第三章基于标准的车辆人机工程设计工具Word格式.docx
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5-座板；
6-可拆卸重块；
7-头部空间测量装置；
8-躯干
图3-2H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SAEJ1517DriverSelectedSeatPosition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（SeatingReferencePoint，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。
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（CoordinationMeasurementMachine，．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。
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。
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
（3.1）
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3-4A类车SAEJI517中的适宜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5—7中。
表中，x为H点到AHP的水平距离，mmz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SAEJ1517标准中给出。
具体如下图3-5所示关系：
图3-5B类车SAEH点位置曲线
考虑到客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405—530mm。
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50％H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392．5mm。
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10—50中的理论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，GB18463-2001《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，图3-10是采用图3-9中的第二种踏板、按95百分位和女性1550mm身高两种H点样板做出的两个极限驾驶员H点布置。
图3-9两种安装角较小的加速踏板
图3-10按95百分位男性和女性1550mm身高两个极限的驾驶员H点布置
至此，我们的最终结论是：
a．第95百分位男性的H点就是驾驶椅的最后位置，它距BOF点850mm。
b．身高1550mm女性的H点就是驾驶椅的最前位置，它距BOF点750mm。
那么驾驶椅的调节行程是：
前后方向：
850mm一750mm=100mm。
上下方向：
485mm一433mm=52mm。
对于客车驾驶区的设计，正确的做法是：
a.固化转向盘及其管柱、加速踏板、制动踏板、离合这四件为一组件，即操纵件模块。
b.做出驾驶员相对于该操纵件模块的最后位置。
为了增大乘客区尺寸，就是要尽可能地使操纵件模块前移，这取决于造型曲线和刮水器的结构型式，即其前面到底还有多大空间可用。
3.2眼椭圆
在驾驶人-车辆-环境系统中，人（驾驶人）机（车和车外环境）界面的视觉链的优化匹配，必须以驾驶人的眼睛位置（称为视点）为定位基准。
由于人的身材大小不同，不同的驾驶人以正常驾驶姿态坐在驾驶座椅上，他们的眼睛位置显然是不同的。
运用统计的观点和方法研究驾驶人的视点分布规律，发现车辆驾驶人的视点分布图形是呈椭圆状的，故称为驾驶人眼椭圆。
如图3-11眼椭圆示意图。
图3-11眼椭圆
1-长轴轴线Ax
2-短轴轴线Ay3-竖轴轴线Az
1992年以前的SAEJ941眼椭圆标准，是基于美国福特汽车公司Meldrum等人的研究成果。
1963年，Meldrum等人在SAE的资助下，对驾驶人眼睛位置的分布进行了试验统计。
方法是：
让美国各州及少数欧洲、亚洲和其他国家的2300多名驾驶人（男女人数比例为1：
1）分别坐在3辆静止的敞篷车内，将转向盘和座椅按各自习惯调整到适宜位置，眼睛注视前方屏幕上播放的交通场景，并如同真正驾驶一样操纵汽车，同时正前方和侧面的两架照相机同步拍摄下眼睛位置。
图3-12为不同百分位人群的眼椭球视图。
图3-12不同百分位人群的眼椭球视图
汽车视野性能直接影响到汽车的行驶安全性、乘坐舒适性及操纵方便性，是车身总布置设计中视野设计应考虑的核心。
汽车视野必须保证95％以上的驾驶员视野能达到相关标准和法规的要求。
汽车视野设计内容如图3-13所示：
1.前方及内外后视野设计要求
前方视野要求包括：
保证驾驶员在交通路口的停车线内能看到交通灯和其他交通标志、前风窗玻璃有足够的透明区、对A立柱双目障碍角的限制。
如图3-13为汽车视野设计内容图。
图3-13汽车视野设计内容
（1）前方垂直向上方向的上视野应该满足:
驾驶员坐在车内以正常驾驶姿势能看见车前方12m处的，高为5m的标杆（红绿灯高度）。
其评价标准见表3.4。
表3.4前方视野评价
从前风挡上缘向眼椭圆作上、下切线，一般上视角不得小于10°
，下视角不得小于20°
。
在俯视图上，由左右前立柱的边缘向左右眼椭圆作切线，其夹角为水平视角，一般不小于73°
（2）内外后视野的法规要求
SAE的法规与GB规定大体是一致，国标参见GB15084。
SAE要求：
内视镜后视野双眼水平视野角不小于20°
视距不小60m,即垂直方向视角保证驾驶员能看见60m处的交通状况。
外视镜后视野法规要求双眼水平视野角不小于10°
，视距不小于l0m，即:
垂直方向视角保证驾驶员看见至少l0m处的交通状况。
一切光学信息都要通过眼睛才能被人大脑所感知,视野是指人眼的可视范围,一般以角度表示。
1.眼睛和头部都不转动时的视区
此时，视区可以分为以下三种：
（1）单眼视区，是指只用左眼或右眼单独观察时所能看到的区域。
（2）双眼视区，是指用左、右眼同时观察时两眼都能看到的区域。
（3）两单眼视区，左、右眼单独观察到的两个单眼视区的合成区。
眼睛保持向前直视,眼球和头部均不转动时,单眼水平视区为1500其为直前视线一侧90o、另一侧的600区域。
双眼视区为1200，两单眼视区为180o。
见图3-14。
在垂直方向上双眼视区为直前视线上方50o-55o，下方60o-70o。
这样便构成了人眼视锥。
锥顶视瞳孔距的中心，见图3-15。
图3-14水平方向的视区
图3-15垂直方向的视区
2．眼睛和头部都转动时的视区
驾驶员观察周围物体时，往往转动眼球和头部,以扩大视区范围。
眼睛和头部的转动角度按转动时，是否舒适分成自然转动和勉强转动。
在自然转动时，眼睛和头部均无不舒适感
在勉强转动时，眼睛和头部会有不舒适感。
其范围如图3-16、3-17所示。
图3-16眼睛和头部水平方向的转动角
图3-17眼睛和头部垂直方向的转动角
1．A类车、行程可调节座椅眼椭圆
（1）长轴长度Lx
研究表明，驾驶人眼睛位置沿眼椭圆长轴方向（Ax方向）的分布与驾驶人身高呈现0.473的相关关系。
即，若两个驾驶人身高相差10mm，则其眼睛位置在Ax方向相差4.73mm。
令变量X=0.473（S—SR）表示眼睛在Ax方向的位置，S代表身高，SR为参考身高。
由于单一性别驾驶员群体的身高呈正态分布，则男子和女子的眼睛位置沿Ax方向各自呈正态分布，如图3-18所示。
图3-18眼椭圆长轴的计算原理
记M=0.473（SM—SR），F=0.473（SF—SR），M和F分别为目标驾驶员群体男子和女子眼睛位置分布的均值，SF和SM分别为平均女子身高和平均男子身高，如图3-18所示，CM和CF分别为男子、女子眼睛位置分布的上、下1—P分位点，P为眼椭圆的百分位值。
则驾驶员眼睛位置落在CF左边的概率1-P为
（3.2）
式中，PM为目标驾驶员群体中男子出现的概率；
Φ表示标准正态分布函数；
σSM和σSF分别为男子和女子眼睛位置分布标准差，并且
（3.3）
式中，σM和σF分别为男、女驾驶员人身高分布的标准差。
同理可得
（3.4）
由于P为眼椭圆的百分位值，根据式（3.2）和式（3.4）可以计算CM和CF的值，眼椭圆的长度为
（3.5）
（2）短轴长度Ly和长轴长度Lz。
对于一定的驾驶人群体，当其坐在适宜驾驶位置时，其眼睛位置在汽车坐标系3个方向上均呈正态分布。
研究发现，眼椭圆的短轴和长轴长度基本上不受驾驶人身高和布置参数的影响。
因此，可以根据眼睛位置一维正态分布变量的标准差和眼椭圆百分位值P来计算Ly和Lz。
（3.6）
式中，表示Φ-1表示标准正态分布函数的反函数。
眼椭圆的定位包括确定椭圆中心位置和倾角。
影响眼椭圆定位的布置参数包括：
转向盘在前后方向相对于加速踏板基准点（PRP）的距离（L6）、座椅高度（H30）、变速类型（手动还是自动）和座椅升程（A19）等，如图3-19所示。
图3-19影响眼椭圆定位的分布参数
a俯视图b侧视图c后视图
2002版SAEJ941标准采用的是有关乘员眼睛位置分布规律最新的研究成果，其眼椭圆不再根据设计乘员躯干角度A40定位，而是认为：
转向盘前后位置和座椅高度是影响眼椭圆中心位置的主要因素。
新的定位方法采用了更多、更准确的参数作为定位因子，提高了灵活性和准确性。
（3）椭圆倾角的计算
眼椭圆的3个轴线相互垂直。
轴线Ay方向平行干汽车坐标系Y轴方向。
对于A类车可调节座椅的眼椭圆，长轴轴线Ax与水平面的夹角应根据H点调节轨迹倾角A19计算，即
（3.7）
（4）椭圆中心的计算
椭圆中心的3个坐标分量Xc、Yc（分别以Yc1和Ycr代表左右眼椭圆中心Y坐标）和Zc分别以PRP，Y零平面和过AHP的水平面为定位基准，其计算公式如下：
（3.8）
式中，L6为转向盘中心到加速踏板基准点（PRP）的前后距离；
H30为座椅高度；
t为变速类型，当有离合器踏板时t=1，否则t=0；
CM和CF分别为男子和女子眼睛位置分布的上、下1—P分位点；
β为侧视图眼椭圆倾角；
W20位SgRP点在汽车坐标系中y坐标。
（5）眼点
视野时，需以眼椭圆轮廓上距离后视镜最远的点作眼点，但找这个眼点比较麻烦。
经过统计研究，SAE得出了方便某些场合使用的视原点，借助它们可方便地得到眼点。
E点（眼点）代表眼睛位置，是视野设计过程中视线的出发点。
眼点有两个，分别为左右眼睛的位置，左右眼的距离为65mm。
P点是驾驶员头部水平转动的中心点，与E点等高，位于左右眼点EL和ER连线中点后方98mm处，如图5.25所示。
其中，图3-20（a）的头部水平转动角为零；
图3-20（b）中头部绕P点水平转动了α角，新的眼点为
和
，SAE中只定义了A类车、装备行程可调节座椅时的P点，对于B类车和固定座椅情况下没有定义P点。
P点采用相对于95th百分位中央眼椭圆中心的偏移量来定位，见表3.5，其中“+”号表示该值沿汽车坐标轴系正方向起作用。
中央眼椭圆是大小和眼椭圆相同、其中心位于左右眼椭圆中心连线中点的辅助椭圆。
图3-20眼点与p点的相对位置
表3.5p点相对于95th百分位中央眼椭圆中心的偏移量
头部转动点P1和P2分别用来计算驾驶员左、右侧A柱的双目视野障碍角。
头部转动点P4和P3分别用来计算驾驶员左、右侧后视镜的间接视野。
2．B类车眼椭圆尺寸和定位
B类车眼椭圆标准的内容自1987年以来一直没有更新。
眼椭圆尺寸见表3.6。
B类车眼椭圆定位时以ATRP（AccommodationToolReferencePoint，驾驶室布置工具图形定位基准点）作为基准点。
由于在操作B类车的驾驶员中，随具体车型的不同，驾驶员群体中男女比例可能会有较大的差异，因此，眼椭圆定位时需要考虑驾驶员群体中男女比例。
此外，在侧视图上，眼椭圆关于其中心有向前下方11．6o的转角；
在俯视图上，左右眼椭圆关于其中心有向右侧5．4o的转角，如图3-21所示。
表3.6B类车眼椭圆尺寸
图3-21B类车眼椭圆
有了ATRP点后，眼椭圆中心相对于ATRP的定位公式列于表3.7中。
表中，X为椭圆中心相对于ATRP的水平距离（mm）；
YL、YR分别为左、右眼椭圆中心相对于ATRP的侧向距离（mm）；
Z为圆中心相对于ATRP的垂直距离（mm）。
d为躯干后倾角，也可认为是座椅靠背角（0）。
眼椭圆绕其中心旋转：
在俯视图中向内侧偏5.40，侧视图中向前下偏转11.60。
表3.7眼椭圆中心相对于ATRP的定位公式
客车中采用的男女比例取为90：
10，此时也可用表3.8直接查出x、z与d的对应值。
表3.8男女比例是90:
10时X、Z与α的对应值
图3-22是采用男女比例为90：
10时做出的客车驾驶员眼椭圆定位，ATRP是第50百分位的H点，取d=13。
按表10—19计算x、z值，图中未画出俯视图的眼椭圆。
图3-22男女比例为90:
10时的客车驾驶员眼椭圆位置
基于驾驶员眼椭圆的视野设计，视区和盲区的定义：
如图3-23所示，EL、ER为左、右眼点。
图3-23视区与盲区的定义
（1）单眼视区：
只用左眼或右眼单独观察时所能看到的区域。
（2）两单眼视区：
用左眼或右眼单独观察到的两个单眼视区的合成区域。
（3）双眼视区：
用左、右眼同时观察时都能看到的区域，即两单眼视区的重叠区域。
（4）直接视区：
无需借助后视镜而能直接看到的区域。
（5）间接视区：
借助后视镜才能看到的区域。
（6）单眼盲区：
由左眼或右眼单独观察时，由于障碍物对视线的阻挡而形成的左眼或右眼看不到的区域。
（7）双眼盲区：
左、右眼同时观察时，由于障碍物对视线的阻挡而形成的两眼都看不到的区域，即左、右单眼盲区的公共部分。
汽车视野设计过程中，眼椭圆是理想的设计工具，但在实际应用中其略显复杂。
因此在很多情况下用视点来代替眼椭圆，如在GB15084--2006《机动车辆后视镜的性能和安装要求》标准中就定义了驾驶员的左、右眼点OE、OD。
图3-24是分别采用眼椭圆和视点来标记的驾驶员视角，按GB15084--2006定义的视点其定位基准是ATRP点。
图中a为上视角，β为下视角，γ为左视角，δ为右视角。
按GB15084--2006的规定，γ不能大于55。
，从图中可以看出，此条是很容易满足的：
对于采用短耳式左侧镜的车型，如公交车，γ≤550也不存在问题。
图3-24分别采用眼椭圆和视点来标记的驾驶员视角
3.3头廓包络
3.3.1概述
头廓包络指不同身材的乘员以正常姿势坐在适宜的位置时，其头廓（包括头发）的包络，它用于在设计中确定乘员所需的头部空间。
与眼椭圆相对应，头廓包络面也包括座椅行程可调式和不可调式两种。
通过对人的头部尺寸进行测量和统计，SAE制定了平均头廓线，用来描述侧视和后视方向头廓的平均尺寸，如图3-25所示。
图3-25SAE平均头廓线
a侧视图b后视图
将平均头廓线样板上的眼点沿着眼椭圆轮廓上半部分运动，平均头廓线随之平动，描绘出的各个位置平均头廓线的包络就是头廓包络线。
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