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车身设计人机工程学
第四章人机工程学在车身设计中的应用
§4-1概述
人机工程学是近40年来发展的一门新兴学科，在车身设计中得到了大量的应用。
一、人机工程的概念
研究对象：
人—机—环境系统的整体状态和过程。
任务：
使机器的设计和环境条件的设计适应于人，以保证人的操作简便省力、迅速准确、安全舒适，充分发挥人、机效能，使整个系统获得最佳经济效益和社会效益。
研究范围：
①人的生理、心理特征和能力极限——能承受的极限；
②人机功能的合理分配——充分发挥各自特长；
③人机相互作用及人机界面设计；
相互作用——利用信息显示器和控制器实现人—机间信息交换的过程；
人机界面——使显示器与人的感觉器官的特性相匹配，使控制器与人的效应器官相匹配，以保证人、机之间的信息交换迅速、准确。
④研究环境及其改善——温度、湿度、照明、噪声、振动、尘埃、有害气体等对人的作业活动和健康的影响。
以及控制、改善不良环境的措施和手段；
⑤研究作业及其改善——人从事体力和脑力作业时生理、心理变化，由此确定作业时的合理负荷及耗能量、合理的作业和休息制度、合理的操作方法→↓疲劳，保障健康，↑作业效率；
⑥研究人的可靠性与安全——工程系统日益复杂和精密，操作人员面对大量的显示器、控制器，容易出现人为差错而导致事故发生。
→研究人的可靠性及影响因素，寻求减少人为差错，防止事故发生的途径和方法。
二、人机工程学与车身设计的关系
1、人机工程学的研究目的——要解决的问题
①如何减少汽车的各种物理性能对人生理、心理所产生的影响；
②如何减少驾驶操作的失误而造成的事故。
2、在汽车工程中的应用
——对现有条件下驾驶汽车和乘坐汽车在生理、心理及社会等各方面进行大量统计与调查，引入生理学、医学、心理学、人体解剖学、运动生物学、人体测量学、工程学、机械学、环境科学、信息工程、系统工程等学科的观点和方法，开展全面研究和分析→改善汽车的各种性能。
目的：
为汽车设计、改进提供各种调查、改进、试验与分析结果，使汽车更好地、尽善尽美地为人服务。
3、车身内部各种物理量的变化和人体的承受范围
人对车内各种物理量变化的感受具有一定的限度。
车内各种物理量的变化超过允许条件→感到疲劳、头晕、恶心、呕吐等生理上的病态变化和心理上的烦燥不安。
措施：
·采用各种灯光、音响报警装置→及时提醒注意；
·应用空调设备→调节车室气候；
·采用各种绝缘、密封手段→↓振动、噪声、空气污染。
——为乘客创造一个安全、可靠、舒适的乘坐环境。
4、研究内容：
①人体尺度和操纵范围；
②人的视觉和光效应；
③听觉信息的传递和噪声干扰；
④人体对环境的适应；
⑤人—车系统的响应时间；
⑥人—车系统的特性和安全驾驶；
⑦饮酒对驾驶的干扰。
要求：
从主观和客观两方面使汽车的各种性能更好地适应人们的心理和生理上的要求。
5、达到的目的
·根据人类生理、心理的自身规律来指导设计；
·为驾驶员创造一个安全性、操作性好，视野开阔、清晰而又舒适的工作环境；
·使乘客感到安全、舒适和方便，不会有过度疲劳与不良的生理反应；
·从主观和客观，积极和消极等方面采取措施，使车祸降到最低限度。
§4-2人体的尺度和人体模型
一、人体尺度和人体的动作范围
人体尺度——人体所占的几何空间尺寸。
人体的动作范围——人四肢所能控制的区域和在此区域内人能产生的作用力的大小。
采用人体测量的方法为人体尺度和动作范围提供各种数据资料，并由此确定了以人体身高为基本尺度的等级系列。
1、人体尺度的表示方法——百分位
按身高分布的百分位表示的人体尺度——称××百分位身高。
车身设计中，采用的人体尺度是5%百分位和95%百分位，以保证90%（从5%百分位到95%百分位）的人能在所设计的汽车座椅调节范围内，获得最适合于自身尺度的乘坐空间和操作空间→↑舒适性、操作方便性。
50%百分位的人体尺度（人体平均尺度）——用于检验中间尺寸。
2、人体尺度的应用
——确定人体在座椅中所占的
几何空间和活动范围。
用测量的人体统计数据设计人
体模型→按比例制作5%、50%、
95%百分位的二维人体模型→放置
于车身总布置图的驾驶座位上：
·确定人体在座椅中所占的几
何空间和活动范围；
·确定按5%和95%百分位的
人体尺度所要求的各种调节范围。
（5%和95%百分位的人体差距—
纵、横、高度，即调节范围）
·确定乘客座椅的尺寸和布置
参数。
3、中国的人体尺度
中国地域辽阔，民族众多，各地区成年人的人体尺度存在一定差异。
由统计数据知，中国人体身高按自然地理区域由北向南大致可分为三种身材：
大个身材——东北、华北和西北地区的人体；
中等个身材——华东、华中和西部等地区的人体；
小个身材——华南、西南地区的人体。
如：
男子身高均值μ=1688mm，标准差σ=81.83mm,取5%和95%百分位作为设计标准，则由：
μ±1.645σ，得中国90%的男子身高在1554～1823mm之间。
二、H点人体模型
1、人体模型
汽车设计和试验用人体模型因用途不同，种类不一。
假人——撞车试验用人体模型，费用高，每个2～5万美元；
三种：
多自由度人体模型——振动等试验用；
H点人体模型——确定车身实际H点位置。
2、H点人体模型——三维H点人体模型
H点——人体身躯与大腿的铰接点。
用途：
车身内部模型中的布置和测量。
国际标准：
ISO6649-1980对H点人体模型的结构、代表人体各部分重量重块的位置等都作了具体规定。
各部分尺寸、质量、质心位置——以人体测量资料为依据。
臀盘模仿人体臀部和大腿；
背盘——模仿人体背部；
轮廓线形状——真实人体的统计反映；
背盘与臀盘铰接处——相当于人体胯点位置设铰接副，铰接中心被定义为H点。
H点人体模型按照有关标准安放在汽车座椅上时，模型上的H点在车身中的位置——汽车实际H点位置。
ISO6649-1980对如何利用H点人体模型在汽车座椅上来确定H点的程序作了具体规定：
用途、定义、对三维H点人体模型的描述、三维H点人体模型的安装位置顺序等。
——适用于：
驾驶员踵点至R点（设置座椅基准点——人体躯干线和大腿中心线的铰接点）垂直距离＜550mm，靠背角＞5°，或由大腿杆所表示的大腿中心线的方位在水平线之上＞5°的任何设计方案。
标准还对5%、95%百分位的H点人体模型的小腿杆长、大腿杆长和两膝之间的距离作了规定。
各国都根据本国和主要汽车输出国家和地区的人体尺寸规定了三维H点人体模型——产品进入国际市场。
中国人体模型标准见GB/T11559-89。
§4-3汽车驾驶员的眼椭圆
眼椭圆是研究眼睛分布范围的一种图形。
汽车驾驶员的眼椭圆用于研究驾驶员眼睛位置在车身中的分布范围，对驾驶员的视野设计极为重要。
一、人眼的视觉范围
单眼视区——人只用左眼或右眼单独观察事物时所能看到的区域。
双眼视区——人用双眼观察事物时所能看到的区域。
1、头部、眼睛不转动的视野范围。
条件：
眼睛保持向前直视，眼球、头部不转动。
水平方向：
左单眼观察：
直前视线左边90°，右边60°；
右单眼观察：
直前视线左边60°，右边90°；
双眼同时观察，左、右单眼观察的重叠区：
120°。
——双眼视区。
垂直方向:
双眼视区——直前视线上方50°～55°；
下方60°～70°。
可见，由此构成了人眼视锥，锥顶就是瞳孔距的中心。
2、眼睛和头部转动时的视觉范围
驾驶员观察周围事物，往往转动眼睛和头部→扩大视野。
眼睛和头部的转动范围，按舒适与否，分为两种：
1自然转动——转动头部和眼睛，无勉强感和不舒适感
眼睛自然转动范围：
水平方向：
左15°，右15°；
垂直方向：
上15°，下15°。
头部自然转动范围：
水平方向：
左45°，右45°；
垂直方向：
上30°，下30°。
②勉强转动——在转动范围内感到不适和疲劳
眼睛勉强转动范围：
水平方向：
左30°，右30°；
垂直方向：
上45°，下65°。
头部勉强转动范围：
水平方向：
左60°，右60°；
垂直方向：
上50°，下50°。
二、驾驶员的眼睛分布范围——眼椭圆
1、眼椭圆的意义
——汽车驾驶员以正常的驾驶姿势坐在座椅中时，其眼睛位置在车身中的统计分布图形——该图形呈椭圆形，故称眼椭圆。
眼椭圆是车身设计中的几种工具性图形之一。
2、来历
由于驾驶员的身材、坐姿和驾驶习惯等方面的差异，驾驶员的眼睛位置在车身中是不可能固定不变的，而是呈某种形态分布的曲线。
美国汽车工程师学会车身工程委员会人体模型分会通过对国内各州（包括少数欧、亚洲及其它国籍）的2300多名男女驾驶员的试验测定及统计分析，发现驾驶员的眼睛位置在车身中的分布呈椭圆形。
根据上述结果，SAE就以眼椭圆来定义上述概念。
眼椭圆由此成为汽车驾驶员眼睛位置分布范围的同义词。
SAE眼椭圆——分第90、第
95、第99等几种投影图，分别代
表一定百分比的驾驶员的眼睛位置。
——在决定（确定）驾驶员眼睛位置和视野性方面起着重要作用→国际标准采纳：
ISO4513-1978。
3、眼椭圆几种投影图的含义
——第90、第95、第99等几种投影图，分别代表一定百分比的驾驶员的眼睛位置。
在投影图上绘出一条相切于第95百分位眼椭圆的切线，说明有95%的驾驶员眼睛位置位于切线的下侧，而仅有5%的驾驶员眼睛位于切线上侧。
注意：
切线切出的百分比并不等于椭圆本身包围的驾驶员眼睛位置的百分比。
它们有如下关系：
切线剖出的百分比：
80909599
平面椭圆内的百分比：
30567493
空间立体内的百分比：
13355686
眼椭圆侧视图前低后高，俯
视图向右偏斜。
三、眼椭圆样板的绘制
为什么要绘眼椭圆样板——
便于设计和校核。
常将几种典型的百分位眼椭
圆制成样板——方便使用。
制作步骤：
1、眼椭圆中心座标：
由胯
点行程→与X-X、Y-Y、Z-Z的
距离→中心位置。
2、眼椭圆长、短轴：
长轴相等，短轴不等，查表得出。
3、方位角——在两视图上均呈倾斜状
侧视图：
长轴倾斜角-6.4°——前低后高；
俯视图：
长轴倾斜5.4°——向右偏斜。
4、眼椭圆定位线
——指侧视图上的基线x-x、z-z相对于垂直工作线X-X和Z-Z的交点的水平和垂直位移，由座椅靠背角根据表4-4查出。
由上述四步，即可确定侧视和俯视平面内眼椭圆的形状和位置。
四、眼椭圆样板在车身侧视和俯视图上的定位
1、在侧视图上的定位
步骤：
①根据设计确定的H点行程（水平调节量）及眼椭圆百分位，在样板组中选取相应的样板；
②在车身侧视图上，由最后H点向上作垂直工作线Z-Z；
③由H点向上在635mm处作一水平工作线；
④将眼椭圆定位线放在两工作线的交点上。
该交点是座椅靠背角为25°时眼椭圆自身座标原点所在的位置。
若背靠角不是25°时，自身座标相对于垂直工作线和水平工作线的偏距由表4-4查得。
⑤将眼椭圆样板置于眼椭圆定位线上的两基线X-X、Z-Z的交点上，该交点所对应的靠背角值应是制造厂所规定的前座椅靠背角的设计值。
——注意，在25°时，两基线
与两工作线（参考线）重合；当不足
25°时，两基线与两工作线相互平行。
2、在车身俯视图上的位置
①对于座椅为长条椅的客车，方
向盘中心线与眼椭圆样板的X-X轴的距离为0.15（a-b）,其中a为驾驶区肩部的1/2车宽,b为方向盘中心到汽车中心的距离;
②对于座椅为单人椅或挖斗椅，则将左右眼椭圆中心连线的中点置于H点上，且保持X-X轴与汽车纵向中心线平行即可。
§4-4视野校核
目的：
·保证所设计的汽车具有良好的视野，使驾驶员能通过视觉，最大限度地获取外界信息→保障行车安全。
·确定驾驶员的视野范围。
依据：
驾驶员的眼椭圆。
一、前方视野校核
目的：
检查所设计汽车的前方视野是否符合要求——安全法规，能否保证正常驾驶。
内容：
直前视野、仪表视野校核。
1、直前视野——前方视野，驾驶员通过前风窗玻璃所能看到的范围。
要求：
尽量宽阔，受风窗玻璃、风窗立柱、鼻梁、未刮净区和未除霜区等的影响最小→保证处于正常工作位置的驾驶员能清楚无误地看到前方的交通、道路和环境状况。
①前方盲区和辨认交通信号灯校核
a）在侧视图上作驾驶员第95%百分位眼椭圆；
b）从前风窗下沿（或仪表台最高点——仪表台高于前风窗下沿）和上沿分别作第95%百分位眼椭圆下缘和上缘的切线（切平面）：
·下缘切平面和地面交点到客车前端的范围即为前方盲区，要求≯4.5m（GB4992-85），国外要求≯3m。
近年德国TUV运输安全研究所在完成对现代大客车技术装备状况和人体工程学指标的研究中提出，现代大客车的前方盲区应＜1.4m，即保证在距车前端0.8m处坐高为0.5m的小孩可以被驾驶员发现。
达不到则要求安装下视镜。
·上缘切平面与直前视线的夹角＞15°，并保证车前15m，高5m的交通信号灯能被方便地看见，且视角α＜15°。
2前风窗视野角校核
要求：
在结构允许的情况下，前风窗视野角越大越好。
方法：
过前风窗两立柱的前端向第95百分位眼椭圆作切线，要求两切线间的夹角越大越好，一般应＞120°。
为避免影响前方视野，前风窗应尽可能无鼻梁或鼻梁较小。
3风窗玻璃刮扫面积和刮扫部位校核
要求：
以驾驶员眼睛位置为基准。
·刮扫系统不仅要有足够的刮扫面积，而且应有正确的刮扫部位；
·在整个刮扫面积内的不同区域，应有不同的清晰度要求——刮净率。
风窗玻璃的刮净率要求
区域
轿车
大客车
A
80%
整块玻璃
80%
多块玻璃
65%
B
95%
整块玻璃
94%
多块玻璃
70%
C
100%
整块玻璃
99%
多块玻璃
84%
校核方法：
·在车身侧视图和俯视图上作第95百分位眼椭圆；
·根据表4-7（轿车表4-5）中规定的角度分别作眼椭圆上下、左右四个切平面，这四个切平面与风窗玻璃的交线构成了为视野所要求的刮扫区域或部位。
校核后若达不到要求的区域（面积），应调整刮水器的安装位置，或加大刮片的长度。
④前风窗除霜面积校核
要求：
·在规定的除霜试验条件下，30min内各种不同类型汽车的除霜面积和除净率达到③中要求的刮扫面积、刮扫部位和刮净率；
·面积B中未除净部分只允许位于面积的周围边缘。
如达不到要求，可修改暖风机的除霜喷口位置或设计形状，或加大除霜风量。
2、仪表视野校核
目的：
①检查仪表的视野——可视程度是否满足要求；
②检查仪表视角是否满足如下推荐值：
·轿车：
α=90°——仪表平面中心与眼椭圆中心的连线和仪表平面的夹角。
=10°——仪表平面与垂直平面夹角。
β≯30°——仪表视线与直前视线夹角。
·客车：
α≈90°，β≯65°，γ≯50°。
③外来光线的反射是否影响驾驶员的视觉；
④仪表在风窗玻璃上的影像是否影响驾驶员视觉。
校核内容和方法：
①方向盘和仪表位置
·在车身侧视图上作第95百分位眼椭圆；
·通过前风窗下沿和方向盘顶点引一条直线a，该直线应与第95百分位眼椭圆下沿相切——表示有95%以上的驾驶员可以不受方向盘和风窗下沿的影响去观察前方；
·通过仪表板上沿和方向盘上端的内环，仪表板下沿和转向柱端作两条切线b、c，应分别与第95%百分位眼椭圆的上下缘相切，其所形成的区域表示约有90%的驾驶员可以通过方向盘内环和转向柱之间的空间去观察仪表。
②仪表板对外来光线的反射校核
在图中作仪表板对外来光线的反射线d、e，看是否与眼椭圆区相交——检查仪表对外来光线的反射是否影响驾驶员的视觉。
③仪表板上各种零件映照在风窗玻璃上的形象
在图中作仪表板零件受外来光线照射后映照在风窗玻璃上的影象（如图中f线），其反射后是否与眼椭圆区相交。
通过上述校核，如发现仪表板、方向盘的形状或位置设计布置不合理，不能满足视野要求，就应采取措施加以改进。
措施：
10、采用一字形方向盘——使驾驶员清楚、不受影响地观察仪表；
20、在仪表板上部做出较长的遮檐——避免仪表影像的影响;
30、采用带亮度调整的全面透过式仪表——不反射光线;
40、将仪表或遮檐表面做成深暗色、无光泽的凹凸纹样（布纹或皮质处理）——吸收强烈的光线和造成漫反射等，消除刺目反光，改善仪表视野。
二、后方视野
客车的后方视野——从内外后视镜或电视监视器、倒车雷达等所获得的视野范围。
电视监视器、倒车雷达目前仅在高级、豪华客车上有所采用，在此仅讨论大客车上广泛使用的后视镜的视野范围及校核方法。
在交通繁忙的情况下，驾驶员约有25%的时间依靠后视镜来判断周围情况而驾驶汽车的。
1、要求：
①后视镜的设计和布置应充分考虑人眼的视野角度；
②安装位置以接近直前视线为宜——越接近直前视线，越容易看清楚；
③镜面最小宽度应≮两眼瞳孔的距离——即＞64～65mm，有效宽度应大于该尺寸；
④为扩大视野，应尽可能采用球面镜，曲面半径＞600mm（欧、美、俄规定≮1200mm）；
⑤外后视镜的位置应不受风窗立柱的遮档，也不应受未刮净区域的影响。
左后视镜应保证驾驶员在正常工作位置能看清眼睛后方≯10m以外的，宽度≮2.5m的水平路面；右后视镜应保证看清眼睛后方≯30m距离以外的，宽度≮3.5m的水平路面；
⑥车内后视镜应反映车内乘客情况，并至少能反映出H点后约60m外，宽度≮20m的路面情况，双眼水平视角≮20°。
若达不到，应采用电视监视器或倒车雷达来扩大视野范围。
2、校核步骤——以内后视镜为例。
①在主、俯视图上作第95%百分位眼椭圆；
②根据初定的车内后视镜及设计位置，在两视图上画出车内后视镜的投影轮廓线；
③在侧、俯视图上分别通过后视镜投影轮廓线的上端点和外端点向第95百分位眼椭圆作切线，该切线和直前视线的夹角应＜45°和60°；
④根据光学成像原理，在图中找出驾驶员双眼在镜中的成像点C——眼椭圆最后点的成像点；
⑤在侧、俯视图上以C为顶点，向镜面两端作射线，两射线的夹角就分别是垂直方向和水平方向的车内视角——驾驶员的车内后视范围。
车外后视镜的设计位置和视野范围，可参照车内后视镜的办法校核。
三、侧方视野
——驾驶员通过侧窗，在头、眼勉强转动下的视野范围。
设计中应尽量减少车身第一、二立柱的宽度，加大驾驶区左、右车窗的面积，使驾驶员能在头部和眼睛的勉强转动范围内（左、右各90°）有尽可能宽的视野，以保证正常的转弯、起步、停车、倒车和低速行驶。
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