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1、第三章 基于标准的车辆人机工程设计工具 第三章基于标准的车辆人机工程设计工具 3.1 基于H点的车辆车内空间设计 3.1.1点装置、功能和应用 3.1.2驾驶员H点位置曲线 3.1.3 A类车SAE H点位置曲线 3.1.4 B类车SAE H点位置曲线 3.2 眼椭圆 3.2.1驾驶员眼椭圆 3.2.2汽车前后视野及要求 3.2.3人眼视区 3.2.4 A类车、B类车眼椭圆应用 3.3 头廓包络 3.3.1概述 3.3.2A类车、B类车头廓包络 3.3.3头廓包络的应用 3.4驾驶员膝部、胃部包络线 3.4.1 驾驶员膝部包络线的生成、定位 3.4.2 驾驶员胃部包络线的生成、定位 思考题 3
2、.1 基于H点的车辆车内空间设计 3.1.1 H点装置、功能和应用 1H点 H点装置(H Point Device)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。H点装置包括H点测量装置(H-Point Machine，HPM)和H点设计工具(H-Point Design Tool，HPD)。 H点测量装置是SAE定义的用于建立和测量汽车关键基准点和尺寸的物理装置，在美国、欧洲和日本等汽车发达国家得到了广泛应用。HPM-型H点测量装置由鞋、小腿、大腿、座板和躯干组成，各部分均可以拆卸，如图3-1所示。此外，还包括鞋固定装置和头部
3、空间测量装置两个附件。H点测量装置的主要尺寸如图3-2所示。 图3-1 HPM-型H点测量装置图 1-鞋；2-鞋固定装置；3-小腿；4-大腿；5-座板； 6-可拆卸重块；7-头部空间测量装置；8-躯干 图3-2 H点测量装置的主要尺寸 驾驶员H点的布置定位。 为了使不同身材的驾驶员都获得良好的视野和操作性能，转向盘、操作踏板和座椅在理论上都可以设计成固定的或可调节的。例如固定H点调节加速踏板和转向盘；固定转向盘的抓握点调节、加速踏板和座椅；固定视点调节加速踏板、转向盘和座椅；固定加速踏板调节转向盘和座椅。 但从设计、加工和使用的情况来看，固定操作踏板的同时辅以转向盘可调是最理想的方式。因此，在
4、SAE J1517 Driver Selected Seat Position标准中则以加速踏板和地板面为基准给出了驾驶员H点的坐标曲线，如图3-3所定义的x、z值。 图3-3 驾驶员H点曲线的坐标定义 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：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)乘坐基准点(Seating Reference Point，SgRP，欧洲和国标称为R点)：对于指定乘坐位置而言是一个特殊的设计H点。它具有以下特点：它是在车辆设计过程初期就定义的重要基准点；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
5、有唯一一点定义为SgRP；驾驶员SgRP很重要，它用于定位一些布置工具，且用来定义了许多关键尺寸。 (3)实际H点：是将HPM按规定步骤安放在座椅上时，所测得的H点位置(相对于整车坐标系，或者相对于座椅结构)。 2. H点装置的功能与应用 （1）H点装置的测量功能 当H点装置用于测量用途时，能够将座椅和车内硬点和硬点尺寸测量出来。按照测量的用途区分，可分成方案对比分析、方案审核以及定位内部基准点3种情况。在概念设计初期，H点装置常被用来测量其他厂商车型的布置参数，以获得其设计意图，并对不同车型的参数进行对比分析，称为对标分析(Benchmarking)。当样车制造出来后，通过对样车上H点和内部
6、尺寸的测量可以审核样车的制造和装配精度是否达到了设计方案的要求。H点装置所测得的基准点位置还为其他测量和试验提供了位置基准。例如：在进行整车碰撞实验时需要将碰撞假人安放在座椅的合适位置(SgRP处），这个位置就是用H点装置测得的。因此，H点装置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。当测量与SgRP位置有关的尺寸时，也需要借助H点装置来将SgRP的位置标记出来。如果HPM与HPD配合使用，则更方便对测量数据的处理。单纯测量座椅参数(SgRP位置、A40、A27和L81-1)时，可不必安装HPM的大腿部、小腿部和鞋。 （2）H点装置的设计功能 在方案设
7、计中，用H点装置来建立室内人机工程学基本布置方案所涉及的关键基准点和尺寸，这些关键基准点和尺寸称为硬点和硬点尺寸。例如：对于两排座轿车，可建立的硬点和硬点尺寸见表3.1. 表3.1 利用H点装置建立的硬点和硬点尺寸 （3）利用H点装置进行驾驶员乘坐环境参数对标 在开发新车型时，由于缺乏经验和数据，有时无法给出某些关键参数值。在这种情况下，常常借助对市场上的竞争车型进行对标分析来获得参考值，亦即获得对方的设计意图。将HPM(HPD)和三坐标测量设备(Coordination Measurement Machine，CMM)配合使用，就可以对竞争车型上关键的参考元素进行测量，以进行对标分析。在此基
8、础上就可以建立新车型的关键基准点和尺寸。这里讲述利用HPM(结合HPD)进行驾驶员乘坐环境参数对标分析的方法。 3.1.2驾驶员H点位置曲线 H点布置方案与驾驶员乘坐舒适性、上肢和下肢的操作空间、视野性和头部空间以及乘员的乘坐空间等人机关系密切相关，是室内布置的重要内容。 3.1.3 A类车SAE H点位置曲线 SAE标准根据驾驶员空间尺寸的差异将汽车分为A、B两个大类：A类汽车主要是指乘用车，如轿车、旅行车、MPV和轻型货车； B类汽车主要是指商用车，如中、重型货车和大客车。 对于A类车，x方向的定位基准点位于BOF，z方向的定位基准点是AHP，如图3-4所示。SAEJl517中的适意H点位
9、置曲线是根据美国20世纪60年代的驾驶员人体和实验数据经统计分析之后生成的。统计时，A类车的驾驶员男女比例为1：1；B类车的男女比例分成90：10、75：25和50：50这3个档位。A类车的H点位置曲线模型为 x97.5?936.6?0.613879z?0.0018624z2?x95?913.7?0.672316z?0.00195530z2? x90?885.0?0.735374z?0.00201650z2? 2?x50?793.7?0.903387z?0.00225518z? （3.1） ?x10?715.9?0.968793z?0.00228674z2? x5?692.6?0.981427
10、z?0.00226230z2?2x2.5?687.1?0.895336z?0.00210494z? 式中，x为H点到BOF的水平距离，mm；z为H点到AHP的垂直距离，mm。 图3-4 A类车SAEJI517中的适宜H点位置曲线 3.1.4 B类车SAE H点位置曲线 B类车的H点位置曲线，要考虑驾驶员群体中男性和女性所占的比重。3种情况下的适意线方程列于表57中。表中，x为H点到AHP的水平距离，mm z为H点到AHP的垂直距离，mm。客车驾驶区的布置设计要用到B类车的H点曲线表达式，它在SAE J1517标准中给出。具体如下图3-5所示关系： 图3-5 B类车SAE H点位置曲线 考虑到客
11、车驾驶员的实际情况，我们选取男女比例为95：5的H点曲线来布置驾驶区。在SAE标准中，H点的高度范围是405530mm。图3-6是客车驾驶员H点的位置曲线，男女比例按95：5。从图中可直接得出：驾驶椅的理论调节量是前后246mm，上下125mm。 如果考虑放宽余量，要将所有百分位的H点曲线包含起来，可取前后260mm，上下150mm，则以50H点曲线的中点做出这个矩形ABCD，则我们能得出：驾驶椅H点安装定位的最后点是距PRP点747mm，最下点是距地板面3925mm。 图3-6 客车的驾驶员H点位置曲线（男女比例按95:5） 理论上，SgRP点应定义在第95百分位曲线的中点，即图1050中的
12、理论SgRP点。但这样的定位对于客车而言没有太大的使用价值。为了能定义一个明确的驾驶区与乘客区的边界，我们需要的是驾驶员椅的最后位置：这就是图中的线段AB，它距加速踏步上的PRP点747mm。那么驾驶椅的安装定位就是以AB线为最后的位置来定位的，即图3-6中的“工程SgRP点”。 这取决于座垫与底座的相对运动关系： 如果座椅垫相对于底座只能向后增大调节距离，那么驾驶椅是在最大调节量的状态下安装的；如果座椅垫相对于底座只能向前增大调节距离，那么驾驶椅是在最小调节量的状态下安装的。 理论上的前后调节量260mm是偏大的，这是为了能覆盖尽可能多的人群。考虑到客车驾驶员的具体情况，在我国第5百分位的女
13、性身高只有1484mm，见表3.2。如果限定客车驾驶员的身高必须在1600mm以上，那么驾驶椅的前后调节量至少可降为理论值的一半，即130mm。再如，GB 18463-2001机动车驾驶员身体条件及其测评要求标准中规定： 驾驶大型客车、大型货车、无轨电车者的身高必须大于等于1.55m，而此身高值则大约相当于我国女性身高的第35百分位。 表3.2 中国女性身高分布 综合这些因素，目前我国客车的驾驶椅调节量大约是前后200mm、上下180mm是合适的。 以上是按SAE标准给定的H点方程来推断的驾驶椅行程，我们可称之为解析法。另一种方法是用标准人体模板来求得驾驶椅的工作行程，即作图法。 以作图法来检
14、验SAE解析法的结论。图3-7所示是用中国第95百分位男性人体 图3-7 中国第95百分位男性人体和第5百分位女性人体的驾驶区布置 模板和第5百分位女性人体模板做出的四个极限位置的驾驶员坐姿。直观的感觉是没有一个坐姿是舒服的!踝关节角度太小，而且前后两个极限位置的转向盘调节量过大，这在转向盘的结构上是不能接受的。如果不调节转向盘而整体移动踏板和驾驶员椅，这在乘客乘坐空间的布置上也是不能接受的。 问题的关键是如何定义客车驾驶员的最舒服坐姿。 乘用车驾驶员的舒服坐姿已研究得相当成熟，而且也有很多参考资料可以利用。而客车在这方面的研究几乎是空白。 客车的驾驶姿势同乘用车的驾驶姿势有着很大的差别，这导
15、致我们无法完全套用乘用车的结论。 但有一点是共通的，即脚与加速踏板的作用姿态决定了驾驶员的坐姿：最适宜的姿势是右脚很自然地放在加速踏板上，即踝关节角度接近90。 客车驾驶员的坐姿不同于乘用车驾驶员的最大特点是躯干后倾角小，大腿接近水平。图3-8所示是用中国50人体H点样板做出的乘用车驾驶员和大客车驾驶员最适宜坐姿，图中各角度见表3.3。 图3-8 乘用车驾驶员和大客车驾驶员最适宜坐姿 表3.3 乘用车驾驶员和大客车驾驶员最适宜坐姿的角度范围 因此，我们现在对大客车的加速踏板也有了明确的技术要求：在自由状态下其踏板的安装角度不能太大，相对于驾驶区地板的角度不能大于400。且根据人体踝关节的生理特点，踏板行程最好不大于200，以150为最佳。 图3-9是两个安装角较小的加速踏板
