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1、人体工程学在汽车室内尺寸设计中的应用,概 述,人体工程学又叫人类功效学或人类工程学，它以“人机环境”系统为研究对象，运用实测、统计、分析等方法，研究“人机环境”系统中人、机、环境三大要素之间的关系，以解决系统中人的效能、健康问题。在汽车室内设计中应用人体工程学，就是以人（驾驶员、乘客）为中心，研究汽车室内设计（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。,1 人体尺寸,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，是确定汽车室内有效空间和进行内饰布置的主要依据。汽车室内设计主要是以人为中心进行的，但是在实际设
2、计过程中，为了避免身体伤害，灵活调整驾驶员驾驶姿势，节约设计经费与时间，工程上引进了更加直观的人体模型代替真人进行汽车汽车设计。见图1,1.1 百分位,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，它是人体工程学中一条基本的设计原则。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。有时，由于地域辽阔、自然环境复杂、人体差异较大等原因，百分位的档数需要适当增多。汽车室内设计中一般采用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。,1.2 我国人体尺寸,1989年7月1日我国正式实施了国家标准中国成年人人体尺寸，分7档公
3、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。但此标准无关节之间的尺寸，对汽车内部布置的使用意义不大，1993年11月我国标准化与信息分类编码研究所提供了人体模板和人体尺寸，为汽车内部布置提供了中国人体数据依据，表1便是根据此数据计算出的中国人人体关节数据，供汽车CAD设计使用。,2 人体舒适驾驶姿势与布置,2.1 人体舒适驾驶姿势 人体驾驶的舒适和疲劳程度与设计中选择的人体各关节角度所确定的驾驶姿势有关。图2给出了驾驶员舒适姿势所要求的人体生理角度范围。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。 对于轿车通常靠背角
4、A1最大不超过33，最舒适为28，人体躯干与大腿的夹角A4以105为宜，110115最理想，肘角A3以105为宜，膝角A5在112118为好，脚角A6（踏平面与小腿间夹角）最小为87，最大不超过130。,2.2 人体模型的布置设计,汽车室内的人体布置就是指二维人体模型样板或杆系模型在汽车布置图上的安放，从而确定出设计的H点位置，并以此H点代表人体的布置及乘坐的位置。人体模型布置设计步骤如下： 1）选择适宜的人体样板，包括百分位和比例等。 2）画出加速踏板位置、地板线（先以水平线代表），确定出踵点的位置。一般是将人体的脚跟着于地板上，脚底置于加速踏板上，这时脚跟与踏板支点保持接触，即为踵点。但有
5、时只有脚的前部置于加速踏板上，脚跟与踏板支点分离，这时定义脚跟的着地点为踵点的位置。此外，确定踵点时要考虑地毯的厚度和压缩量。,3）以踵点为人体布置基准，分别将中国女子5%和中国男子95%百分位的人体模型样板或杆系人体模型按选定的人体驾驶姿势摆放在汽车布置图上，使人体的躯干和上、下肢处于最佳的活动范围和角度关系。图5中95%男子杆系模型所选取的舒适角度为A1=28、A2=45、A3=110、A4=105、A5=125、A6=90，5%女子杆系模型所选取的舒适角度为A1=25、A4=109、A5=124、A6=90、踏板角=53（均在图2所示的舒适范围内）。依据布置好的人体模型位置，从人体模型上
6、的H点确定出人体布置的设计H点位置。这样，就得到了分别对应于中国女子5%和中国男子95%两种百分位人体布置的设计H点位置H95和H5点。,其中中国女子第5百分位人体模型的H点是座椅调节至最前最高位置时的H点位置，而中国男子第95百分位人体模型的H点是座椅调节至最后最低位置时的H点位置。 4）以H5和H95点间的水平距离和垂直距离来确定座椅的水平及垂直调节量。图5中座椅水平行程取160 mm，垂直行程取26 mm。 5）以95%百分位人体样板和H95点位置画出人体布置的轮廓形状曲线，考虑座椅靠背的压缩量与厚度等因素，确定出前座舱的最后设计界限。由于人体的布置设计决定了空间大小，在人体布置时必须考
7、虑室内的长和高等设计指标，协调空间大小和驾驶姿势的关系。,6）比较两种百分位人体布置的各关系角度变化和坐姿位置变化情况，确定各H点位置和座椅调节行程是否合适。 7）分析在加速踏板的全程运动中，人体姿势的变化情况。 8）画出两种百分位人体布置的腿部轮廓线，供设计伸腿空间用。 9）后排座人体布置方法与上述类似，只是一般布置95%百分位人体即可，着重考虑搁脚位置、姿势和腿部空间。,10）由人体模型头顶部垂直向上100135 mm为车顶内饰线：或由头部位置包络线向上50 mm（后座约30 mm）为车顶内饰线。车顶厚度一般取1525 mm。考虑到驾驶员头顶处的车高并非汽车的最大高度处，从而再增加2040
8、 mm作为汽车总高的设计参考值。综合考虑以上因素后图5中车高取1375 mm。,3 驾驶员眼椭圆,3.1 汽车驾驶员眼椭圆 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，其眼睛位置在汽车中的统计分布图形。由于图形呈椭圆状，故称之为“眼椭圆”。在汽车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，见图3。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汽车：座椅靠背角：540，最后H点到踵点的垂直距离：127457 mm，座椅垂直调节范围：038 mm，座椅水平调节范围：1
9、02165 mm，最后H点到踵点的水平距离：508 mm。,3.2 眼椭圆样板的制取,汽车汽车设计中常将各种百分位的眼椭圆事先制成样板，以备设计或校核使用。汽车设计中，通常采用99%、95%和90%百分位的眼椭圆样板。制取眼椭圆样板要遵循以下步骤进行： 1）画出侧视图和俯视图的眼椭圆样板的自身坐标轴X， Y及Z。X-X轴向前为负，向后正： Y-Y轴向左为负，向右为正：Z-Z轴向下为负，向上为正。 2）根据表2中列出的H点水平调整行程即座椅水平调节查出眼椭圆中心在自身坐标系中的位置值X， Y（右眼），Z， Y（左眼）。从而确定两视图上眼椭圆中心的位置。,（表2）眼椭圆中心离X、Y、Z轴的距离,3
10、）确定眼椭圆长、短轴的长度：根据H点的水平调整行程和选定的眼椭圆百分位，从表3中查得相应的眼椭圆长轴长度，长轴在侧视图上和俯视图上的长度认为相等。根据不同的百分位，从表4中查得相应的眼椭圆短轴长度。,（表3）眼椭圆长轴,（表4）眼椭圆短轴,4）确定眼椭圆的方位角：眼椭圆的空间位置是倾斜的。在侧视图上的眼椭圆倾角为-6.4（长轴前低后高）；在俯视图上的眼椭圆倾角为5.4（长轴前高后低）。,3.3 眼椭圆样板在汽车内的位置确定,汽车中，一般用作图法来确定眼椭圆的位置，又称眼椭圆样板定位。眼椭圆样板在汽车图上的定位有A类车眼椭圆定位和B类车眼椭圆定位。A类汽车是指H点高度低于405mm且方向盘直径小
11、于450mm的汽车。通常包括轿车、旅行车及轿车变型车，B类汽车是指H点高度在405-530mm范围内且方向盘直径在450-560mm范围内的汽车。通常包括中型及重型载货车及一些大客车。由于本文针对轿车进行内部布置设计，因此B类汽车眼椭圆定位在此不再赘述。 A类汽车的眼椭圆定位参照图4进行。,1）根据相应的H点水平调整行程和所选择的眼椭圆百分位，绘制侧视图和俯视图的眼椭圆样板。 2）在汽车布置的侧视图上作出垂直工作线和水平工作线，过最后H点作的垂直线，在最后H点上方635mm的距离处作的水平线。 3）确定眼椭圆样板自身坐标系的原点相对于垂直工作线和水平工作线的偏移量。对于靠背角可调节的驾驶员座椅
12、，当靠背角为540范围内的某一角度时，眼椭圆样板自身坐标系的原点相对于垂直工作线和水平工作线的偏移量见表5。汽车设计中，通常根据此表制出眼椭圆定位线样板。,（表5）眼椭圆样板自身坐标系的原点相对于垂直工作线和水平工作线的偏移量,4）确定出侧视图上眼椭圆位置：根据人体布置的靠背角，将已绘制的侧视图上眼椭圆样板置于布置图上，使其基准坐标系X-X轴和Z-Z轴分别平行于水平工作线和垂直工作线，并将坐标系的原点定位在眼椭圆定位线上的对应靠背角处，描绘出眼椭圆轮廓线，从而得到该靠背角时眼椭圆位置。,5）确定出俯视图上眼椭圆位置：在汽车布置设计的俯视图上，定出X-X轴平行于车辆的对称中心线，并使其到车辆中心
13、线的距离为（0.85W7+0.075W3）：定出Y-Y轴垂直于车辆的对称中心线，并使其纵向位置与侧视图上的Z-Z轴位置对应。这样，将眼椭圆样板定位在X-X轴和Y-Y轴上，描绘出眼椭圆轮廓线，从而得到俯视图上的眼椭圆位置。这里W7表示方向盘中心到车辆对称中心线的距离：W3表示汽车室内肩部宽度，一般是指通过最后H点并在其上方不小于254mm的高度上的测量值。,图5为轿车汽车内部布置中95%眼椭圆样板的绘制及其在侧视图上的定位。,1）将5%中国女子杆系人体模型和95%中国男子杆系人体模型按照前述的方法进行布置，可以确定H点水平调整行程（座椅水平调节量）为160mm，由此选择相应的侧视图眼椭圆样板。因
14、为160mm不为表2-4中所列数据，因此采用插入法求得：眼椭圆样板中心O离X轴的垂直距离为-8.4mm，离Z轴的水平距离为-21.6mm，样板长轴195mm，短轴86mm。图中X和Z轴是眼椭圆样板的自身坐标轴。 2）过最后H点做垂直工作线，在最后H点上方635mm的距离处做水平工作线。图中O为水平工作线和垂直工作线的交点。,3）根据靠背角=A1=28，由表5查得眼椭圆样板原点O相对于垂直工作线的水平偏移量为-8.2mm：相对于水平工作线的垂直偏移量为25.8mm。 4）将已绘制的侧视图上眼椭圆样板原点移至与O相重合，使其准坐标系的X-X轴和Z-Z轴分别平行于水平工作线和垂直工作线，从而得到该靠背角时眼椭圆位置。至此眼椭圆在侧视图上的定位已完成。,4 结 论,本文的汽车室内部尺寸布置，从简单方便的角度出发，利用5%中国女子和95%中国男子杆人体模型进行设计，基本可以达到汽车侧视图的布置设计要求。,谢 谢,
