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汽车人机工程论文

摘要

目前汽车尤其是乘用车设计强调以人为中心，舒适性一直是汽车设计的主

体和追求目标。

商用车是汽车工业产品型谱中的重要组成部分，在我国国民经济建设和社会发展中发挥着巨大的作用。

近年来随着我国国民经济的快速发展、高等级公路的大量修建以及物流业的迅速发展，我国商用车发展迅速。

国内商用车企业虽然具有一定的自主研发和科技创新能力,但在商用车人机工程设计开发方面与国外相比还有一定的差距。

运用人机工程学原理对商用车驾驶室进行科学合理的设计，改善驾驶员工作环境，对于提高商用车主动安全性，保证驾驶员行车安全和身体健康具有重要意义.

本文结合所承担的“十一五”国家高技术发展计划（863计划）项目“重型汽

车集成开发先进技术（2006从110105）",对重型商用车人机工程设计与评价方法

和关键技术进行了深入、系统研究,论文完成的主要研究工作如下：

对重型商用车驾驶室人机工程学设计的主要内容和过程，以及采用的统计学方法进行了研究总结，建立了重型商用车人机工程设计方法。

研究了根据人体测量学数据建立用于商用车人机工程设计和分析数字人体模型的关键技术，包括人体测量学参数描述、运动学和动力学建模、人体肢体运动驱动和姿势求解的正向和反向运动学问题、几何建模和外观可视化、性能建模等，建立了三维数字化人体模型，开发了具有自主知识产权的重型商用车人机工程设计评价系统（SHOVED）.

利用该系统对某商用车驾驶室座椅H点位置、前后方视野、A柱盲区、仪表视野和平均观测距离、手伸及性，踏板舒适性,操纵方便性、风窗刮扫面积和上下车方便性等人机性能进行了设计、分析与评价.结果表明，该车型的人机性能满足国内外标准要求,并给出了进一步改善驾驶室人机性能的建议.提出了一种改进的人体姿势舒适度评价方法,即采用人体肌肉负荷作为姿势舒适性的客观量度，而肌肉负荷从宏观上根据关节载荷计算；通过仿真分析获得姿势空间内姿势舒适性的分布;对姿势舒适性分布数据进行统计分析,建立姿势舒适性评价模型。

本文将商务车驾驶室作为一个特殊、复杂的人机系统，运用人机工程学理论，

借助计算机仿真技术，实现了装载机驾驶室人机系统设计的计算机化。

该方法为

缩短装载机新机型的开发周期，降低开发成本，也为进行驾驶室设计和性能检验

提供了一种有效手段.

关键字：

人体测量学,驾驶室，人机工程学,数字人体模型

ABSTRACT

Nowadays，themodemvehicleespeciallythecaremphasisonthatmenisthecenter，andthedesigningofVehicleisthemaincontentandtargettoHeavy—dutycommercialvehicleisimportantpartinautomobileproductcatalog，andplaysanimportantroleinournationaleconomicalconstructionandsocialdevelopment。

Inrecentyears,withrapiddevelopmentoftheChinesenationaleconomy，extensiveconstructionofhighway，anddevelopmentoflogisticsindustry，Heavy-dutytruckindustrydevelopsrapidlyinChina。

Althoughdomesticcommercialvehicleenterpriseshavetheabilitiesofself—R&Dandscienceandtechnologyinnovation,butdomesticcommercialvehicleenterpriseslagbehindoverseaautomobilecompaniesinergonomicdesign.FromthePointofviewofvehicledesign，themostdirectwaytoimprovetheactivesafetyofvehicleandWorkingenvironmentofdrivers’safetyandhealth,istodesignthecabscientificallybyusingtheergonomictheories.

Basedonnational’863'high-techdevelopmentProject”AdvancedTechnologyof

IntegrationanddevelopmentforHeavy—dutyTruck"（No.2206AAll0105），TheprofoundandsystematicresearchworksarecarriedoutinthisdissertationfocusingmainlyonthekeytechniquesofHeavy-dutycommercialvehiclecabergonomicdesignandevaluationmethod.Themajorresearchcontentsarefinishedasfollows:

Asummationisconductedfortheergonomicdesigncontents，ProcessesandStatisticalmethodofcommercialvehiclecab.AergonomicdesignmethodforHeavy—dutytruckisestablished。

Inthisdissertation，keytechniquesofmodelingofdigitalhumanusedfor

Heavy-dutycommercialvehicleergonomicdesignandanalysisarestudied，includinganthropometryParametersdescription，kinematicsanddynamicsmodeling,directandreversekinematicsforlimbsdrivingandPosturecalculation,geometricmodelingandvisualization，Performancemodeling，etc.A3Ddigitalhumanmodelisbuiltup。

Byintegratingthesefunctions，togetherwithvehiclemodelingandergonomicanalysisfeatures,aHeavy—dutycommercialvehicleergonomicdesignandevaluationsystemSHOVED（SystemforHeavy—dutyCommercialVehicleErgonomicDesign）isdeveloped.

ByusingSHOVED，cabconceptcanbeconstructedbasedonthecabparametersinputted，testsamplesoftargetpopulationforergonomicanalysiscanbegenerated，comfortofupperandlowerextremitiescanbeevaluatedconsideringsteering，shiftandpedaloperations，frontandbackvisionfield,A—Pillardeadground,dashboardvisionfieldandmeanobservationdistance，windshieldsweeparea,andconvenienceforup—anddowntruckcanbeanalyzedandevaluated.ResultsshowthatergonomicPerformanceoftargetvehiclesatisfieddomesticandSAEstandardrequirements.Afewsuggestionsareproposedforimprovingergonomicperformanceofthecabfurther.

Inthisstudy,loadercabWastakenasaspecialandcomplexmanmachine．By

theaidofthetheoryofman·machineengineeringandcomputerizedsimulationtheCADmethodofloadercabWasrealized．Withthenewdesignmethod。

Thedevelopmentcycleandcostweredecreased．Anditprovidesaneffectivewayforloadercabdesignandperformancetests．

Keywords：

AnthropometryHeavy-dutyCommercialVehicleCab

第一部分前言

1.1论文研究背景

商用车发展的潮流是行驶安全性越来越好，技术含量越来越高,驾驶越来越舒适和人性化。

在人们生活水平大幅提高的我国，随着汽车工业技术水平的不断提升和消费者的不断成熟,会对商用车的舒适性和安全性有着越来越高的要求，使得进一步研究和改善商用车的人机性能十分必要。

在驾驶室布置设计中，人机工程学的研究及应用是提高舒适性、安全性最直接的措施,特别是对驾驶和乘坐环境的改进尤为显著。

良好的人机工程设计会充分考虑操作者的生理、心理等因素与人一车一环境系统的状态,是实现汽车人性化设计的重要方面.人机工程布置还会影响整车内外造型的尺寸,进一步影响整车的总体性能和市场竞争力。

从某种意义上讲,人机工程设计的好坏直接决定了汽车设计水平的高低。

近几年，汽车安全性也成为人机工程学研究热点之一。

国外汽车工业重视“以

人为本”的同时，加大了汽车安全驾驶的研究力度,强调通过合理设计和车身结构的改进来减少汽车碰撞损失和加强行人保护

（1）.目前仍然有许多问题要借助人机工程学手段做传统的汽车设计过程是从概念设计到初步设计、详细设计和分析反复进行的过程,其中概念设计和初步设计中都包含了车身布置设计的内容，它是进行造型和详细设计的基础.随着并行工程、计算机集成制造系统技术和计算机技术在汽车设计中的不断应用和发展，现代汽车设计流程已将造型设计、布置设计、结构分析等内容同步进行。

但为减少协调的时间和保证设计效率，在设计初期就以布置设计的要求为依据下达造型等工作的任务书，并不断在布置和其它设计内容之间进行协调,最后完成设计。

因此，布置设计是概念设计过程中很重要的内容进一步研究解决。

1.2人体模型

驾驶室设计需要利用人体模型来尽可能的模拟现实中的人，从而缩短与人体

有关的零部件的设计与评价周期.以人体参数为基础建立的人体模型是描述人体

形态特征和力学特征的有效工具，是研究、分析、评价、试验人机系统不可缺少

的重要辅助手段。

科学、合理的建立人体模型是人机工程设计的基础。

对于像装

载机这样比较复杂的设计对象,应用人体模型是一种重要的辅助手段，它既可以

表现设计结果，也可以用来调整设计，以确定最终设计尺寸.

人体模型按构造方法可以分为物理仿真模型和数学仿真模型两类。

我们在

人机工程设计领域常用的人体模型有二维人体模板、三维人体模型、人体数学模

型和数字人体模型,最后一类人体模型以计算机技术为基础,能够与设计对象的

数字模型进行交互，使人机系统三维显示在设计师的面前.其特点是反映的信息

量大，便于解决相关的复杂计算，是产品的设计更加直观、快速和可靠。

人体模型在装载机驾驶室设计中作为一种辅助手段，它既可以表现设计结

果，也可以用来轻松调整设计方案，从而确定最终设计尺寸。

将人体模型引入到

通过CAD技术建造虚拟的三维作业空间模型中

（2）,可以对比、分析、评价作业空间

的多种设计方案.计算机中产生的三维图形可以使设计师更加方便、快捷的调整

人-机—环境之间的相互关系.通过多个设计方案的对比、分析、评价，最终能够优选出最合理的作业空间。

1.3商用车人机设计方法

人机工程设计通常始于概念设计初期。

此前，先要明确产品开发的目标；并通过对标分析,确定人机工程设计的基本概念、目标和约束条件（如:

驾驶室长、宽、高，座椅高度，前方地面盲区长度等）.此外,还要了解目标驾驶员群体特点（男女比例、地区、年龄特点等）和人体尺寸,作为人机工程设计的依据,商用货车具有底盘高，驾驶室为平头，驾驶室内部高度方向空间大、长度方向空间紧凑等特点。

此外，重型商用货车的驾驶员群体多数为男性。

对于全新开发车型，重型商用货车人机工程设计主要内容和流程.最终的布置结果必须满足如下要求：

（1）乘员坐姿符合乘员群体舒适乘坐要求；

（2）保证必须的空间，以保证驾驶员操作灵活准确,增强舒适性和安全性；

（3）操纵装置的布置位置和作用力大小符合人体操纵范围和操纵力特点；

（4）驾驶员视觉信息系统适合人眼视觉特性和驾驶员视野要求,且能及时获得

正确的驾驶信息。

从总体上讲，汽车人机工程学设计分为初步设计和后期校核两个阶段。

初步设计的任务是建立乘员和室内主要部件的布置方案。

传统的人机工程初步设计或者对于全新开发所进行的初步设计,参考的资料和数据相对较少，通常可以按照一定的设计流程来建立一个初步的设计方案。

由于设计内容是从驾驶员乘坐和驾驶环境设计参数定义开始,然后过渡到驾驶室、乃至整车的设计参数定义，因此，这种设计过程又称为从内到外的设计,从内到外的设计过程中，为了方便进行乘员布置、表达设计意图、进行视野校核、以及工程制图等，通常借助一些设计工具辅助完成。

初步设计是整个设计过程中至关重要的阶段。

初步设计的结果为后续的详细设计确定了基本的基调。

本节对重型商用车驾驶室人机工程学初步设计方法进行了研究总结，并应用于本公司的某款车型的开发中，取得了良好的效果（3）。

装载机驾驶座椅主要参数的人机工程要求。

1。

4驾驶座椅主要参数的人机工程要求

驾驶座椅属于工作用座椅,通过以往的设计经验和相关实验，对工作用座椅的主要参数有相应的人机工程设计要求,见表1-1。

表1-1座椅主要设计部位及设计要求

1。

5人机工程设计原则

人机系统中，操纵装置是将人的信息输送给机器，用以调整、改变机器状态的装置。

操纵装置将操作者的信号转换成机器的输入信号，是人机信息交互的重要组成部分，其设计是否合理，直接关系到整个人机系统能否正常安全运转。

遵循人机工程设计原则，这就要求保证操纵装置的操纵有效性，同时要考虑到以下几个方面:

（1）操纵器的形状适应人的生理特点；

（2）操纵器的形状便于触觉对他进行识别；（3）尺寸应符合人体尺度的需要。

根据人与物接触部位不同，操纵器可以分为手控操纵器和脚控操纵器，这两种操纵装置在装载机驾驶室中都存在。

装载机工况和作业要求复杂，因此其操纵装置除了常规的踏板和操纵杆，还有不同于普通车辆的动臂操纵杆和铲斗操纵杆，这就要求在操纵装置的人机工程设计中，要充分考虑驾驶员的生理特点，也要考虑操纵装置的使用功能和使用情况.而且装载机的操纵装置使用频繁,其在驾驶室内的布置及操作顺序要符合人的生理、心理特点和运动习惯。

第二部分工作原理

2。

1汽车人机工程设计

国外对汽车人机工程学的研究起始于上世纪五十年代，主要集中在北美地区,

尤其是推出了很多标准，有的已被国际标准组织所采用，如:

三维H点装置、

眼椭圆等。

这些研究为科学地从事汽车人机工程设计奠定了良好的理论基础和方法条件。

在国内，温吾凡、刘金秋等人都曾对人机工程学应用于汽车驾驶室设计中的关键问题进行过研究。

葛如海专门研究了重型商用牵引车驾驶室设计的人机工程问题。

经过对人机工程学在汽车内部布置方面应用和相关国内外标准进行消化吸收的基础上,一些人研究如何将领域知识凝练到软件中，以快速地完成人机工程设计和分析.例如：

宋宝玉、李维斗等人研究开发了驾驶室人机工程设计软件。

在人机设计方案评价方面,许多企业和高校也在不断研究。

有的研究了一种主观评价内部布置的方法，选择一定数量的有经验的驾驶员,根据驾驶经验、舒适性感受等主观判断,对驾驶室各部分进行主观打分，从而实现主观评价.有的系统研究了汽车驾驶室设计的人机界面评价过程,包括从厂商的项目提出到最终的综合人机评价等个步骤，研究了汽车坐姿不舒适性主观评价方法，并研究了通过易读性、量表信度和表面效度的显著性水平来简化问卷指标的方法。

2.2踏板布置

加速踏板的安装位置和驾驶员座椅高度决定了驾驶员的基本乘坐姿态，对驾

驶员坐姿舒适性和各项功能操作具有重要影响（4）。

此外，加速踏板位置还决定了驾驶室其它部件（其它踏板、转向盘等）的布置位置，是车内布置的重要参考元

素。

加速踏板布置分析主要关注以下问题:

（1）踏板中心高度。

会影响驾驶员踩关节舒适性。

由于加速踏板踩踏频繁,其布置必须考虑长时间操作的舒适性。

加速踏板未踩下时，应保证跺关节角度A46不小于870,踩到底后A46不大于105“,以保证驾驶员踩关节舒适;

（2）踏板表面倾斜角度要合适，否则会影响踏板表面和脚底面的贴合;

（3）要保证驾驶员脚底施力位置始终处于踏板中心附近；

（4）踏板转动中心位置要合适。

不合适的转动中心位置，不能保证在踩踏行程范围内脚底施力点位置始终位于踏板中心附近,或者踏板表面与脚底面的贴合;

（5）制动和离合踏板的位置可参照加速踏板位置进行布置.为保证紧急制动时，驾驶员不会误踩到加速踏板，通常制动和加速踏板表面错开一定距离;

（6）确定所有踏板高度和前后位置之后，还要确定侧向的位置和间距，包括离

合踏板与驾驶员中心线、制动踏板与驾驶员中心线、以及制动踏板与加速踏板之间的间隙。

根据上述原则，可以对踏板的布置方案进行分析和评价,乃至给出合理的布置

建议。

踏板布置相关尺寸参见图2-1。

图2—1SAE定义的踏板布置尺寸

2。

3H点方案设计

2.3。

1人体设计样板法

人体设计样板法是采SAEJ826中定义的H点二维人体设计样板［58]来布置定位

H点位置,如图2—2所示.

图2—2H点二维人体模板

在踏板位置方案确定之后,将第95百分位的男子人体模板按要求摆放在驾驶室内。

将其加速踏板踵点AHP与踏板附近指定的地面上的一点重合，整个脚掌绕AHP旋转至脚掌与踏板面贴合；调节背部角到要求的角度然后锁定，从而定位躯干；再调整模板小腿和大腿的角度，则这时的设计H点为最后H点。

按同样步

骤将第5百分位的女子人体模板摆放在驾驶室，所得到的设计H点为最一前H点.根据第5百分位女子和第95百分位男子H点来确定H点的上下、前后调节行程。

这种确定H点的方法简单可行,在内部正向设计初期是一种很重要的方法。

但是人体模板虽然是用统计意义上的人体数据所创建的，但是并不具有实际代表意义，因为它只是两个人体模板，只是两个个体，并且这种统计意义上的人体模板在现实生活中是很少会存在的。

所以利用这种人体模板设计出来的H点适应度是不够的。

虽然应用的是95百分位的男性人体模板和5百分位的女性人体模板,但是实际上设计出的H点并不一定能够保证良好的适应性。

2。

3.2SAE适意H点位置曲线法（5）

1985年，SAE推出了SAEJ1517标准，用来辅助进行驾驶员H点布置.SAEJ1517中推荐了不同百分位的一组适意驾驶位置时H点的位置线哗］,其中每一条曲线都表征了H点位置与定位参考点之间的水平XH和垂直方向ZH的位置关系。

对于B类车,zH与xH呈线性关系,参见表2-1。

图2-3给出了B类车的一SAE适意H点位置线.给定不同百分位的H点高度就能够得到最后、最前以及其它百分位的设计H点，座椅的行程和升程可根据最后和最前H点来确定.

表2-1SAEJ1517中推荐不同百分位的一组适意驾驶位置的H点位置线

图2—3B类车SAE适意H点位置曲线

SAE适意线是根据早先的美国人体数据,经统计分析之后得出的,对于不同

时代、不同国家的人体统计数据不一定适用.计算对应某一百分位的H点时只能得到一个点,灵活性较差.同时,SAE适意线法没有将目标驾驶员群体的统计特

性,尤其是国别、身材、男女比例、百分位等作为参数,因此,不能针对任意给的驾驶员目标人群都适用.SAE适意线比较适合于在从内到外的车身布置方法中使用。

因此，很多人也研究了其它的H点布置方法。

2。

3。

3面向指定驾驶员群体的H点布置方法

驾驶员座椅的布置通过确定不同身材驾驶员乘坐位置（H点位置）来实现,这

些H点分布呈现一个范围.对于重型商用货车,用一个矩形表示驾驶员群体中一

定比例个体H点位置的分布范围，称为H点调节窗口160］，其位置和尺寸反映了设计方案对于目标群体的适应程度，通常要求适合90%的驾驶员；此外，在保证驾

驶员下肢舒适的前提下，将座椅位置布置得适当靠前一些,以保证良好的驾驶员

前方下视野.H点的布置是驾驶室内其它布置设计的基础，并且关系舒适、安全

等多方面性能,因此,在最基本的驾驶员乘坐方案中,必须科学、准确地设计H点调节窗口。

已知条件为地板和加速踏板参考点PRP位置，参见图2-4。

在布置坐标系尤02下,某一个体驾驶员的H点位置坐标，驾驶员上半身越倾向直立。

硬点尺寸H30为座椅高度，是乘坐参考点到加速踏板踩点的垂直距离，反映了群体命分布的状况。

对于带有高度方向调节功能的座椅，应位于H点调节窗口的右边界中点处.设计中通常根据对标分析或设计目标给出刀30,再据此确定H点在水平和垂直方向的分布范围，即硬点尺寸TL23、升217和L53.上述硬点尺寸和术语的定义参见文献,这里的刀30、L53指的是汽车设计参数。

图2-4重型商用车H点布置

商用车主要考虑男子群体。

根据我国成年男子身高、坐高的均值和标准

差，计算覆盖群体范围90%的群体身高Hs和坐高从的分布边界，见图2-5；在边

界上生成分布均匀的8个样本点，其人体尺寸参见表2-1。

在布置坐标系口刃Z中，大腿长度L3、小腿长度L4、以及跺关节到踩点的距离Lg有关.通过分析得知，与乘坐位置有关的变量L3、L4和Lg的分布只存在一个很显著的主成份,可根据它的单调性来设计H点调节窗口.鉴于下肢长度的单调性与该主成份是一致的,有理由选取样本点中下肢长度最长和最短的两个作为设计样本。

通过对比可知,下肢最长的样本点是P5，最短的样本点是P6.

图2-5覆盖群体分布的样本点

表2—2样本人体尺寸

根据已知条件（PRP、地板和万30），以及商用车驾驶员肢体活动范围,计算H

点分布范围，计算公式如下2—1:

分别计算两个样本点的H点分布区域,如图2—6所示。

图2—6H点调节窗口

在图中画出了不同舒适程度的区域，以