1、人體工程學(xué)在汽車室內(nèi)尺寸設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,概 述,人體工程學(xué)又叫人類功效學(xué)或人類工程學(xué)，它以“人機(jī)環(huán)境”系統(tǒng)為研究對(duì)象，運(yùn)用實(shí)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、分析等方法，研究“人機(jī)環(huán)境”系統(tǒng)中人、機(jī)、環(huán)境三大要素之間的關(guān)系，以解決系統(tǒng)中人的效能、健康問題。在汽車室內(nèi)設(shè)計(jì)中應(yīng)用人體工程學(xué)，就是以人（駕駛員、乘客）為中心，研究汽車室內(nèi)設(shè)計(jì)（包括布置和設(shè)備等）如何適應(yīng)人的需要，創(chuàng)造一個(gè)舒適的、操縱輕便的、可靠的駕駛環(huán)境和乘坐環(huán)境，即設(shè)計(jì)一個(gè)最佳的人車環(huán)境系統(tǒng)。,1 人體尺寸,人體尺寸決定了人體所占據(jù)的幾何空間大小和人體的活動(dòng)范圍，是確定汽車室內(nèi)有效空間和進(jìn)行內(nèi)飾布置的主要依據(jù)。汽車室內(nèi)設(shè)計(jì)主要是以人為中心進(jìn)行的，但是在實(shí)際設(shè)

2、計(jì)過程中，為了避免身體傷害，靈活調(diào)整駕駛員駕駛姿勢(shì)，節(jié)約設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)與時(shí)間，工程上引進(jìn)了更加直觀的人體模型代替真人進(jìn)行汽車汽車設(shè)計(jì)。見圖1,1.1 百分位,百分位表示人體的某項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)于使用對(duì)象中有百分之幾的人可適用，它是人體工程學(xué)中一條基本的設(shè)計(jì)原則。百分位最簡單分為三檔，即第5百分位、第50百分位、第95百分位。有時(shí)，由于地域遼闊、自然環(huán)境復(fù)雜、人體差異較大等原因，百分位的檔數(shù)需要適當(dāng)增多。汽車室內(nèi)設(shè)計(jì)中一般采用5%、50%和95%三種百分位的人體尺寸，分別代表矮小身材、平均身材和高大身材的人體尺寸。,1.2 我國人體尺寸,1989年7月1日我國正式實(shí)施了國家標(biāo)準(zhǔn)中國成年人人體尺寸，分7檔公

3、布數(shù)據(jù)，即第1、第5、第10、第50、第90、第95、第99百分位，以方便使用。但此標(biāo)準(zhǔn)無關(guān)節(jié)之間的尺寸，對(duì)汽車內(nèi)部布置的使用意義不大，1993年11月我國標(biāo)準(zhǔn)化與信息分類編碼研究所提供了人體模板和人體尺寸，為汽車內(nèi)部布置提供了中國人體數(shù)據(jù)依據(jù)，表1便是根據(jù)此數(shù)據(jù)計(jì)算出的中國人人體關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)，供汽車CAD設(shè)計(jì)使用。,2 人體舒適駕駛姿勢(shì)與布置,2.1人體舒適駕駛姿勢(shì) 人體駕駛的舒適和疲勞程度與設(shè)計(jì)中選擇的人體各關(guān)節(jié)角度所確定的駕駛姿勢(shì)有關(guān)。圖2給出了駕駛員舒適姿勢(shì)所要求的人體生理角度范圍。由于駕駛員的舒適駕駛姿勢(shì)隨車型的不同而變化，各自選擇舒適姿勢(shì)下的關(guān)節(jié)角度有較大的差別。 對(duì)于轎車通?？勘辰茿

4、1最大不超過33，最舒適為28，人體軀干與大腿的夾角A4以105為宜，110115最理想，肘角A3以105為宜，膝角A5在112118為好，腳角A6（踏平面與小腿間夾角）最小為87，最大不超過130。,2.2 人體模型的布置設(shè)計(jì),汽車室內(nèi)的人體布置就是指二維人體模型樣板或桿系模型在汽車布置圖上的安放，從而確定出設(shè)計(jì)的H點(diǎn)位置，并以此H點(diǎn)代表人體的布置及乘坐的位置。人體模型布置設(shè)計(jì)步驟如下： 1）選擇適宜的人體樣板，包括百分位和比例等。 2）畫出加速踏板位置、地板線（先以水平線代表），確定出踵點(diǎn)的位置。一般是將人體的腳跟著于地板上，腳底置于加速踏板上，這時(shí)腳跟與踏板支點(diǎn)保持接觸，即為踵點(diǎn)。但有時(shí)

5、只有腳的前部置于加速踏板上，腳跟與踏板支點(diǎn)分離，這時(shí)定義腳跟的著地點(diǎn)為踵點(diǎn)的位置。此外，確定踵點(diǎn)時(shí)要考慮地毯的厚度和壓縮量。,3）以踵點(diǎn)為人體布置基準(zhǔn)，分別將中國女子5%和中國男子95%百分位的人體模型樣板或桿系人體模型按選定的人體駕駛姿勢(shì)擺放在汽車布置圖上，使人體的軀干和上、下肢處于最佳的活動(dòng)范圍和角度關(guān)系。圖5中95%男子桿系模型所選取的舒適角度為A1=28、A2=45、A3=110、A4=105、A5=125、A6=90，5%女子桿系模型所選取的舒適角度為A1=25、A4=109、A5=124、A6=90、踏板角=53（均在圖2所示的舒適范圍內(nèi)）。依據(jù)布置好的人體模型位置，從人體模型上的

6、H點(diǎn)確定出人體布置的設(shè)計(jì)H點(diǎn)位置。這樣，就得到了分別對(duì)應(yīng)于中國女子5%和中國男子95%兩種百分位人體布置的設(shè)計(jì)H點(diǎn)位置H95和H5點(diǎn)。,其中中國女子第5百分位人體模型的H點(diǎn)是座椅調(diào)節(jié)至最前最高位置時(shí)的H點(diǎn)位置，而中國男子第95百分位人體模型的H點(diǎn)是座椅調(diào)節(jié)至最后最低位置時(shí)的H點(diǎn)位置。 4）以H5和H95點(diǎn)間的水平距離和垂直距離來確定座椅的水平及垂直調(diào)節(jié)量。圖5中座椅水平行程取160 mm，垂直行程取26 mm。 5）以95%百分位人體樣板和H95點(diǎn)位置畫出人體布置的輪廓形狀曲線，考慮座椅靠背的壓縮量與厚度等因素，確定出前座艙的最后設(shè)計(jì)界限。由于人體的布置設(shè)計(jì)決定了空間大小，在人體布置時(shí)必須考慮

7、室內(nèi)的長和高等設(shè)計(jì)指標(biāo)，協(xié)調(diào)空間大小和駕駛姿勢(shì)的關(guān)系。,6）比較兩種百分位人體布置的各關(guān)系角度變化和坐姿位置變化情況，確定各H點(diǎn)位置和座椅調(diào)節(jié)行程是否合適。 7）分析在加速踏板的全程運(yùn)動(dòng)中，人體姿勢(shì)的變化情況。 8）畫出兩種百分位人體布置的腿部輪廓線，供設(shè)計(jì)伸腿空間用。 9）后排座人體布置方法與上述類似，只是一般布置95%百分位人體即可，著重考慮擱腳位置、姿勢(shì)和腿部空間。,10）由人體模型頭頂部垂直向上100135 mm為車頂內(nèi)飾線：或由頭部位置包絡(luò)線向上50 mm（后座約30 mm）為車頂內(nèi)飾線。車頂厚度一般取1525 mm。考慮到駕駛員頭頂處的車高并非汽車的最大高度處，從而再增加2040

8、mm作為汽車總高的設(shè)計(jì)參考值。綜合考慮以上因素后圖5中車高取1375 mm。,3 駕駛員眼橢圓,3.1汽車駕駛員眼橢圓 汽車駕駛員眼橢圓是指不同身材的駕駛員以正常駕駛姿勢(shì)坐在座椅上，其眼睛位置在汽車中的統(tǒng)計(jì)分布圖形。由于圖形呈橢圓狀，故稱之為“眼橢圓”。在汽車設(shè)計(jì)中一般采用眼橢圓樣板來描述駕駛員的眼睛分布范圍，見圖3。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO4513中，對(duì)應(yīng)于一定的座椅水平調(diào)整行程，提供了各種百分位的駕駛員眼睛分布位置，即側(cè)視圖和俯視圖上的相應(yīng)眼橢圓樣板，并適用于下列尺寸范圍的汽車：座椅靠背角：540，最后H點(diǎn)到踵點(diǎn)的垂直距離：127457 mm，座椅垂直調(diào)節(jié)范圍：038 mm，座椅水平調(diào)節(jié)范圍：102

9、165 mm，最后H點(diǎn)到踵點(diǎn)的水平距離：508 mm。,3.2 眼橢圓樣板的制取,汽車汽車設(shè)計(jì)中常將各種百分位的眼橢圓事先制成樣板，以備設(shè)計(jì)或校核使用。汽車設(shè)計(jì)中，通常采用99%、95%和90%百分位的眼橢圓樣板。制取眼橢圓樣板要遵循以下步驟進(jìn)行： 1）畫出側(cè)視圖和俯視圖的眼橢圓樣板的自身坐標(biāo)軸X， Y及Z。X-X軸向前為負(fù)，向后正： Y-Y軸向左為負(fù)，向右為正：Z-Z軸向下為負(fù)，向上為正。 2）根據(jù)表2中列出的H點(diǎn)水平調(diào)整行程即座椅水平調(diào)節(jié)查出眼橢圓中心在自身坐標(biāo)系中的位置值X， Y（右眼），Z， Y（左眼）。從而確定兩視圖上眼橢圓中心的位置。,（表2）眼橢圓中心離X、Y、Z軸的距離,3）確

10、定眼橢圓長、短軸的長度：根據(jù)H點(diǎn)的水平調(diào)整行程和選定的眼橢圓百分位，從表3中查得相應(yīng)的眼橢圓長軸長度，長軸在側(cè)視圖上和俯視圖上的長度認(rèn)為相等。根據(jù)不同的百分位，從表4中查得相應(yīng)的眼橢圓短軸長度。,（表3）眼橢圓長軸,（表4）眼橢圓短軸,4）確定眼橢圓的方位角：眼橢圓的空間位置是傾斜的。在側(cè)視圖上的眼橢圓傾角為-6.4（長軸前低后高）；在俯視圖上的眼橢圓傾角為5.4（長軸前高后低）。,3.3 眼橢圓樣板在汽車內(nèi)的位置確定,汽車中，一般用作圖法來確定眼橢圓的位置，又稱眼橢圓樣板定位。眼橢圓樣板在汽車圖上的定位有A類車眼橢圓定位和B類車眼橢圓定位。A類汽車是指H點(diǎn)高度低于405mm且方向盤直徑小于4

11、50mm的汽車。通常包括轎車、旅行車及轎車變型車，B類汽車是指H點(diǎn)高度在405-530mm范圍內(nèi)且方向盤直徑在450-560mm范圍內(nèi)的汽車。通常包括中型及重型載貨車及一些大客車。由于本文針對(duì)轎車進(jìn)行內(nèi)部布置設(shè)計(jì)，因此B類汽車眼橢圓定位在此不再贅述。 A類汽車的眼橢圓定位參照?qǐng)D4進(jìn)行。,1）根據(jù)相應(yīng)的H點(diǎn)水平調(diào)整行程和所選擇的眼橢圓百分位，繪制側(cè)視圖和俯視圖的眼橢圓樣板。 2）在汽車布置的側(cè)視圖上作出垂直工作線和水平工作線，過最后H點(diǎn)作的垂直線，在最后H點(diǎn)上方635mm的距離處作的水平線。 3）確定眼橢圓樣板自身坐標(biāo)系的原點(diǎn)相對(duì)于垂直工作線和水平工作線的偏移量。對(duì)于靠背角可調(diào)節(jié)的駕駛員座椅，當(dāng)

12、靠背角為540范圍內(nèi)的某一角度時(shí)，眼橢圓樣板自身坐標(biāo)系的原點(diǎn)相對(duì)于垂直工作線和水平工作線的偏移量見表5。汽車設(shè)計(jì)中，通常根據(jù)此表制出眼橢圓定位線樣板。,（表5）眼橢圓樣板自身坐標(biāo)系的原點(diǎn)相對(duì)于垂直工作線和水平工作線的偏移量,4）確定出側(cè)視圖上眼橢圓位置：根據(jù)人體布置的靠背角，將已繪制的側(cè)視圖上眼橢圓樣板置于布置圖上，使其基準(zhǔn)坐標(biāo)系X-X軸和Z-Z軸分別平行于水平工作線和垂直工作線，并將坐標(biāo)系的原點(diǎn)定位在眼橢圓定位線上的對(duì)應(yīng)靠背角處，描繪出眼橢圓輪廓線，從而得到該靠背角時(shí)眼橢圓位置。,5）確定出俯視圖上眼橢圓位置：在汽車布置設(shè)計(jì)的俯視圖上，定出X-X軸平行于車輛的對(duì)稱中心線，并使其到車輛中心線的

13、距離為（0.85W7+0.075W3）：定出Y-Y軸垂直于車輛的對(duì)稱中心線，并使其縱向位置與側(cè)視圖上的Z-Z軸位置對(duì)應(yīng)。這樣，將眼橢圓樣板定位在X-X軸和Y-Y軸上，描繪出眼橢圓輪廓線，從而得到俯視圖上的眼橢圓位置。這里W7表示方向盤中心到車輛對(duì)稱中心線的距離：W3表示汽車室內(nèi)肩部寬度，一般是指通過最后H點(diǎn)并在其上方不小于254mm的高度上的測(cè)量值。,圖5為轎車汽車內(nèi)部布置中95%眼橢圓樣板的繪制及其在側(cè)視圖上的定位。,1）將5%中國女子桿系人體模型和95%中國男子桿系人體模型按照前述的方法進(jìn)行布置，可以確定H點(diǎn)水平調(diào)整行程（座椅水平調(diào)節(jié)量）為160mm，由此選擇相應(yīng)的側(cè)視圖眼橢圓樣板。因?yàn)?60mm不為表2-4中所列數(shù)據(jù)，因此采用插入法求得：眼橢圓樣板中心O離X軸的垂直距離為-8.4mm，離Z軸的水平距離為-21.6mm，樣板長軸195mm，短軸86mm。圖中X和Z軸是眼橢圓樣板的自身坐標(biāo)軸。 2）過最后H點(diǎn)做垂直工作線，在最后H點(diǎn)上方635mm的距離處做水平工作線。圖中O為水平工作線和垂直工作線的交點(diǎn)。,3）根據(jù)靠背角=A1=28，由表5查得眼橢圓樣板原點(diǎn)O相