（车辆工程专业论文）轻型客车驾驶室人机工程设计方法研究.pdf

摘要 车辆人机工程学是人机工程学科的一个重要分支。对驾驶室进行人机工程分 析和校核是车辆设计中一个必经的环节。人机工程设计方法对提高车辆的安全 性、提高驾驶员的舒适性和视野性都起着十分重要的作用。 本文以一轻型客车驾驶室为研究对象，针对该车存在的舒适性等方面的问题 进行整改，在对h 点进行研究的基础上重新布置该车驾驶室，并对重新布置之后 的驾驶室进行人机工程分析和校核。以下是本文研究的主要内容： ( 1 ) 分析和研究了国内外车身的布置方法。通过研究国内外不同的车身布置 方法，给出了它们的相同点和不同点，并对眼椭圆、手伸及性等车身布置工具进 行了归纳和总结，。这些工具是人机工程分析的理论依据和必要手段，为我们的 理论分析和设计方法提供了借鉴。 ( 2 ) 提出了一种h 点确定方法一h 点多目标约束因子法。文中对a 类车和b 类车的h 点确定方法进行了对比，并重点针对国内相对关注较少的b 类车进行了 研究，在对传统h 点确定方法进行对比和总结之后，提出了一种比较实用的，可 以快速准确地确定出符合设计要求的h 点区域的h 点确定方法。较传统的设计 方法该方法能提高车身设计的准确性和设计效率。 ( 3 ) 对某b 型车的驾驶室进行人机工程分析和校核。作为应用实例，文中引 入最先进的人机工程分析软件r a m s i s ，对一款b 型车的驾驶室进行人机工程分 析和校核，对该车驾驶室的舒适性、视野性、空间和伸及性进行了比较深入的分 析。在分析的基础上，作者给出了对驾驶室的布置方法的一些新的理解和体会。 综上所述，人机工程设计方法的研究对提高车辆的品质，保证驾驶员和乘客 的健康具有重大的意义，同时对缩短车辆的开发周期，减少开发经费具有实际意 义。 关键词：车辆人机工程学，r a m s i s ，车身内部布置方法 a b s tr a c t v e h i c l ee r g o n o m i c si sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fe r g o n o m i c s i ti sa ne s s e n t i a ls t e p f o rv e h i c l ed e s i g nt oa n a l y z ea n dc h e c kc a bi ne r g o n o m i cd e s i g nm e t h o d e r g o n o m i c d e s i g nm e t h o dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nv e h i c l es a f e t y , d r i v e r sc o m f o r ta n d v i s i o n i nt h i sp a p e r , am i n i b u sd r i v e r sc a ba st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h e r ei sc o m f o r tf o r t h ec a ri s s u e ss u c ha sr e c t i f i c a t i o n ，h p o i n ti nt h es t u d yb a s e do nt h er e - a r r a n g e m e n t o ft h ev e h i c l ec a b ，a n da f t e rr e a r r a n g e m e n to ft h ec a bt oe r g o n o m i ca n a l y s i sa n d v e r i f i c a t i o n t h ef o l l o w i n ga r et h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e r ： ( 1 ) m a k ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nb o d yl a y o u ta th o m ea n da b r o a d ，a n d s u m m a r i z ea n dc o n c l u d eb o d yl a y o u tt o o l sf o re y eo v a l ，h a n d sa n da x i a l t h et o o l sa r e t h e o r e t i c a lb a s i sa n dn e c e s s a r ym e a n so fe r g o n o m i ca n a l y s i s b yr e s e a r c h i n go n d i f f e r e n tl a y o u tm e t h o da th o m ea n da b r o a d ，w ec a l lf i n do u tt h e i rs i m i l a r i t i e sa n d d i f f e r e n c e s ，a n da b s o r ba d v a n t a g e s ，a sw e l la sg o o dr e f e r e n c eo na n a l y s i sa n dm e t h o d ( 2 ) m a k ec o m p a r a t i o no nm e t h o d so fh p o i n td e t e r m i n a t i o nf o rv e h i c l e s ( a c l a s sa n db c l a s s ) ，a n df o c u so ns t u d yo fd o m e s t i c b - c l a s sv e h i c l e s ，w h i c hi sr e l a t i v e l y l e s sa t t e n t i o n a l a f t e rc o m p a r i s o na n dc o n c l u s i o no nt r a d i t i o n a lm e t h o d so fhp o i n t d e t e r m i n a t i o n ，t h ep a p e rp r o p o s e s am o r e p r a c t i c a l m e t h o do fhp o i n t d e t e r m i n a t i o n - - m u l t i o b j e c t i v ec o n s t r a i n tf a c t o rf o rhp o i n t hp o i n tr e g i o nc a nb e i d e n t i f i e dq u i c k l ya n da c c u r a t e l ya n dm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sb yt h i sm e t h o d ， g r e a t l yi m p r o v i n ga c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo fd e s i g nc o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lm e t h o d ( 3 ) i n t r o d u c et h em o s ta d v a n c e de r g o n o m i c sa n a l y s i ss o f t w a r er a m s i s ，m a k e e r g o n o m i ca n a l y s i sa n dc h e c ko nc a bo fa nb - c l a s sv e h i c l e s ，a n dd e e p l l ya n a l y z eo na f o rt h ev e h i c l ec a bc o m f o r t ，v i s i o n ，s p a c ea n da n da x i a l ，g e t t i n gf u r t h e ru n d e r s t a n d i n g a n de x p e r i e n c ei nc a bl a y o u tb a s e do na n a l y s i s i ns u m m a r y , t h es t u d yo ne r g o n o m i cd e s i g nm e t h o dh a sas i g n i f i c a t es e n s et o i m p r o v eq u a l i t yo fv e h i c l e s ，e n s u r eh e a l t ho fd r i v e r sa n dp a s s e n g e r s ，a sw e l l a s s h o r t e n i n gv e h i c l ed e v e l o p m e n tc y c l ea n dr e d u c i n gd e v e l o p m e n t c o s t s k e y w o r d s ：v e h i c l ee r g o n o m i c s ，r a m s i s ，b o d yi n t e r n a ll a y o u tm e t h o d i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理7 - 大q ：有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一辩聊魏社峨啦蛔 武汉理1 = 大学硕士学位论文 1 1 研究的目的与意义 第1 章绪论 改革开放3 0 年以来，我国社会不断发展，人们生活水平不断提高，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。这些要求不但体现在轿车上，而且在商用车 上也逐渐得到体现。客车驾驶室设计是车身设计一个重要的部分，驾驶员的健康、 安全、舒适和效率都与设计的合理有关。传统的设计方法主要是以经验设计为主。 而随着社会、经济的不断发展，计算机技术的不断进步，车辆人机工程学理论的 不断完善，这些有效的技术条件为驾驶室的设计开发提供了前所未有的科研平 台。车身设计方法的程序化，可以缩短了汽车设计周期，降低开发成本。汽车舒 适性和安全性与人体结构有很大的关系【l 】。汽车人机工程学是近年来研究的热 点。本文结合了我国人体尺寸进行客车车身设计，具有很好的现实意义。 1 1 1 吸收国外在这一领域的先进成果，缩小差距 通过阅读大量与人机工程学有关的的国内外期刊、论文文献，对比后发现专 家学者在这一领域的相关研究很少，相关度较高的文献更是有刚2 1 。轻型客车等 商用车厂家各个部门的研发、设计、制造人员进行实地操作来做出的感性评价是 驾驶室的舒适性、视野性、可及性等人机工程方面的设计依据。用这种方法对轻 型客车驾驶室进行人机工程学的设计、指导和评价，缺乏一个比较深入、系统的 研究和理论的支持。相对而言，在国外，已经有越来越多的研发、设计人员和人 机工程学专家在这方面进行研究；而在国内，汽车特别是轻型客车驾驶室人机工 程的应用研究仍没有得到应有的重视。因此，根据国内的实际情况针对性地对轻 型客车驾驶室进行人机工程研究，同时通过分析、学习、吸收国外的先进成果将 可以提高我国汽车工业的设计和研发水平，同时可以缩小与一些发达国家汽车工 业在这一方面的差距，因此有着比较可观的经济效益和重要的学术意义【3 j 。 1 1 2 提高驾驶的舒适性和操作的准确性 根据流行病学的调查显示，汽车驾驶员腰痛患病率远远高于非驾驶人群，平 均达到6 8 。驾驶员在疲劳状态下驾驶车辆，反应迟钝，身体各部分处于消极状 态，操作不准确，较易判断失误。同时由于仪器仪表、内饰等方面的不合理问题， 也会造成驾驶员长时间驾驶产生疲劳，从而引发交通事故。有调查表明，有7 的被调查者宣称曾经由于疲劳发生过交通事故，有超过6 0 的被调查者在驾驶过 武汉理工大学硕士学位论文 程中经历过疲劳，这其中就有相当一部分是因为人一机关系不协调而造成的1 4 】。 本论文从人机工程原理的研究入手，通过对h 点的研究以及h 点和驾驶室人机 布置关系的研究，综合阐述了人机工程研究工具和研究方法，从而达到通过人机 协调的关系。作者希望通过这些研究和讨论可以达到降低交通事故发生的频率， 提高驾驶员驾驶的安全性、舒适性和操作的准确性。 1 1 3 缩短设计周期，减少设计成本 本论文对轻型客车驾驶室进行分析和评价是建立在车辆人机工程学原理的 基础上的，并运用这些分析和评价来指导和评估设计，以此来确定驾驶室布置符 合相关法律法规的要求和人机工程学原理的设计数据范围。在车辆设计的前期通 过引入人机工程分析的节点，可以在车辆设计前期将不符合人机工程的问题点找 出来，并及时得到解决，减少后期反复的调试过程，从而可以达到减少人力、物 力的投入，起到降低设计成本，缩短设计周期的作用。本论文的研究有助于缩小 与部分发达国家的设计差距，提高我国汽车行业特别是轻型客车行业的设计水 平，从而推进我国汽车支柱产业的健康发展。 1 2 车辆人机工程学概述及其应用 1 2 1 车辆人机工程学简介 人机工程学( e r g o n o m i c s ) 有着非常广泛的研究和应用范围。根据国际人类工 效学学会( i n t e r n a t i o n a le r g o n o m i c sa s s o c i a t i o n ，l e a ) 给人机工程学的定义：“研究 人在某种工作环境中的生理学、解剖学、心理学等各种方面的因素；研究在工作、 生活和休息时如何通过工作效率、保证人的健康、舒适和安全等问题；研究人、 机器、环境的相互作用和相互影响的一门学科。”该学科的主要任务是把和人的 能力、行为相关的信息及研究成果应用于设施、产品、程序和周围环境的设计中 去，因此，在很大程度上人机工程学是- - f q 实验性科学1 5 】。实验和观察分析是这 些知识的主要来源。人机工程学的学科构成图如图1 - 1 。人机工程学不仅将采集 得来的经验数据应用于设计产品，而且应用于评价设计的优劣。 2 武攫理工夫学硕士学位论文 图1 - 1 人机工程学的学科构成图 车辆人机工程学是人机工程学在地面车辆系统领域的重要应用分支，该学科 以人的健康、安全、舒适为最终目标，以人一车一环境系统为研究对象，阻改善 驾驶员和乘客舒适性、适应性为核心，使整个人一车一环境系统的总体性能达到 最优。经过最近十几年的研究应用，车辆人机工程学为车辆的人性化设计提供了 方法、理论、规范和标准，已经建立了一系列比较成熟的理论和方法，成为现代 车辆设计中非常重要韵理论依据，并不断得到应用和发展。在人一车一环境系统 中，驾驶员是人机工程学研究的核心对象。随着交通环境和行驶道路的日益复杂 化，车辆形态的日益多样化，自动化程度的不断增长，功率和工作速度的不断提 高，驾驶员的工作越来越复杂和繁重，因而越来越迫切的需要改善驾驶员工作条 件。这就使得人机工程学在车辆设计和使用中的重要性尤为突出。 12 2 车辆人机工程学在车身布置中的应用 车辆的造型风格、车型的技术水平和总布置尺寸的确定都是总布置设计的 重点工作。在总布置方案的确定过程中，必须把乘坐舒适性、视野、手伸及性、 操作方便性、安全性、上下车方便性等作为主要考虑因素，必须满足人机工程的 原则。在车身总布置设计中，放在首要位置的应该是人一车一环境系统的综合优 化。因为满足人机工程的车身布置设计，不仅影响到乘员的乘坐舒适性和车内、 外部造型设计，而且会影响到车内空间的有效利用和整车重要尺寸参数进一步 会影响到整车性能和市场竞争力。 车辆人机工程设计的基本要求是乘坐舒适性、视野、手伸及性、操作方便性、 安全性、上下车方便性等，通过应用人机工程学的原理尽可能的满足不同百分位 身材和不同操作姿势的驾驶者这些方面的要求吲。人机工程设计主要借助于人机 工程学的方法和工具。具体在汽车设计中的应用有如下几方面： 1 、驾驶员操纵方便性； 武汉理工大学硕士学位论文 2 、驾驶员视野设计； 3 、汽车内部空间尺寸和座椅轮廓尺寸； 4 、上下车方便性； 5 、汽车行车安全性及车内乘员的人体保护技术。 1 3 本课题的国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 2 0 世纪5 0 年代，国外已经开始对车辆人机工程学进行研究，并且在测绘分 析和基础性研究方面做了大量的工作，特别是美国提出了很多推荐性标准，有的 已被国际标准组织所采用，并且在全世界通用，如三维h 点、人体的眼椭圆等。 2 0 世纪8 0 年代末期，三维数字化人体模型开始全面上市，比较有影响力的是 r a m s i s 三维计算机人体模型系统，它是由德国各大汽车公司和座椅厂家共同开 发的c a d 工具，该系统的全称为“模拟乘员实际操作状况的计算机辅助人体数学 模型”，该模型可以进行舒适性分析、姿势模拟、干涉检查、视野分析、动画效 果等分析，它的核心部分是仿真的三维人体模型，同时该系统和多种c a d 系统 有接口，也可以单独使用。到目前为止，r a m s i s 系统已经广泛应用在各大汽车 制造厂家轿车新产品的开发研制中，比如奔驰、宝马、奥迪、福特等。其他著名 的产品还有美国的j a c k 人体建模系统和英国的s a m m i e 系统。以及法国的 m a n 3 d 系统，它能够在q 如q 垣环境下工作，可以对汽车进行人机工程评价 1 7 1 。整体来讲，这些三维系统的主要功能就是进行运动仿真和人体模型的形体外 观方面的研究分析。还需要在人的感知活动机制的仿真建模方面进行进一步的研 究和应用。因此这些系统主要用于辅助分析、预见、校核以及评价车辆的舒适性、 视野、伸及性、上下车的方便性等。 2 0 世纪9 0 年代之后，“以人为本”的设计理念在美国、日本和欧洲各大汽车 公司陆续推出，因此人机工程学的研究和应用得到了比以往任何时候更多的重 视，其原理不仅用于提高汽车的乘坐舒适性和操作方便性，而且也逐渐被应用到 提高车身的安全性能上面来。 1 3 2 国内研究现状 国内在车身布置和设计中应用车辆人机工程学方法与国外有着很大的差距。 2 0 世纪三十年代，我国的人机工程学研究才刚刚开始。改革开放以后，随着与 国外的交流增多，人机工程学进入系统和深入的开发研究。特别是1 9 8 0 年4 月 全国人类工效学标准化技术委员会的成立和1 9 8 4 年国家军用人一机一环境系统 工程标准化技术委员会的成立，有效地推动了我国人机工程学的研究和应用。接 4 武汉理工大学硕士学位论文 着，1 9 8 9 年和1 9 9 5 年相继创立了中国人类工效学学会和学会会刊人类工效学 季刊【8 j 。2 0 世纪9 0 年代初，人机工程学在高校领域的研究越来越受到重视，第 一个人机工程学的博士学位点首先在北京航空航天大学成立了，随后北京理工大 学、西北工大、南京航空航天大学、北大医学部等大学也随后成立了相应的专业。 这些工作对推动中国车辆人机工程学的研究和应用起到了一些积极作用，但 是我国的人体工程学研究还处于研究初期，许多方面的工作还需要进一步的深入 和发展。比如随着时间的变化和社会的发展，我国的人体测量数据未能得到及时 的更新和补充。例如在g b l 0 0 0 0 1 9 8 8 中的某些数据已经明显不能符合现在社会 人体的实际尺寸，并且还缺少一部分数据，已经不能构成一个完整的人体模型。 所以目前，我国的大部分汽车厂家已经在硬件上实现了c a d 设计开发，但由于 各方面的原因，c a d 软件的巨大潜力并没有真正发掘出来，因此设计开发效率 并没有得到相应的提高。对我国汽车行业整体水平的快速提高没有起到足够的推 动作用【们。 1 4 本课题主要研究内容 采用学校正在开发的某新能源轻型客车作为研究对象，通过研究驾驶室人机 工程设计方法和设计理论，对传统h 的求法进行多目标约束因子法优化，以优 化后的h 点为基准利用c a t i a 设计出该车的驾驶室三维模型。再把三维模型导 入软件r a m s i s 中进行人机工程分析和校核，使该车驾驶室符合人机工程学的 标准，提升驾驶室的操作方便性和乘坐舒适性。主要内容包括： 1 、多目标约束因子法h 点优化方法。其中，h 点的优化是从以下四个方面进行 的： 1 ) 、舒适性约束 2 ) 、视野约束 3 ) 、操作空间约束 4 ) 、方向盘约束等 2 、r a m s i s 在轻型客车驾驶室中的人机工程分析和校核： 1 ) 、舒适性分析和校核 2 ) 、视野分析和校核 3 ) 、空间和伸及性分析等 5 武汉理工大学硕十学位论文 1 5 本章小结 本章简单的阐述了选题的目的和意义，对车辆人机工程学和车辆人机工程学 在车身布置中的应用进行了扼要的介绍。并对该课题在国内外的研究情况进行了 简单的总结，最后对文章要重点研究的内容进行了阐述。 6 武汉理下大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章汽车车身内部布置方法 汽车车身内部布置是汽车总布置设计的重要部分，采用合适的汽车车身内部 布置方法可以提升整个车身的设计水平。车身内部布置是一个不断优化和综合考 虑各个因素的过程，这些考虑因素主要包括：整车布置形式、车身造型、车身与 底盘的关系等。一个高雅而舒适的驾驶室应该具有这些特点：舒适的座椅布置， 开阔的视野，布置紧凑的仪表以及伸手可及的操作元件f 加j 。 “以人为中心”的设计思想是现代汽车车身内部布置的主流思想，该思想的主 要设计点为：保证驾驶员与乘员的舒适性、手伸及性、安全性、上下车方便性、 居住性，以及驾驶员的视野、操纵方便性等【1 1 1 。上述设计点是基本要求，在满足 以上性能要求的前提下，还要优化各个总成的协调关系，以及尽量减小外形尺寸， 减小整车质量，增大室内空间等等。 从上述可以看出，汽车车身内部布置过程是一个涉及多门学科的优化过程。 它涉及到人机工程学、统计学等学科。因此，汽车车身内部布置可以理解为是一 个在满足一定约束条件下，对车身内部各个部件进行布置优化的方案设计过程。 2 2 车身内部布置工具 2 2 1 人体模型 以人体参数为基础建立的人体模型是分析、评价、研究人机系统不可缺少 的辅助手段，是描述人体力学特征和形态特征的有效工具。h 点人体模型是用 于车身设计中车身总布置设计的工重要具之一。汽车车身总布置中，人机工程学 是指导设计的理论基础，以人为中心是指导设计的核心理念。因此，在汽车车身 总布置中人体模型起着举足轻重的作用。利用人体模型可以进行乘坐舒适性校 核、视野校核、上下车的方便性校核、手伸及性的校核等。同时还可以检查方向 盘、座椅等部件布置的合理性。 2 2 1 1 人体尺寸 大量的数据证明：人体各部分的数据是呈正态分布的。人体尺寸受到环境、 气候、生活状况的影响，同时因地区和民族发展历史不同而千差万别的，因此必 须从测量统计中寻找规律。目前人体尺寸多是第9 5 百分位，第5 0 百分位，第5 百分位的形式给出的。这是最简单的三档百分位，分别对应于大个子身材，中等 个子身材，小个子身材。在车身设计中，常把设计下限定为第5 百分位人体尺寸， 7 武汉理工夫学硬学位论文 设计上限定为第9 5 百分位人体尺寸，因此设计就可以满足9 0 的人的需要。 中国人体模型的研究起步比较晚，但也做了一些统计和分析工作。特别是几 个国家标准的出台，比如：国家标准g b t 1 5 7 5 9 1 9 9 5 规定了人体模板设计和使 用要求为车身设计中人体模型的应用提供了有力的依据；再比如中国成年人人 体尺寸的标准g b l 0 0 0 0 8 8 的制定，为人机工程设计提供了基础数据。这些都对 中国人机工程学的研究起到了推动作用。1 1 2 1 。 22 1 2 人体模型分类 1 、二维人体模板 目前人机系统设计时最常用的一种物理仿真模型就是通常所说的一维人体 模板。这种人体模扳是根据人体测量数据进行统计和计算而得到的标准人体尺 寸，按照11 、1 ：5 、11 0 等工程设计q j 常用的制图比例，利用密实纤维扳或者塑 料板等材料制成各个关节均可活动的人体模型( 如图2 1 ) 。将人体模板放在实际 作业空问或置于设计图纸的相关位置上可用以校核设计的可行性和合理性。 图2 一1 人体模板侧视图( 二维) 应用人体模板进行辅助制图、辅助设计、辅助钡4 试时，人体模板的j f 确选择 是非常关键的问题。必须要根据设计对象的设计参数和结构特点来选用台适的百 分位人体模板。鉴于工程设计巾最常用的是确定第5 、5 0 、9 5 百分位身高的人的 操作范围尺寸数据( 表2 1 ) ，因此，在g b t 1 4 7 7 9 9 3 中，将人群按男、女划分 为大身材、中等身材、小身材三个身高等级，其出发点是根据我国成年人人体身 高尺寸的分布将人体模板的尺寸规格划分为男、女各三个等级( 表2 - 2 ) 。通常， 确定外部尺寸，如脚踏板的位置、手臂的可伸及范围等，宜选用叫、”身体的人体 模板( 如第5 百分位) ；确定内部尺寸，如人体、头、手等的通过空间，腿、脚 的活动占有空问等，宜选用“大”身体的人体模板( 如第9 5 百分位) 。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 1 坐姿人体尺寸( 摘自g b1 0 0 0 0 8 8 单位：m m ) 右 男子( 1 8 6 0 岁)女子( 1 8 5 5 岁) 目 55 09 555 09 5 1 坐高8 5 89 0 8 9 5 88 0 98 5 5 9 0 1 2 坐姿肩高 5 5 75 9 86 4 15 1 85 5 65 9 4 3 坐姿肘高 2 2 82 6 32 9 82 1 52 5 12 8 4 4 坐姿膝高4 5 64 9 3 5 3 24 2 44 5 8 4 9 3 5 坐姿人腿厚1 1 21 3 01 5 11 1 31 3 01 5 1 6 坐深 4 2 14 5 74 9 44 0 14 3 34 6 9 7 坐姿下肢长 9 2 19 9 21 0 6 38 5 19 1 2 9 7 5 8 ，j 、腿加足高3 8 34 1 3 4 4 8 3 4 2 3 8 2 4 0 5 9 坐姿颈椎点高 6 1 56 5 77 0 15 7 96 1 76 5 7 1 0 臀膝距 5 1 55 5 45 9 54 9 55 2 95 7 0 1 1 坐姿眼高7 4 97 9 88 4 76 9 57 3 97 8 3 表2 2 男子、女子身高分级( 单位：m m ) 身高等级小身材中等身材大身材 百分位数5 5 09 5 女身高 1 4 8 41 5 7 01 6 5 9 子 采用数据 1 5 0 41 5 9 01 6 7 9 男身高 1 5 8 31 6 7 81 7 7 5 子采用数据 1 6 0 81 7 0 31 8 0 0 注：根据g 明1 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。 2 、三维人体模型 这里讲的三维人体模型也是一种目前人机系统设计中常用的物理仿真模型。 它由头部空问探测杆、大腿杆、背板、座板等构件组成，各构件的质心位置、质 量、尺寸等均以人体测量数据为依据。我们以车用h 点三维人体模型为例，其 中h 点指人体身躯与大腿的铰接点，即胯点( h i pp o i n t ) 。在人体模型中为髋关 节【1 3 l 。许多国家的汽车设计部门采用h 点三维人体模型来确定车身中实际h 点 的位置，而且，已制订出国际标准i s o6 5 4 9 。我国也制定了相应的国家标准g b t 1 1 5 6 3 8 9 汽车h 点确定程序和g b t1 1 5 5 9 8 9 汽车室内尺寸测量用三维h 9 武汉理工大学硕十学位论文 点装置。h 点三维人体模型的结构如下图所示： 图2 2h 点三维人体模型 ( a ) 构件名称( b ) 构件尺寸和载荷分配 1 背板；2 躯干重块悬架；3 靠背角水平仪；4 臀部角度量角器；5 座板；6 大腿重块 垫块；7 连结膝关：符的t 型杆；8 小腿夹角量器；9 膝部角量角器；1 0 大腿杆；1 1 横向水 平仪1 2 h 点支轴：1 3 一h 点标记钮；1 4 靠背角量角器； 1 5 头部空间探测杆 常用的h 点三维人体模型是第5 0 、9 5 百分位。前者代表平均身材，后者代 表高大身材。同时，也有采用代表矮小身材的第5 百分位的人体模板。 2 2 2 驾驶员眼椭圆 1 、车辆驾驶员眼椭圆的概念 在驾驶员一车辆一环境系统中，人机界面的视觉链的优化匹配，必须以驾 驶员的眼睛位置( 视点) 为定位基准。由于人的身材大小之不同，不同的驾驶员 以正常驾驶姿态坐在驾驶座椅上，他们的视点是显然不同的【“j 。运用统计的原 理和方法研究驾驶员的视点分布规律，发现车辆驾驶员的视点分布图形呈椭圆 状，故称之为驾驶员眼椭圆( 如图2 3 ) 。 z z 图2 3 眼椭圆示意图( 三维) 美国汽车工程师协会( s a e ) 通过2 3 0 0 多名男、女驾驶员进行试验测定和 统计分析后，得出汽车驾驶员眼睛位置在水平面上和纵向垂直面的分布范围都呈 椭圆形的结论。这2 3 0 0 多名男、女驾驶员来自美国各州及欧洲、亚洲和其他国 1 0 武汉理工人学硕士学位论文 家，因此具有一定的普遍性，美国汽车工程师协会( s a e ) 根据这个结论提出了 车辆驾驶员眼椭圆的概念。他们把s a e 眼椭圆分为第9 0 、第9 5 、第9 9 百分位 等若干种投影图形，分别代表某个百分位人群的眼椭圆分布规律。 2 、眼椭圆样板及其定位 车身总布置中，在已知s g r p 点、座椅水平行程和座椅靠背角的条件下，便 可唯一的定位眼椭圆。眼椭圆的尺寸与座椅水平调节行程有关，而眼椭圆在车身 坐标系中的位置与座椅靠背角有关。 表2 3 眼椭圆的三维尺寸( l 2 3 ：座椅水平调节行程，单位：r a m ) 长轴尺寸长轴尺寸短轴尺寸 第第第第第第第第第 9 09 59 99 09 59 99 09 59 9 l 2 3百百百l 2 3百百百视图百百百 分分分分分分分分分 位 位 位位位位位 位位 1 0 21 0 9 1 4 7 2 1 6 1 4 0 1 4 7 1 8 52 5 4正视图 7 7 8 6 1 2 2 1 1 41 2 21 6 02 2 91 5 21 5 51 9 32 6 2俯视图8 21 0 51 4 9 1 2 71 3 51 7 32 4 11 6 51 6 01 9 82 6 7 眼椭圆样板在车身试图上的定位，其一般步骤如下： ( 1 ) 根据车辆设计时已经确定好的驾驶员眼椭圆的百分位值和h 点前后方 向的水平调节行程，在样板组中选取相应的眼椭圆样板。 ( 2 ) 由座椅在最后位置的h 点向上作垂直工作线z z ；由最后位置的h 点 垂直向上6 3 5 m m 的地方作水平线x x 。 ( 3 ) 根据驾驶员座椅背靠角的选定值，由表2 - 4 查得眼椭圆样板自身坐标 系x x z z 的坐标原点相当于垂直工作线和水平工作线交点的偏移量。当座椅背 靠角为2 5 度时，水平偏移量和垂直偏移量均为0 ，即x x z z 坐标与两工作线分 别重合。当座椅靠背角不等于2 5 度时，眼椭圆样板自身坐标系x x z z 相对于垂 直工作线和水平工作线均有不同数值的偏移量。 ( 4 ) 对不同车型应分别作图，对于小客车，汽车纵向中心线与眼椭圆样板 的x x 轴之间的距离为0 8 5 ( z 矿7 ) + 0 0 7 5 ( w 3 ) ；对于载重汽车、大客车及小客车 的变型车，如果它们的驾驶室座椅为长条型，则此距离与小客车相同；如果它们 的驾驶座椅为单人椅或者斗形椅，则汽车纵向中心线与眼椭圆样板的x x 轴之间 的距离按以下方法确定，即将眼椭圆俯视图上左、右眼椭圆的中心连线的中点与 h 点相重合，并且保持其轴x x 与汽车纵向中心线相平行即可【1 5 l 。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 4 眼椭圆自身坐标的偏移量 背靠角水平偏垂直背靠角水平偏垂直背靠角水平偏垂直偏 ( 。)移咖偏移( 。)移咖偏移( 。)移咖移咖 m mm m 5 0- 1 8 6 42 7 61 7 07 1 51 6 72 9 03 4 21 1 2 6 0一1 7 6 52 7 51 8 o- 6 2 31 5 o3 0 o4 2 6- 1 4 3 7 o- 1 6 6 62 7 01 9 o- 5 3 21 3 23 1 o5 0 9- 1 7 5 8 0- 1 5 6 82 6 52 0 o- 4 4 21 1 33 2 o5 9 22 0 8 9 o- 1 4 7 1 2 5 92 1 o一3 5 29 3 3 3 06 7 22 4 3 1 0 01 3 7 12 5 12 2 0- 2 6 37 23 4 o7 5 62 7 9 1 1 o- 1 2 7 82 4 32 3 01 7 54 93 5 o8 3 63 1 5 1 2 o一1 1 8 32 3 32 4 o一8 52 53 6 09 1 63 5 4 1 3 o- 1 0 8 82 2 22 5 o0 0 0 o 3 7 09 9 63 9 3 1 4 0- 9 9 42 1 02 6 00 8 62 63 8 01 0 7 54 3 3 1 5 09 0 01 9 7 2 7 o1 7 25 43 9 o1 1 5 31 7 5 1 6 0- 8 0 71 8 3 2 8 02 5 68 24 0 0 1 2 3 05 1 8 图2 - 4 眼椭圆位置的确定 l 1 7 ：h 点的前后方向的水平调节量；i a 0 - 座椅靠背角；l 3 3 ：h 点至加速踏板踵点的 水平距离；h 3 0 ：h 点至加速踏板踵点的垂直距离；i 1 5 0 ：h 点的垂直调：商量；w 3 ：h 点 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 向上2 5 4 m m 处的驾驶室最小宽度；w 7 ：方向盘中心离汽车纵向对称平面的距离。 3 、眼椭圆在车身布置中的应用 驾驶员的视觉通道是最重要的信息通道，有研究表明，8 0 以上的交通信 息是通过驾驶员在汽车行驶的过程中得到的，由于驾驶员驾驶员眼椭圆具有一定 的代表性，因此在正常驾驶位置时眼睛在车身坐标系中的分布可以通过驾驶员眼 椭圆表示，因此，用眼椭圆来衡量和评价驾驶员视野性是汽车设计时经常用到的 方法1 16 。其应用大体可以分为如下几种： ( 1 ) 汽车后视镜位置设计及视野校核； ( 2 ) 汽车风窗遮阳带位置的确定； ( 3 ) 眼睛与头部转动时车身a 、b 、c 立柱盲区的求作； ( 4 ) 汽车前风挡玻璃及除霜部位的确定； ( 5 ) 汽车仪表板盲区的求作。 2 2 3 乘员与驾驶员的头廓包络线 1 、平均头廓线 平均头廓线是第5 0 百分位身材的男女驾驶员及乘员在正常乘坐状态下的头 部外廓线。该概念是由美国工程师协会s a e 根据头部特征点在车身坐标系中的位 置统计而得出的，如图2 5 所示，图中的坐标轴x 、y 、z 是头廓线的自身坐标 系，也就是绘制眼椭圆时所用的自身坐标系，或者说眼椭圆样板上的自身坐标系 与头廓线样板上的自身坐标系是同一坐标系，这是因为头廓包络线是以眼椭圆为 轨迹而形成的【1 7 1 。 毖 x y y 1 - 厂 、 _ 呈- 、 a j o l 、 1 j 丫 2 2 7 _ 1 2 s 一 图2 5s a e 推荐平均头廓线 2 、头廓包络线 不同百分位的驾驶员和乘员在乘坐状态下头廓的包络线就是头廓包络线。头 廓包络线的描绘方法是：保持眼椭圆两样板上的自身坐标系平行，将头廓线样板 上的眼点沿着眼椭圆样板上的上半部眼椭圆运动，头廓包络线就是最后得到的包 1 3 武汉理工大学硕+ 学位论文 络线( 图2 6 ) 。头廓包络线分为座椅不可调节式的头廓包络线和座椅可调节式的 头廓包络线。分别适合后排乘员的头部位置和头顶空间的设计和驾驶员的头部位 置和头顶空间的设计。 ：k ； 图2 - 6 侧视图中头廓包络线与眼椭圆的关系 3 、头廓包络线的求取 根据表2 5 求出头廓包络线中心与双眼眼椭圆中心相对位置 表2 5 眼椭圆中心到头廓包络线中心距离( m m ) 座椅行程( t l 2 3 ) x hkz h 1 3 39 0 605 2 6 1 3 3 m m8 9 5o4 5 9 o m m ( 固定座椅) 8 5 4o4 2 0 根据表2 - 6 求出头廓包络线相对于整车坐标系的位置 表2 - 6 头廓包络线中心相与整车坐标系关系( m m ) 座椅行程( t l 2 3 )头廓包络线中心位置 x | l i + 6 6 4 + 0 5 8 7 ( l 6 ) 一0 1 7 6 ( h 3 0 ) - 1 2 5 t + x h 大于o m 】，= 形2 0 z = h 8 + 6 3 8 + h 3 0 + 乙 x | l 3 1 + 6 4 0 s i n 6 + x h o m m ( 同定座椅) y = w 2 0 z = h 7 0 + 6 4 0 c o s 6 + 乙 其中6 = 0 7 1 9 ( a 4 0 ) 一9 6 ；a 4 0 为乘员座椅靠背角；x 。、z 。查表2 5 按照上面表格中数据构建的头廓包络线应该去除椭圆的下半部，上半部即为 所求的头廓包络线( 图2 7 ) ；对于驾驶员和外侧乘员，在前视图或后视图上，用 头廓包络线的z 轴将头廓包络线一分为二，将外侧一半向外平移2 3 m m ，然后将 两部分连成整体，即为完整的头廓包络线，但头廓包络线定位中心仍为原头廓包 络线中心( 图2 8 ) ；其它乘员不需修改对于可滑动座椅( 行程 0 m m ) ，在侧视 1 4 武汉理工大学硕十学位论文 图上，头廓包络线向下倾斜1 2 。；固定座椅不需倾斜【1 8 1 。按照以上条件，可以求 出驾驶员和乘员的2 d 和3 d 头廓包络线( 面) 。s a e 没有给出后座成员的头廓包 络线的定义，在实际应用中，我们可以按照固定座椅头廓包络线的作法来布置后 座成员的头廓包络线。 矿飞 图2 7 固定座椅的乘员头廓包络面 n o t e s ma n dd b n ”e 皓o t c o n 。u 懵甜w 帅竹t h o “ 2 3n mo u 由口a 州l a z m - a l d n w n i “皓n | p o r s p c “h * , ov i 吐w 9 5 n f o “。o u n 口 a 0 n di o t 十8 ，d 打，h z 3m e n ：u f t a o a e la t e m ， h e t di , , v a v e r r m 日n _ d d e d 图2 8 座椅行程超过1 3 0 m m 的驾驶员头部包络线 4 、头廓包络线( 面) 的应用 头廓包络线主要用于设计合校核顶盖高度和宽度，确定驾驶员和乘员的头部 空间。s a e 为此定义了前排座椅有效头部空间尺寸h 6 1 和后排座椅有效头部空 间尺寸h 6 3 这两个关键尺寸【1 9 l 。根据顶盖内饰板厚度( 经验值：1 5 2 5 m m ) 、有 效头部空间( 经验值：h 6 1 介于9 4 0 9 8 0 m m 之间，h 6 3 比h 6 1 略小2 0 r a m ) 以 武汉理工大学硕士学位论文 及顶盖造型，就可| 三l 由外向至内的确定胯点( 人体躯干与大腿连接点) 的高度 也可以进行由内至外的顶盖高度设计。 2 2 4 驾驶员手伸及界面 1 、驾驶员手伸及界面的概念 s a e j 2 8 7 和国际标准i s 0 3 9 5 8 定义了驾驶员手伸及界面的概念，并对车内操 作杆件、控制钮件、开关等的合理布置及检验作了详细的说明。驾驶员的手伸及 界面是指驾驶员以比较舒适的驾驶姿势坐在座椅中、右脚踩在加速踏板的踵点 上，身系安全带、一手握住方向盘，另一手可以触及到的最大空间轮廓面。 车身设计中的一个重要方面是合理布置驾驶室内部各种操作手柄、操作按