汽车人体工程学

人体工程学简介 一、何为人体工程学？ 人体工程学是上世纪50年代发展起来的一门新学科。它以人－机关系为研究的对象，以实测、统计、分析为基本的研究方法，是一种描述如何塑造适宜人的工作环境的科学。具体到产品开发，就是在产品的和制造方面要按照人体的生理解剖功能量身定做，更加适合于人体的工作效能。 ♠ “人”指的是在所研究的系统中参与系统过程的人; ♠ “机”则泛指一切与人处于同一系统中并与人交换着信息、物质和能量的、供人使用的物; ♠ “工作环境”指的是“人”、“机”共处的、对“人”和“机”有直接或间接影响的周围外部条件。 在我国，本学科处于初创阶段，名称尚不统一，有“人机工程学”，“人类工效学”、“人体工程学”和“工效学”等不同提法。 统一称为“人机工程学”。 二、人机工程学的研究对象 人机工程学的研究对象是人-机-环境系统简称人机系统。 人机工程学既要研究人-机-环境系统的各个组成部分的属性,更要着重研究人-机-环境系统的总体属性,以及人、机、环境之间的相互关系的规律。 三、人机工程学的研究内容 ♠ 人的特性的研究 （1）人体尺寸及人体测量技术 （2）人体的力学性能 （3）人的劳动生理功能 （4）劳动中人的心理过程 （5）人的信息传递能力 （6）人的可靠性 （7）人员的选拔和培训 （8）人的动作时间研究 （9）人体模型 ♠ 机的特性的研究 ♠ 环境特性的研究 ♠ 人-机关系的研究 ♠ 人-环境关系的研究 ♠ 机-环境关系的研究 ♠ 人-机-环境系统总体性能的研究 四、汽车人体工程学 今天的汽车要追求“人车合一”。所谓“人车合一”，就是设计汽车的目标要以人为本，围绕人的需求而建造。要使人乘驾汽车感到舒适、方便和不容易疲劳，这就是汽车人体工程学的目的。汽车设计的基础。 ♠ 驾驶区空间如何确定？ ♠ 驾驶员座椅如何设计？ ♠ 仪表盘如何设计与布置？ ♠ 操纵杆、脚踏板等如何布置？ ♠ 前风挡玻璃（雨刮器）有何要求？ ♠ 后视镜大小、位置如何确定？ ♠ 车高（车长等）如何设定？ ♠ 汽车如何降噪？ ♠ 汽车照明设备有何要求？ ♠ 汽车的安全设备（安全带、气囊等）应满足何种要求？ 本课程主要研究对象：轿车。 轿车作为通勤交通工具的功能比率将渐趋下降，而用于休闲娱乐的功能比率将渐趋提高, 轿车的行驶速度也许不再是最主要的使用性能要求了，而人们对轿车的宜人性、乘坐舒适性的要求却会比现在高得多, 轿车作为一个活动的家，将要求车内空间增大，内部装饰更具有家庭的温馨气氛。 第一章 汽车设计与试验用人体模型 常用人体模型来代替真人。人体模型应有人真人的某些特性。 汽车设计与试验用人体模型视用途不同种类也不一。主要包括车身设计及校核用的H点人体模型、撞车试验用的人体模型(假人)、仪表板及转向操纵系统冲击吸收性能试验用的头部和胸部模型及振动试验用的两自由度(或多自由度)振动模型等。 &1-1百分位 一、百分位概念 百分位是人体工程学中常用的一个术语，它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。因此，目前人体基础数据标准均以百分位的形式公布。这种表达方式已在国际上通用。 百分位最简单分为三档，即第5百分位、第50百分位、第95百分位。 我国1989年7月l日起正式实施的国家标准《中国成年人人体尺寸》，分7档公布数据，即第1、第5、第10、第50、第90、第95、第99百分位，以方便使用。 人体尺寸因种族、国家或地区而异，这一点在引进国外技术设备时是不可忽视的。 二、百分位在产品尺寸设计中的应用 1、产品设计类型 按照所使用的人体尺寸的设计界限值的不同情况,可将产品尺寸设计任务分为三种基本类型: Ⅰ型产品尺寸设计：需要同时利用两个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值和下限值的依据之设计任务,称为Ⅰ型产品尺寸设计,又称双限值设计。 例如,汽车驾驶座椅设计。 Ⅱ型产品尺寸设计：只需要利用一个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值或下限值的依据之设计任务,称为Ⅱ型产品尺寸设计,又称单限值设计。 ⅡA型产品尺寸设计：只需要利用一个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值的依据之设计任务,称为 ⅡA 型产品尺寸设计,也称大尺寸 设计。例如,设计公共汽车的车厢高度。 ⅡB 型产品尺寸设计：只需要利用一个人体尺寸百分位数作为尺寸下限值的依据之设计任务,称为 ⅡB 型产品尺寸设计,也称小尺寸设计。 例如,设计工作场所的栅栏结构、网孔结构或孔板结构等安全防护装置。 Ⅲ 型产品尺寸设计：只需要人体尺寸的第 50 百分位尺寸数据作为产品尺寸设计的依据之设计任务,称为Ⅲ 型产品尺寸设计,也称 折中设计。 例如,门的把手或锁孔离地面的高度、电灯开关在房间墙壁上的安装位置离地面的高度设计。 设计人员进行产品或工程系统设计时, 首先必须正确判断设计任务应属于哪一种类型, 然后恰当选取作为尺寸设计依据的人体相应部位的百分位数。 2、（人体尺寸测量）百分位数据的修正 （1）功能修正量： (1)着装修正量 (2)姿势修正量 （2）心理修正量 最小功能尺寸:为了确保实现产品的某项功能而在设计时规定的产品最小尺寸,称为产品最小功能尺寸。 产品最小功能尺寸 = 人体尺寸百分位数 + 功能修正量 最佳功能尺寸:为了方便、舒适地实现产品的某项功能而设定的产品尺寸,称为产品最佳功能尺寸。 产品最佳功能尺寸 = 人体尺寸百分位数 + 功能修正量 + 心理修正量。 人机工程学是以追求安全、健康、舒适、高效为目标的, 只要客观上许可, 就应当按最佳功能尺寸进行设计。 以设计乘客区顶高为例, 若以男子身高第 90 百分位尺寸 1754 mm作为设计界限值, 鞋跟高修正量取为 25 mm,高度的最小余裕量取为 90 mm,高度的心理修正量取为 115 mm,则: 最低层高=1754+(25+90)=1869≈1900 mm 最佳层高=1754+(25+90)+115=1984≈2000 mm 三、百分位在汽车设计中的应用实例 汽车设计以总体布置为核心，而轿车总体布置又是从车厢开始的。为此要利用能表述人体形状的标准模型做为准绳来安排驾驶舱各个部件位置。　　国际汽车设计界中所应用的总范围在5%-95%之间，它涵盖了90%的人群。 例如驾驶员的位置，从脚踩油门踏板或刹车踏板上算起，身材高大者要比身材矮小者靠后坐，这决定了驾驶座椅后移的位置；身材矮小者要比身材高大者靠前坐，这决定了座椅前移的位置。手臂长度与腿相比是较短的，当座椅后移时可能手触及不到仪表板，这就有了一个范围限制。例如以百分位人群来划分，假设第5个百分位（德国标准）的女子身高为1.47米，而第95个百分位的男子身高为1.82米，对于固定踏板的布置，工程师就只考虑5%的矮小女子和95%高大男子的手臂触及范围。做出仪表板的可接触的衡量，通常以高大男人的手臂长为一个决定性准则，即以伸展的手臂运动，在水平及垂直方向各绘出一个园孤线，近似描绘出一个半园形空间去安排座椅、仪表、方向盘、踏板、变速杆、中控板控制旋钮等零部件的位置及相互的距离尺寸。 驾驶座椅的布置是轿车总布置的关键之一。驾驶座椅的调整应能够使驾驶员相对方向盘、操纵杆、踏板等操纵机构及前档风玻璃，在纵向及铅垂方向的位置应能够满足绝大多数驾驶员群体的各类人身体特征。座椅的平行移动及高度调整范围根据人体标准模型的肢体夹角来确定。 &1-2 H点人体模型 H 点，即胯点( HipPoint )，指人体身躯与大腿的铰接点。在人体模板中为髋关节。确定汽车车身或驾驶室内部人机界面几何尺寸关系时 ,常以此点作为人体的定位基准。 H点（点13）人体模型由背板部、座板部、小腿部及足部等构成。背板部由背板、背托架、躯干杆、水平仪A及胸部和臀部重块等组成。座板部由座板、控制杆、T形杆、水平仪B、大腿重块、膝部角度盘等构成。 小腿部由左右小腿及质量块组成。足部有足部刻度盘。 汽车的实际 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中时，人体模型上左右两 H 点标记连接线的中点。 (l)汽车实际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。在特定的约束坐姿下，驾驶员在操作时身躯上部的活动必然是绕通过实际H点的横向水平轴线的转动，可用来检验汽车座椅设计的合理性。 (2)汽车实际H点是确定眼椭圆在车身中位置的基准点。影响仪表盘、前后风窗、左右风窗、风窗刮净区、后视镜等。 (3)汽车实际H点的位置影响到驾驶员的手伸及界面。影响仪表盘布置、操作件布置等。 &1-3 H 点二维人体模板 汽车车身设计中也采用H点二维人体模板来确定或校核车内尺寸，H 点二维人体模板是根据H点三维人体模型制作而成的。 对于安全设施, 应尽可能按极端的百分位数设计, 如选用第 1 和第 99 百分位,以适应绝大多数人的要求。对于一般设施, 所选百分位数可适当偏离极端数值, 如第 10 和第 90 百分位,这样可简化结构、降低成本。 人体模板的应用：人机系统设计时, 可借助人体模板进行辅助制图、辅助设计、辅助演示或辅助测试。 ♠ H 点二维人体模板在车身（车高）设计中的应用 1、制作模板 H点人体样板由躯干、大腿、小腿、足及靠背基准杆等组成。车身内部布置设计采用的通常是第95，50和第5百分位的H点人体样板。这三种百分位的万点人体模板的上身躯杆长度尺寸一样，但大腿长度B、小腿长度A各有不同。 2、模板安放 H点人体样板在车身侧视图上安放时，应先 确定H点的高度Hz（如何确定？） 确定舒适坐姿角 具体步骤为： (1)画出地板线(先以水平线代表); (2)确定出H点的位置(以加速踏板踵点为基准，兼顾座垫、靠背的压缩量);（如何确定？） (3)将第95百分位人体样板的H点与刚才确定的H点相重合; (4)按选定的舒适坐姿角确定人体样板在图纸上的位置; (5)选定H点的水平及垂直行程(即座椅的水平及垂直调节量)。水平行程范围一般为100一160mm，垂直行程一般应大于80mm。 (6)画出座椅调节至中间位置、最前最高位置以及最后最低位置时的H点。 (7)将第95百分位的人休样板的H点与图纸上最后最低位置的H点相重合，根据样板背部曲线形状、靠背压缩量与厚度，确定驾驶舱的最后界限。 (8)将第50、第10百分位的人体样板的H点分别与图纸上座椅调节到中间位置及最前最高位置的H点相重合，以加速踏板踵点为固定点，观察舒适坐姿角（除a外）的变化及坐姿位置的变化，决定H点高度Hz及行程大小是否合适。 (9)画出三种位置时上述三种百分位人体样板腿部轮廓线，供设计仲腿空间用。 (10)轿车后排座的布置方法与上述相仿。 (11)按第三章中“头廓包络线”中所述方法决定头顶空间。或按下述决定头顶空间的高度尺寸，见图1一7。由驾驶员或乘员头顶部F垂直向上100-135 mm为车顶内饰线。车顶厚度一般可取巧15-25mm，考虑到驾驶员头顶处的车高并非是车体的最大高度，从而再增加20-40mm作为车体总高的设计参考值。对于载货车，万点至车顶内饰线之间的距离在沿8度倾斜线上量，一般不应小于1000mm。 &1-4 其它人体模型 头部及胸部模型：评价仪表板或座椅靠背后部等的冲击性能等。 两自由度振动人体模型：汽车平顺性试验等。 车辆碰撞仿真分析用人体模型 注意：今天的汽车设计都采用计算机辅助设计，用专门软件来测定轿车的设计是否符合人体工程学。由于设计师对人体标准模型的取舍不同，就出现了欧美车空间比较宽大，日韩车空间比较狭小的现象。东亚人的平均身高和手臂长度都要逊于欧美人，但由于市场全球化，汽车设计也倾向于大空间。通过加大座椅、方向盘角度的多级调整来平衡各地区的人种身材的差异。　　 第2章 驾驶员眼椭圆、头廓包络线、H点位置线、膝部及胃部包络线 如何进行车室设计？ 汽车驾驶员的眼睛、头部、胯部、膝部及胃腹部上一些与车身设计有关的特殊点称为驾驶员的人体特征点。 驾驶员以自己的意愿将座椅调整到适意位置、并以正常驾驶姿势入座后，人体上的这些特征点在车内坐标系中的位置可以通过摄影法测得。测得的位置数据经数理统计处理后，便可得到各种百分位身材男女驾驶员的人体特征点的分布图形(图2一l)。它们包括驾驶员眼椭圆(图中D)、头廓包络线(图中E)、左右膝包络线(图中C和S)、H点位置线(图中A)、胃部包络线(图中F等)。将图形制成样板可作为车室设计的工具，因此上述图形亦称为车室设计用工具性图形。 &2-1汽车驾驶员眼椭圆 1、 何为眼椭圆？ 汽车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，他们眼睛位置在车内坐标系中的统计分布图形。