（车辆工程专业论文）跨座式单轨车辆车体内部人机工程设计分析研究.pdf

摘要 车辆人机工程学是人机工程学在地面车辆系统领域的应用分支，它以人一车 一环境系统为对象，以改善乘员驾乘适应性和舒适性为核心，以人的安全、健康、 舒适为目标，使整个系统的总体性能达到最优。经过多年的发展，车辆人机工程 学已经建立了一些比较成熟的理论和方法，为车辆设计提供了理论、方法、规范 和标准，成为现代车辆设计不可缺少的理论依据，并不断得到应用。 本文结合国家科技支撑计划课题“跨座式单轨交通车辆整车系统集成技术及 应用 ，以车辆人机工程学基本原理为依托，对跨座式单轨车辆驾驶室、客室进行 了人机工程布置分析：( 1 ) 建立三维c a d 数字模型；( 2 ) 利用r a m s i s 选取不同 的百分位人体模型，分别对车体内部进行了舒适性、手伸及性、视野和操作力分 析；( 3 ) 利用模糊数学原理，对坐姿舒适性进行了模糊综合评价研究，为跨座式 单轨驾驶舒适性评价提供了借鉴，同时运用v i s u a lb a s i c2 0 0 5 软件编程，只需设计 者输入相应的舒适性指标值，即可给出分析结果，从而实现了方便灵活的人机交 互界面。 通过本文国内首次实现城轨车辆的人机工程设计分析研究，总结了跨座式单 轨车辆车体内部人机工程布置设计流程和方法，对提高设计效率和缩短开发周期、 形象理解跨座式单轨车辆车体内部特征参数间复杂的相互关系具有一定的理论实 质意义。 关键词：跨座式单轨车辆；人机工程设计分析；模糊综合评价 a b s t r a c t v e h i c l ee r g o n o m i c si sab r a n c ho fe r g o n o m i c si nt h ef i e l do ft h eg r o u n dv e h i c l e s y s t e m s ，w h i c hi sh u m a n - v e h i c l e e n v i r o n m e n ts y s t e ma st h eo b j e c t ，i m p r o v e st h e d r i v e r sa n dp a s s e n g e r s t h ea d a p t a b i l i t ya n dc o m f o r ta st h ec o r e ，c o n s i d e r sh u m a n s e c u r i t ya n dh e a l t ha st h eg o a l ，a n dm a k e st h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e m o p t i m a l a f t e ry e a r so fd e v e l o p m e n t , v e h i c l ee r g o n o m i c sh a sb u i l ts o m es o p h i s t i c a t e d t h e o r i e sa n dm e t h o d sf o rv e h i c l ed e s i g nt h e o r y , m e t h o d s ，n o r m sa n ds t a n d a r d s ， b e c o m i n ga l li n d i s p e i l s a b l et h e o r e t i c a lb a s i so fm o d e mv e h i c l ed e s i g na n dc o n t i n u et o b ea p p l i e d i n t e g r a t i n g 、 r i t hn a t i o n a l s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys u p p o r tp r o g r a m m et o p i c s s t r a d d l e t y p e m o n o r a i l t r a n s p o r t v e h i c l e s y s t e mi n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y a n d a p p l i c a t i o n ，t h i sp a p e rc a r r y so u te r g o n o m i cl a y o u ta n a l y s i so ft h ec a ba n dp a s s e n g e r c o m p a r t m e n to fs t r a d d l et y p em o n o r a i lb a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l e so fe r g o n o m i c s ：( 1 ) e s t a b l i s h i n gt h r e e - d i m e n s i o n a lc a dd i g i t a lm o d e l ；( 2 ) m a k i n gu s eo fr a m s i s s o f t w a r et os e l e c tt h ed i f f e r e n tp e r c e n t i l em a n i k i nm o d e l ；r e s p e c t i v e l y , a n a l y z i n gt h e c o m f o r t , r e a c h a b i l i t y , v i s i o na n do p e r a t i n gf o r c eb a s e do nt h ei n t e r i o ro fv e h i c l eb o d y ；( 3 ) s t u d y i n g0 1 1t h ef u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no fs i t t i n gc o m f o r tb a s e do nf u z z y m a t h e m a t i c sp r i n c i p l e ，p r o v i d i n gar e f e r e n c ef o rt h ec o m f o r te v a l u a t i o no fs t r a d d l et y p e m o n o r a i l ；m e a n w h i l e ，a p p l y i n gv i s u a lb a s i c2 0 0 5p r o g r a m ，n e e d i n go n l yt h ed e s i g n e r t oe n t e rt h ea p p r o p r i a t ec o m f o r ti n d e xv a l u ea n dg i v i n gt h ea n a l y s i sr e s u l t t h e r e f o r e ，i t a c h i e v e sac o n v e n i e n ta n df l e x i b l em a n - m a c h i n ei n t e r f a c e i nt h i sp a p e r , i ti st h ef i r s tt i m et oa c h i e v ee r g o n o m i cd e s i g na n a l y s i sa n dr e s e a r c h o nm a s st r a n s i tv e h i c l e ，s u m m a r i z i n gd e s i g np r o c e s sa n dm e t h o d so fe r g o n o m i cl a y o u t b a s e do ns t r a d d l et y p em o n o r a i l i na d d i t i o n ，i ti so f p r a c t i c a la n dt h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gd e s i g ne f f i c i e n c y , s h o r t e n i n gt h ed e v e l o p m e n tc y c l ea n dt h e i m a g eo fu n d e r s t a n d i n gt h ec o m p l e xi n t e r r e l a t i o n s h i p sa m o n gc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s o fs t r a d d l et y p em o n o r a i li n t e r i o r k e yw o r d s ：s t r a d d l et y p em o n o r a i lv e h i c l e ；e r g o n o m i c sd e s i g n & a n a l y s i s ；f u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名p 矗呔 眺加年中 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 月，歹 日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名 日期：f d 年 夏指导教师签名：膨 ：篓：二：!：|：!9!1 篡嚣第氐嘞竺警? 彤 日期：砂：。年? ? 月7 7 日 日期：w 。年月夕日 裔 一 宿日 点仅佟9 ： 月 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 人机工程学研究和应用的范围非常广泛。国际人类工效学学会( i n t e r n a t i o n a l e r g o n o m i c sa s s o c i a t i o n ，m a ) 给该学科的定义是：“研究人在某种工作环境中的解 剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；研究人、机器与环境的相互作用；研 究在工作、生活中和休息时怎样考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的 学科【1 1 。 人机工程学在很大程度上是- - f - 实验科学【1 1 ，其主要任务是把与人的能力和行 为有关的信息及研究结果应用于产品、设施、程序和周围环境的设计中去。这些 知识主要来源于实验和观察分析。人机工程学不仅把采集的经验数据应用于产品 的设计，而且应用于评价设计的优劣。 车辆人机工程学是人机工程学在地面车辆系统领域的应用分支，它以人一车 环境系统为对象，以改善乘员驾乘适应性和舒适性为核心，以人的安全、健康、 舒适为目标，使整个系统的总体性能达到最优。经过多年的发展，车辆人机工程 学已经建立了一些比较成熟的理论和方法，为车辆设计提供了理论、方法、规范 和标准，成为现代车辆设计不可缺少的理论依据，并不断得到应用【2 l 。 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。随着车辆形 态的日益多样化、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 路和交通环境的日益复杂化，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。这就使得车辆设计和使用中人机工程学的重要性 尤为突 3 1 。 随着经济的迅速发展和城市化进程的加快，中国城市交通状况面临巨大压力， 尤其是大中城市，现有交通系统日渐成为经济发展的瓶颈之一，解决城市的交通 问题，除传统的地面道路交通外，还要大力发展城市快速轨道交通系统。城市轨 道交通包括城市单轨、地铁、轻轨等。城市单轨交通也称为独轨交通，是一种让 列车在高架的专用轨道上行驶的交通系统，不受地面交通堵塞的影响，可以安全 正点地运行；也有效地利用了城市的空间，既占地少又不影响地面的绿化；由于 单轨列车使用橡胶轮s 胎，可以降低噪声，同时，由于是用电动驱动，没有废气排 放，这些均符合环境保护的要求；与地铁相比，施工周期短，成本低( 约为地铁 的1 3 1 2 ) ，经济性能好，还可以按照城市规划和交通需求进行线路的选择，减少 城市建筑的拆迁和市民的搬迁；由于使用橡胶轮胎，单轨车辆的爬坡能力强，也 有利于车辆通过小半径曲线【4 1 。基于单轨交通的以上特点，单轨交通将是很多大众 2 一 第一章绪论 城市的首选，尤其我国一些地势起伏大，道路狭窄，转弯半径条件有限山地城市， 如重庆，就建立了我国首条跨座式单轨交通系统。然而，随着人们生活水平的提 高和科技的发展，对交通工具乘坐舒适、 舒适性概念不只是设施和服务上的奢华， 安全性的要求也越来越高。目前的安全 还主要体现为在人机工程学基础上考虑 人体生理特性的要求【5 1 。因此，把人机工程学应用于轨道交通车辆概念设计和工程 设计中，是一项必不可少的重要内容。 跨座式单轨交通车辆作为城市轨道交通中的一种典型制式，在重庆建设的跨 座式单轨交通线路，其内部布置首次从日本引进，所使用的设备采购费用是日本 政府贷款，日方为保住其技术和设备供货的特权，对中方投标人既实行技术封锁， 又限定投标资质f 们。目前，有关跨座式单轨车辆技术方面的少量研究主要见于日本， 但国内部分学者也开展了这方面的研究，并取得了一定成果。由于跨座式单轨车 辆在国内首次采用，跨座式单轨交通车辆整车系统集成技术及应用作为国家科技 支撑计划的一个课题，车体内部人机工程设计分析属于该课题的一个重要内容， 而这方面还缺乏相关的方法、流程和规范，因此，为进一步在国内推广人机工程 学应用于轨道交通，尽快研究、制定其相关的设计、试验检定规范和提高安全、 舒适性等具有重要意义。 1 2 车辆人机工程学的国内、外研究现状 国外对车辆人机工程学的研究起始于上世纪五十年代，并且已经做了大量的 测绘分析和基础性研究工作，尤其是美国推出了很多推荐性标准，有的已被国际 标准组织所采用，如三维h 点装置、眼椭圆等。国外进行车辆设计时对于人机工 程的研究及应用极为重视，如日本、美国等在设计新车型时都要做相应的人机工 程分析，并抽取一些有经验的人进行主观评价。显然，国外的人机工程学在车辆 驾驶室上的应用与研究已进入到实用阶段，人机工程己成了车辆设计是否成功的 决定因素。如瑞典的v o l v o 汽车公司，通过使用各种人体模型进行试验、运用人机 工程原理对车辆内部进行大量人机研究，设计出许多非常舒适、安全的车辆。国 外在应用人机工程学原理进行车辆车体及其附件的设计方面也进行了长期卓有成 效的工作，其主要研究成果多集中在提高驾驶舒适性方面 7 1 。但由于涉及到知识产 权保护的问题，这些研究成果大都只限于应用在公司内部，而在引进其成果时费 用又比较昂贵。并且，由于国家、使用人群等的不同，其使用也存在具体差异。 长期以来，人们进行了大量的实验室和道路试验两方面的研究活动，通过分 析和处理这些研究活动的数据，并结合人机工程学，确立了车辆人机工程设计的 基本指导原则。利用人体测量统计数据，制订二维人体模板规范，进而利用它进 第一章绪论 行车辆内部空间布局和人车界面设计活动。这种传统的人机工程设计方 式，通常是借助第9 5 百分位和第5 百分位男性人体模板在车体主视图上进行布置 设计。美国汽车工程师协会( c s e a ) 通常用h 点测试机，在车辆内饰实物模型中 检验车辆内部及其部件布局是否合理。通过这些方法和手段，检查出人机工程方 面不合理的因素，并反馈到结构设计和造型设计部门，从而进步改进设计。由 于在早期设计阶段采用二维的人体模板辅助人机工程设计，致使传统的车辆人机 工程设计往往是在车体结构设计、内部造型设计基本完成后进行的，人机工程方 面的设计和考虑严重滞后于车体结构、造型和空气动力性等方面的设计和考虑。 而人机工程方面的评价则多借助于实物模型，采用试验检测的方法并由测试者来 参与完成【8 1 。 之后，随着以参数化和特征技术为代表的c a d 建模技术的迅速发展【9 i l 】，使 得运用计算机辅助手段来完成创造性的车辆概念设计成为可制1 2 , 1 3 】。通过建立基 于c a d c 胱a m p d m 环境的虚拟数字化人体模型【悼埔j ，运用车辆人机工程虚拟 设计和数字化评价手段【1 3 1 ，以便在早期的设计阶段就能可以并行地进行人机工程 设计和评价，大大减少了实物模型的数量，降低了开发成本，尽可能避免了因为 人机工程设计方面的返工，缩短了开发周期。 国外在上世纪八十年代末期，就开始从延用了几十年的二维人体模板向三维数 字化人体模型的转变。如德国各大汽车制造公司共同开发的，作为c a d 工具使用 的r a m s i s 三维计算机人体模型系统 1 7 , 1 s ，其全称为“用来模拟乘员实际状况的 计算机辅助人体数学模型，其功能有真实的人体模型，人体平均生长模型，姿态 模拟，执行任务的动画效果，干涉检查，舒适性分析，视野分析，曲面模型，与 c a d 系统集成化，三维测量系统，拥有德国、美国、中国、加拿大、法国、南美、 日本、韩国和墨西哥等国家的人体数据库系统。该系统可以与多种c a d 系统相连， 也可以单独使用。用户还可以根据自己的人体数据建立相应的三维人体模型，如 图1 1 所示。到目前为止，该系统已经广泛地运用于不同厂家的新产品设计中。法 国的m a n 3 d 系统能够在环境下工作，用来进行车辆的人机工程评价。其它著名 的产品还包括英国的s a m m i e 系统和美国的j a k e 人体建模系统【1 9 1 。总的来说， 这些系统主要进行的是人体模型的形体外观和运动仿真方面的研究。而在人的感 知活动机制的仿真建模方面，尚缺乏具体的研究和应用。这些系统主要用于进行 辅助分析、预见和评价人机环境系统的适配性及协调性。 第一章绪论 里竺! 竺竺l 竺竺竺竺= 二二里! 竺竺! 竺竺兰型! 苎二! ! = 圈iir a m s i s 人体测量数据库 1 lr a m s i s m a n i k i n m e 舢u md a l a b a s e 国内开展车辆人机工程学研究较晚以前人多利用二维人体模板进行牟辆内 部、仪表扳、座椅等方案的设计，后期采用三维数字化人体模型泉辅助车辆设计， 近年来对车辆内部人机工程设计分析研究取得了很大的进步口m 。 如吉林大学开发了车辆内部布置a i p d e s 系统口啪i ，它把人体模板、各种s a e 标准以及对视野和座椅巾臂的研究成粜集成到了此系统中。后柬许多岛校也逐 渐j r 始了类似的研究，1 9 9 7 年哈尔滨工业大学的宋红玉等人应用人体工程学成 粜在a u l o c a d 环境中外发了驾驶室内部总布置计算机辅助设训系统，能够为驾驶 室的台理弗置提供理论依据，同时还可校核已有驾驶宣布置的合理性。 2 0 世纪9 0 年代中晚期以后，越来越多的大学开始了d h m 的研究。中国农业 大学研究了立体人体模型，人体模型由一系列立方体组成，能对控制台等机械系 统人机界断的设计进行评价并建立了数字纯环境下的立体模型。该模型只针对 一般的机械系统，井且以立方体抽蒙地代替肢体，对于舒适度的评价是采用舒适 角度范围，建立各角度的模糊评价模型来实现j 。江苏大学的刘军、黍洪武在2 0 0 0 年，l ：发了计算机辅助轻辆人机工程设计的c a v e 系统醣系统中含有三个百分位 的人体模型人体模型由简单的三维几f u 表示，躯干只简化为一段，以s a e 和人 体工程学相关标准为主要设计玎发依据，他们的研究主簦用束检验南刮器刮扫而 秘、午休立柱盲医等问题口”。2 0 0 1 年同济大学的j | 玉兰、雀玉新用c 十+ 语占编 制程序米实现驾驶室人机系统设计的计算机化。2 0 0 2 年，吉林大学的宋传学、黄 会睦、李国富、葛安林、袭梦泽等人以c a t i a 软件为支撑利用g i i 语占和c 语苦 开发了一套车体总布嚣系统井编制了以仪表板布咒为中心的专用软件系统口“。 第一章绪论 5 一 湖南大学以车体振动、驾驶室内部操纵件布置、乘员坐姿舒适性等为评价内容， 采用心理测定法中的语义差异法( 多级模糊评价法) ，对车辆乘坐舒适性进行了主 观评价研究。通过导入模糊评价理论中的语义差别和模糊积分的方法，创建了车 辆乘坐舒适性主观评价模型，并验证了该模型的适用性，解决了以往很难处理的 心理状态变化的定量分析问题【2 6 1 。 1 3 本文的研究内容 本文结合国家科技支撑计划课题“跨座式单轨交通车辆整车系统集成技术及 应用”，对跨座式单轨车辆驾驶室及客室内部进行人机工程布置设计分析研究的主 要内容如下： 1 ) c a d 数字建模 建立跨座式单轨头车的三维c a d 模型，为后续的室内人机工程学设计布置分 析提供基础。 2 ) 人体模型的选取 根据该跨座式单轨车辆使用对象、满足度要求、分析项目的不同，选取不同 百分位的人体模型。不同百分位的人体模型以正常舒适姿态坐在座椅上或是借助 客室吊环扶手、拉杆站立。 3 ) 伸及性分析 在手伸及驾驶室司机台操纵界面，检查开关、按钮等操控件的操作方便性； 手伸及客室吊环扶手、拉杆等，检查乘客站立是否方便。 4 ) 舒适性分析 正常坐姿舒适性分析，对比不同百分位人体模型在正常坐姿下的舒适性，检 查座椅与人体模型的人机界面能否为驾驶员提供舒适稳定的坐姿；操控舒适 性分析，检查各主要操控件设计与布置是否能给驾驶员操控提供舒适性。 5 ) 座椅行程调节 对座椅前后、左右行程位置进行调节，以获取最佳的操控舒适性，并对主操 控件进行手伸及分析，确定主控件的布置此时是否在驾驶员手伸及界面之内，从 而确定座椅位置。 6 ) 视野分析 检查不同百分位驾驶员人体模型对仪表板视野是否满足要求。 7 ) 操作力分析 通过不同人体模型对各操控件，如司机台的操控件、客室吊环的受力分析， 检查其操作力是否符合法规要求、操控件是否为合理布置。 6 一 第一章绪论 8 ) 舒适性模糊综合评价研究 利用模糊数学原理，通过三种不同百分位驾驶员人体模型的舒适性，建立了 驾驶员舒适性二级模糊综合评价模型，实现了对跨座式单轨内部布置舒适性的评 价，为跨座式单轨驾驶舒适性评价提供了借鉴，而根据评价结果判断初期的布置 是否合理，以便及时更改尺寸来重新布置，能够有效地减少设计开发周期；同时 运用v i s u a lb a s i c2 0 0 5 软件编程，只需设计者输入相应的舒适性指标值，即可给出 分析结果，从而实现了方便灵活的人机交互界面。 通过对以上内容的研究，及时发现设计中存在的缺陷，在开发早期就加以纠 正，以达到节约开发时间、降低开发费用的目的。同时，通过对研究结果的总结 归纳，为以后的开发提供人机工程设计经验和借鉴。 第二章车辆人机工程设计基础 第二章车辆人机工程设计基础 7 一 车辆内部布置是车体设计的重要内容，内部布置是否合理将直接影响着车辆 的使用性能，因此设计人员在进行车辆内部布置设计之前，应充分了解或考虑以 下内容：整车的主要性能参数、尺寸参数、车体布置及结构形式；人机工程学知 识，即室内居住性、驾驶员的操纵方便性、舒适性、安全性、视野性和上下车方 便性等。 车辆内部总布置采取“以人为中心 的设计思想，达到空间宽敞、驾乘舒适 和视野广阔的基本要求。在进行布置设计时应以车辆人机工程学研究的基本内容 一人体尺寸、生理结构特性和视觉特性为依据，达到以人体为中心的协调布置。 具体对驾驶员来说，在其舒适的驾驶姿态下，人体的布置设计应达到口刀： 1 ) 操纵件位置布置设计的协调，以确定驾驶位置； 2 ) 车内空间尺寸的协调，以达到最有效的利用； 3 ) 整车的人车视野协调，使其具有最佳视觉效果。 2 1 人体模型 人体模型是以人体参数为基础建立的，它是描述人体形态特征和力学特征的 有效工具，也是研究、分析、评价人机系统不可缺少的辅助手段。车辆车体内部 布置的一个重要工具就是用于车体内部设计的h 点人体模型。利用人体模型可以 分析跨座式单轨的驾乘舒适性、仪表盘视野、操纵力以及检查主控制器、前后切 换开关、司机开关盘等主操控件布置是否合理等。 人体模型的选取原则一般是根据开发车型的目标地选择适宜该地用户的人体 模型，并且根据跨座式单轨车辆使用对象、满足度要求、项目的不同，选取不同 百分位的人体模型进行分析。国际车辆设计界中所应用的总范围在女子5 至男子 9 5 之间，它涵盖了9 0 的人群。具体的数值要通过目标人群身材的测量数据才能 得出，中国人的模型元件长度介于日本人和欧美人之间【2 8 - 3 0 l 。东亚人的平均身高 和手臂长度都要小于欧美人，但因市场全球化，所以一般建议采用9 5 百分位的 s a e 3 d m 人体模型，这样就可应用现有的s a e 标准数据和经验公式，方便进行 车辆设计。 国家标准g b l 0 0 0 0 - - 8 8 中国成年人人体尺寸按照人机工程学的要求提供 了我国成年人人体尺寸的基础数据。标准中总共给出7 类4 7 项人体尺寸基础数据。 成年人的年龄范围界定为：男1 8 - 6 0 岁；女1 8 5 5 岁。人体尺寸按男、女性别分 第一章申辆人机r 程设计墓础 开列表，目并划分为三个年龄段：1 8 2 5 岁( 男、女) ，2 6 - 3 5 ( 男、女) ，3 6 - - - 6 0 ( 男) 、3 6 - 5 5 岁( 女) 1 3 1 】。 目前，人体尺寸是以百分位的形式给出的。百分何表示人体的某项基础数掘 对于使用对象f | 有百分之几的人可适用，换句话说就足人体尺寸数据正忐分咖中 的累计概率。一个百分位数将总体或样本的全部测量值分为两部分，有k 的测精 值等于或小于此数，有( 1 0 0 k ) 的测量值大于此数。中国人体模型最常用的百 分位有第5 百分位、第5 0 百分位和第9 5 百分位。对于我们中幽人体模型男， 的第5 百分位相当于女子第s 0 百分位。男子第5 0 百分位相当于女子第9 5 百分位 ( 参看g b t 1 5 7 5 9 - - 1 9 9 5 和g b i o o o o 8 8 ) 。所以，我们在进行分折时选取的人 体模型一般应用四种百分位，分别为女子第5 百分位，男子第5 百分位。男f 第 5 0 百分位男予第9 5 百分位。根据不同的用途还可| 三1 分为二维秆系人体模型、二 维平面人体模型和三维人体模型。二维杆系人体模型是用杆件表示人体的骨骼 通过关节组成同一平面上的人体模型如图2l 所示：维平面人体模型即二维甲 面人体模型样板，它将人体各部分简化在一个平面上，而后通垃各关节点将它们 连接到一起，是目前人机系统设计时厦常用的一种物理仿真模型，如图22 所示： 二维人体模型用于确定车体中实际人体h 点的位簧，被很多厂家在做车辆车体布 置时所采用，它使得产品设计更直观、更精确，更能模拟人的实际行动，如图2 3 所示m i 。 刊。、菇墨 国2 i = 维杆系 体横型 f i g u r e 21 1 、v o o i 1 0 n b a ts y s t e mm 蜘i k i n 22 座椅h 点 圈2 2 二维平面人体模型 f i g u r e2 2 t w o - d i m e n s i o n p l a n em a n i k i n 圈2 3 三维人体横型 f i g u r e2 3 t h r e e l i m e n s i o n m a n i k i n 车体内部布霓设计的基准是h 点。h 点是人体身躯与大腿的连接点，印跨点 ( h i pp o i m ) 。h 点是通过h 点人体模型获得的。 第二章车辆人机工程设计基础 9 1 ) 实际h 点( a c t u a lh - p o i n t ) 实际h 点是指当h 点三维人体模型按规定步骤安放在座椅中时人体模型上左 右h 点标记连接线的中点，它表示驾驶员或乘员入座后胯关节在车体中的位置 【3 3 3 4 】。实际h 点是与操作方便性及坐姿舒适性相关的车内尺寸的基准点，是确定 眼椭圆在车体中位置的基准点，也是确定驾驶员的手伸及界面的基准点。因此， 车辆的实际h 点在车体总布置设计中有重要意义。 2 ) 设计h 点( d e s i g nh p o i n t ) 车体内部的人体布置就是指二维人体模板在车体布置图上的安放，从而确定 出设计的点位置，并以此点代表人体的布置及乘坐位置。设计h 点是指在车辆总 布置时的设计基准点；最后设计h 点表示的是第9 5 百分位的男子人体模型在最后 位置时的胯点：最前设计h 点表示的是第5 百分位的女子人体模型在最前位置时 的胯点【3 5 蚓。由最前和最后设计h 点便可以求得座椅的水平行程和垂直升程【3 7 1 。 3 ) 座椅参考点( s g r p ) 座椅参考点是指座椅上的一个设计参考点，它是座椅制造厂规定的设计基准 点。考虑到座椅的所有调节形式水平垂直和倾斜，座椅参考点确定了在正常驾驶 或乘坐时座椅的最后位置，它表征了当第9 5 百分位的人体模型按规定摆放在座椅 上时，实际h 点应与座椅参考点相重合【3 8 , 3 9 1 。 驾驶员h 点的位置决定着驾驶员身体各关节角度和眼椭圆、头廓包络线、手 伸及界面等在车体中的位置，因此h 点决定了驾驶员的舒适性、操纵性、安全性 和视野性等。h 点的位置直接决定了驾驶室环境与驾驶员的相互关系，是人机环 境中人与机的衔接链。合理地确定h 点在车体中的位置，直接关系整车的设计质 量m 。 2 3 驾驶员视野设计 驾驶员视野是驾驶员处于正常驾驶位置，当其眼睛和头部在正常活动范围内 时能直接或借助于辅助设备看到的范围。视野设计是车体总布置设计中的关键环 节，视野性能直接影响到车辆的行驶安全性、乘坐舒适性及操纵方便性，是车体 总布置设计中视野设计应考虑的核心，是车辆安全认证的主要项目之一，必须保 证9 5 以上的驾驶员视野能达到相关标准和法规的要求。根据美国联邦法规 f m v s s 、欧洲e e c 法规、日本“道路运输车辆保安标准 以及我国国标在视野方 面制订的相应的法规和标准【4 i j 为参考，从而建立城轨车辆的视野规范。 1 0 第二章车辆人机工程设计基础 2 3 1 眼椭圆 驾驶员眼椭圆是指不同身材的驾驶员按自己的意愿将座椅调整到适意位置， 并以正常的驾驶姿势入座后，他们的眼睛位置在车体坐标系中的统计分布图形， 由于统计分布图形呈椭圆状，因此被称为驾驶员眼椭圆。驾驶员眼椭圆的确立为 研究车辆视野性能提供了科学的视野原点基准【4 2 】。 以往在驾驶员的视野校核中以平均身材的驾驶员的眼睛位置作为基准，由于 驾驶员的身材坐姿及驾驶习惯的不同，视野原点不可能是一个点。所以上述方法 只能满足中等身材的人的需要，缺乏统计意义。在实际中，视野原点不是某个固 定的点，而是呈某种形状的分布图形。为此，人机工程学研究人员及车体设计师 从6 0 年代中期就开始研究这一问题，其中以美国福特汽车公司的洛依及通用汽车 公司的哈蒙特等人的研究最为突出，其研究成果成为美国汽车工程师协会s a e 的 推荐实施标准s a ej 9 4 1 。后来国际标准组织引用美国s a ej 9 4 1 制定了国际标准 i s 0 4 5 1 3 ，因此眼椭圆所代表的是所有人群的视野性。如图2 4 所示。 视切比如图2 5 所示，由某目标点向某百分位眼椭圆作一切线( 视线) 。切线 将图形分为上下两方，即含眼椭圆一方i 区和不含眼椭圆的另一方i i 区。被测驾 驶员的眼睛在切线上下两方均有散布。视切比定义为含眼椭圆的切线一方的区域 内的眼睛数与切线上下方区域内的眼睛总数之比，记作p 。这样落在含眼椭圆一方 的眼睛数百分比为p x1 0 0 ，落在不含眼椭圆一方的眼睛数百分比为( 1 p ) x 1 0 0 t 2 7 。 眼椭圆在车辆设计中有着极其重要和广泛的应用。车辆行驶时8 0 以上的交 通信息是通过驾驶员的视觉得到的，可以用眼椭圆来衡量和评价驾驶员视野性的 好坏。 m 渤嬲嬲绂 黝h 魄，7 图2 4 三维眼椭圆示意图图2 5 眼椭圆视切比 f i g u r e2 4 t h r e e - d i m e n s i o ne y ee l l i p s es k e t c hm a p s k e t c h f i g u r e2 5e y ee l l i p s es i g h tc u tt h a n 第二章车辆人机工程设计基础 2 3 2 视野及视野范围 1 ) 视觉特征 视力是指人体的视觉器官对物体形态的精细辨别能力，它主要受光照，对象 与背景的对比度和观察点与物体的相对运动速度等因素影响。研究视力这一视觉 特征主要是用于指导仪表设计、警示灯设计、车辆色彩设计等。 视觉为车辆驾驶员提供所需的大多数信息，车辆视野性能直接影响到车辆的 行驶安全性、乘坐舒适性及操纵方便性【4 3 】。视觉的适应性视觉的适应性是指“暗 适应性 和“明适应性 。其中以“炫目 这一特性对驾驶员的视觉影响最大，车 体设计中应采取有效的措施加以防止，这对提高驾驶安全性非常重要。一般以眼 睛的视线为轴心，3 0 。的角度范围内为炫目区，应避免强烈光线射入。 视错觉是指人眼观察物体、图案等对象时，所得到的形状、大小、方向和形 体等视感觉与实际观察对象有差别。 视野是指驾驶员处于正常驾驶位置，当其眼睛和头部在正常活动范围内时能 直接或借助于辅助设备看到的范围。包括直接视野和间接视野两部分，通常用视 野角度来度量。直接视野是驾驶员无需借助后视镜等辅助设备而能直接看到的范 围。间接视野是驾驶员需借助后视镜等辅助设备看到的范围。 2 ) 视野范围 人体的视野范围人体的视野是指人眼和头部在正常的活动状态下，眼睛所能 看到的空间区域。一般分为水平视野范围和垂直视野范引4 4 1 。 车速不仅对视力有影响，对人眼的视野也有影响。一般随着车速的增加，人眼 的视野逐渐减小。此外，在人眼的视野中，注视点的视力最高。为了使处在运动 状态的驾驶员观察环境时有清晰的感觉，应根据人眼直视前方不动时的视野范围 来确定其有效视野范围，而这个视野范围则称为主视野。在车体内部设计中应保 证人眼的主视野l 4 4 j 。 驾驶员眼睛和头部都不转动时的视区可以分为以下三种【4 5 】：单眼视区，是指只 用左眼或右眼单独观察时所能看到的区域；双眼视区，是指用左、右眼同时观察 时两眼都能看到的区域；两单眼视区，是指左、右眼单独观察到的两个单眼视区 的合成区。眼睛保持向前直视，眼球和头部均不转动时，单眼水平视区为1 5 0 。， 即能看见直前视线一侧9 0 。、另一侧6 0 。的区域。双眼视区为1 2 0 。，两单眼视 区为1 8 0 。，见图2 6 。在垂直方向上双眼视区为：直前视线上方5 0 。, , - 5 5 。，下 方6 0 。 7 0 。，这样便构成了人眼视锥m 】。锥顶是瞳孔距的中点，见图2 7 。 1 2 第二章车辆人机工程设计基础 左 图2 6 水平方向的视区 f i g u r e2 6 h o r i z o n t a lv i s i o na r e a 贬姒 撅测 k 躺鼍怂厂 刀o 图2 7 垂直方向的视区 f i g u r e2 7 v e r t i c a lo r i e n t a t i o nv i s i o na r e a 驾驶员观察周围物体时，往往转动眼球和头部，能够扩大人体的视野范围。 这样，驾驶员在驾驶车辆时，实际能获得的有效视野范围是通过转动眼睛、头部 和人眼的主视野综合作用的效果【4 7 1 。眼睛和头部的转动角度按转动时是否舒适， 分成自然转动和勉强转动。在自然转动时，眼睛和头部均无不舒适感。在勉强转 动时，眼睛和头部会有不舒适感。其范围如图2 8 、图2 9 所示。 喀勉强转动危 暗自然转动角 部自然转动角 部麓甍转动角 图2 8 眼睛和头部水平方向的转动角 f i g u r e2 8e y e sa n dh e a dh o r i z o n t a la n g l eo f r o t a t i o n 第二章车辆人机工程设计基础 头 部 勉 强 转 动 角 s s 图2 9 眼睛和头部垂直方向的转动角 f i g u r e2 9e y e sa n dh e a dv e r t i c a lla n g l eo f r o t a t i o n 眼 睛 蛰 转 碧 1 3 2 3 3 仪表盘视野 仪表盘平面的目视距离即为仪表盘中心与眼椭球中心之间的距离。仪表盘目 视距离主要参照美国h e n r r yd r e f f n s 标准，仪表板目视距离最大7 1 1 r a m ，最佳 5 5 0 m m 。经验表明应把仪表盘的目视距离控制在4 6 0 7 1 0 r a m 范围之内，建议取最 佳值5 5 0 r a m 。仪表盘中心是驾驶员最易观察到的地方，而一般眼睛自然转动范围 为水平方向左右各1 5 。，垂直方向为上下各1 5 。为此，可使驾驶员在不转动头 部而眼睛在自然转动范围内看到仪表盘。另外，整个仪表板应不妨碍车辆的前方 下视野，故仪表盘的最上端应在下视野平面下。经验表明前方下视野角为1 0 。左 右，故仪表盘中心与眼椭球中心连线与水平面的夹角取值范围为1 0 。1 5 。选定 仪表盘平面的目视距离和仪表盘中心与眼椭球中心连线与水平面夹角后，就可确 定出仪表盘平面的中心位置【2 7 1 。 仪表盘平面的角度由仪表盘中心与眼椭球中心连线确定。研究表明，视线与 观察物平面垂直时，有效认读误差最小。所以仪表盘平面与仪表盘中与眼椭球中 心连线的夹角一般控制在9 0 。1 0 。范围内【4 8 , 4 9 1 。 仪表盘布置的基本思路是：为读到仪表的显示和报警，最好的布置应是读取 的信息，在短时间内准确地完成必要的一系列操作【5 0 , 5 h 。 2 3 4 前方视野 车辆的前方视野是指驾驶员坐在驾驶座椅上，通过前风窗玻璃观察道路交通 情况和交通标志、信号的可见范围，主要在垂直方向上进行视野性分析。影响前 1 4 _ 一 第二章车辆人机工程设计基础 方直接视野的因素主要有前风窗上下横梁、仪表板。前风窗玻璃越大，前方视野 就越好。 为了能看清交通信号及桥梁、涵洞等标志，要求有足够的前方上视角，但前 方上视角过大又会造成入射阳光刺眼。驾驶员上视角指的是前风窗上部可见部分 的最下边缘与第9 5 百分位的眼椭圆上半部分的切线与水平面的夹角。关于上视角 的选取，一般要求上视角不小于7 。但在实际设计过程中建议上视角不小于1 5 。 4 1 】。根据司机的了望条件：司机坐立必须能看见从车钩连接算起前方l o m 及l o m 以外的高距信号；当司机站立操作时，向上方向的可见范围因窗的上沿而缩小， 司机必须能看见从车钩连接算起前方1 5 m 处的低距信掣删。 2 4 手伸及界面 根据人机工程的要求，操作装置应布置在驾驶员手伸及范围以内。驾驶室内 的一切手操作钮件、杆件、开关等的位置均应在驾驶员手伸及界面之内，这是车 辆车体设计的一条重要原则。关于驾驶员手伸及界面及其应用，国际标准组织已 经制订了有关标准。利用国际标准i s 0 3 9 5 8 来检验驾驶室内操作杆件、控制钮件设 计布置的合理性，是车辆人机工程设计的重要内容。 为保证驾驶员的行车安全，驾驶员在驾驶过程中所需要用到的各种操控件应 布置在驾驶员的手伸及范围内。手伸及界面可以用来分析车室中的操控件布置是 否合理。当操控件在手伸及界面的内侧时，则表明操控件的布置满足手伸及性的 要求。而为使驾驶员操纵方便，仪表板上各操作按钮件也应布置在驾驶员的手伸 及界面内，而且是最省力的部位( 一般h 点以上1 7 8 2 0 3 m m 是手操纵的舒适点) 。 这样才能保证驾驶员在不必大幅度改变正常驾驶姿势的情况下，方便操纵这些钮 件，这是保证行驶安全不可缺少的条件【5 2 5 3 j 。 2 5 室内空间人机工程设计 车辆室内空间的设计对于驾驶员及乘员的安全性及舒适性有着很大的影响。 优秀的空间设计可以让驾驶员的驾驶活动更加安全可靠，让乘坐更加舒适。空间 设计是车辆设计中同外型设计一样属于比较主观的设计，在进行这类设计时，三 维软件平台充分发挥它的优点，它所提供的虚拟平台能够使设计人员可以直观地 进行主观性更强的设计。从人机工程学角度来看，要设计一个合适的作业空间， 除了考虑人体尺度外，还要考虑各个元件的布置造型与样式，操作者的舒适性和 第二章车辆人机工程设计基础 1 5 安全性。 2 5 1 室内空间设计概述 优秀的车辆车体内部空间的设计能够使人乘坐舒适、操作方便。驾乘时，室 内空间对驾驶员和乘员的心理影响很大，狭小的、不合理的空间让人感觉压抑、 动作受到很大的限制；而良好的室内空间能够让人放松、动作灵活、方便。客厢 应给乘客以合适的乘坐空间，即在最经济的外部尺寸条件下，允许乘员有最低限 度的活动空间，而不是指日常人们在室内活动时所需求的空间。车辆车体内部空 间的设计从受限作业空间考虑时一般以男性第9 5 百分位的人体数据为基准，而从 坐姿近身作业空间和脚作业空间来考虑一般以女性第5 百分位的人体数据为基准， 保证空间设计能够为大多数人提供良好的驾