人员必须掌握并能运用人体生理学和 心理学的知识。 1 、人体形态测纛数据分类 人机工程学范围内的人体形态测量数据主要有两类：即人体构造尺寸和功能 尺寸的测量数据。