重卡驾驶室设计人机工程学.docx
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重卡驾驶室设计人机工程学
1.设计任务书.............................................3
1.1需求分析...........................................3
1.2设计目的...........................................3
1.3设计要求...........................................3
2.设计思路..............................................4
2.1座椅舒适性.........................................4
2.2显示装置布置合理性.................................5
2.3操纵装置可操作性...................................5
2.4操纵空间布局合理性.................................6
2.5驾驶室安全设计.....................................6
3.座椅的设计............................................7
3.1座椅设计依据.......................................7
3.2座椅的设计.........................................7
4.显示装置的设计........................................11
4.1设计要求..........................................12
4.2仪表盘设计特点....................................13
4.3仪表盘设计........................................13
5.操纵装置的设计........................................16
5.1脚踏板的布置设计..................................16
5.2换挡装置的设计....................................17
5.3方向盘的设计......................................18
6.驾驶室空间的设计.....................................20
6.1坐姿作业范围......................................20
6.2手的水平平面作业范围..............................21
6.3脚垂直平面内的作业范围............................21
7.驾驶室安全性设计.....................................22
7.1安全带............................................22
7.2安全气囊..........................................23
7.3头枕..............................................23
7.4安全玻璃..........................................23
7.5门锁与门铰链......................................24
7.6室内其它构件......................................25
7.7出入阶梯设计......................................25
8.参考资料.............................................26
1.设计任务书
1.1需求分析
随着社会生活的不断进步，卡车行业不断发展。
重型卡车多用于长途运输，物流市场的快速发展使得重型卡车的需求量越来越大。
同时，人们对重型卡车驾驶室的舒适性，安全性的要求也不断提高。
因此，伴随着科学技术的发展，也为进一步保护乘客的生命安全，为驾驶员提供合理舒适的驾驶空间已经成为汽车行业的热门话题。
人们希望在驾驶室的设计，加工上更符合人机工程学原理。
1.2设计目的
利用学到的人机工程学的知识，根据驾驶员的身体特征和人体基本驾驶习惯，对重型卡车的驾驶室中的座椅、仪表盘面板、控制部件以及空间布局做出合理的设计，保证驾驶员在驾驶过程中能更加敏捷、舒适地对车辆进行操控。
完成市重型卡车的驾驶室中的座椅、仪表盘面板、控制部件以及空间布局设计，保证驾驶员在驾驶过程中的舒适感和便利性，从而进一步降低在日益拥挤的交通中的事故发生率，保证广大驾驶员的生命安全。
1.3设计要求
1.3.1座椅要求
（1）各部贴合感：
要求座椅靠背和坐垫的形状与人体背部、臀部及大腿底面的形状相贴合。
贴合感强的座椅将有利于改进接触面积和部位。
（2）横向稳定性：
汽车转弯时，人体承受横向加速度，为了提高乘员的身体保持性，要求座椅的侧面稍加高，以便两跨和大腿部能轻轻支承身体。
（3）背部和腰部的合理支承：
汽车座椅设计时应提供形状和位置适宜的两点支承，第一支承位于人体第5—6胸椎之间的高度上，作为肩靠能减轻颈曲变形；第二支承设置在腰曲部位，作为腰靠，能保证乘坐姿势下近似于正常的腰曲弧线。
（4）各部合适的软硬感：
座椅最重要的作用是支撑乘员的身体，不能只是一把安乐椅，表面硬一些的座椅不易使人疲劳，但与身体不是特别贴合的硬座椅会压迫身体的某一部分，使疲劳感倍增。
（5）振动舒适性：
需要设计好座椅的静态刚度、共振频率及衰减特性。
1.3.2控制部件、面板、空间的设计要求
（1）座椅、室内空间设计要满足人体的舒适性设计数.
（2）方向盘、控台、扶手、脚踏板等要满足操作性设计参数以及安全性设计参数。
（3）空间布置要满足注意国家道路交通法规规定和汽车设计规范，特别是满足视野的需要。
2.设计思路
2.1座椅舒适性
在其具体设计方面要求座椅各个部分的位置是可以调节的,同时应当有不同密度的适宜座垫和靠背垫来支持身体的敏感部位。
在满足工作需要的同时,又能满足休息要求。
座椅必须有额外的空间,以便驾驶员改变在座椅上的角度或位置,以便使他的肌肉暂时放松。
2.2显示装置的设计
为了使得驾驶员注意力集中,操作方便、快捷、准确,仪表板及其周围的控制按钮、手柄及开关的位置、空间分布以及仪表和指示、警告灯的辨认识别等都应符合人机工程学的基本要求,必须布置在驾驶员的手伸及界面以内。
这样驾驶员才能在不必大幅度改变正常驾驶姿态.的情况下方便的操纵这些钮件。
这是保证驾乘舒适和行驶安全不可缺少的条件。
2.3操纵装置可操作性
驻车制动手柄操作时的基本姿态。
因为制动手柄操作要求反应准确高效,启动时间必须短暂。
操纵方式与开关式操纵器基本相同,但布置的位置应远离普通的幵关式操纵器,避免紧急操纵时的误动作。
加减档操作杆操作时的基本姿态。
加减档是需要驾驶员反复操作的人机界面之一,他直接影响着车辆的行驶速度,对于行驶的安全性至关重要,在这个人机交互界面之中,要尽量避免操作杆和手心之间的接触面,使手在此界面上达到舒适状态。
能有效地避免误操作和手疲劳。
能很大程度上提高人的操作效率。
工作台按钮操作时的基本状态。
驾驶员在正常操作姿态下,人手对于按钮的可操作性应尽量分布于人手的可触及范围内的环形区域,可以有效增加驾驶员的操作效率。
同时操作按钮合理的人机分布,也能相应的减少误操作率,给驾驶员的操作带来更舒适、快捷和方便。
各种不同效果的按钮,如空调、收音机、点烟器、雨刮、车前大灯等等,应该根据其不同的需求以及不同的效果来选择各式不同的开关,这样才能更好的人性化设计,使得驾驶员在驾驶过程中更舒适、便捷。
离合器、加速踏板、脚制动操作时的基本形态。
脚踏板适用于动作简单、快速、需要的操纵力较大的调节。
能长时间保持在调节位置上,可用于两个或几个工位的调节和无级调节。
2.4操纵空间布局合理性
通常,对不同类型的元件,一般是按以下顺序布置:
主显示器一与主显示器相关的主操纵器一有协调性要求的操纵器与显示器一按顺序使用的元件一将使用频繁的元件置于方便观察、操纵的部位一按布局一致的原则协调本系统内及其他相关系统的布置方案之间的关系。
作业空间在布置时优先考虑对于实现系统目标最为重要的元件,即使其使用频率不高,也要将其中最重要的元件布置在离操作者最近或最方便的位置。
这样可以防止或渐少因误操作引起的意外事故或伤害。
经常使用的元件应按使用频率的大小划分优先级,重要的装置应置于驾驶员易见,易及的部位。
在驾驶作业中,应按功能的相关对仪表操纵器、显示器甚至机器进行适当的分区排列。
在设备的操作中,为完成某动作,应按顺序使用显示器与操纵器。
这时,元件应按使用顺序排列布置,以使作业方便、准确。
2.5驾驶室安全性设计
驾驶室安全性设计主要是安全装置的设计，包括安全带、安全气囊、安全玻璃、以及出入安全性设计等，根据我国的成年人人体尺寸,上下车梯的最低一级踏板的离地高度不宜超过550mm,最高一级踏板与门滥的垂直距离不宜超过300mm,相邻两踏板间的垂直距离不宜超过300mm,车梯各踏板的内侧宽度不宜小于250mm。
3.座椅的设计
3.1座椅设计依据
3.1.1坐姿生理学
（1）脊柱结构
（2）腰曲弧线
（3）腰椎后突与前突
3.1.2坐姿生物力学
（1）肌肉活动度
（2）体压分布
（3）股骨受力分析
（4）椎间盘受力分析
综合起来，从坐姿生理学角度，应保证腰弧曲线正常；从坐姿生物力学角度，应保证肢体免受异常力作用。
3.1.3坐姿人体测量尺寸
坐姿人体测量尺寸是座椅静态尺寸设计的主要依据，设计时应尽量避免扶手过宽和坐面过高，过深等，从而减少驾驶员的疲劳与不适感。
3.2座椅的设计
3.2.1座椅设计要点
（1）座椅的结构形式应可能与坐姿工作的各种操作活动要求相适应。
（2）座椅的座高与腰靠高必须是可调节的。
（3）座椅可调节部分的结构构造，必须易于调节，必须保证在椅子使用过程中不会改变已调节好的位置并不得松动。
（4）座椅各零件的外露部分不得有易伤人的尖角锐边。
（5）无论驾驶员坐在座椅的前部，中部或向后靠，座椅坐面与腰靠均应使其感到安全，舒适。
（6）座椅腰靠结构应有一定的弹性与足够的刚度。
（7）座椅一般不设扶手。
（8）座椅的结构材料与装饰材料应耐用，无毒，阻燃。
3.2.2座椅结构形式
主要构件有：
坐面，腰靠，支架。
扶手依据情况而定。
3.2.3座椅主要参数
（1）座高．座高指地面至座面上坐骨支承处的高度．座椅高度应该使驾驶员大腿接近水平，小腿自然放置．如果座面过高，就会导致小腿悬空，使大腿肌肉受椅面前缘压迫，腿部血液循环受阻，小腿麻木肿胀；座面过低会增加背部肌肉负荷．所以座高的设计先要考虑较小身材的操作者。
（2）座宽．座宽应满足臀部就坐所需的尺度，使人能自如地调整坐姿，座宽取值时应适当大于臀宽．通常以大身材女性的臀宽尺寸上限为设计依据，以满足能容纳身材粗壮者的需要．由于驾驶室空间的限制，座宽尺寸不能太大，以免影响变速操纵杆、停车制动杆等的尺寸和操作。
（3）座深．座深是指椅面的前后距离．正确的设计应使臀部、腰部都得到支持，座面前缘与小腿间应留有适当的距离，保证小腿可自由活动．座深不宜太大，防止矮小身材的人坐上之后，座面前缘压迫膝窝处的压力敏感部位，迫使人前移，背部得不到靠背支持，产生极度不适．如果要得到靠背的支持，则必须改变腰部正常曲线，也会产生不舒适．为了满足大多数人的需求，座深应按较小百分位的群体设计．这样，身材矮小的人能够坐着舒适，身体高大的人也只要小腿能得到稳定的支持，就不会在大腿部位引起压力疲劳。
（4）座面倾角．座面倾角是座面与水平面夹角．座面后倾可以起到2个作用：
一是由于人体重力作用，使坐者躯干后移，使背部抵靠靠背，以获得支持，从而使背肌得到放松，降低背部静压；二是防止坐者从座面前缘滑出座面，这对在常处于颠簸环境中的驾驶员尤为重要。
但如果座面过分后倾，在进行驾驶操作时，脊椎因身体前屈而会被拉直，破坏正常的腰椎曲线，形成一种费力的姿势，同时还会压迫腹部，长期驾驶会造成生理上的伤害．因此倾角不能太大，一般为
。
（5）靠背的高度．靠背的功用是保持脊柱具有一种轻松的姿势．由于每个人的脊柱长度不同，身材也不完全相同，每个人的脊柱曲度变化存在着一定的差异，使靠背高度与其形状之间出现了复杂的关系．靠背按其高度不同可分为低靠背、中靠背、高靠背及全靠背4类．低靠背为一点支承，只支承腰部；中靠背也是一点支承，支承在胸椎；高靠背为两点支承，靠背下部支承于腰椎、上部支承于肩脚骨上；全靠背为三点支承，除支承于腰椎及肩胛骨之外还设有头枕．靠背的尺寸主要与腰部、肩部、头部的高度（决定靠背高）和宽度（决定靠背宽）有关，确定高度时还应计入座椅的有效厚度。
（6）靠背倾角．靠背倾角指坐面与靠背的夹角．从保持正常自然形态的脊柱、增加舒适感角度看，靠背倾角取
：
左右较为合适。
以下是个人参数设计：
在进行分析之前，了解坐姿的人体尺寸是非常重要的．坐姿人体尺寸包括ll项，如图5所示，表1列出了我国成年人的人体坐姿尺寸。
1）座高．小腿与大腿间的舒适夹角应为110°～120°，以120°为优，如图6。
根据图5、可知AB代表坐深。
为小腿加足高加上鞋高修正量30mm。
根据个人的尺寸得出AB=490mm，BC=430+30=460mm．根据公式：
AC²=AB²+BC²—2AB·BCcosl20°，即AC²=490²+460²—2×490×460×-0.5=677100mm²；所以AC=823mm．示例驾驶室中DC为800mm，根据勾股定理：
AD²=AC²一CD²，即AD=210mm．求得AD就是个人实际合适的座椅高度。
2）坐宽.坐姿臀宽365mm再加上着装功能修正量13mm，座椅的座宽应为400mm为宜。
3）座深．根据自己坐深486mm，再加上着装修正量13mm，座深应为520mm左右．
4）座面倾角．汽车驾驶座椅座面倾角一般为7°~12°，为了避免驾驶员因颠簸而滑出座椅，所以用大倾角12°。
5）靠背高度．腰靠距座面的高度取165～210mm，腰靠圆弧半径取为400～700mm，推荐值为550mm．所以靠背高度取730mm．
6）靠背倾角．查询GB/T14774—93《工作座椅一般人类工效学要求》可知靠背倾角取95°～105°。
4.显示装置的设计
4.1设计要求
4.1.1仪表盘可辨识性
驾驶员观察仪表的动作是在一瞬间完成的。
因此必须保证将全部仪表设在不被方向盘和各种组合开关挡住的位置。
布局时可以使用SAE的视界模型来决定仪表盘的位置，由此得出方向盘与仪表盘的位置关系。
通过仪表板平面中心点和驾驶员眼椭圆中心的连线与仪表板平面的夹角称之为驾驶员观察仪表的视角，应尽量接近90度。
同时，尽可能让驾驶员的视线处于最佳下视角30度以内。
澳大利亚在辨认性方面已经制订了相应的法规（ADRB）美国Henrydreyfus推荐的目视距离最大视距为711mm，最佳视距为500mm，英国莫雷尔推荐的视距计算公式D=（1.2-1.5）LD-最佳读取距离L-仪表板外扩长度设计目视距可根据情况合理选择。
另外，仪表盘位置和仪表罩的高度不的越过下视角边界线。
除了上述因素，还要考虑到仪表本身的外形吃廓，字体的大小表盘的颜色，这些因素如果考虑不当，也会影响驾驶员观察仪表的准确性。
4.1.2仪表盘表面防炫目性
仪表玻璃和仪表罩都会反射射入车内的光线，反射的管线再射入驾驶员眼中，造成了驾驶员炫目现象，令驾驶员感觉不适，甚至导致交通事故影响整车的安全性。
所以，在设计仪表盘的位置时，要充分考虑这一点。
测量出光线可能的入射角的射出角，避免反射线与眼睛椭圆相交。
仪表罩会映出车内外景物，驾驶员的头影等，影响驾驶员观察仪表，要在仪表上设计避光罩。
仪表板面的金属镀层，例如镀铬件也会强烈的反射光线，造成炫目现象，所以要慎重考虑进行防炫目处理。
4.1.3按钮开关操作方便性
仪表板布置的各种开关按钮，应方便驾驶员在行车过程中安全操作，驾驶员手动范围是一个球形空间，其几何中心点为“人机工程学操作范围中心”，简称“EO”点，取订座椅位置分别为240cm，300cm，360cm驾驶员按式，握式，横向捏式，捏式四种方式操作测定杆，求出所能达到的位置，即测出EO点，求出HZ-EOX，EOX-EOZ的关系。
各种开关按钮的位置，应安排在驾驶员手动范围之内，而且安排在驾驶员随手可及的位置。
日本的保安基准十条规定，各种开关的位置在距方向盘的中心的左右500cm以内；功能不同的开关应以方向盘为中心，左右分开布置，以避免误操作。
4.1.4使用安全性
使用软化的仪表板结构，可以在撞车时吸收一部分能量，仪表板及其部件边角需要做成圆角，仪表板的总成材料应尽可能的使用难燃材料。
另外，在紧急境况下，方便了驾驶员能及时跳出车外，仪表板最下端与车厢地面应留有足够的距离，一般在350cm左右。
4.2仪表盘设计特点
仪表盘的设计需要符合人机工程学的相关理论和要求，针对本文的选材和布置，以操作者方便、灵敏为中心，总结如下仪表盘设计特点：
（1）采用液晶显示器虚拟仪表代替传统的机械或电气机械式的模拟指针式仪表，采用软件编程的方式代替传统的硬件。
这样将会有更好的实时性、精度和灵敏度高、读书直观等优点；
（2）可采用视频切换技术在液晶显示器上切换不同的内容，使系统共享娱乐系统、导航系统所用的显示器，从而提高液晶显示器的利用率、降低产品成本；
（3）导航系统整合在方向盘上，使用时安全性大大提高，方便舒适；
（4）仪表采用墨绿色背景和白色刻度线，且仪表盘形状根据人机工程学的原理选用圆形，以减少误读率；
（5）仪表盘现代感十足，既时尚又实用，符合大多数人审美观念。
4.3仪表盘设计
图1部分重卡的仪表盘布置示意图
对比其他重卡的仪表盘设计和布置，如图1所示，未开启GPRS时，采用较传统的布局设计，包括转速表、速度表、水温、油表等仪表。
开启GPRS或车载电视等娱乐设备，使用视频切换技术，中间为地图，右方为转速表，均有准确数字数值。
仪表背景采用墨绿色背景和白色刻度线，能实现提供多种数据供驾驶员分析使用，亮度、仪表显示内容均可调。
图2仪表盘局部设计手绘简图
发动机中，转速表与时速表是最重要的显示仪器，仪表盘发动机的转速表与时速表有两种模式，可以满足不同习惯人的要求，这也是我们本次设计的特色。
图3复杂仪表盘对比图
另外，仪表盘设计应该简洁，不能所有显示都表现在仪表盘上，对于上图的仪表盘设计，本文认为非常不合理，给人一种杂乱的感觉，在行驶时看显示不易区分，误读率比较大，操作不方便，很容易造成交通事故。
对于重卡来说，速度概念非常重要，我们会发现司机有很多时候都会去盯着速度表，因此我们把速度表放在仪表盘上，便于司机观察，不会造成其分神。
图4仪表盘设计对比图
此外，对比下图我们可以发现，a图仪表刻度线只有一种类型，而且指针也头部太大，表盘刻度分布太密集，数字刻度处界限不明显，数字的放置也不符合人们的读数习惯，因此误读率高，操作麻烦。
对比发现，我们采用b图的仪表盘，有三种刻度类型，刻度之间容易区分，很清晰，指针头部尖、尾部平，中间等宽，便于读数，数字清晰明了、易于读取，这样设计大大降低了仪表数值的误读率，符合驾驶员的驾驶习惯。
5.操纵装置的设计
5.1脚踏板的布置设计
脚踏板的设计还是遵循大部分的车辆布置形式，按从左到右的顺序布置离合器踏板、制动踏板与加速踏板,设计基准是以座椅R点Y平面为中心,高度从左到右依次降低。
根据第5百分位和95百分位之间的人员的身体尺寸进行设计，按照图5中的布置形式和表2中的脚踏板设计参数参考进行优化设计，设计出易于操控的、适于一定空间的脚踏板布置设计。
图5踏板界面布置简图
图6踏板界面局部分析简图
表2踏板设计参考值范围（单位:
mm）
参考项目
参考数值
最大/小值
离合器踏板和车身内护板间距
140
最小值
离合器踏板侧向间距
100～170
最小值
制动踏板和离合器踏板间距
55
最小值
制动踏板侧向间距
100～170
——
加速踏板和制动踏板间距
50
最小值
加速踏板侧向间距
100～170
——
离合器踏板与制动踏板中心间距
110～320
——
离合器踏板中心距R点Y平面
180
最大值
制动踏板中心距R点Y平面
180
最大值
离合器踏板与制动踏板高度差
20
最大值
制动踏板与加速踏板高度差
25～60
——
5.2换挡装置的设计
图7当下各重卡手动换挡装置设计
由图7可知，现在的重卡一般都采用换挡杆换挡，设计在驾驶员的右侧，一般都存在刹车重、离合重、方向重的问题，出于对驾驶员的操纵省力、方便、换挡便捷的想法，我们决定采用手自一体变速箱，并配备转向助力装置。
取消换挡杆，取而代之的是在驾驶室左侧的一排按键，如果想使手动挡，可以通过这排按键实现加减挡。
图8当下各重卡取消换挡杆换挡装置图
对比图8可知，也有部分轻卡开始取消手动换挡杆的使用，右侧已经没有了这样的设置，采用自动换挡或者手自一体式换挡装置，这种方式已经被运用在各种车上。
此外，在采用自动挡时也省去了不停踩离合换挡的麻烦，而在驾驶员想采用手动挡时，也没有了换挡杆的费力，直接按按键就可以了，配备的转向助力装置也会使驾驶员操纵更轻松。
但是在设计时也保留手动挡换挡以免按键换挡出现故障时换挡困难，以免发生不必要的问题。
5.3方向盘的设计
5.3.1设计要求
方向盘是驾驶员和汽车之间最重要的连接点。
除了其最基本的车辆控制的功能外，它也在车辆安全系统中扮演了重要的角色。
下面罗列了几点一个现代方向盘需要满足的基本条件：
（1）撞击时能对驾驶员胸部和脑部影响区提供很好的能量管理；
（2）负载下很好的抗弯刚度和抗疲劳性；
（3）好的振动特性（高固有频率），防止汽车在向前或空转时发生过度振动；
（4）高级惯性矩，以使方向盘运动尽可能安静和平稳；
（5）应对极端冷热影响的热稳定性；
（6）所有部件的耐磨性和耐持久性；
（7）即使额外的组件安装到密闭空间内，仍不产生额外重量；
（8）优化驾驶员界面功能。
5.3.2方案设计
据调查显示，大多数重卡的方向盘上仅仅只有喇叭控制按键和转向灯拨手，其他的功能都需要驾驶员的手离开方向盘进行操作，在某种程度上来说影响驾驶的安全性和操作的灵敏度。
对此，本文设计的方案是在方向盘的上半部分设置了几个按钮，可操作雨刷及车灯等常规装置，此外，还在方向盘的里侧配备了两个选项旋钮。
在方向盘表面设有功能选择按钮，此外左右还配有两个确定按钮。
该控制的特点是，通过在方向盘上集成具有不同功能的按钮，可防止进行各种操作时影响驾驶，此外通过配合使用选项旋钮减少了开关的数量。
而且，还根据用户要求定制按开关时的功能。
一般方向盘有灰色，白色，黑色，我们选择黑色，因为黑色是大众颜色，耐看，而且不易产生疲劳感。
图9方向盘动静尺寸图
对于方向盘，最佳的距离是当操作者背部紧靠座椅，当胳
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