基于人機(jī)工程的汽車設(shè)計(jì)方法 (恢復(fù))

1、人機(jī)工程學(xué)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用摘要: 在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，以人機(jī)工程常用工具為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，使得設(shè)計(jì)出的汽車產(chǎn)品能更好地滿足乘員使用舒適性。重點(diǎn)介紹了人機(jī)工程學(xué)主要的應(yīng)用面，主要包括整車視野設(shè)計(jì)、坐姿舒適性、進(jìn)出方便性、機(jī)蓋背門開啟舒適性等。結(jié)合自己的所學(xué)知識(shí)，提出了一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)參考，該文章對(duì)新產(chǎn)品的開發(fā)具有指導(dǎo)意義。 關(guān)鍵詞: 汽車; 人機(jī)工程學(xué); 汽車設(shè)計(jì) Application of Ergonomics in Automotive DesignAbstract: In automotive design and development，it is crucial to enhanc

2、e the functions of an automotive in the sense of ergonomics This paper introduces how ergonomics is used to improve the functions，such as field of vision，comfortableness of sitting position，convenience of peoples entry or exit，ease for opening engine cover and back door，and so on With the authors kn

3、owledge in automotive design，guidelines are also presented for automotive design reference Key words: automotive; ergonomics; automotive design1 引言人機(jī)工程學(xué)是一門綜合性較強(qiáng)的新興交叉學(xué)科，它是從人的生理和心理特點(diǎn)出發(fā)，研究人、機(jī)、環(huán)境、相互關(guān)系和相互作用的規(guī)律，以優(yōu)化人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)。汽車人機(jī)工程學(xué)是汽車工程學(xué)科中一門新的分支，其實(shí)質(zhì)是人機(jī)工程學(xué)在汽車上的應(yīng)用。汽車人機(jī)工程學(xué)以人（包括駕駛員和車內(nèi)乘員）-車-環(huán)境系統(tǒng)為對(duì)象，其核心是改善駕駛員的勞動(dòng)

4、條件和車內(nèi)乘員的舒適性，其目的是讓人在使用機(jī)械的過程中感到安全、健康、舒適、高效。因而，汽車設(shè)計(jì)是否符合人機(jī)工程的要求,這不僅關(guān)系到有效利用車內(nèi)空間及提高乘用舒適性，而且會(huì)影響整車內(nèi)外造型和尺寸參數(shù)，進(jìn)而影響整車性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。2 汽車人機(jī)工程設(shè)計(jì)的任務(wù)、要求汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)必須圍繞以人為中心的人性化前提展開，汽車人機(jī)工程設(shè)計(jì)的任務(wù)就是開發(fā)出使駕駛者感到操作方便、高效、不易疲勞，舒適、安全的汽車產(chǎn)品。由于駕駛者身材各異，而一種汽車的布置尺寸只有一種，要使一種操縱件的布置能最大限度地滿足不同身材駕駛者的手腳伸及性與姿勢(shì)舒適性的要求，必須對(duì)人機(jī)工程進(jìn)行仔細(xì)研究。例如，同是操縱油門踏板，高個(gè)子駕駛者

5、比矮個(gè)的座椅要靠后一些，因此，高大的男人比嬌小的女人更不易觸到儀表板，如圖1。圖1 5%女性和95%男性人體坐姿圖對(duì)操作姿勢(shì)來說 ,通過試驗(yàn)研究 ,由座椅、踏板和轉(zhuǎn)向盤的位置以及駕駛者姿勢(shì)參數(shù)的變化得到了駕駛者的舒適特性1,如圖2。圖2 駕駛者的舒適性3 汽車人機(jī)工程的常用工具 3.1 百分位人體 布置設(shè)計(jì)中，以人體尺寸的“百分位分布值”作為設(shè)計(jì)的尺寸依據(jù)?！鞍俜治弧笔侵溉梭w身高分布值的百分位，即對(duì)于身高的某一百分位分布值，則表示身高小于此值的人數(shù)所占的百分率，并將此身高分布值定義為對(duì)應(yīng)于這百分位的人體標(biāo)準(zhǔn)身高。車身設(shè)計(jì)中，一般采用5%、50%和95%三種百分位的人體尺寸，以分別表示小身材、中

6、等身材和高大身材的人體尺寸2見表1。表格 SEQ 表格 * ARABIC 1 中國人的人體尺寸性別百分位項(xiàng)目男子女子5%50%95%5%50%95%身高1553.971688.251822.531501.801586.171670.54坐高837.11896.53955.95796.57848.52900.47坐姿眼高-794-743-大臂長(zhǎng)242.30269.21296.12228.19260.74293.29小臂長(zhǎng)225.33247.08268.83197.92225.93253.94手長(zhǎng)176.97192.53208.09163.34179.00194.66肩寬297.03333.753

7、70.47355.25394.71434.17股寬297.03333.75370.47355.25394.71434.17大腿長(zhǎng)375.50422.48469.26350.99409.21467.43小腿長(zhǎng)365.86401.34436.82332.06368.60405.14足高61.1770.6979.6754.3665.7877.20大腿平長(zhǎng)384.58422.92461.26381.85431.76481.67膝彎到足底373.78405.79437.80348.50382.77417.043.2 人體樣板在布置工作中，可按表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)用有機(jī)玻璃、硬鋁板、或膠合板制成大、中、小三種，

8、尺寸比例為1：5或1：1的人體樣板。用均值制作的人體樣板（50%人體樣板），可用來確定基本布置尺寸，另外兩種樣板(5%和95%人體樣板)可用來確定其調(diào)整范圍。圖3表示3種百分位人體模板。圖3 3種百分位人體模板車身室內(nèi)設(shè)計(jì)時(shí)常使用的二維人體模型樣板有幾個(gè)關(guān)鍵特征點(diǎn)，分別是H點(diǎn)、AHp踵點(diǎn) 、PRP踏點(diǎn)。1) H 點(diǎn): 是人體布置的基準(zhǔn)點(diǎn)，是二位模板上軀干線與大腿線的交點(diǎn)，也稱Hp胯點(diǎn)。將二維人體模型放置在制定座椅位置上，在圖面確定的與人體模型上H點(diǎn)相應(yīng)的那一點(diǎn)，稱為設(shè)計(jì)H點(diǎn)。 在汽車設(shè)計(jì)中，通常以95%人體的H點(diǎn)作為設(shè)計(jì)H 點(diǎn);2) 踵點(diǎn):假人鞋跟與地毯的交點(diǎn)(腳跟著地點(diǎn))，考慮地毯的壓縮量。

9、3) 踏點(diǎn): 在假人鞋底中線上，距離踵點(diǎn)203mm的點(diǎn)，見圖4。圖4 H點(diǎn)、踵點(diǎn)、踏點(diǎn)示意圖3.3 眼橢圓眼橢圓是指駕駛員以正常姿勢(shì)坐在座椅上，其眼睛的位置分布圖。因其呈橢圓狀，在汽車設(shè)計(jì)中，稱之為“眼橢圓”，見圖5。常常將各種百分位的眼橢圓事先制成樣板，方便設(shè)計(jì)或校核用。方位、人體百分位、座椅的水平調(diào)節(jié)量和座椅靠背角都對(duì)眼橢圓的大小有影響。圖5 二維眼橢圓樣板眼橢圓97版與02版之分，對(duì)于相同的坐姿，02版眼橢圓較97版眼橢圓位置更靠后，導(dǎo)致對(duì)駕駛員前方視野的要求更加嚴(yán)格。02版眼橢圓質(zhì)心的空間坐標(biāo)函數(shù)公式表示為4 X = L1+664+0.587L60.1H3012.5t; (1)Y =

10、W2032.5; (2) Z = H8+638+H30。 (3) 其中,L1為PRP的X坐標(biāo); L6為方向盤中心到PRP的X方向上的距離; H8為AHP的Z坐標(biāo); H30為SgRP(座椅參考點(diǎn))與AHP的垂直距離;W20為SgRP的Y坐標(biāo); t為變速器類型(1:手動(dòng)變速器、帶離合踏板;0:自動(dòng)變速器，不帶離合踏板)。3.4 頭部包絡(luò) 頭部包絡(luò)，即身材各異的駕駛員按照自己的駕駛習(xí)慣將座椅調(diào)整到舒適位置，并以正常的駕駛姿勢(shì)入座時(shí)，他們的頭部位置在車身坐標(biāo)系中的統(tǒng)計(jì)分布圖形。對(duì)于固定座椅與滑動(dòng)座椅，頭部包絡(luò)的形狀及大小是不同的5，在設(shè)計(jì)時(shí)，通常利用99%和95%2種人體的頭部包絡(luò)面來分析人體的頭部橫

11、向空間、側(cè)向空間、縱向空間，進(jìn)而控制頂棚的上下邊界，見圖6和圖7。圖6 固定座椅的頭部包絡(luò)圖7 滑動(dòng)座椅頭部包絡(luò)(行程大于133mm)4.1 視野設(shè)計(jì) 汽車的行駛安全性、乘坐舒適性、操作方便性受汽車視野性能直接影響。故良好的視野設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。視野包括直接視野和間接視野，直接視野是指駕駛員不借助車上的后視鏡等直觀看到的視野，間接視野是指駕駛員通過內(nèi)、外后視鏡而獲取的視野?？剂恳曇暗暮侠硇灾饕獜那胺紸柱障礙角、儀表視野7、上下視野、180度視野、內(nèi)外后視鏡視野8等來綜合分析的，其要求如表2。表格 SEQ 表格 * ARABIC 2 視野設(shè)計(jì)法規(guī)要求項(xiàng)目法規(guī)要求前視野SAEJ1050V002，

12、GB11562-1994后視野71/127 EEC ，SAEJ941V002，GB 15084-2006A柱盲區(qū)77/649/EEC ，GB11562-1994儀表盤視野SAEJ1050V002雨刮刮掃區(qū)SAE J903 ，GB 11556-94內(nèi)部凸出物74/60EEC ，GB1155219994.2 坐姿舒適性 人體坐姿舒適性6也是人機(jī)工程學(xué)應(yīng)考慮的重要方面之一。舒適的坐姿使駕駛員更省力、方便地操作車內(nèi)各功能按鈕，同時(shí)享受駕駛樂趣。正確的坐姿能讓駕駛員更清晰地看到前后方視野、更準(zhǔn)確地看到組合儀表刻度，及在駕駛過程中，能合理及時(shí)地根據(jù)需要踩踏三踏板，提高汽車的安全性能。 人體舒適性主要是通過

13、定義各關(guān)節(jié)角度來控制的，見圖8。圖8 關(guān)節(jié)角度4.3 進(jìn)出車方便性 進(jìn)在轎車設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮進(jìn)出方便性的問題，尤其是對(duì)于緊湊型車身，內(nèi)部空間相對(duì)不夠?qū)挸?，但又不能影響乘客、駕駛員的進(jìn)出車方便性。 設(shè)計(jì)時(shí)主要通過控制H點(diǎn)到門開口尺寸來評(píng)價(jià)進(jìn)出方便性，測(cè)量方法見圖9。對(duì)于前排乘客，可通過表3里的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行控制。圖9 上下車方便性控制尺寸示意圖表格 SEQ 表格 * ARABIC 3 進(jìn)出方便性控制尺寸范圍序號(hào)轎車SUV/MPV eq oac(,1)780780 eq oac(,2)200270 eq oac(,3)1600160 eq oac(,4)800750 eq oac(,5)3035評(píng)價(jià)進(jìn)

14、出方便性的另一指標(biāo)是L18，它表示在車門開啟最大時(shí)，從門檻內(nèi)飾上方的102mm處測(cè)得的坐墊與內(nèi)飾件最小距離。它表征人的整個(gè)腿部、腳部是否能夠順利地進(jìn) 出，一般地應(yīng)保證 L18440 mm10。L18的測(cè)量方法見圖10。圖10 L18尺寸示意圖4.4 機(jī)蓋、背門開啟舒適性 設(shè)計(jì)時(shí)在布置機(jī)蓋、背門鉸鏈過程中，應(yīng)考慮機(jī)蓋、背門在開啟最大狀態(tài)時(shí)，保證5%女性手能觸及機(jī)蓋，以保證能輕松合上機(jī)蓋，同時(shí)95%男性在檢查機(jī)艙件布置，或在行李箱取貨物時(shí)，保證不能被機(jī)蓋碰到頭部。如圖11所示。但對(duì)于特殊的側(cè)開式尾門，在設(shè)計(jì)開啟角度時(shí)，應(yīng)該考慮尾門開啟到最大位置時(shí)，尾門的開口寬度。該尺寸會(huì)影響到行李進(jìn)、取的方便性，

15、尾門的最大開口寬度應(yīng)至少大于1m。圖11 機(jī)蓋舒適性操作要求示意圖4.5 內(nèi)部操作舒適性 轎車內(nèi)部操作舒適性主要包括方向盤、三踏板、變速桿和手制動(dòng)桿，座椅布置位置的合理性，各功能按鈕在手控伸及范圍內(nèi)，觸摸類按鈕、旋轉(zhuǎn)類按鈕及抓握類按鈕的手伸及界面11-12，同時(shí)應(yīng)保證足夠的空間來滿足人體手部、腳部的可操作性13，如當(dāng)操作點(diǎn)火鎖時(shí)，應(yīng)保證點(diǎn)火鎖周圍的空間間隙能滿足手部操作空間要求。為保證在正確姿態(tài)下，方便、舒適地操作方向盤、各操 作按鍵、三踏板等其他功能鍵，在人機(jī)硬點(diǎn)布置過程中，合理地控制尺寸非常有必要，見圖12。表4是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)值，在新車型開發(fā)過程中，可作為參考之用。圖12 人機(jī)關(guān)

16、鍵硬點(diǎn)尺寸示意圖表格 SEQ 表格 * ARABIC 4 關(guān)鍵硬點(diǎn)控制尺寸范圍序號(hào)尺寸 eq oac(,1)260320mm eq oac(,2)370380mm eq oac(,3)405415mm eq oac(,4)390395mm eq oac(,5)23254.6 組合儀表炫目分析 駕駛員通過汽車儀表獲取汽車狀態(tài)信息。因此，其對(duì)汽車的安全、經(jīng)濟(jì)行駛起著重要的作用，是汽車主動(dòng)安全的關(guān)鍵設(shè)備。在汽車安全駕駛過程中， 駕駛者和汽車、儀表顯示等構(gòu)成了人機(jī)系統(tǒng)。夜間行駛時(shí)，駕駛室內(nèi)外光線昏暗，如果從儀表板發(fā)出的光線，通過風(fēng)窗玻璃反射到人的眼睛，會(huì)造成儀表的表板在風(fēng)窗玻璃上成像，使駕駛員不能看清楚車外的路況，造成行車危險(xiǎn)。人機(jī)工程要求: 光線不能通過風(fēng)窗玻璃的反射，射到駕駛員99%眼橢圓向外增加20mm偏距的眼橢圓內(nèi)。在白天，組合儀表里