摩托车的人机工程学设计.docx
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摩托车的人机工程学设计
人体工程学与摩托车造型设计标准
<序>
人体工程学是第二次世界大战后发展起来的一门新兴学科。
它以人-机-环境关系为对象，以实测,统计,分析为基本研究方法,目的是解决工程技术设计如何与人的各种要求相适应,从而使人机系统工作效能达到最高。
具体到产品上来,就是在产品的设计和制造方面完全按照人体的生理解剖功能量身定做,更加有益于人体的身心健康。
因此它也叫“功效学”，“工程心理学”等。
从理论上讲，人体工程学是研究人和机械相互关系的规律，从适合人的角度提供相应的资料和要求。
它研究的基本问题是：
（1）分析人机系统中人与机械的联系方式，解决人和机械之间的功能分配问题。
（2）研究人体结构及其运动、调节机理、运动输出特点，建立起人机协调的操纵方式。
（3）研究人与环境，机中被控对象的“信息”输入，加工和决策过程，从而找出最佳的输入、加工和控制方式。
人体工程学是随着工业化进程而发展的。
在人类的生产发展过程中，经过工艺设计到机械化设计的工业技术与设计过程。
可以说人体工程学是工业设计中必不可少的一个环节，并且相互促进发展。
而工业设计产生的条件是批量生的现代化大工业和激烈的市场竞争，其对象是工业化方法批量生产的产品。
通过形形色色的工业产品，对现代社会的人类生活产生巨大影响，并构成一种广泛的物质文化，提高人民的生活水平。
第一章产品设计流程
在我们深入了解人体工程学之前，应该首先知道产品设计开发过程中的产品概念和设计概念，因为它将指引我们的工作，并能清楚的告诉我们人体工程学在其中应用的方方面面。
（一）产品设计
1、企划：
对新产品的用途、性能、功能、形状等未知情况，以及生产方式、产量、流通途径等，做出决定。
2、概念：
就是对新品的用途、性能、功能、形状等情况，提出一个具体的想法。
这个概念主要是针对市场的需要，根据企业所处的环境（包括市场动向）等，将其产品明确化，成为产品开发的方针。
3、产品构思及其开发定位：
进入具体的勾画产品形象的阶段，将以上质料进一步分析，讨论进行构思和判断，然后范围的集中，进行产品定位。
它包括：
●产品构想
它应该有什么样的感觉；
它应该有什么样的特点；
它应该有什么样的作用；
它可以有什么样的变化；
它能够便于什么；
它是否使用方便；
它是否便于包装和运输。
●设计概念
根据产品概念和企划，确定产品定位，就要针对造型设计确定设计概念。
给予特定的产品使用对象或特定意义，将产品的外观、结构、色彩等具体化，同时应参考市场调查和产品概念定位过程。
在品牌上——品牌特征；
在外观风格上——形状、色彩和个性化、人体工程学；
在使用上——操作性、人体工程学；
与其它产品比较——独特性；
在使用环境上——场所、地区、人体工程学；
在材料上——种类、独特性、人体工程学；
在价格上——成本、销售；
其它方面——配置、标准。
通过以上的简单了解，我们不难发现，产品开发是以人为中心，在开发过程中完全体现了人体工程学的巨大作用。
由于此标准是针对摩托车的设计来编写的，所以从摩托车的角度来看人体工程学的主要功用在于通过对于生理和心理的正确认识，使摩托车各方面因素适应人类的使用需要，进而达到提高使用效率的目的。
在摩托车的造型设计中研究人体工程学是充分考虑摩托车是在人的操纵下，载人高速行驶这一工作特点，创造设计出一个良好的工作与服务的条件和环境，保证驾乘者能在最佳条件和环境内高效、可靠、方便的驾驶和舒适的乘坐。
同时，摩托车上与人直接相关的操纵、乘坐等零部件，如方向把、仪表、坐垫等也构成了摩托车相当部分的外形形体。
因此运用人体工程学是摩托车设计的重要内容。
其内容包括了：
研究驾乘时的人体结构、人体运动生理、感觉生理，使人-车系统达到最佳状况的参数，并结合其它要素设计出人车协调的优美形体。
第二章人体工程学与造型
第二节人体结构尺寸与造型设计
无论哪种类型的摩托车，其操纵装置应当设在人肢体最方便、最灵活的区域内，其操纵和乘坐装置的位置高低，形状大小应和人肢体相应部位的结构尺寸相适应。
对造型而言，这个尺寸是衡量产品形体设计适合人体需求程度的标准，而造型尺度则是整车和零部件的造型与标准之间的大小关系。
一、人体结构尺寸的测量统计
人与机械不同，机械的运动是有规律的，其大小是分系列的，而整个人群的活动一般是无规律的，各人体结构又是千差万别，因此，对人体结构尺寸只能采用数理统计的方法，从概率中寻求规律。
1.百分值
在人体测量统计中，将抽样实测的人体尺寸由小到大排列在数轴上，并将这一尺寸段分成一百份，那么每一份就称为百分位，而每份上的数值就称为百分位数。
例如，将若干抽样实测的成人女子身高数值由小到大排列在数轴上，并将其划分成一百等份若第50份位置上的数值是1586mm，则称第50百分位，数值为1586mm，记作P50=1586mm，P50也是人体尺寸参量的算术平均值，其意义是50%的人群适合，而另外50%的人群不适合。
在产品设计或标准订制时。
常按照如下规则使用百分位数：
（1）当生产的尺寸不仅适当，而且有损健康或容易造成危险时。
这类产品设计应采用P99、P1为上下限值，它表示98%的人群适合此值。
（2）一般的民用产品，常采用P95、P5为上下限值，它表示适合90%的人群。
（3）若只用一个规格且最大限度满足人群需要的产品，设计时采用P50。
（4）涉及约束或限制的产品，常采用P5为设计依据。
例如，一个启动机，其脚蹬起动力按P5中的蹬力150N来设计，则表示95%的人群都适用，只有5%的人群无力启动它。
（5）若只需要参照人体上限尺寸参量的产品，通常采用P95或P90作为设计依据。
例如，门的高度用身高的P95作设计参数，它表示只有5%的人群身高太高，适合这个用这个门。
（6）一般的军用品，设计时的满足度应超过90%的人群。
2.标准差
标准差的意义是人体尺寸的一系列测量数据（变数）距平均数的分布情况。
标准差大，表示各变数散步广；标准差小，表示各变数接近平均。
标准差一般用来确定该指标的标准界限，说明该界限内的数值都属于正常水平。
在人体测量中，还可以表示某一范围内数据的变化情况。
例如，在身高的正态分布数据中（图2—1）
平均值加减一个标准差的范围是68%的人群；平均值加减二个标准差，其范围就扩大到95%的人群；加减三个标准差则扩大到99%的人群，几乎包括了所有的人。
图2—1成人男女身高的正态分布
3.人体尺寸的统计
在不需要满足100%人群而只需要满足95%，90%或50%的人群时，可以不必将有关人员逐一地全部测量，只需抽样测量其中少部分人即可。
在这里抽样人书可以按以下公式计算：
N={KB/d}2
其中公式中：
N——抽样人数
K——满足度系数，当满足度为95%人群时，K=1.960，当满足度为90%人群时K=1.645
B——标准差（常用历史统计资料求得）；
d——测量精度；
例如，我国成年男子平均身高的标准差为B=82mm，求测量精度d=5mm，满足度分别为95%和90%时测量平均身高的抽样人数：
N90={1.645х82/5}2=728（人）
N95={1.960х82/5}2=1033（人）
这样，抽样人数分别为728人和1033人，所得的身高尺寸就能基本反映出90%和95%人群的实际情况。
二、造型中的人体尺寸参量
1.我国人体尺寸
我复员辽阔，不同地区人群的人体各部位尺寸有较大的差异（见图2—2和表2—1）。
其中身材较高的地区有黑龙江、吉林、辽宁、河北、山东、山西、内蒙、宁夏、青海等地；中等身材的地区包括新疆、甘肃、陕西、江西、湖北、安徽、江苏、浙江等地；身材较矮的地区有四川、云南、贵州、广东、广西等地；河南等介于较高与中等身材地区之间，湖南、福建则介于中等与较矮身材地区之间。
图2—2人体各部位尺寸
表2—1我国不同地区人体各部位平均尺寸（mm）
序号①
部位
较高身材地区
中等身材地区
较矮身材地区
男
女
男
女
男
女
1
身长
1069
1580
1670
1560
1630
1530
2
肩宽
420
387
415
397
414
386
3
眼高
1573
1474
1547
1443
1512
1420
4
肩高
1397
1295
1379
1278
1345
1261
5
坐高
893
846
877
825
856
793
6
正坐时眼高
1203
1146
1181
1110
1141
1078
7
上身高
600
561
588
546
565
524
8
肘到坐位高
242
240
239
230
220
216
9
大臂长
308
291
310
293
307
289
10
小臂长
238
220
238
220
211
220
11
手掌长
196
184
192
178
190
176
12
上肢展开长
867
795
843
767
848
791
13
臀宽
307
307
309
319
311
320
14
大腿长
415
395
409
379
403
376
15
小腿长
397
373
392
369
391
365
16
脚掌高
68
63
68
67
67
65
17
大腿水平长
450
435
445
435
443
422
序号①见图2—2
国内某汽车研究所在国内的较高、中等以及较矮身材地区抽样测量了1487名男、女驾驶员的人体尺寸，经过统计分析，得到了较为准确的人体尺寸统计规律（见表2—2图2—3）。
近年来我国的交通运输机械设计中，包括各类车的外形尺寸和车内空间布置，操纵机构的外形与布置，坐位的外形布置等设计，都综合利用了表中的平均值和标准差。
它是以平均值为设计的基本尺寸，而以标准差作为设计的调整量。
例如，男子膝弯到足底高的平均值hˊ约为406mm，其标准差bˊ约为19.5mm，以满足90%的人群计（取系数K=1.645）。
有hˊ±Kbˊ=406±1.645х19.5=374—438mm。
也就是说占男子总数90%的人群，其膝弯到足底高度的范围在374—438mm内，按此数据来设计坐姿、脚踩操纵机构，就能满足大部分人群的操作和使用要求。
表2—2我国驾驶员人体尺寸平均值与标准差（mm）
序号①
人体部位
男
女
平均值
标准差
平均值
标准差
1
身高
1688.35
81.53
1586.17
51.29
2
眼高
1585.32
61.61
1480.25
76.02
3
肩高
1420.95
54.35
1320.26
76.02
4
坐高
896.53
36.12
848.53
31.58
5
坐姿眼高
794
743
6
肘到座面高
245.33
41.87
238.63
25.63
7
上肢前伸长
837.78
36.81
686.84
37.98
8
拳前伸长
837.78
47.07
688.84
33.79
9
上臂长
267.21
16.35
260.74
19.79
10
前臂长
247.04
13.22
225.03
17.02
11
手掌长
192.53
9.46
179.00
9.52
12
肩宽
426.32
20.35
391.71
21.57
13
臀宽
333.75
22.62
394.71
32.00
14
下肢前伸长
1015.19
58.91
976.79
59.84
15
大腿长
422.48
28.44
409.21
35.39
16
小腿长
401.34
21.57
368.60
22.21
17
脚掌厚
70.69
5.45
65.78
6.94
18
膝臀间距
550.78
27.46
527.77
31.28
19
大腿水平长
432.02
23.31
431.76
30.34
20
膝上到足底
515.08
24.67
429.89
30.34
21
膝弯到足底
405.79
19.49
382.77
20.88
1参见图2—3
图2-3我国驾驶员人体尺寸部位图
一般人体尺寸都是在正坐的姿势状态下测量的，而在人体的自然状态下测量，某些是有差别的，见表2—3，为了统一起见，在设计时通常是按正立或正坐时人体尺寸来取值。
表2—3美国成年男子不同坐姿的坐高（mm）
男百分位
正坐坐高
通常坐姿坐高
二者差
女百分位
正坐坐高
通常坐姿高
二者差
99
988
955
33
99
930
907
23
95
964
930
34
95
907
881
26
90
955
912
43
90
894
866
28
50
907
866
41
50
848
820
28
5
843
803
43
5
785
758
33
2.国外人体尺寸
考虑到市场全球化，产品的出口，有的设计就要满足国外人群的需要，以及借鉴国外人体尺寸的统计规律，需要对国外人体的尺寸有所了解。
表2—4是几个国家男子的平均身高，身高是人体的基本尺寸，再结合其他一些计算公式就可以得出人体的其他部位尺寸。
表2—5是美国、日本男、女的人体尺寸。
表中的P10、P50、P90是百分位数，它们分别表示有10%的人群小于此数据、有50%的人群小于或大于此数据，有10%的人群大于此数据。
表2—4成人男子平均身高（mm）
国别
美国
俄罗斯
德国
英国
法国
瑞典
意大利
日本
身高
1772
1767
1765
1763
1761
1741
1710
1677
表2—5美国、日本男、女人体尺寸（mm）
序号见图2-4
3.人体尺寸的计算
按照人体的正常结构关系，以正立时的平均身高H为基数来推算人体各个部分的结构尺寸比较符合实际情况，而且应用起来也比较方便灵活。
（1）手掌长L1=0.109H；
（2）前臂长L2=0.157H；
（3）上臂长L3=0.172H；
（4）人腿长L4=0.232H；
（5）小腿长L5=0.247H；
（6）躯干长L6=0.300H。
在坐姿操作时，设计用的人体各个部位尺寸计算如下：
（1）座面至手举垂直距离S1=0.795H；
（2）坐高S2=0.523H；
（3）坐眼高S3=0.454H；
（4）肘到座面垂直距离S4=0.135H；
（5）大腿厚S5=0.086H；
（6）膝到脚底高S6=0.311H；
（7）臀部到脚底高S7=0.249H；
（8）臀部到膝部长S8=0.342H；
（9）臀部到小腿长S9=0.280H；
（10）手前举水平距离S10=0.462H；
（11）两手水平距离S11=1.032H；
（12）肩宽S12=0.229H；
（13）两肘间宽S13=0.256H；
（14）臀部宽S14=0.203H。
以上各部位尺寸的定义见图2—5：
图2-4国外人体尺寸图图2-5坐姿操作人体尺寸图
我们在了解这些知识后，就以实例来看一下实际中的应用。
坐垫是整个摩托车设计的一个环节，它的高度、大小、位置都影响整车的设计。
2.坐垫的离地高度h1，是影响整车高度的主要因素之一，降低整车的高度，可以减小空气阻力，降低整车的重心，提高车的稳定性，因此我们要尽可能的降低它的离地高度。
但是这就涉及到了，驾驶者——人的因素。
因为过高或过低都会影响驾驶，和安全，同时不同的车型有不同的标准，城市用车，越野车，女式车等等，我们以人体尺寸做参考，来计算出人群适应的高度，来进行设计。
一般来说，摩托车的坐垫高度在710mm——800mm的范围内。
3.坐垫与脚踏杆的垂直高H2和水平距离L1
对于坐式的车来说，H2则是坐标面与车踏板的垂直距离，由于驾驶员坐在车上，脚不仅是踏在脚踏杆上的，而且腿脚要频繁的活动，去操纵变速器踏杆。
因此，坐垫与脚踏杆的垂直距离不仅要考虑人体各个部位的结构尺寸，而且要考虑舒适合理的坐姿关节角度和体压的分布。
在坐姿状态，舒适合理的坐姿关节角度和体压的分布一般是：
躯干与大腿成90ｏ——110ｏ的钝角，大腿与小腿成直角或略倾斜。
上体重的压力平顺地分布在坐垫上，不会让躯干、大、小腿的血管受压，影响血液循环。
。
同时脚掌轻踏脚踏杆，下肢着力脚掌，便于脚掌快速、轻松地操纵。
所以，坐姿时肢体角度和成年人的膝部到脚底长可以基本确定坐垫与脚踏杆的垂直高范围。
其一般在420——520mm之间。
当采用身体前倾的坐姿时，如驾乘高速车H2则可以大一些，反之则小。
我过成年男子的大腿长为422mm，标准差为30mm，成年女子为409mm，标准差为35mm。
4.坐垫在整车中的位置以及尺寸
按空间的立体位置，坐垫在整车中的位置有：
左右向，按左右对称的原则，坐垫一般位于左右向的中间轴；
垂直向，坐垫在整车中的垂直高是整车的基本尺寸之一，也是影响整车高度的主要因素，有许多的部件的位置尺寸都是以其为基准的，如方向把的高度，等等都是按上述公式设计的。
水平向，坐垫在水平向的位置主要受到：
整车前后轴的载荷分布，幽香的大小等等。
5.坐垫的大小，和人体的尺寸
坐垫的大小，受到整车的大小影响外，就是人体臀部的大小，腿的厚度等因素的影响了。
综上所述，就一个坐垫都包含了大量的人体工程学知识，而所进行的工作，都是为了能将设计的车和人之间有完美的结合，做到舒适、高效、安全、方便的操纵和愉快的驾乘。
然而我们要做的远远不止这些，例如，车灯的位置，大小，光照的强弱；车把手的高度，宽度，车身用材料的考虑，甚至一个开关的位置……摩托车是一种高效，方便的交通工具，经过百年的发展，越来越完善和安全了，它已经不在只是单一的代步工具了，战场、赛场、旅途都有它的身影。
在技术迅猛发展的今天，我们需要更加智能和环保高效的工具，所以就要更加完善和利用这个标准，但它并不是一成不变的，它是建立在实事求是的调查上的，它会随着人类社会的发展而相应变化，但最终目的只有一个——就是以人为本。
第二节人体生理与尺度
人在驾乘摩托车时，不是正坐静止的，而是以一定的姿势乘坐，承受着上、下颠簸和左、右晃动。
同时，四肢是活动的，要频繁地操纵方向把、离合器、油门、手刹、脚刹、变速器等操纵装置。
因此，人体工程学不仅要研究人体的结构尺寸，而且要研究人体的心理特征和心理反应，研究肉体和精神的负担，以求得高效操作，舒适乘坐的造型空间尺度。
一、肢体的转换范围
以接近身体中心的关节为圆心，人各肢体的旋转半径R可用下式计算：
1）手掌旋转半径R1＝0.587L1;
2）前臂旋转半径R2＝0.526L2;
3）上臂旋转半径R3＝0.542L3;
4）大腿旋转半径R4＝0.540L4;
5）小腿旋转半径R5＝0.528L5;
6）躯干旋转半径R6＝0.830L6;
二、手的生理特征与造型尺度
1、手臂的活动范围
从操纵的方便性出发，驾驶员应能在不需要大动身体躯干的情况下，方便地操纵方向把、离合器、各种开关、按钮等。
因此，研究人在静坐时的手操作活动范围时十分必要和重要的。
采取坐姿时，成人男子伸直手臂右手在不同的水平角度（A-O°，B-15°，C-75°，
D-75°，E-105°）的铅垂平面内所能达到的范围，如图2-6所示（图中的A、B、C、D、
E、分别是手臂与人体中轴线的夹角）。
图2-7为成年男子在采取坐姿时，将手臂伸直，其右手在不同的水平高度（a=-50mm,b=225mm,c=560mm,d=865mm,e=1075mm,f=1170mm）运动，手能达到的范围（a、b、c、d、e、f分别为手指尖与坐面的垂直高度）。
图2-6坐姿手臂竖直活动范围图2-7坐姿手臂水平活动范
当人坐在工作台前，在水平台面上运动手臂所形成的运动轨迹称为手臂平面活动范围，或平面作业范围。
如图2-8所示，当手臂向外伸直在水平面运动所画成的圆弧范围，叫做最大平面活动范围。
承认男子最大平面活动范围的前伸最远点与人体水平中线的距离约为500mm，而其左、右水平的最远点与人中点的距离约为750mm。
当大、小臂成自然弯曲（一般弯曲成手臂长的五分之三左右），手臂在水平面作舒适动作所形成的圆弧范围，称作舒适水平面活动范围。
手臂在舒适活动范围工作时，效率比较高且不易疲劳。
舒适平面活动范围随工作面（台）的高度不同而有所变化，工作面高，其范围略为减小，见图2-9（图中`0`为人体中心位置，曲线上的数字为工作面高度）。
不同的工作姿势，舒适的工作面高度不同，见图2-10。
由上可知，人手臂等肢体适宜的活动范围受坐姿的影响。
在实际中，它同时也受坐高、肩宽、肩部运动生物力学等差异的影响。
因此在设计中，一般以正坐时的手臂活动范围作为手动装置位置最远界限的依据，而以实际坐姿的舒适活动范围参数作为操作设计的标准。
图2-8手臂平直活动范围
图2-9不同工作面高度的舒适平面活动范围
图2-10不同姿势的工作面高度
2、手的运动生理特征
（1）手的操作力一般成年男子的瞬时最大拉力约为700N，女子约为380N，男子瞬时的最大握力约为560N，女子约为310N。
手在用力时，一般还具有下列特征：
1）左手力小于右手，推力略小于拉力；
2）手臂向下的力大于向上的力，而手臂处于侧面下方时推、拉力都比较弱；
3）前后运动的推拉力大于旋转运动的力，而旋转的力大于上下运动的力；
4）瞬时用力比持续用力大得多。
（2）手的运动手的运动速度变化很大，一般在5-800mm/s范围内，手的运动速度与运动习惯有密切关系，一般运动的习惯方向，也就时手运动速度快的方向。
手运动的特征主要有：
1）右手比左手快，右手向右运动比向左快；
2）手从上往下运动比从下往上快，手在垂直面运动比在水平面快；
3）手在水平方向的前后运动比左右运动快，手的旋转运动比直线运动快；
4）手朝向身体方向的运动比离开身体方向的运动快，但后者准确性较高；
5）顺时针方向的操作动作比逆时针方向动作快，且比较习惯；
6）一般来说，手从下往上和离开身体的运动速度都比较慢。
3、手部的生理特征
手部（包括手掌和五指）时操作控制装置的最主要人体部分，也是感知触觉信息的主要部位。
在操纵中，手既要施力又要控制操纵器，同时也承担着触觉操纵的功能。
因此，手操纵装置的造型必须依据手的生理特点。
（1）手部的活动范围成年男子手部在不同姿态下的结构尺寸如表2-6所示：
手部的最大活动范围如图2-11所示。
表2-6手部结构尺寸（mm）
序号
部位
图示
平均值
标准差
1
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