轿车车身内部布置设计中的人机工程分析.docx
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轿车车身内部布置设计中的人机工程分析
课
程
设
计
设计课题轿车车身内部布置设计中的人机工程学分析
系部班级安全与环境工程系安管1002班
所属专业安全技术管理
学生姓名曹志庭学号***********
指导教师刘爱群
设计时间2011.11.10～2011.11.20
轿车车身内部布置设计中的人机工程分析
安全技术管理专业安管1002班曹志庭
【摘要】运用人机工程学的原理简单分析了轿车车身内部的布置设计原则，指出所有考虑因素的确定都必须以人为根本，充分满足人的生理心理要求。
分析了人机工程尺寸与乘坐舒适性、安全性、操纵性、视野性之间的关系，分析内容主要包括汽车前排驾驶室各部件的布置，车内座椅的设计，驾驶员手操纵件的设计及人机视野性设计。
本次轿车内部布置设计分析主要是利用已给的数据和人机工程学的基本知识对汽车的车身内部布置进行评价。
【关键词】车身内部布置；人机工程分析；操纵性
Carinteriorlayoutdesignofman-machineengineeringanalysis
【Abstract】Usingergonomicsprincipleasimpleanalysisofthecarbodyinteriorlayoutdesignprinciple,pointsoutallthefactorstodeterminetheroot,mustbefullysatisfypeople'sphysiologicalandpsychologicaldemands.Analysistheman-machineprojectsizeandcomfort,safetyandmanipulative,vision,therelationsbetweenthemaincontentanalysis,includingthecarinfrontofthecabofcomponentsofcarseatarrangement,thedesign,thedesignofthemanipulativehanddriversandvisiondesign.Thiscarinteriorlayoutdesignareanalyzedusingthedatatothebasicknowledgeandergonomicsofautomobilebodyinteriorlayout.
【Keywords】InsidethecarbodyMan-machineengineeringanalysishandling
1.前言
随着社会经济的发展，我国私家车的拥有量成大幅上升趋势，越来越多的家庭都购置了汽车作为日常出行的代步工具。
在选购汽车的时候，人们不仅注重一款汽车的动力配置、外观设计等方面，更注重汽车的内部空间是否充裕，车内部的驾乘感受是否舒适。
一个与众不同的驾驶空间：
开阔的视野，舒适的座椅布置，布置紧凑的仪表以及伸手可及的操作元件，能给人充分的心理满足和安全感。
因此，汽车车身内部布置要采用“以人为中心”的设计思想，只有汽车的内部布置设计综合考虑驾驶员的舒适性、视野性、操纵性等方面，充分满足人的生理、心理要求，才能有效降低驾乘汽车时的疲劳感和误操作的可能性，提高驾驶的安全性和舒适性。
2.汽车车身布置中的人机关系匹配
人机工程学是二十世纪五十年代迅速发展起来的一门新兴学科，它主要研究工程技术设计如何与人体尺寸、生理和心理特性相适应的问题。
人机工程学最大的特点是：
把人看成系统中的一个元素，以人为主体详细分析人与机械之间的协调关系，使整个系统工作达到最优。
合理的人机工程布置设计，不仅关系到有效的利用车内空间及提高乘坐舒适性，而且会影响车内、外部造型和整车尺寸参数，进一步影响整车性能和市场竞争力。
汽车车身布置考虑的人机工程问题大致归纳为以下五个主要方面：
（1）汽车驾驶操纵系统人机界面的优化配置；
汽车驾驶操纵系统是一种有驾驶员参与反馈控制系统。
这类人机界面的优化匹配问题，在人机工程学科领域最有代表性，因为驾驶操纵是驾驶员最基本、最频繁、最重要的操作。
（2）汽车行车安全性及车内成员的人体保护技术；
汽车车辆的撞车、翻车事故严重的威胁成员的安全性。
在进行汽车车身总布置时，一定要考虑到安全技术性能，利用有效的车内成员人体保护技术来避免或减轻乘员可能遭受搞严重的伤害。
（3）汽车乘员的乘坐舒适性；
汽车驾驶员和乘员的乘坐舒适性，主要取决于座椅与热机界面能否为人提供舒适稳定的坐姿、驾驶员（或乘员）——座椅——汽车系统能否有效地隔离或减弱来自路面不平度的激励而产生的振动、驾驶员（或乘员）——座椅——驾驶室系统的几何位置关系能否为驾驶员提供良好的视野和相对于各种操纵机构与显示装置的舒适位置。
（4）汽车驾驶员的驾驶适宜性；
进行车身总布置也应该考虑到驾驶适宜性，所谓驾驶适宜性是指人具备圆满、不出差错地完成驾驶工作的素质。
考虑到不同车型适合何种人群使用，相应的进行车身布置。
（5）汽车的道路交通适应性；
我们认为，应该把人——车——路作为一个系统来研究，设计汽车性能时既要充分考虑到人的因素，如人体尺寸、人的生理和心理特征、人的习惯等人——车的关系，又要考虑到道路交通特性。
进行车身总布置时，考虑到人——车——路系统的综合优化。
3.汽车内部空间尺寸和座椅位置的人机工程评价
3.1汽车内部空间尺寸
汽车内部空间布置是以座椅为中心进行的，应首先确定车内部空间主要尺寸
图3-1汽车主要内部空间尺寸
1.确定前、后R点的位置及前R点的范围
2.确定头部空间尺寸
3.确定前排乘坐空间（L34、H30），这两个尺寸主要与前座的位置及外形有关
4.确定后排舒适性尺寸（L48、L51、H31），这几个尺寸决定了后座乘员的坐姿角
5.确定横向空间尺寸
3.2座椅位置及舒适性
表3-2-1轿车乘客舱内部舒适性尺寸比较
尺寸
H61
H63
H30
H31
L34
L48
L51
W3
W4
W10
W11
W42
W43
小型
972
952
277
309
1020
-26
795
1332
1306
1392
1380
56
65
紧凑型
979
943
282
331
1050
-7
846
1365
1394
1410
1467
91
60
中档
986
958
267
306
1049
88
891
1415
1385
1466
1440
161
48
中高档
998
963
267
314
1049
107
948
1427
1415
1488
1456
89
72
豪华
994
988
272
323
1049
195
1007
1568
1560
1590
1575
76
106
参考值
>965
>945
—
—
1050
>50
—
—
—
—
—
>60
>60
表3-2-2人体主要尺寸单位：
mm
《中国人体尺寸》标准（GB/T10000－1988）
年龄分组
男（18-60岁）
女（18-55岁）
百分位数
151050909599
151050909599
身高
1543158316041678175417751814
1449148415031570164016591697
体重/kg
44485059707583
39424452636671
上臂长
279289294313333338349
252262267284303302319
前臂长
206216220237253258268
185193193213229234242
大腿长
413428436465496505523
387402410438467476494
小腿长
324338344369396403419
300313319344370375390
表1列出了各个级别有代表性车型的内部空间尺寸测量值，表2为人体主要参数，从表中我们可以相应得出以下结论：
（1）.前座椅空间为工作空间，主要以满足安全舒适驾驶为目的。
它的大小不因车型级别而不同，如尺寸H61、L34
（2）.后座设计应该侧重考虑成年人的要求，空间尺寸不应太小。
而且，后座空间尺寸因车型级别不同而有很大差别，级别越高，相应尺寸越大。
所以，其尺寸L51、L48、H61应分别大于900mm、50mm、945mm。
（3）.横向空间尺寸主要取决于车型级别，级别越高，车体越宽。
（4）.轿车前座椅一般为纵向及高度方向可调，座椅调节范围的研究应该以下面几种人体作为研究对象：
女子5百分位——长腿、中等、短腿；男子50百分位——长腿、中等、短腿；男子95百分位——长腿、中等、短腿。
因此，驾驶员座椅调节范围推荐值为L28：
200-300mm、L33E：
150-240mm、H23：
50-80mm、H24E：
30-60mm。
4.驾驶员操纵装置及空间的人机评价
驾驶员操纵装置及空间主要有4个方面：
脚踏板（油门踏板、离合器踏板、制动踏板）的位置和活动空间；方向盘；手操纵杆（换挡杆、手制动杆）；驾驶舱内服务元件（空调、收音机、转向开关、灯光开关等）。
由此可见，影响操纵空间的主要因素为座椅位置及调节范围、脚踏板相对于座椅的距离、手操纵件相对于座椅及中央通道的距离、服务元件与驾驶员座椅间的距离。
4.1驾驶员手伸及界面
汽车驾驶员的手伸及界面是指驾驶员以正常驾驶姿势坐在座椅中、身系安全带、右脚支撑于加速踏板踵点上，一手握住方向盘时另一手所能伸及的最大空间界面。
图4-1手伸及界面在车身中的位置
（1）、驾驶员自身的伸及能力
该因素主要通过选择各种百分位的身材及不同的男女驾驶员比例来加以考虑。
由于是最大伸及能力，故不考虑驾驶员的百分位和身材，仅考虑男女比例，在ISO3958中考虑了三种男女比例，分别为50/50,75/25,90/10。
（2）、汽车驾驶室内部设计尺寸
影响手伸及界面的驾驶室内部设计尺寸有：
.座椅靠背角
.方向盘最大直径
.方向盘倾角
.方向盘中心到踵点的水平距离
.方向盘中心到踵点的垂直距离
.人体样板的体腿夹角
为保证驾驶员的行车安全，驾驶员在行车过程中用到的各种操纵件应布置在驾驶员的手伸及范围内驾驶员手伸及界面就可以用来检验操纵件在车室中的布置位置合理与否当操纵件在手伸及界面的内侧靠近驾驶员一侧时操纵件的布置可以满足手伸及性的要求
4.2脚踏板位置
根据人机工程学的要求确定脚操纵空间的大小，从左到右依次布置离合器踏板、制动踏板和油门踏板，各个踏板之间的间隙及相关的布置尺寸可参考DIN73001。
油门踏板比制动踏板稍低与底板约成30度角，由于汽车行驶时驾驶员要不停的踩油门踏板，所以要求设计油门踏板时保证踏板踩下时轻便。
而制动踏板则应较宽、较长，设计成与地面成一斜线。
图4-2脚踏板尺寸
4.3方向盘的布置
方向盘 手握轮缘截面为圆形，直径在19～28mm之间。
轮辐截面为椭圆形，汽车方向盘最大转角为120o，这样可以保证在急转弯时，驾驶员能双手握住方向盘而不必倒手。
汽车方向盘与车轮转动角度的比值可取1.5～3.0。
有些为驾驶中省力，同时也为车辆自动保持直线前进，转向机构应设有自动归复到保持直线前进位置的复位装置。
小型车辆设计了可调整方向盘角度的结构，方向盘立柱的倾角可调，一般可调范围在15o以内。
调整方向盘的角度，一是为了应不同体形驾驶员的舒适度需要；二是为了使方向盘不遮挡观察仪表的视线。
方向盘的布置和以下因素有关：
.方向盘与坐垫表面的最小距离
.方向盘最下边缘与人体大腿中心线的最小距离
.方向盘最下边缘到座椅靠背的最小距离
.方向盘最后边缘到人体靠背线（躯干中心线）的最小距离
.方向盘最大直径
.方向盘倾角
4.4仪表板的布置
由驾驶室的内宽可确定出仪表板Y方向的范围；由前风窗尺寸可确定出仪表板的前缘（X方向）位置；由方向盘和踏板的位置可确定出仪表板的下缘位置；另外，由前方下视野角可确定出仪表板遮光罩的最上端位置。
同时，为扩大驾驶室活动空间，可将仪表表面下降和往前靠，这样就可确定出仪表板的总体布置区域，即外部大概轮廓，而后通过安全性与舒适性两个方面来布置设计仪表板。
仪表板的上表面高度应由5%百分位的人体尺寸来确定，并与前风窗玻璃下沿和上端的高度相协调。
目前，从扩大活动空间出发，将仪表板下降和往前挤，已成为仪表板不知的主流，也有利于加大前方视野。
此外，在仪表板前面与方向盘之间要留有足够的操纵空间。
在仪表板的前表面上布置各手控制及显示装置和仪表，其横向位置的确定应服从重要性原则。
即各按钮、开关以及装备应按其在使用中的重要性来布置。
重要的和常用的按钮、开关和仪表应布置在最佳的手操纵区域或最佳的视野范围内。
组合仪表不仅要布置在视野的正前方，仪表板与视线垂直，而且各表的布置也要符合最重要性原则。
这将有利于提高操纵方便性、准确性、安全性和减少驾驶疲劳。
对于组合仪表座的遮光罩设计，要符合造型和遮光作用。
其形状大小要能遮住从仪表表面发出的光线经前风窗玻璃的反射不能达到驾驶员眼睛所在的位置，或遮挡外界光线直接照射在仪表表面上产生的反射光线对驾驶员视觉的干扰。
在仪表板的前面开设通风口，一般设置4个。
其中两侧各有1个为前排乘员提供风量，而中间2个则为后排乘员提供风量。
此外，在仪表板表面上设置除霜吹气口，在车内下部适当地方设置暖风出风口等。
仪表板下面的弧度、形状和高度，应按95％百分位的人体尺寸来确定，同时要有足够的空间来布置制动踏板、离合器踏板等。
①油表②温度表③转向灯显示器④大灯显示器
⑤⑥⑦报警灯表⑧空调出风口
图4-4仪表板示意图
4.5手操纵件
手操纵杆的布置位置合适与否直接影响驾驶员的操纵舒适性，驾驶安全性及人机关系的合理性。
操纵杆的布置应适应人的手臂特点，尽量做到只用手臂而不移动身躯就可完成操作。
另外操纵杆的直径不能太小，以免操作时引起肌肉紧张而容易疲劳。
常用操纵杆执握手柄的直径一般为22∽32mm，操纵力约为30∽50N为最佳。
操纵杆的布置设计，应使操作者在其一个作业班次内、安全、准确、迅速、舒适、方便地持续操纵而不产生疲劳。
4.5.1换挡杆设计分析
换挡杆无论在什么档位，对于5百分位的女子和95百分位的男子，都应很方便的触及。
应该注意的是换挡杆拉到最前面时离副仪表板的最小距离一般要求大于50mm。
不管在任何位置，换挡杆与左、右座椅及前面乘客的身体（主要是大腿）保持足够的间隙。
4.5.2手制动杆设计分析
手制动杆设计时应考虑：
手制动杆方便触及、驾驶员在拉手制动杆时不与任何车身其他部位干涉。
应注意手制动杆前端至换挡杆位到最后时的最小距离一般要求大于30mm，手制动杆与中央通道的垂直距离和纵向距离一般要求大于40mm，手制动杆前端宽度一般要求大于25mm。
4.5.3车门把手位置设计分析
车门把手的位置从理论上讲应该位于男子95百分位以及女子5百分位人体手伸及界面的公共范围。
在设计中应注意车门内开扳手周围应该有足够的空间以方便手的操作，车门把手长宽设计也应考虑人机工程学的要求。
4.5.4驾驶舱服务元件布置设计分析
轿车内服务元件一般包括空调、收音机、转向开关及大灯开关、手套箱甚至电动玻璃升降装置等，这些功能元件应在驾驶员手伸及界面内，布置应适应人的手臂特点，尽量做到只用手臂而不移动身躯就可完成操作，另外操纵钮的直径不能太小。
5.汽车驾驶员眼椭圆及视野性的人机评价
5.1驾驶员眼椭圆概述
汽车驾驶员眼椭圆是指不同身材的驾驶员按自己的意愿将座椅调整到适意
位置并以正常的驾驶姿势入座后，他们的眼睛位置在车身坐标系中的统计分布图形由于统计分布图形呈椭圆状，因此被称为驾驶员眼椭圆。
驾驶员眼椭圆的确立为研究汽车视野性能提供了科学的视野原点基准。
以往，在汽车驾驶员的视野校核中以平均身材的驾驶员的眼睛位置作为基准，由于驾驶员的身材坐姿及驾驶习惯的不同，视野原点不可能是一个点，故上述方法只能满足中等身材的人的需要。
在实际中视野原点不是某个固定的点而是呈某种形状的分布图形，为此人机工程学研究人员及车身设计师从60年代中期就开始研究这一问题，其中以美国福特汽车公司的洛依R.W.Roe及通用汽车公司的哈蒙特D.C.Hammond等人的研究最为突出，其研究成果成为美国汽车工程师协会SAE的推荐实施标准SAEJ941，后来国际标准组织引用美国SAEJ941制定了国际标准ISO4513因此眼椭圆所代表的是所有人群的视野性。
汽车行驶时，80%以上的交通信息是通过驾驶员的视觉得到的，驾驶员的视觉通道是最重要的信息通道。
由于驾驶员眼椭圆代表了一定群体的驾驶员在正常驾驶位置时眼睛在车身坐标系中的分布，因此在汽车设计时可以用眼椭圆来衡量和评价驾驶员视野性的好坏。
5.2驾驶员视野
驾驶员视野直接影响汽车主动安全性，是汽车布置及设计始终关注的基本方面。
驾驶员视野设计主要包括以下几个方面：
直接前方地面视野、交通灯视野、直接后方视野及间接后方视野、仪表盘视野。
图5-2人的水平视野和垂直视野
由上图可知：
人的水平最佳视野范围是以人的两眼中间为分界点左右各30°，最佳垂直视野范围是以人眼的水平观测线为基准向上25°、向下30°。
5.2.1前方视野设计
在车身布置图上，确定了代表驾驶员眼睛分布位置的的眼椭圆后，即可作出驾驶员的实际前方视野范围。
显而易见，驾驶员的前方视野不仅要考虑人眼自身的视野范围，更重要的是车身设计，如前风窗开口面积，风窗倾角和位置，窗柱尺寸和位置等的设计将直接影响着前方视野性。
一般车身设计中要提供前方视野参数。
根据车辆驾驶时人体对前方视野的要求，可以从眼椭圆出发进行前方视野设计。
图5-2-1前、后视野
5.2.2仪表盘视野设计
仪表盘视野指的是由于转向盘而造成的驾驶员对于仪表板上指示装置的视野障碍。
根据人机工程要求，这些指示装置应该在女子5百分位和男子95百分位的视野范围内。
其中，影响视野上限的为转向盘轮缘，影响视野下限的为转向盘中央盖板或转向盘柱上沿。
影响仪表板视野的关键因素是转向盘的位置及大小：
转向盘位置越高，视野范围越大，反之则越小；转向盘内径越大，视野范围也越大。
在进行人机工程设计时，要更多的考虑极限位置的仪表盘的可见性，。
因此，现代轿车的转向盘多设计成高度及纵向可调的形式。
图5-2-2仪表盘视野
6.结束语
通过本次的课程设计，让我学到了许多课本上学不到的东西。
如，发现问题的能力，思考问题的能力以及联系实际解决问题的能力。
我更对自己所学的有关专业知识有了更深入和更广泛的了解和掌握，并且对于运用自己所学的专业知识来进行初步的设计和分析有了简单的尝试和实践。
人机工程学最大的特点是：
把人看成系统中的一个元素，以人为主体详细分析人与机械之间的协调关系，使整个系统工作达到最优。
在此次课程设计中，我试图将人与汽车内部空间的设计及布置进行和谐的结合，运用合理的人机工程数据及原则，对轿车内部的布置设计进行分析，以提高驾驶员操纵的便利性、安全性和准确性，有效的提高车内空间，为驾驶员和乘客节省出更多的活动空间，以提高乘坐的舒适性，让驾驶员和乘客充分享受驾乘汽车带来的便利和乐趣。
这是第一次做课程设计，由于在环境、时间及知识面的局限下，在分析设计中还存在着一些不足和不全面之处，需要在以后的学习中做出更深入的了解。
至此，此次课程设计比较顺利的完成，感谢指导老师的精心指导和部分同学的大力支持及帮助。
不足之处，还请老师多多指教，提出宝贵意见！
感激不已。
参考文献
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