人机工程学.docx

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人机工程学

微观人机工程学

•微观人机工程学主要研究工具和工作区设计规则

♠汽车总体布置的确定

♠驾驶操纵姿态的调节，操纵装置的选择

♠驾驶操纵姿态的调节，操纵装置的选择？

♠驾驶员座椅的设计

♠仪表盘如何设计与布置

♠操纵杆、脚踏板等的布置

♠前风挡玻璃（雨刮器）的要求

♠后视镜大小、位置的确定

♠车高（车长等）的设定

♠汽车的降噪

♠汽车的色彩的搭配

♠汽车照明设备的要求

♠汽车的安全设备（安全带、气囊等）应满足的要求

一、百分位概念

百分位是人体工程学中常用的一个术语，它表示人体的某项基础数据对于使用对象中有百分之几的人可适用（百分之几的人小于此值），这是人体工程学中一条基本的设计原则。

因此，目前人体基础数据标准均以百分位的形式公布。

这种表达方式已在国际上通用。

1、产品设计类型

按照所使用的人体尺寸的设计界限值的不同情况,可将产品尺寸设计任务分为三种基本类型:

Ⅰ型产品尺寸设计：

需要同时利用两个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值和下限值的依据之设计任务,称为Ⅰ型产品尺寸设计,又称双限值设计。

例如,汽车驾驶座椅设计。

Ⅱ型产品尺寸设计：

只需要利用一个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值或下限值的依据之设计任务,称为Ⅱ型产品尺寸设计,又称单限值设计。

ⅡA型产品尺寸设计：

只需要利用一个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值的依据之设计任务,称为ⅡA型产品尺寸设计,也称大尺寸设计。

例如,设计公共汽车的车厢高度。

ⅡB型产品尺寸设计：

只需要利用一个人体尺寸百分位数作为尺寸下限值的依据之设计任务,称为ⅡB型产品尺寸设计,也称小尺寸设计。

例如,设计工作场所的栅栏结构、网孔结构或孔板结构等安全防护装置。

Ⅲ型产品尺寸设计：

只需要人体尺寸的第50百分位尺寸数据作为产品尺寸设计的依据之设计任务,称为Ⅲ型产品尺寸设计,也称折中设计。

例如,门的把手或锁孔离地面的高度、电灯开关在房间墙壁上的安装位置离地面的高度设计。

（人体尺寸测量）百分位数据的修正

（1）功能修正量

着装修正量

姿势修正量

（2）心理修正量

最小功能尺寸:

为了确保实现产品的某项功能而在设计时规定的产品最小尺寸,称为产品最小功能尺寸。

产品最小功能尺寸=人体尺寸百分位数+功能修正量

最佳功能尺寸:

为了方便、舒适地实现产品的某项功能而设定的产品尺寸,称为产品最佳功能尺寸。

产品最佳功能尺寸=人体尺寸百分位数+功能修正量+心理修正量。

仪表板的可接触的衡量，通常以高大男人的手臂长为一个决定性准则。

设计操纵装置时操纵力的选择需要综合考虑人体出力能力和具体的作业特点，只有在这些综合条件下的人体出力的能力才是操纵力设计的依据!

膝关节角度在150-165度时，腿的出力最大，右腿最大蹬力可达2568N。

下肢适当伸直时产生的力大于弯曲时的力。

脚处于正中位置时足蹬力最大。

三种显示装置特点两个

（1）数字式显示装置

•特点是直接用数字来显示信息

•数字显示的认读过程比较简单，认读速度较快，认读准确度较高，但不能给人以形象化的印象

•对于数量识读的情况，其目的是获取准确的数据，则应选择数字式显示装置，具有精度高、识读性好的优点

（2）模拟式显示装置

•通过指针和刻度来指示参量的数值或状态

•给人以形象化的印象，能连续、直观地反映变化趋势，使人对模拟量在全量程范围内所处的位置一目了然；但认读速度和准确度均低于数字显示

•对于测量的偏差量,它不但显示偏差的大小,而且显示偏差与给定值的相对关系（正或负,增或减）；但其认读速度和准确度均比数字显示的低。

•对于状态读识的情况，显示装置只需向操作者显示被测对象参数变化趋势信息，常选用模拟式显示装置

（3）屏幕式显示装置

•是在显示屏幕上显示信息的装置

•不但可以显示数字和模拟量，还可以显示工作过程参数的变化曲线或图形、图像

•使模拟量的信息更形象化，认读速度和准确度都较高

因为人眼在感知圆形或半圆形刻度盘时，眼动的路线较短，辨认速度较快。

A类汽车：

H点高度低于405mm，且方向盘直径小于450mm。

通常包括轿车、旅行车及轿车变型车。

B类汽车：

H点高度在405-530mm范围，且方向盘直径小于450-560mm范围。

通常包括重型及中型货车及一些大客车。

转向盘（手轮）倾角

坐姿下驾驶员双手对方向盘的手操舵力与方向盘倾角（侧视图上方向盘平面与水平之间的夹角）有密切的关系。

方向盘平面越接近水平即倾角越小，手操舵力越大。

但是可以转动方向盘的角度值变小，此时对应的座椅靠背也比较垂直，驾驶员坐姿相应地也比较平直。

–转向盘倾角（A18）的选定应该使转向盘轮缘所在平面尽量与驾驶员观察仪表时的接近视线垂直，以获得最佳的仪表视野；还要与手部抓握轴线的方向相适应

–为获得较大的操作力，转向盘倾角A18取较大的值，但最大转速减小了。

应该根据汽车的使用情况合理选择转向盘倾角

此为重型车辆与轿车转向盘倾角不同的原因。

转向盘直径，主要是与转向力有关，另一方面是衡量驾驶员上下车的方便性。

对驾驶员来说，最舒适的状态是：

转向盘平面相对水平面的倾角为60度左右，转向盘直径为350-380mm。

脚踏板之间的关系。

1.离合器踏板、制动踏板与腿的运动关系较大，而加速踏板只与脚踝的运动有关，因此前两者高于后者。

离合器踏板和制动踏板的中心线距离至少在200-290mm以上，并对称于驾驶员中心线两侧。

2.制动踏板的位置和角度、踏板力的大小与驾驶员的腿（座椅）相关。

座椅越高，踏板面越平，踏板力越小。

3.加速踏板

基本要求：

1）未踩加速踏板时，驾驶员的锺点能靠在地板上或脚蹬上；

2）踏板足够大，以适应不同尺寸脚的要求；

3）踏板角度不能太陡，以防止脚踝容易疲劳；

4）释放踏板时的力不大于45N；

5）踏板距离驾驶员中心线的距离和踏板横向偏斜角度不能太大。

坐姿下用足蹬踏板，足蹬力的大小与坐姿、足位及踏板与座椅间的距离等因素有关。

为能使脚发挥较大的作用力，应使座椅有一个较高的靠背，在腰部要有理想的支撑，并保证操作者合适的坐姿

3.4典型汽车人机系统设计--仪表板的总体设计

一、仪表板的空间位置

为了保证高工作效率和减轻人的疲劳，仪表板的空间位置应使操作者不必运动头部和眼睛，更不需移动身体位置就能看清全部仪表。

仪表板离人眼的距离最好是710mm左右，其高度最好与眼平齐，板面上边缘的视线与水平视线的夹角不大于10°，下边缘的视线与水平视线的夹角不大于45°。

仪表板应与操作者的视线成直角，至少不应小于60°，当人在正常坐姿下操作时，头部一般略自然前倾，所以布置仪表板时应使板面相应倾斜。

通常，仪表板与地面的夹角为60°～75°。

一般的仪表板都应布置在操作者的正前方。

二、仪表板上仪表的排列

根据视觉运动规律，仪表板面一般应呈左右方向为长边的长方形形状。

最常用、最主要的仪表应尽可能安排在视野中心3°范围内，这是人的最优视区。

仪表照明的方式1.外照明2.透射光3.仪表壳内侧照射4.荧光涂料

仪表照明的强度

黑夜里，仪表照明的合适的光照度约为0.1lx。

仪表照明的最低光照度不宜小于0.03lx。

仪表照明的颜色

最接近日光的光线，视觉效率最高。

红光是一种对暗适应影响极小的光照。

第五章汽车人机工程设计辅助工具

5.1H点装置

5.2驾驶员H点位置线

5.3眼椭圆

5.4头廓包络

5.5驾驶员手伸及界面

5.6驾驶员膝部包络线

5.7驾驶员胃部包络线

5.8数字人体模型

5.1H点装置H点是H点装置上躯干与大腿的铰接点

H点装置（HPointDevice）是车身布置和测量的重要工具，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。

H点装置包括H点测量装置（H-PointMachine，HPM）和H点设计工具（H-PointDesignTool，HPD）。

H点装置可用于建立车内布置关键基准点和尺寸

汽车内部布置最重要的基准点是H点，一般借助H点测量装置HPM或者H点设计工具HPD来定义

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

乘坐基准点（SgRP）：

是一个特殊的设计H点

①是在车辆设计过程初期就定义的重要基准点

②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

③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

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）

汽车的实际H点是指当H点三维人体模型按规定的步骤安放在汽车座椅中时，人体模型上左右两H点标记连接线的中点。

①汽车实际H点是与操作方便性及坐姿舒适性相关的车内尺寸的基准点。

在特定的约束坐姿下，驾驶员在操作时身躯上部的活动必然是绕通过实际H点的横向水平轴线的转动，可用来检验汽车座椅设计的合理性。

②汽车实际H点是确定眼椭圆在车身中位置的基准点。

影响仪表盘、前后风窗、左右风窗、风窗刮净区、后视镜等。

③汽车实际H点的位置影响到驾驶员的手伸及界面。

影响仪表盘布置、操作件布置等。

2）D点：

是坐姿状态下H点装置臀部的最低点

3）K点：

H点装置上大腿和小腿铰接点，即膝关节点

4）躯干线：

H点装置上，自H点出发、平行于后背腰部区域外表面、用于定义躯干角度的直线

5）腿线：

连接腿部两端关节的直线，包括大腿线和小腿线。

大腿线连接H点和K点，小腿线连接K点和踝关节点

6）座垫线：

H点装置上，自H点出发，用于定义座垫角度的直线

7）鞋上的基准点

•AHP：

当H点装置的鞋按照适当方法根据自由状态加速踏板定位后，其踵点与地板表面（考虑地毯压塌量）的交点

•BOF：

鞋底表面一点，与踵点相距200mm。

其侧向位置位于鞋宽度的一半处

•裸足底线：

鞋底附近与鞋底成6.5°的直线，用于定义踝关节角度

•地板基准点（FRP）：

将H点装置的鞋按一定方法定位（鞋底与考虑地毯压塌量的地板表面接触）后，踵点与地板的交点。

FRP不适用于驾驶员右脚（用AHP代替）。

•踏板基准点（PRP）：

当鞋按照适当方法根据加速踏板定位后，加速踏板表面上与BOF接触的点

H点测量装置上提供了14个辅助测量点。

借助坐标测量机对这些点进行坐标测量，就可以方便地将某些关键点和关键参数计算出来。

拇趾基准点是用来决定膝部包络线、胃部包络线的定位参考点的水平距离的基准点；而踵点用来决定定位参考点的垂直距离。

过基准面、驾驶员坐椅对称平面以及通过最后H点的水平面。

5.3.1眼椭圆的定义和由来

驾驶员以自己的意愿将座椅调整到适意位置、并以正常驾驶姿势入座后，人体上的这些特征点在车内坐标系中的位置可以通过摄影法测得。

测得的位置数据经数理统计处理后，便可得到各种百分位身材男女驾驶员的人体特征点的分布图形

何为眼椭圆？

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，他们眼睛位置在车内坐标系中的统计分布图形，即等概率密度线。

眼椭圆应用之一:

风挡玻璃刮扫及除霜部位的确定

眼椭圆应用之二:

遮阳带位置的确定

眼椭圆应用之三:

车内后视镜的作图校核

眼椭圆应用之四:

计及眼睛与头部转动时车身A,B,C立柱盲区的求作

眼椭圆应用之五:

轿车仪表板盲区的求作

5.4头廓包络

1．头廓包络定义

•头廓包络指不同身材的乘员以正常姿势坐在适意的位置时，其头廓（包括头发）的包络；用于在设计中确定乘员所需的头部空间

•5.4.4头廓包络的应用头部空间尺寸，保证乘员头部活动，以及在颠簸和翻车等情况下头部具有必要的缓冲

5.5驾驶员手伸及界面

1.驾驶员手伸及界面

指驾驶员以正常姿势入座、身系安全带、右脚踩在加速踏板上、一手握住转向盘时另一手所能伸及的最大空间廓面

驾驶室内的一切手操作钮件、杆件、开关等的位置均应在驾驶员手伸及界面之内，这是汽车车身设计的一条重要原则。

5.6驾驶员膝部包络线驾驶室仪表板下方的膝部空间设计应以驾驶员的膝部包络线为依据。

膝部包络线的生成需具备三个要素:

膝部特征点、膝椭圆及二维H点人体样板的小腿。

5.7驾驶员胃部包络线驾驶员胃部包络线对于确定转向盘与驾驶员座椅之间的空间尺寸，以及确定座椅安全带结构方案具有重要参考作用。

胃部包络线的生成亦需三个要素：

两个胃部特征点，一个辅助点。

第一个胃部特征点在驾驶员胃腹突出处（点2），第二个胃部特征点在驾驶员腰部前下方与安全带贴合处（点3）。

舒适坐姿要素

车型

重型载货车

轿车、旅行车、轻型载货车

Hz

405-508mm

300-405mm

（靠背角）

11-18

20-23

（躯干-大腿）

95-120

60-110

（大腿-小腿）

95-135

80-90

（小腿-脚面）

90-110

87-130

6.2硬点和硬点尺寸

•硬点是对于整车性能、造型和车内布置具有重要意义的关键基准；这些基准在总布置方案确定之后就固定下来，不能够随便改动

•6.3.1乘员空间布置和人机界面设计步骤

1.踏板布置

2.驾驶员H点布置

3.转向盘布置

4.仪表板布置

5.手操纵杆布置

6.驾驶员视野设计

三、眼睛转动角速度

眼镜转动角速度值在2rad/s以下为舒适区，2-4rad/s时为不舒适区，超过4rad/s为非常不舒适区，此时上述心理反应指数恶化，驾驶员紧张或有惧怕感。

车速越高，视角速度越大；驾驶车辆向正前方远处看，视角速度小,感觉舒适，反之，则视角速度大，感觉不舒适或眩晕恐慌。

7.后排乘员乘坐空间布置

8.乘员头部空间和顶盖布置

9.汽车宽度方向乘员布置

10.后视镜布置

当y=0时，θ=0，上式简化为

若视点h高度不变，车速v越高，则视角速度越大

距离x越小，视角速度也越大

其它条件相同时，前风窗玻璃下缘越低，则距离x越小，视角速度越大

经过实验认为：

ω≤2rad/s为舒适的驾驶视野范围

2<ω<4rad/s为不舒适的驾驶视野范围

ω>4rad/s为具有恐怖感的驾驶视野范围

6.仪表板校核

校核：

1、驾驶员对仪表板的视野：

通过转向盘环与自动变速标识牌向95%百分位眼椭圆上下沿作切线----仪表板上下范围（a、b光线）；

2、仪表板对外来光线的反射是否直接影响驾驶员的视觉（c、d光线）；

3、仪表板上各零件映在风窗玻璃上的影像是否影响驾驶员视觉（e光线）；

4、眼睛动角速度（f光线）；