第4章 基于人机工程学的车身布置设计

,1.掌握轿车车身总布置设计的主要内容和基本方法；2.了解人机工程学在车身布置设计中的应用；3.了解人体结构特点与感知特性；4.掌握基于统计学的车身内部布置工具；5.轿车车室内部布置设计方法。,4.1车身总布置要求车身总布置设计是在整车总布置的基础上进行的。整车总布置包括：汽车的总体定位、整车质量、轴荷分配范围、基本尺寸（长、宽、高、轴距、轮距等）、乘员空间、行李箱容积、整车基本构造（两厢式还是三厢式、乘员数、座椅排数，以及动力总成、传动系、制动系、转向系、前后桥、车轮轮廓尺寸等）、驱动方式和发动机布置形式，以及结构强度、刚度和整车的性能要求等。,乘坐安全舒适、操纵方便,良好的密封、隔热、隔声,上、下车方便,维修、保养方便,确定必装件和选装件,轻量化、易制造、装配,有限的外形无限的空间,4.1.1车身总布置的设计要求,满足国际、国内相关法规系列化、通用化,视野性良好,乘坐舒适性,影响舒适性的各个因素，但是舒适性最终还是靠人的感觉主观评价的。,密封性、隔热性、防振性及隔音性,操纵稳定性,各种操纵杆件应易于分辨，防止误操作仪表显示清晰、明显，布置合理，不反光，不刺眼遮阳板与后视镜等附件应固定牢靠，调整方便各类仪表、信号器及报警器等应集中布置，并有明显区别,5.1车身总布置的原则和内容,视野性,确定车身造型,4.1.2车身总布置设计的主要内容,设计内容前排座椅的布置；做眼椭圆，确定视野范围；视野校核；确定方向盘的位置；确定仪表盘的位置；确定各种操纵杆件的位置；后排座椅的布置；地板布置；前围板、前围上盖板部件的布置；后围板的布置；顶盖及前、后风窗的位置确定；车身宽度和室内宽度的确定；油箱和备胎的布置。,案例,车身总布置设计时，需考虑各总成尺寸、布置位置和人体生理特点。对车身内外形、发动机舱、前后围、地板、车窗、内饰总成和部件（仪表板、座椅和操纵机构等），以及备胎、燃油箱和排气系统等进行尺寸控制和布局。主要参数:前、后悬长度、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、操纵机构和踏板的相互位置。,1.动力总成的布置1）发动机总布置设计发动机和传动系的布置形式，以及各总成和部件的布置位置、空间尺寸等，决定整车的轴荷分配，影响整车动力性，乘坐舒适性，操纵稳定性，安全性，整车长、宽、高以及车身布置的位置和空间。动力总成相对于前轮轴线的位置会影响汽车的轴荷分配（如表4-2所示）和轿车前排座位的乘坐舒适性以及传动轴的长度和夹角；发动机上下位置会影响驾驶员视野、汽车最小离地间隙和质心高度。在总布置草图上，动力总成的位置可由曲轴中心线与发动机气缸体前端的交点和曲轴中心线的倾角（一般货车14，轿车34）这两个参数来确定。,确定动力总成位置的主要尺寸,2）传动系的布置(对于FR布置形式)对于FF式和RR式轿车，由于底板下部无需传动轴，因此可降低地板高度，有利于座椅布置和提高舒适性。对于FR布置形式，为了尽量降低地板高度以提高乘坐舒适性，就要尽量减小由于传动轴通过地板下部所需的地板凸包的高度，通常在垂直平面上将传动轴呈U形布置。,U形布置的传动轴（a）单根万向传动轴（b）装有中间支承的双根万向传动轴,2.发动机舱和前后围布置,发动机舱需要根据发动机、变速器、排气系统、散热器和蓄电池等的尺寸和布置来确定其空间，并据此进行结构设计。前围板将发动机舱与乘员室隔开。在前围上部固定前风窗玻璃，乘员室内侧安装仪表板，外侧支撑发动机罩，安装刮水器。对于三厢轿车，利用后围将车室内与行李箱隔开。3.地板布置和轮罩形状最小离地间隙对汽车的舒适性和通过性有较大影响。开始设计时，轿车最低凸出部位所要求的最小离地间隙可取240mm为参考值。,降低车身底板平面的措施(a)X型车架(b)固定式车架(c)用准双曲面齿轮传动并将传动分成两段(d)前置前驱动(e)后置后驱动,轮罩设计要求：外形小巧紧凑、内部宽敞舒适。要贯彻“寸土必争”的原则。作前轮转向跳动图和后轮跳动图，可以确定前后轮罩的空间大小和形状。车轮跳动图需要根据车轮跳动的极限位置和最大转向角来求作。为了绘制转向轮轮罩表面，应先确定车轮跳动到极限位置和最大转向角时所占有的空间。,允许增加座垫宽度的轮罩外形(a)座椅在前轴后方(b)座椅在前轴上方,轿车转向轮轮罩外形与翼子板开口的确定,4.行李箱、燃油箱和备胎的布置,发动机前置前轮驱动轿车的燃油箱布置方案,4.2车身布置设计中的人机工程学,汽车人机工程学：运用生理学、心理学及社会学等方面的科学知识，通过对人体尺寸和操纵范围、人的视觉和光的效应、听觉信息的传递和噪声干扰、人体对环境的适应性等的研究，以求从主观和客观上使汽车的各种性能更好地适应人们生理和心理上的要求，得出合理的“产品功能尺寸”。车身布置设计时，应将人车路作为一个系统来研究，既要充分考虑人的因素，如人体尺寸、人的生理和心理特性、人的习惯等；又要充分考虑道路交通特性。根据人体的测量尺寸、生理结构和感知特点甚至心理特点，确定驾驶的最舒适姿势、座椅的形状、仪表板的布置、方向盘的形式及它们之间的相互位置关系，校核操纵轻便性、乘坐舒适性、上下车方便性、视野性等。,4.3车身内部人机设计辅助工具,4.3.1H点装置,H点装置（HPiontDevice）是车身布置和测量的重要工具，对于进行驾驶室人机工程学设计和参数测量、辅助进行驾驶室内部基准点的定位具有重要意义。,Oscar型三维H点人体模型,1.H点测量装置,1.鞋2.鞋固定装置3.小腿部4.大腿部5.座垫盘6.可拆卸重块7.头部空间测量装置8.躯干部,SAEJ826HPM-型H点测量装置,HPM-型H点测量装置由鞋、小腿部、大腿部、座垫盘和躯干部组成，各部分是完全独立的，均可拆卸，此外还包括鞋固定装置和头部空间测量装置两个附件。,2.H点设计工具,SAEJ826的H点设计工具,3.H点装置上的基准点,（1）H点是H点装置上躯干与大腿的铰接点，在不同场合其表现形式也不同。1）设计H点它是借助HPD按一定程序建立的H点，用以表达设计乘坐位置。2）乘坐参考点SgRP对指定乘坐位置而言，这是一个特殊的设计H点，它具有以下特点：是车辆设计过程的初期就定义的重要参考点。虽然行程可调节座椅在其H点调节轨迹上有许多设计H点，但只有唯一一点定义为SgRP。驾驶员的SgRP可用于定位一些布置工具，用来定义了许多关键尺寸。3）实际H点它是将HPM按规定步骤安放在实车指定乘坐位置座椅上时，所测得的H点。,（2）D点是坐姿状态下H点装置臀部的最低点。（3）K点H点装置上大腿与小腿的铰接点，即膝关节点。（4）躯干线H点装置上自H点出发，平行于后背腰部区域外表面，用于定义躯干角度的直线。（5）腿线是连接腿部两端关节的直线，包括大腿线和小腿线。大腿线连接H点和K点，小腿线连接K点和踝关节点。（6）座垫线H点装置上，自H点出发，用于定义座垫角度的直线。,H点装置上的基准点和关键尺寸,百分位：是人体测量学中的一个术语，用于表示人体某项尺寸数据的等级。将抽取的样本实测尺寸值由小到大排列于数轴上，再将这一尺寸段均分成100份，则将第n份点上的数值作为该百分位数。百分位数是一个位置指标，第95百分位数，即这群人中有95的人低于或等于某个数值，而只有5的人高于这个数值。例如：将一群人的身高统计在数轴上，第50份点上的数值为1700mm，则称第50百分位数为1700mm，一般写为P50=1700mm。通常有P5、P50、P95三种。用这种方法可以测得人体各部位的尺寸，通过数据处理，即可得到各个百分位数的标准人体尺寸。,硬点和硬点尺寸：硬点尺寸是指连接硬点之间、控制车身外部轮廓和内部空间以满足使用要求的空间尺寸。轿车外部尺寸包括总长、总宽、总高、轴距、前后悬长、前后轮距接近角、离去角和最小离地间隙等；内部尺寸包括车室内长、宽、高及发动机舱和行李箱容积等。外部尺寸与造型和空气动力性能密切相关，影响汽车的重量和轴荷分配及整车性能等；而内部尺寸的确定应保证成员坐姿舒适性、操作性、安全性和上下车的方便性等。,4.3.2眼椭圆眼椭圆是指不同身材的乘员以正常姿势坐在车内时，其眼睛位置的统计分布图形，左右各一，分别表示左眼和右眼的分布图形。由于其呈椭圆形，故称为眼椭圆。,1.长轴轴线Ax2.短轴轴线Ay3.竖轴轴线Az,眼椭圆,驾驶员眼椭圆实验装置,让驾驶员（男女比例为50:50）分别坐在三辆静止的敞篷车内，将转向盘和座椅按各自习惯调整到适宜的位置，眼睛注视前方屏幕上播放的交通场景，并如同真正驾驶一样操纵汽车，同时正前方和侧面的照相机同步拍摄下眼睛位置的照片，经过计算就可以确定眼睛在汽车坐标系中的位置。统计的结果是：眼睛分布范围在俯视图和侧视图的投影均可近似为椭圆,利用眼椭圆进行驾驶员前下方视野设计的原理,以驾驶员前方下视野设计为例，进一步说明应用眼椭圆进行视野设计的原理。,眼椭圆的应用,利用眼椭圆还可以进行前风窗玻璃雨刮器面积和除霜面积的校核；车身A、B、C立柱的视野盲区的校核；转向盘盲区的校核；仪表板可是去的确定和避光罩避光效果的校核。,4.3.3头廓包络,头廓包络指不同身材的乘员以正常姿势坐在适宜位置时，其头廓（包含头发）的包络，用于在设计中确定乘员所需的头部空间。,头廓包络的应用,由于驾驶员操纵的许多手操纵件都是安装在仪表板上的，因此头廓包络线可以用于确定仪表板的位置。同时，头廓包络线也用于确定驾驶员和乘员的头部空间，以便校核或设计顶盖高度和宽度，保证乘员头部活动和在颠簸以及翻车等情况下使头部有必要的缓冲空间。,4.3.4驾驶员手伸及界面,驾驶员手伸及界面，是指驾驶员以正常驾驶姿态坐在座椅上、身系安全带、右脚踩在加速踏板上、一手握住转向盘时，另一手能伸及的最大空间廓面。,驾驶员手伸及界面在车内的位置1-外侧手伸及界面2-内侧手伸及界面3-参考原点,伸及性检测,4.4.1基于人机工程学的车室内部布置设计要求：保证安全性和舒适性。车身内部布置：主要任务包括驾驶区的布置和乘客区的布置，其核心问题是确定人在车身中需要的空间，人与座椅、驾驶操纵机构的相对位置关系。这一切都应以人体为中心，以相关的人体尺寸作为设计依据。一般车辆内部布置按成年人的人体尺寸来设计。要考虑人体身长存在地区差异。车身内部空间和操纵机构的布置以及驾驶员与乘客座椅的尺寸和布置等参数都可以以该统计数据为依据。,4.4车室内部布置设计,（1）驾驶员的设计H点布置,舒适姿势下人体关节角度范围,满足人体尺寸的车身内部布置,（2）转向盘的布置,操作转向盘的最大操作力与转向盘倾角和转速的关系,转向盘布置包括确定中心位置、倾角和轮缘直径。,（3）踏板布置,驾驶员的脚要操控的踏板有加速踏板、离合器踏板和制动踏板，这些踏板都必须布置在驾驶员的脚操纵范围内，并使驾驶员有舒适的驾驶姿势。,各种人体舒适驾驶时加速踏板与H点的位置关系,（4）前后风窗的布置,发动机罩C点、后背舱面D点和长度,前后风窗的布置参数（a）前后视野参数（b）前后风窗倾角,（5）车身宽度方向的布置,车身宽度方向的布置尺寸,K值和车身侧壁倾斜度对上下车方便性的影响,（6）车门立柱的布置,(a)车门立柱直立(b)车门立柱适当倾斜车门立柱对入座方便性的影响,1）要求：保证上、下车的方便性。2）方法：a）参照立柱与座椅相对位置的推荐值。b）立柱倾斜，保证最小入座通道尺寸，提高入座方便性。c）侧壁的倾斜及k值大小可以保证上下车的方便性。,（7）后视镜的布置,人机工程学推荐：后视镜水平方向的位置位于驾驶员直前视线左右各60（45头部自然转动角与15眼睛自然转动角之和）范围内；垂直方向位置位于驾驶员直前视线上下各45（30头部自然转动角与15眼睛自然转动角之和）范围内。对于驾驶员侧后视镜，一般推荐镜中心与靠近视镜一侧眼点的连线（或眼椭圆切线）与驾驶员直前视线的夹角不大于55。观察后视镜的视线不应被立柱阻挡。若通过前风窗观察后视镜，后视镜应布置在通过前风窗刮扫区域看到的范围内。,=1218,=3238,=4555,=6575,轿车车外后视镜的安装位置,5.2人机工程学在车身总布置中的应用,1.前方视野的校核在车身总布置图上，确定了代表驾驶员眼睛分布位置的眼椭圆后，即可做出驾驶员的实际前方视野范围，进行前视野、侧视野、后视野的校核。,驾驶员前方视野校核,视野性要求：保证操纵方便、行驶安全。依据：座椅的布置、高度以及座垫和靠背的倾角，车窗的尺寸、形状和布置，立柱的结构、发动机罩和翼子板的形状等。,4.4.2视野校核,前方视野校核的必要视角1）侧视图2）俯视图,前方最小上视角的确定,SAE标准定义的理论刮扫区,1.理论刮扫区A边界2.理论刮扫区B边界3.理论刮扫区C边界4.实际刮扫区与理论刮扫区A重合部分边界5.右实际刮扫区边界6.左实际刮扫区边界7.刮扫器旋转轴线,理论刮扫区、实际刮扫区及其重合区域,2.前风窗刮扫器刮扫区域校核,刮扫器的功能是刮除风窗玻璃上的雨、雪和其他污物，以保持风窗玻璃有良好的视野性。刮扫面积是指刮扫器在风窗玻璃上能刮到的有效面积。保证该区域满足驾驶员视野要求是布置刮扫器的依据。刮扫面积与刮扫器布置位置、刮刷摆角和刮片尺寸有关。,3.A柱盲区校核驾驶员一侧的A柱盲区是驾驶员前方视野盲区中最主要的部分。A柱盲区用双目障碍角表示，其大小与A柱本身结构尺寸和驾驶员眼睛到A柱的距离有关。在国标GB11562汽车驾驶员前方视野要求及测量方法中规定，每根A柱的双目障碍角不能超过6。,4.后视野校核,后视野的校核主要是利用眼椭圆校核车内、外后视镜的安装位置、旋转角度以及水平和垂直后视角。,汽车后视野的校核要求,改善视野性的方法：升高座椅、减小座垫和靠背的倾角、布置驾驶员座椅接近汽车前端、加大前风窗、降低窗台、减小风窗玻璃倾角并尽量使之靠近驾驶员的眼睛、减薄立柱厚度并使其下端后移等，都可以在不同程度上改善视野性。,4.4.3仪表板的总体设计,在进行仪表板的总体设计时，主要应该考虑仪表板的位置、仪表的排列及最优认读区域的选择等因素。,仪表板的空间位置,仪表罩（遮光罩）的功能是防止光线对驾驶员造成眩目。仪表罩应该有足够的深度，以遮住射向仪表玻璃的光线。,1-眼椭圆2-入射光线3-入射光线（射到仪表玻璃的下边界）4-被仪表罩遮挡的入射光线5-仪表罩6-仪表玻璃7-入射光线3的反射线仪表防眩目检查,数字化人体模型技术简介在数字化人体模型出现之前,主要借助二维人体模板进行人机工程设计。人体模板主要用于辅助制图、校核空间尺寸和各种人机关系等。但使用人体模板不能很好地对视野、伸及能力、舒适性等问题进行评价，且不能适应快速发展起来的三维设计平台和虚拟设计的要求。这些因素促使三维平台下对人体各种特性进行模拟的软件系统的应用。车身人机工程设计软件RAMSIS已经成为全球汽车工业用于人机工程设计的实际标准，目前已经在全球70%以上的轿车制造商使用。RAMSIS的主要特征和强项是自动姿态计算，是基于仿真技术，可以根据操作者对人体模型定义的一组任务，自动地将人体模型调整到完成指定任务所需要的最佳姿态。,用户可以载入一个车辆的CAD模型，创建RAMSIS人体模型并且通过文本格式来定义一些让人体模型来执