（机械设计及理论专业论文）人机工程学在轿车驾驶室设计中的应用研究.pdf

摘要 随着轿车在人们生活中的普及、高速公路的发展，汽车速度的提高，驾驶室设计 如何适应人体机构的要求，确保人机系统的高效和安全、乘坐的舒适等已经成为目前 汽车车身设计中的一个突出问题。 本文以人机工程学理论为基础，通过对人体特性的研究，详细阐述了国内确定座 椅设计的理论依据，通过一系列运算公式和方法得到h 点水平行程调整和靠背角调整 时的人体机构运动规律，并对靠背曲线进行了优化，为轿车驾驶座椅的设计提供了科 学依据；提出能降低识别疲劳和减少误读率、合理优化仪表显示装置形式；对轿车手 操纵装置和脚操纵装置进行人机分析，得出了方向盘、脚踏板等的合理设计形式；提 出部分优化轿车内驾驶环境设计的建议，为驾驶室环境安全性、舒适性和宜人性的设 计提供了参考。总结以往的设计经验，从人机关系和人环境关系两个方面对轿车驾驶 室进行设计分析，人不再是被动地去适应汽车，而是与汽车共同完成一个目标，使其 更适宜于人的操作。充分考虑人的因素，确保轿车更舒适、更安全，最大限度适应最 终用户，从而使轿车驾驶室的人一机环境系统总体性能达到最优。 关键词：驾驶室人机工程学环境设计 a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no ft h ec a ri np e o p l e sl i f e ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ee x p r e s s w a y a n dt h ei m p r o v e m e n to ft h es p e e do fa u t o m o b i l e ，a 1 1p r o b l e mi nd e s i g no ft h eb o d yo fa m o t o rc a ra tp r e s e n ti so u t s t a n d i n g , t h a ti sh o wt od e s i g nt h ef i g h tr o o mt os u i tt h em a n ，a n d t og u a r a n t e et h em a n - m a c h i n es y s t e mi nah i g h e f f i c i e n ta n ds e c u r i t ye n v i r o n m e n t ，a n dt o m a k em a ns i tc o s i l y ，a n de t c t h et e x td e t a i lt h ec o n f i r m st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nt h a tt h es c a ti sd e s i g n e d ，b a s e d o na l lm a l l m a c h i n ee l l g i n e e r i n gt h e o r y ，u s et h es t u d yo nh u m a nc h a r a c t e r i s t i c , i nt h eb a s eo f s o m ef o r m u l a ，r e c e i v et h ep o i n to fha n da d j u s ts o m eh o r i z o n t a lj o u m e y sa n dt h eh u m a n o r g a n i z a t i o n ss p o r tl a ww h i l ea d j u s t i n gw i t ht h eb a c ka n g l et h r o u g has e r i e so fo p e r a t i o n f o r m u l a ea n dm e t h o d s ，a n dh a so p t i m i z e dt h eb a c kc l n v e ，t h ed e s i g nd r i v i n gt h es e a tt ot h e c a rh a so f f e r e ds c i e n t i f i cb a s i s ；p u tf o r w a r dt h ef o r mo ft h ed i s p l a yu n i t t h a tc a nr e d u c e f a t i g u eo ft h er e c o g n i z ea n dt h em i s t a k ei nr e a d i n g ，a n dt oo p t i m i z er a t i o n a l l ys h o wt h ef o r m o ft h ed e v i c e ；a n a l y s et ot h ec a rh a n ds t e e r i n gg e a ra n df o o ts t e e r i n gg e a ri nm a n - m a c h i n e e n g i n e e r i n g , t h e nh a v et h er a t i o n a ld e s i g nf o r m so fs t e e r i n gw h e e l ，r u n n i n g - b o a r d ，e t c w h i l e b e i n gm a n - m a c h i n et oc a r r yo n ；p u tf o r w a r da n do p t i m i z ea n dd r i v et h es u g g e s t i o nt h a tt h e e n v i r o n m e n ti sd e s i g n e di nt h ec a rp a r t l y ，h a so f f e r e dr e f e r e n c ef o re n v i r o n m e n ts e c u r i t yo f d r i v e r sc a b i n ，c o m f o r t a b l e n e s sa n dp l e a s a n td e s i g n s u m m a r i z ep a s td e s i g ne x p e r i e n c e ， d e s i g na n a l y s i n gt ot h ec a d r i v e r sc a b i nf r o mp e o p l e t h er e l a t i o no ft h em a c h i n ea n dp e o p l e t w or e s p e c t so fe n v i r o n m e n t a lr e l a t i o n ，p e o p l en ol o n g e rg ot o a d a p tt ot h ea u t o m o b i l e p a s s i v l y ，b u tf i n i s h e sag o a lw i t ht h ea u t o m o b i l et o g e t h e r , m a k ei ts u i t a b l ef o rp e o p l e sm o r e o p e r a t i o n f u l l yc o n s i d e rt h eh u m a nf a c t o r ，g u a r a n t e et h a tt h ec a ri sm o r ec o m f o r t a b l e , s a f e r , t h em a x i m u ma d a p t st ot h ee n du s e r , t h u sm a k et h ep e r s o ni nt h ec a rd r i v e r sc a b i n t h e m a c h i n e - t h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h ee n v i r o n m e n t a ls y s t e mr e a c ho p t i m u m l y k e yw o r d s ：d r i v e r sc a b i n h u m a ne n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n td e s i g n 硅 第一章绪论 1 1 引言 驾驶室设计是轿车设计中非常重要的部分，设计是否合理直接影响到驾驶员的安 全、效率、舒适和健康。传统的设计方法主要是以经验设计为主，而人机工程学理论 和计算机技术的发展，为依据人机工程学理论和利用计算机手段进行驾驶室设计提供 了条件，使设计方法程序化，从而缩短了设计周期；更重要的是可依据我国人体尺寸 进行设计，使设计的结果更加合理。 随着现代社会的发展，汽车已不再只是一种简单的代步工具。人们对汽车的性能 ( 诸如：动力性、经济性、舒适性以及安全性等) 要求越来越高。其中，舒适性和安 全性更是近年来的热点，而这两项性能与人体结构有很大的关系。所以，国内外都越 来越注重用人机工程学的原则来设计汽车。本文将阐述人机工程学在汽车驾驶室设计 中的作用。 人机工程学是研究“人一机一环境”系统中人、机、环境三大要素之间的关系， 对人的知觉显示、操作控制、人机系统的设计及其布置、作业系统的组合等进行有效 的研究，目的在于获得最高效率及作业时感到安全和舒适 1 】，为解决系统中人的效能、 健康问题提供理论与方法的科学。应用于轿车驾驶室中则是研究人汽车驾驶环境三个 要素的关系。 人一机一环境系统设计的目的就是创造最优的人机关系、最佳的整体系统工作效 益、最舒适的工作环境。在系统设计时，由于人和机各自的特点不同，都有各自的能 力和限制，因此，应考虑充分发挥各自的特长，合理分配人与汽车的功能，使其取长 补短、相互协调、有机结合，以保证系统的整体功能最优。 在人一汽车一环境系统中，人与汽车系统是主体。人与汽车相互作用的过程，就 是利用人机界面上的显示器和控制器，实现人与机的信息交换过程。在开发研制任何 产品时，都存在人机界面设计的问题。而且随着信息技术的高度发展，操作者面对的 是快速传递和高度复杂的信息，要求操作时精度高而且快速准确。同时，由于计算机 技术的日益更新，人机界面开始由硬件人机界面向软件人机界面转移，这是人与机都 进入了一个新的阶段。研究人机界面的组成并使其优化匹配，产品就会在质量、造型、 外观、功能及产品可用性等方面得到改善和提高，同时也会增加产品的技术含量和附 加值。 1 2 国内外研究现状 人体工程学起源于欧美，原先是在工业社会中，开始大量生产和使用机械设施的 情况下，探求人与机械之间的协调关系，作为独立学科有4 0 多年的历史。第二次世 界大战中的军事科学技术，歼始运用人体工程学的原理和方法，在斑兜、飞机的内舱 设计中，如何使人在舱内有效地操作和战斗，并尽可能使人长时闻地在小空间内减少 疲劳，即处理好人一机一环境的协调关系。及黧第二次世界大战后，各国把人体工程 学的实践和研究成果，迅速肖效她运用到空闻技术、工业生产、建筑及室内设计中去， 1 9 6 0 年麓建了嚣嚣久俸王耧学貉会。入援工稳技零是2 l 藿纪镕惑领域篱要簿决豹耋 大课题。溺外在应用人枫工穰学原理进行轿车驾驶室及酣俘的设计方嚣已进行了长麓 卓有成效的工作，但主要研究成果多集中在提离驾驶舒适性方面，如：应用人体h 点 模型确定率身内部座椅的位鬣、高度及相关尺寸；根据驾驶员眼椭劂范围确定风窗玻 璃刮扫面积和部位；根据驾驶员的手伸及界面确定操作按钮、仪袭板的布置等。 献2 0 毽纪5 0 年代并戆，荚、欧、基先爱露l 定7f m v s s 、e c e 葶鞋傺安基准法等各 耱安全法规，美国还子1 9 7 1 年提出实验安全肇( e s v ) 计划，遥道大量撞车试验改善 车身构造、提高汽车安全性。他们通过到安在被撞试验车上安装“假人”来改进与提 高车身保护乘员的能力，使率身结构的布置、强度和刚度分布与乘员或行人被撞部位 的身体结构特点相适应，达到攀半功倍之效。 遴入2 0 世纪9 0 年代以来，美国、日本籁欧溅各大汽车公司按照“以人兔本”黢 设诗理念，毙瑷往更重稷瘦掰久税工程学熬磅究戏莱，萁琢理不仪瘸予提高汽车熬搽 作方便性和乘坐舒适性，而鼠雁越来越多地被引入安全性车身结构设计中1 2 弓】。中国在 应用人机工程学设计轿车车身结构方面与国外发然国家差距很大【6 j 。 我国9 7 3 、s - 8 6 3 、十五计划及未来的十一赢计划均将人机交置列为主要内容。中 国人机工程学研究是从本世纪三十年代开始斡，绲琢统和深入的歼鼹煲f 在改革开放以 嚣。1 9 8 0 冬4 秀，聱家耘准鼹簸立了全壅人类工教学标准纯技术委瑟会。1 9 8 4 年，鬻 防科工委成立了国家军用入一机一环境系统工耩标准化技术委员会。这两个技术委员 会的建立，有力地推动了我翻人机工程学研究的发展。1 9 8 9 年又成立了中国人类工效 学学会，褥在1 9 9 5 年9 月创刊了学会会刊人类工效学季刊。如北京航空航天大学 设立了人帆环境专业的教学和科研；北京医科大学公共卫生学院也开展了包括坐姿传 监导致懿飘凌鸯髓劳损、耪尘污染致癌等职篷瘸学瓣磷究，霜露龟裁涉及到作耍姿势， 作盟环境评价等方面的入枫工程学的磺究。入枫工程学在中国的避惩和发达国家福眈 有相当大的距离。随着我国科技和经济的发展，人们对工作条件、生活品质的要求也 逐步提高，对产品的人机工程特性也会日益重视。目前市场上很多的产品，也是充分 考虑了人性化的需求。目前，人机工程学在我国不仅有待研究和提黼，更需宣传和普 及。尤其在应爱人极工程学设计赣车车身结构帮驾驶室方蘧与雪努发这国家差距缀大。 1 ，3 论文研究的内容翔懿的 本文趱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 要研究人汽车一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： 2 1 人体特性的研究，包括人体形态特征参数、感知特性、反映特点以及在工作和 生活中的心理特性、人体模板等。 ， 2 座椅的设计。在轿车驾驶中，驾驶员采用坐姿工作，人与汽车的重要接1 ：3 就是 座椅。座椅的设计与布置直接影响到驾驶员与其他乘务员的乘坐舒适性和室内其它相 关设施的布置。合理安置座椅，改善人与座椅之间的关系，对于给驾驶员创造一个舒 适安全的工作环境起至关重要的作用。 3 运用人机工程学基本理论对操纵装置和显示装置进行设计分析。 4 视野的设计。汽车行驶时，驾驶员更需要获取路况和前后左右的行车情况，所 以，如何保证驾驶员的视野是至关重要的。 5 从照明、色彩、空气环境等方面对轿车驾驶室的环境进行理论分析。 本论文研究的目的：通过对人体测量数据、人的视觉特性及人体的生物力学特性 的研究，吸收国外的先进成果，合理地迸行轿车座椅、操纵装簧、显示装置和驾驶视 野等的设计，缩小与国外在这一领域的差距；减少驾驶员操作的疲劳性，提高汽车的 主动安全性，使得驾驶员操作方便、舒适、安全，推进我国汽车支柱产业的生产发展。 第二章人体特性的研究 人的生理、心理特性和能力限度，是人一机一环境系统最优化的基础。对于人体 特性的研究有：人体形态特征参数、感知特性、反映特点以及在工作和生活中的心理 特性等。研究的目的是解决轿车驾驶室的设计如何与人的生理、心理特征相适应，从 而为驾驶者创造高效、安全、健康、舒适的驾驶条件。 2 1 人体形态特征参数 由于个体的差异，对一定量的样本进行人体测量所得测量值是离散的随机变量， 为了便于应用，通常用统计分析方法得出特征参数，如均值，方差，百分位数等。在 人机系统设计中，多用人体测量百分位数。百分位数是一种位置指标，以符号p 。表示， 一个百分位数将全部测量值分为两部分，k 的测量值等于或小于此百分位数，( 1 0 0 一k ) 的测量值大于百分位数。最常用的是p 5 、p 。、p 9 。3 个百分位数，其中p 。代表“小” 身材的人群，代表“中”身材的人群，p 蝣代表“大”身材的人群。国标g b l 0 0 0 0 8 8 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。 g b1 0 0 0 0 8 8 是1 9 8 9 年7 月开始实施的我国成年人人体尺寸国家标准。该标准根 据人机工程学要求提供了我国成年人人体尺寸的基础数据，它适用于工业产品设计、 建筑设计、军事工业以及工业的技术改造、设备更新及劳动安全保护。该标准共提供 了七类共4 7 项人体尺寸基础数据，标准中所列出的数据是代表从事工业生产的法定中 国成年人( 男1 8 6 0 岁，女1 8 5 5 岁) 人体尺寸，并按男、女性别分开列表。为了 应用方便，各类数据中的各项人体尺寸数值均列出其相应的百分位数。根据人体身高 尺寸的分布将人群分为大身材、中等身材、小身材三个身高等级。所以数据分组中只 列出最常用的p 5 、p 5 0 、p 9 5 三个百分位数。 2 1 1 人体主要尺寸 4 l ( a )( b ) 图2 1 立姿人体尺寸 国标g b1 0 0 0 0 8 8 给出身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长共六项人 体主要尺寸数据，除体重外，其余五项主要尺寸及部位见图2 1 和表2 1 。 表2 - 1 人体主要尺寸 年龄分组 男( 1 8 6 0 岁)女( 1 8 5 5 岁) ， 迫分位数 测量项目 5 5 09 555 09 5 1 1 身高 】5 8 316 7 8l7 7 5 l4 8 4 l5 7 0 l6 5 9 1 2 体重，l c g 4 85 97 54 2 5 2 6 6 1 3 上臀长2 8 93 】33 3 82 6 22 8 43 0 2 14 前臂长2 1 62 3 72 5 81 9 32 1 32 3 4 1 5 ，：腿长4 2 84 6 55 0 54 0 24 3 84 7 6 1 6 小腿长 3 3 83 6 94 0 3 3 1 33 4 43 7 5 2 1 2 立姿人体尺寸 该标准中提供的成年人立姿人体尺寸有：眼高、肩高、肘高、手功能高、会阴高、 胫骨点高，这六项人体尺寸的部位见图2 1 ( b ) ，我国成年人立姿人体尺寸见表2 2 。 表2 - 2 立姿人体尺寸 年龄分组 男( 1 8 6 0 岁)女( 1 8 5 5 岁) 百分位数 测量项 55 09 555 09 5 2 1 眼高 14 7 4l5 6 8i6 6 4l3 7 114 5 4l5 4 1 2 2 肩商 l2 8 ll3 6 7l4 5 51 1 9 512 7 113 5 0 2 3 肘高9 5 410 2 4l0 9 68 9 99 6 0l0 2 3 2 4 手功能高6 8 07 4 18 0 1 6 5 07 0 4 7 5 7 2 5 会l l f j 高7 2 87 9 08 5 6 6 7 37 3 27 9 2 2 6 胫骨点高 4 0 94 4 44 8 13 7 74 l o4 4 4 2 1 3 坐姿人体尺寸 图2 2 坐姿人体尺寸 标准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、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢长共1 1 项，坐姿尺寸部位见图2 2 ，表2 3 为我国成年人坐姿人体尺寸。 表2 - 3 坐姿人体尺寸 年龄分组 男( 1 8 6 0 岁)女( 1 8 5 5 岁) 、厅分世嚣 测量项 5 5 0 9 5 55 09 5 3 1 坐高8 5 8 9 0 8 9 5 8 8 0 98 5 59 0 1 3 2 坐姿颈椎点商6 1 5 6 5 77 0 l5 7 96 1 76 5 7 3 3 坐姿眼高 7 4 97 9 88 4 76 9 57 3 97 8 3 3 4 坐姿用矗 5 5 75 9 86 4 15 1 85 5 65 9 4 3 5 坐姿肘t 每 2 2 82 6 32 9 82 1 52 5 l2 8 4 3 6 坐姿大皿避厚1 1 21 3 01 5 11 1 31 3 01 5 1 3 7 坐姿膝商4 5 6 4 9 35 3 24 2 44 5 84 9 3 3 8 小腿加足商3 8 3 4 1 34 4 83 4 23 8 24 0 5 6 3 9 坐深4 2 l4 5 7 4 9 4 4 0 l4 3 34 6 9 3 1 0 臀膝距5 1 55 5 4 5 9 54 9 5 5 2 9 5 7 0 3l 】坐姿下肢长 9 2 1 9 9 2 10 6 38 5 19 1 29 7 5 2 1 4 人体水平尺寸 ( a )( b ) 图2 3 人体水平尺寸 ( c ) 标准中提供的人体水平尺寸是指：胸宽、胸厚、肩宽、最大肩宽、臀宽、坐姿臀 宽、坐姿两肘间宽、胸围、腰围、臀围共十项，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 4 人体水平尺寸 年龄分组 男( 1 8 6 0 岁)女( 1 8 5 5 岁) 百分位数 测量项 55 09 555 0 9 5 4 】胸宽2 5 32 8 0 3 15 2 3 3 2 6 02 9 9 4 2 胸厚1 8 62 】22 4 51 7 01 9 92 3 9 43 肩宽3 4 43 7 54 0 33 2 03 5 13 7 7 4 4 最大肩宽3 9 84 3 l4 6 93 6 33 9 74 3 8 4 5 臀宽2 8 23 0 63 3 42 9 03 1 7 3 4 6 4 6 坐姿臀宽2 9 53 2 1 3 5 5 3 l o3 4 4 3 8 2 4 7 坐姿| 蚵肘问宽 3 7 14 2 24 8 93 4 84 0 43 7 8 48 胸同7 9 i8 6 79 7 07 4 58 2 59 4 9 4 9 脞尉6 5 07 3 5 8 9 5 6 5 97 7 2 9 5 0 4 1 0 臀h 爿8 0 58 7 5 9 7 0 8 2 49 0 0 1o o o 7 、世l厂一 r。业坠们“ ，】一，一三一茴 2 2 人的视觉晌应特性i 7 l 在人机系统中，机器通过界面将信息传递给人的感觉器官( 如眼睛、耳朵等) ，感 觉器官接受的信息经传人神经传给大脑皮层并进行信息处理，神经中枢发出指令并经 传出神经下达给运动器官( 如手、脚等) 作出运动响应，从而实现对机器操纵装置的 操作，改变机器的运行状态。在人一车系统中，起主导作用的是驾驶员视觉器官的视 觉特性。 在汽车主动安全系统设计中应用的主要视觉特性如下。 1 视角：由瞳孔中心到被观察对象两端所张开的角度。在一般照明条件下，正常 人的眼睛能辨别5 m 远处两点间的最小距离，其相应的视角为l 。被定义为最小视角。 人眼辨别物体细部的能力随着照度及物体与背景亮度的对比度的增大而增大。 2 视力：人眼对物体细部识别能力的生理尺度，被定义为临界视角的倒数。规定 当临界视角为r 时，视力等于1 o ，为正常视力。 3 视野：指人的眼睛观看正前方所能看得见的空间范围，常以角度表示，按状态 可分为静视野，注视野和动视野。正常人双眼静视野范围：在垂直方向约为1 2 5 。( 视 水平线上方5 5 。，下方7 0 0 ) ；在水平方向约为1 2 0 。( 两眼内侧视野重合约6 0 。，外侧各 3 0 0 ) 。为了减轻人眼的疲劳，人一机系统设计中常以人眼的静视野为依据。 4 视距：指眼睛到被观察对象的距离。一般应根据被观察对象的大小和形状，在 3 8 0 7 6 0 m m 之间选择最佳视距。 5 视觉的运动规律：眼睛水平运动比垂直运动快，通常先看到沿眼睛水平运动方 向放置的物体，后看到沿眼睛垂直运动方向放置的物体；人眼沿垂直方向运动比沿水 平方向更易疲劳；人眼视线移动习惯于从左到右、从上到下和顺时针方向运动；人眼 对水平方向尺寸和比例的估计比垂直方向准确。 2 3 人体的生物力学特性 1 操作力：指在一定综合条件下肌肉的出力能力和限度，其大小不仅取决于人体 肌肉生理特性，还取决于人的操作姿势、施力部位、施力方向、施力方式及其持续时 间等因素。在人一机系统设计中常用的操作力有手臂操纵力、足蹬力和手握力。 2 人体动作的灵活性和准确性：人体动作的灵活性是指操作时动作的速度和频率。 人体动作的准确性是指对动作方向、动作量、动作速度和动作力量4 个要素的量值大 小及其相互之间配合程度的评价。人体不同部位或不同方向的灵活性和准确性是不同 的，水平面运动比垂直面快：从上往下的运动比从下往上的快；前后运动比左右运动 快；顺时针操作比逆时针快；一般人右手操作比左手快：向身体方向的运动比离开身 体方向快：右侧动作定位比左侧准确：下部动作定位比上部准确；双手直接在身前的 操作定位准确性最高。 2 4 人体模板应用 以人体参数为基础建立的人体模型是研究、设计、评价、试验人机系统的重要辅 助工具，应用时必须根据设计对象的结构特点和设计参数来选用适当百分位的人体模 型。进行轿车驾驶室设计时，系统许多参数是由人体参数和人操作或舒适坐姿要求确 定的。由于相关尺寸复杂，“人”与“机”的相互位置要求严格，设计中需选用百分位 人体模型，如汽车h 点二( 三) 维人体模型( 模板) 、数学仿真模型等。坐姿人体模板 适用坐姿条件下确定座椅、工作面、支承面、调节部件配置等人机工程学分析和设计。 g b t1 4 7 7 9 9 3 标准规定了不同身高等级的成年人坐姿模板的功能设计基本条件、 功能尺寸、关节功能活动角度、设计图和使用条件。图2 4 2 5 是人体模板的侧视图 和展开示意图。g b f r1 2 9 8 5 规定，男子身高等级采用数据增加2 5 m m 鞋跟尺寸，女子 身高等级采用数据增加2 0 m m 鞋跟尺寸。 基准歧 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、止视示意 按人机工程学的要求，在设计机械、作业空间、家俱、交通运输设备，特别是设计 各种运行机械时，对车身型式的选择、驾驶室空问的确定、显示与操纵机构的布置、 9 驾驶座以及乘客臆椅尺寸等方筒的设计参数，都是以人体尺寸作为依搬的。因而人体 搂板鼢应羁氇裁十分广泛，主要茸蘑于赣韵镪鎏、薅蘩设诗、辘韵演示蠛禳誉测试等 方瑟。 在汽车、飞机、轮船等交通遴输设备设计中，其驾驶盛或驾驶舱、驾驶座以及熬辫 痉耪等稳关足寸，也是有人体必寸及其操传姿势或舒适麴坐姿确定的。但是，由予鞫 美尺寸簿露复杂，人与“瓤”黥耱薅霞霉赛求叉劳严樯，为了蓑这种天撬系统麓设 计熊熙好地符合予人的生理要求，在设计中，可以采用人体模板来校核有关驾驶黧空 间尺寸、方向盘锋操纵机构的彼蹩、显示仪凝的布置等熄否符合人体尺寸与规定姿辨 魏要浆。 罄2 6 二雅人体禳型 躞2 7 三雅a 体模型 第三章汽车座椅设计分析 驾驶员驾驶姿势直接影响着驾驶员的舒适和健康，关系着是否能够安全、高效、 准确地驾驶。同时它还决定着舒适程度，以及长期驾驶是否对驾驶员造成生理和心理 上的有害的影响。 在轿车驾驶中，驾驶员采用坐姿工作，人与汽车的重要接口就是座椅。座椅的设 计与布置直接影响到驾驶员的乘坐舒适性和室内其它相关设施的布置。合理安置座 椅，改善人与座椅之间的关系，对于给驾驶员创造一个舒适安全的工作环境起至关重 要的作用。 3 1 座椅的人机工程分析 3 1 1 坐姿的生理形态 座椅为了吸收振动，则使用各种缓冲材料来制造，而另一方面，人体乘坐时就会产 生一定的弹性变形，将人体乘坐后达到最终安定的姿势，成为人体乘坐的安定姿态。 人体乘坐是否舒适，与安定姿态能否符合人体的正常生理腰曲弧线有关，而座椅的表 面形状和支撑特性直接决定了人体乘坐的安定姿态。 在坐姿状态下，支持人体的主要结构是脊柱、骨盆、腿和脚等最舒适的坐姿是臀部 稍离靠背向前移，使上体略向上后倾斜，保持上体与大腿间角在9 5 。1 2 0 。，同时，小 腿向前伸，大腿与小腿、小腿与脚掌之间也应达到一定角度，如图3 1 所示，否则会 造成腰部酸痛、疲劳等不舒适的感觉。 2 口 图3 1 驾驶员身体关节舒适角 根据人体工程学研究的结果，人体呈正常的腰曲弧线时，各椎骨之间的间距正常， 椎i 自j 盘上的压力轻微而均匀，椎问盘几乎无推力作用于韧带，人体腰部无不舒适的感 觉，即为人体在松弛状态下侧卧时的脊椎所呈的自然曲线。若脊椎前弯，则椎骨之问 的距离改变，两椎骨前端间距缩短，后端增大。椎间盘在间距缩短的前端受到推挤和 摩擦，迫使它向韧带作用一推力，使正在被拉伸的韧带受到椎间盘的推力作用产生脊 椎疲劳，而感到不舒适。图3 2 所示为人体脊椎构造及正常腰曲弧线的形状。显然，舒 适的座椅对人体的支撑应保证人体在安定姿态下处于正常的腰曲弧线。 图3 2 脊柱的形状及组成 一般舒适座椅的设计，其靠背要能合理地支撑人体的肩部和腰部，是达到舒适支撑 面的必要结构措施。所谓肩靠能减轻人体的颈曲变形，设置在5 、6 胸椎之间；腰靠则 保证使人体的腰曲弧线呈正常形状，支撑在第2 、3 腰椎上，支撑量1 5 m m 2 5 m m ， 这就是舒适座椅设计的两点支撑原则。此外，头枕用来支撑人体头部也是非常重要的。 3 1 2 人体坐姿的体压分布 当人体处于乘坐安定姿态时，人体的质量在靠背和坐垫上的压力分布叫坐姿的体 压分布。根据人机工程学的研究，最舒适的坐姿分布应保证：人体的大部分质量应以 较大的支承面积、较小的单位压力合理地分布到坐垫和靠背上；压力分布应从小到大 平滑地过渡，避免突然变化。 图3 3 所示为人体的靠背和坐垫上最适宜的体压分布1 2 “。由图可见，人体质量作 用在座椅上的压力并非均布，由前面分析可知，舒适的坐姿是肩部和臀部同时支撑身 体质量，因而应根据各部位在产生不舒适感觉之前所能承受压力的大小予以合理的分 布。坐挚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，直到与坐挚前缘接触的大腿下平面趋于最低值靠背上的体压分布则 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”。 1 2 3 图3 3 坐椅各部位的受力图 确定驾驶姿势时，人体肢体的活动范围是需要考虑的另一个重要因素。肢体活动 范围主要受骨骼和韧带的限制，是影响人运动能力的另一个因素，种族、性别、年龄、 行为习惯的不同也会对肢体活动范围产生影响。图3 1 所示为驾驶员坐姿的轻松舒适活 动范围。在这种坐姿下驾驶汽车，驾驶员的腰曲弧线受拉伸最小，腰背部的肌肉处于 松弛状态，大腿血管不受压迫，颈曲变化也小，从而被认为是理想的舒适驾驶姿势。 “舒适性”是驾驶室设计的一个重要要求，因此图3 1 所示的驾驶员坐姿的轻松 活动范围成为进行驾驶室设计的一个重要依据。但是，在使用过程中应当注意：座椅 位置的经验计算公式，是驾驶员从总体考虑选择的位置，正好满足人机工程学的要求， 而舒适角度仅仅从人体的特性出发，所以在两者发生矛盾时，应当在对舒适角度影响 不大的情况下，尽量满足经验公式和其他方面的要求。 3 1 3 振动 振动对驾驶员的直接影响涉及躯干和身体局部的生物动态反应行为、生理反应、 性能减退和敏感度障碍。表l 列出了人体各个主要部位的共振频率【9 】【1 0 】。 表3 - 1 人体各个主要部位的共振频率( h z ) l 身体部位伞身f 坐姿)头部 眼胸部 府部手臂脊柱 胃 i 共振频率5 62 0 3 02 0 2 54 62 61 0 2 03 54 5 人体在振动环境中会加速疲劳过程。当振动环境中的振动特性处于人体神经系统 的敏感区域时，这种刺激频繁传入大脑皮质，引起大脑皮质细胞兴奋。当达到一定限 度时，皮质细胞的工作强度将减弱，人就会感到疲劳，工作效率明显下降。 驾驶用座椅动态舒适性主要与振动特性有关。影响驾驶疲劳的振动主要是行驶中 因道路凹凸不平而引起车辆随机振动和车辆本身的机械振动。驾驶员受到纵向、横向 及垂直方向的直线振动，以及绕这3 个方向的角振动。其中垂直振动和绕纵、横坐标 轴的角振动对人体的影响较大。振动通过座椅传递到人体的臀部、后背部而引起全身 性振动。因此，在设计汽车座椅时应尽量隔离人体敏感的振动。 在座椅设计中可采取如下措施】：减小座椅共振频率，降低对人体最有影响的高 频区：降低共振时的振动传递率；降低乘员1 0 h z 附近的振动传递率，以减轻弹簧以下 的共振的影响和减少来自座椅靠背的高频振动；把路面一轮胎、悬架、座椅一人三者 看作一个整体大动力学系统，寻求在各种路面随机输入情况下使乘员不易疲劳的最优 结构。另外，对于座椅的动态特性按照传入人体的能量最小、使人体在敏感频率区域 动态响应最小、传给人体的加速度均方根值最小等目标进行优化1 1 0 1 ，与汽车的其他减 振系统相匹配，使人体处于更合适的振动环境，这些都是减轻驾驶疲劳的重要措施。 3 1 4 温湿度 研究表吲9 】，驾驶员在驾驶状态下的舒适温度为1 8 2 3 c ，舒适湿度为4 0 6 0 ，代谢量为1 0 2 o m e t 。座椅对人体热环境的主要影响因素有：座椅表面的温度 和湿度。座椅表面的温湿度特性将影响人体背部、臀部、下体等部位的散热性能及皮 肤的呼吸功能，当其温湿度特性与人体生理机能不适应时将引起人体局部不快感，从 而加速人体疲劳的形成。 另外，根据驾驶室的微气候环境，调整座椅表面的温湿度特性，可以适当调节人 体代谢，达到减轻疲劳的目的。如提高座椅材料的呼吸能力，增加材料的透气性，在 不同的季节条件、温湿环境下使用不同的座椅面料，以及在中高档汽车中采用主动通 风式座椅，消除驾驶员在座垫表面和背部表面所产生的热量，使人体与座椅接触区保 持适宜的温湿度【1 2 】等措施均能改善座椅表面的温湿度特性，减轻驾驶疲劳。 3 1 。5 座椅与工作空间 驾驶作业空间可分为操作空间和，1 1 , 理空问两部分。操作空间是指驾驶人员进行正常 作业所必须的物理空间。其空间应适应人体尺寸、作业特点以及作业姿势，图3 4 图 3 6 分别为驾驶员坐姿条件下上肢垂直面作业域、上肢水平面作业域以及下肢垂直面作 业域( 踏板操作) 【1 “。 心理空间是指围绕驾驶人员并按其心理尺寸所要求的空间。一般来说，人的心理空 间要求大于操作空间要求。当心理空间要求受到限制时，会产生不愉快的消极反映或 回避反映，加速心理疲劳的形成。因此在作业空间设计时，不能不考虑人的心理空间 要求。 o2 如$ 1 0 7 1 妇t 图3 4 上肢垂直面作业的作业域图 i 入白吣够厂乃恿两 l 伫竺袒j 。 图3 5 上肢水平面作业的作业域( e r a ) 1 4 座 位 墓 菩 犁 毫 离 ( o ) c 二脚生操作楚围帮 图3 6 下肢垂直面作业的作业域( 踏板操作) 由于汽车驾驶的特点，在驾驶座椅设计时还应考虑座椅与空间的协调问题，驾驶 空间以坐姿活动空间为依据。图3 7 列出了驾驶作业空间设计的主要指标【1 4 】。 图3 7 驾驶作业空间设计 3 2 座椅的人机工程学要求 驾驶姿势下人体尺寸是座椅几何尺寸确定的基准，以下是基于人机工程学原理的 座椅有关参数的选取方法： 1 椅面高度：椅面高度应使驾驶员大腿接近水平、小腿自然放置，即保证不因椅 面过高而使大腿肌肉受压，又保证不因椅面过低而增加背部肌肉负荷。 2 座宽：座宽必须能容纳身材粗壮的人。参考尺寸时臀宽以女性群体尺寸上限为 设计依据；为使驾驶员能调整坐姿，座宽取适当大于臀宽。座宽亦不能太大，否则肘 部必须向两侧伸展以寻取支承，这样会引起肩部疲劳。另外座宽受车宽的限制。 3 座深：座挚前端至靠背表面之间的距离。该尺寸不能太大，正确的座深应使靠 背方便地支持腰椎部位。如座深大于身材矮小者的大腿长，座面前缘将压迫膝窝处压 力敏感部位，这样若要得到靠背的支持，则必须改变腰部正常曲线；否则坐者必须向 前缘处移动以避免压迫膝窝，却得不到靠背的支持。这两种坐姿都是不舒适的。为适 应绝大多数驾驶员，座深应当按照较小百分位的群体设计，这样身材矮小者坐着舒适， 身材高大的人只要小腿能得到稳定的支持，也不会在大腿部位引起压力疲劳。 4 座面倾角：指座面与水平面所夹角度。座面后倾的作用有两点：一是由于重力 躯干后移，使背部抵靠靠背获得支持，可以降低背肌静压。二是防止坐者从座缘滑出 座面，这对于经常处于震动颠簸环境中的驾驶员座椅非常重要。但是如果座面过分后 倾，进行驾驶操作时，脊椎因身体前屈而会被拉直，破坏正常的腰椎曲线，形成一种 费力的姿势，同时还会压迫腹部，长期驾驶会造成生理上的伤害。因此倾角不能太大， 一般为7 1 2 。坐垫表面最好有与臀部形态相适应的曲面。 5 椅垫：坐姿状态下，与座面紧密接触的实际上只是臀部的两块坐骨结节，其上 只有少量肌肉，人体重量的7 5 左右由约2 5 c m 2 的坐骨周围的部位来支承，这样久坐 足以产生压力疲劳，导致臀部痛楚麻木感。若在座面上加上软硬适度的座垫，则测试 研究表明，坐于座垫上的臀部压力值大为降低，而接触支承面积也由9 0 0 c m 2 增大到 1 0 5 0 c m 2 ，使压力分散。座垫的另一优点是能使身体采取一种较稳定的姿势，因为身体 可以适度地陷入座垫。座垫的软硬要适度，过硬的座垫不足以起到预想的作用；太软 则使身体陷入其中，无法得到应有的支持，造成坐姿不稳，而身体为了维持一定的姿 势，不得不使肌肉紧张，疲劳则很快产生。 对汽车座椅的综合要求可归纳为： 1 各部贴合感：要求座椅靠背和坐垫的形状与人体背部、臀部及大腿底面的形状 相贴合。贴合感强的座椅将有利于改进接触面积和部位。 2 横向稳定感：汽车转弯时，人体承受横向加速度，为了提高乘员的身体保持性， 要求座椅的侧面稍加高，以便两胯和大腿部能轻轻支承身体。 3 背部和腰部的合理支承：汽车座椅设计时应提供形状和位簧适宜的两点支承， 第一支承位于人体第5 - 6 胸椎之间的高度上，作为肩靠，能减轻颈曲变形；第二支承 设置在腰曲部位，作为腰靠，能保证乘坐姿势下的近似于正常的腰曲弧线。 4 各部合适的软硬感：座椅的最重要作用是支撑乘员的身体，不能只是一把安乐 椅，表面硬一些的座椅不易使人疲劳，但与身体不是特别贴合的硬座椅会压迫身体的 某一部分，使疲劳感倍增。 5 振动舒适性：需要设计好座椅的静态刚度、共振频率及衰减特性。 3 3 理想座椅的设计分析 确定具体百分比的人体模型所对应的h 点位置，一般有两种思路：是从加速踏 板丌始，确定脚跟着于地板上的着地高度，同时将脚底置于加速踏板上，在加速踏板 的整个行程内，应保证腿脚夹角在9 0 0 1 1 0 0 的范围内变化，再根据不同车型对人体生 理结构所决定的各关节舒适角度范围，确定出人体模型的平面布置关系，从而确定出 人体模型的h 点位置；还有一种方法是车身高度已确定，则人体模型从已知的顶盖内 衬高度开始，留有头部间隙由上向下布置，在室内长度允许的情况下，根据人体舒适 驾驶姿势所要求的身体各关节角度范围的踵点的纵向位置，将人体模型的布置位置确 定出来，这种方法对于车身较矮的小型轿车很适用。但在座椅布置过程中，应确保人 1 6 体模型最后的坐姿能符合人体舒适坐姿”】。 考虑到舒适性和安全性，驾驶员座椅位置的计算是非常重要的。目前普遍采用的 是s a e j l 5 1 7 给出的计算方法。这是费力朴( p h i l i p p a r te r a l ) 采用回归公式推导出的是用 于七个百分位的座椅位置计算公式。在试验中，让驾驶员选择合适的驾驶位置，记下 该位置的参数，通过对大量参数进行回归计算，得出了用于七个百分位的适宜座椅计 算公式： x 9 75 - - 9 3 6 6 + o 6 1 3 8 7 9 z - 0 0 0 1 8 6 2 4 7 2 2 x 9 5 - - 9 1 3 7 + o 6 7 2 3 1 6 z 0 0 0 1 9 5 5 3 0 2 2 x 9 0 = 8 8 5 伊旧7 3 5 3 7 4 z - 0 0 0 2 0 16 5 0 2 2 x 5 0 = 7 9 3 7 + o 9 0 3 3 8 7 z - 0 0 0 2 2 5 5 1 8 2 2 x ，o - - 7 1 5 9 + o 9 6 8 7 9 3 z - 0 0 0 2 2 8 6 7 4 2 2 x 9 7 5 = 6 9 2 6 + 0 9 8 1 4 2 7 z - 0 0 0 2 2 6 2 3 0 2 ；2 x 25 = 6 8 7 1 + o 8 9 5 3 3 6 z - 0 0 0 2 1 0 4 9 4 2 2 式中x 广一第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， i i l r n 。z - h 点离加速踏板踵点的高度，m m 。上面公式反映了，当驾驶员以比较喜欢 的姿势驾驶汽车时，座椅的水平位置与座椅的高度之间的关系。 3 3 1 驾驶座椅调节方案确定 为满足不同身材的驾驶员的需求，现在驾驶室设计中，一般把座椅、方向盘、和 加速踏板设计成可以调节的，从保证良好的视野性、操作方向盘、加速踏板的方便性 来分析几种不同的调解方案。分析时以第9 5 百分位男驾驶员和第5 百分位女驾驶员的 身体尺寸为依据。汽车座椅的布置应该先研究确定座椅的调节方案，调节方案有五种： 渤 图3 8 各种调节方式 1 固定h 点( h i p p o i n t ，人体身躯与大腿的连接点，即胯点) ：图3 8 b 为h 点固 定即座位不可调节的方案。第9 5 百分位男驾驶员与第5 百分位女驾驶员的h 点被认为 重合于同一点。此时，为适应上述两种百分位身材驾驶员的操作，要求加速踏板的纵 向调节量为1 9 0 m m ，方向盘的纵向调节量为7 0 m m ，方向盘的垂直调节量为8 0 m m 。 即使如此，眼睛在垂直方向上的位置变化将达8 0 m m ，且要求加速踏板能提供1 2 0 m m 的调节量，方能保证视野和坐姿。 2 固定方向盘抓取点：图3 8 c 为不同身材驾驶员