汽车人机工程学

概论汽车人机工程学人机工程学是20世纪70年代初迅速发展起来的一门新兴学科,它从人的生理和心理出发,研究人-机-环境相互关系和相互作用的规律,并使人—机系统工作效能达到最佳。在汽车车身设计中应用人体工程学,就是以人(驾驶员、乘客)为中心,研究车身设计(包括布置和设备等)如何适应人的需要,创造一个舒适的、操纵轻便的、可靠的驾驶环境和乘坐环境,即设计一个最佳的人—车—环境系统。概论☆通过测量、统计、分析人体的尺寸，以此为依据确定车内的有效空间以及各部件、总成的布置位置和尺寸关系。☆通过对人体生理结构的研究，以使座椅设计以及人体坐姿符合人体乘坐舒适性的要求☆根据人体操纵范围和操纵力的测定，确定各操纵装置的布置位置和作用力的大小，以使人体操纵自然、准确、轻便，并降低操纵疲劳程度。☆通过对人眼的视觉特性、视野效果的研究、试验，校核驾驶员的信息系统，以保证驾驶员获得正确地驾驶信息。☆根据人体的动力学，研究汽车碰撞时对人体的合理保护，正确确定安全带的铰接点位置和对人体的约束力；研究振动时对人体乘坐舒适性的影响；研究人体上下车的方便性，以确定车门的开口部位与尺寸。☆研究人体的生理要求，合理确定和布置空调系统。人机工程学的具体应用人体尺寸与人体模型☆人体尺寸决定了人体所占据的几何空间大小和人体的活动范围,是确定车身室内有效空间和进行内饰布置的主要依据。根据人体尺寸的正态分布以人体尺寸的“百分位分布值”作为设计的尺寸依据。☆百分位表示人体的某项基础数据对于使用对象中有百分之几的人可适用，这是人体工程学中一条基本的设计原则。车身设计中一般采用5%、50%和95%三种百分位的人体尺寸,分别代表矮小身材、平均身材和高大身材的人体尺寸。车身设计中，常把第95%百分位的值作为设计上限，把第5%的值作为下限。这样的设计结果可满足90%的使用对象。人体尺寸人体尺寸与人体模型汽车设计和试验中所采用的人体模型视用途不同，种类不一。常见的有H点人体模型、装车试验用人体模型（假人）、振动试验用多自由度振动人体模型。人体模型人体尺寸与人体模型☆H点是人体身躯与大腿的连接点，即跨点Hp。☆H点人体模型是一种用来确定汽车车身的实际H点位置的人体模型。H点人体模型由背板部、座板部、小腿部及足部等构成。H点人体模型人体尺寸与人体模型H点人体模型图1H点人体模型人体尺寸与人体模型☆汽车实际H点是与操纵方便性极坐姿舒适性相关的车内尺寸的基准点；☆汽车实际H点是确定眼椭圆在车身重位置的基准点；☆汽车实际H点也是确定座椅参考点R（H点与R点重合）的基准；☆汽车实际H点的位置影响到驾驶员的手伸及界面。汽车实际H点汽车实际H点是指当H点三维人体模型按规定的步骤安放在汽车座椅上时，人体模型上左右两H点标记连接线的中点。人体尺寸与人体模型☆撞车试验用的人体模型又称模拟假人，是进行车身安全性研究必不可少的设备。通过其体内的传感器测量碰撞时人体的伤害值；通过碰撞瞬间的高速摄影分析人体的运动状态，借以比较撞车时成员的伤害程度和乘员保护装置等的性能；☆汽车平顺性试验中需要使用人体振动模型作为座椅的载荷。这种人体振动模型应能较好地反映真人人体的动态响应，并可排除人的因素差异，使试验结果有统一的比较依据。其它人体模型驾驶员视野设计☆驾驶员视野直接影响汽车主动安全性，是整车总布置及造型设计要始终关注的基本方面。☆驾驶员视野设计主要包括以下几个方面：前方视野、交通灯视野、A柱障碍角、直接后方视野及间接后方视野、仪表板视野。驾驶员视野设计前后视野示意图图2驾驶员视野示意图驾驶员视野设计☆前方地面视野：从驾驶员眼睛中心点作一条与发动机舱盖相切的直线，与设计地面线相交，其交点与前保险杠最前端的纵向距离越小越好，一般希望小于5m；☆风窗玻璃透明区视野风窗玻璃透明区至少应包括风窗玻璃基准点连线所包围的面积。这些基准点是（注意：透明区域指的是光线垂直照射的时候，透光率大于70%）：基准点a，V1点水平向前偏左17°；基准点b，V1点向前沿铅垂面偏上7°；基准点c，V2点向前沿铅垂面偏下5°；辅助基准点a’、b’、c’，与a、b、c点关于汽车纵向对称平面对称。(V点是表征驾驶员眼睛位置的点，它与通过驾驶员乘坐位置中心线的纵向铅垂平面、R点及设计座椅靠背角有关。此点用于检查汽车视野是否符合要求。通常用V1、V2两点表示V点的不同位置。)前方视野驾驶员视野设计☆驾驶员前方180º范围内直接视野：在通过V1的水平面下方和通过V2的三个平面（三个平面都和水平面向下成4°夹角，其中一个平面垂直于Y基准平面，另两个平面垂直于X基准平面）上方的范围内，除了A柱、三角窗分隔条、车外无线电天线、后视镜和风窗玻璃刮水器等造成的障碍外，不得有其它障碍。前方视野图3驾驶员前方180°内视野评价驾驶员视野设计交通灯视野：要求汽车在停车线1m以外能方便看到交通灯最上面的红灯，不能被车顶或其它零件所遮盖（内后视镜除外）。见图2所示。交通灯视野A柱障碍角按GB11562-1994的规定进行测量，每根A柱双目障碍角不得超过6°。若两柱相对汽车纵向铅垂面是对称的，则右柱不需要再测量。在测量A柱障碍角的时候，一定要注意门窗密封条、门窗的上框架、遮阳带也要考虑在内。测量方法如下：驾驶员视野设计A柱障碍角☆P点至驾驶员眼睛高度上的头部中心点，通常以P1、P1两点表示驾驶员水平观察物体时P点的不同位置。☆Pm点指通过R点的纵向铅垂面与P1、P2连线的交点。驾驶员视野设计A柱障碍角测量方法：驾驶员视野设计A柱障碍角图6双目障碍角测量示意图图5E点和P点的相对位置驾驶员视野设计☆直接后方视野主要与倒车性能有关。求作方法是从驾驶员眼睛中心点作一条与后挡风玻璃透明部分最下沿（或衣帽架最上沿、行李箱盖）相切的直线，并与设计地面线相交，交点与保险杠最后段的距离越小越好（一般要求小于20m）。☆间接后方视野是指驾驶员通过内、外后视镜观察车后物体的视野范围。1、内后视野驾驶员借助内后视镜必须能在水平路面上看见一段宽度至少为20m的视野区域，其中心平面为汽车纵向基准面，并从驾驶员的眼点后60m处延伸至地平线（如下图）。后方视野图7内后视野示意图驾驶员视野设计2、驾驶员一侧外后视镜的视野驾驶员借助外后视镜必须能在水平路面上看见一段宽度至少为2.5m的视野区域，其右边与汽车纵向基准面平行。且与汽车左边最外侧点相切，并从驾驶员眼点后10m外延伸至地平线（见下图）。3、乘客一侧外后视镜的视野对于总质量小于2000kg的M1和N1类汽车，驾驶员借助外后视镜必须能在水平路面上看见一段宽度至少为4m的视野区域，其左边与汽车纵向基准面平行，且与汽车右边最外侧点相切，并从驾驶员的眼点后20m处延伸至地平线（见下图）。后方视野驾驶员视野设计图8外后视野示意图驾驶员视野设计仪表板视野指的是由于转向盘而造成的驾驶员对于仪表板上指示装置的视野障碍。根据人机工程要求，这些指示装置应该在女子5百分位和男子95百分位的视野范围之内。其中，影响视野上限的为转向盘轮缘，影响视野下限的为转向盘中央盖板或转向盘柱上沿。仪表板视野驾驶员视野设计仪表板视野图9仪表板视野测量示意图驾驶员视野设计☆汽车驾驶员眼椭圆是指不同身材的驾驶员以正常驾驶姿势坐在座椅上,其眼睛位置在车身中的统计分布图形。由于图形呈椭圆状,故称之为“眼椭圆”。在车身设计中一般采用眼椭圆样板来描述驾驶员的眼睛分布范围。☆国际标准ISO4513中,对应于一定的座椅水平调整行程,提供了各种百分位的驾驶员眼睛分布位置,即侧视图和俯视图上的相应眼椭圆样板,并适用于下列尺寸范围的车身:座椅靠背角:5°～40°最后H点到踵点的垂直距离:127～457mm座椅垂直调节范围:0～38mm座椅水平调节范围:102～165mm最后H点到踵点的水平距离:≥508mm眼椭圆驾驶员视野设计眼椭圆图10轿车车身内部布置中95%眼椭圆样板的绘制及其在侧视图上的定位乘员头部空间设计☆驾驶员及乘员头部活动空间校核主要通过头廓包络线来计算完成，头廓包络线是指不同百分位身材的驾驶员和乘员在乘坐状态下，他们头廓线的包络线。头廓包络线的形成方法是将头廓线样板放在眼椭圆样板上面，使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，并保持两样板上的自身坐标平行，描绘出头廓线运动时候的包络线便是头廓包络线。如图1所示。由于头廓包络线以眼椭圆为基准而生成，而眼椭圆的长短轴因身材百分位及H点水平行程的不同而有异，因而头廓包络线是有许多条的。头廓包络线乘员头部空间设计头廓包络线图11头廓包络线形成侧视图上下车方便性☆在现代汽车设计中，虽然常常涉及的紧凑型汽车，但同时需要保证汽车内部空间的宽敞，更不能因车身的紧凑影响进出的方便性，正因为如此，所以在设计过程中要进行周全的考虑，细致协调，既要满足空间要求，又要符合造型需要，更要推敲技术上的可行性。概述上下车方便性☆考虑上下车方便性，首先要考虑的是车门立柱是否符合要求，下面图12给出了前座不能翻倒的轿车车身与座椅相对位置的推荐值。当立柱倾斜度过低或者为0时，前后座入座都会不舒适，如果将门立柱往后倾斜适当角度，则可以大大改善入座离座的方便性，参考图13所示。车门立柱倾斜度上下车方便性车门立柱倾斜度图12立柱与座椅相对位置推荐值图13车门立柱对上下车方便性的影响上下车方便性☆影响上下车方便性结构主要是车门，座椅及车门槛。对于前座的上下车方便性（图14、15）H130（前门槛至地面的垂直距离）、H74（在方向盘中心平面内，方向盘到未压坐垫的最小距离）、HY1（R点到前车门上沿的垂直距离）、L18（前入口的足部空间，前门最大开度时门内边缘或在门槛之上102mm的立拄与前座椅最小距离）、LX1（前车门X方向最大开度）、LX2（前车门对角最小距离）起着最关键的作用。不管车型大小，前门上下车尺寸都以驾驶员的要求为中心的，不同级别的尺寸大小相当。推荐值如下：L18450mmH130400MMH74150MMHY1750mm。通道尺寸上下车方便性☆对于后座的上下车方便性（图14、15），H131（后门槛至地面的垂直距离）、HY2（R点到后车门上沿的垂直距离）、L19（后入口的足部空间，后门最大开度时内边缘或在门槛之上102mm的立柱与前座椅最小距离）、LX1（前车门X方向最大开度）、LX2（前车门对角最小距离）、LX3（后车门X方向最大开度）有直接影响。一般而言，高度方向上的上下尺寸不因级别而异，而长度方向的尺寸则因级别的不同而有不同的要求，级别越高，尺寸越大。推荐值如下：L19250mmH131400mmHY2750mm。通道尺寸上下车方便性通道尺寸图14L18和L19示意图上下车方便性通道尺寸图15影响上下车方便性关键尺寸图示上下车方便性☆侧壁倾斜度对于上下车特别是上车有很大的影响，如图16所表示，当K值（车门上缘与门槛之间的间距）为0时，乘客的上身必须倾斜30°以上才能进入车内。而当K值在100-150mm（视车身高度变化），则可以很方便的入座。☆当K值过大时，下车时也不方便，同时将由于上下比例失调而影响汽车的外观，同时也会影响内部空间的利用，以及乘员的头部空间和乘坐适合性，而且玻璃升降占用车门内腔的空间太大，也会使车门变厚。侧壁倾斜度上下车方便性侧壁倾斜度图16车身侧壁倾斜度对上下车方便性的影响人体坐姿舒适性和手伸及平面☆驾驶员舒适驾驶姿态和手伸及范围都是驾驶员驾驶适宜性的重要组成部分，在进行轿车驾驶室设计过程中，驾驶室，驾驶座等相关尺寸也是由人体尺寸及其操作姿势或舒适的坐姿确定的。但由于相关尺寸非常复杂，人与“机”的相对位置要求十分严格，为了使这种人机系统的设计能更好地符合人的生理要求，在设计中，可以采用人体模板来校核有关驾驶室空间尺寸，方向盘等操纵机构的位置，显示仪表的布置以及功能按键和旋钮是否符合手伸及界面和规定姿势的要求。概述人体坐姿舒适性和手伸及平面☆由于驾驶员的舒适驾驶姿势随车型的不同而变化,各自选择舒适姿势下的关节角度有较大的差别。如图1所示，对于轿车通常靠背角A1最