轿车车身内部布置设计.doc

摘 要论文通过对国内外几款车型的总布置数据积累和分析，结合现有车型的实际布置经验，对车身内部布置的基本原则、过程、方法及人机工程学在车身内部布置中的应用进行总结和研究。通过运用车身总布置工具如人体模型、眼椭圆、头廓包络线及头廓包络面、驾驶员手伸及界面等，讨论了人机工程与驾驶员视野、乘坐舒适性、安全性、操纵性、上下方便性之间的关系，然后将上述理论应用于新车内部布置设计的实际过程，从新车设计的具体要求出发，结合人机工程学的方法较好的完成了新车型车身内部布置。最后运用车身总布置工具对整车视野、室内空间及操纵性如人体舒适性、风窗玻璃刮扫区域、A柱障碍角及仪表视野等进行了校核并分析。关键词：车身总布置工具；人机工程学 Abstract The thesis，through always assigning the data to accumulate and analyze to several domestic and international styles，the reality of combining the existing style is assigned experience， summarize to the basic principle， course， method and application in assigning within the automobile body of man-machine engineering that assign within the automobile body and research. Through use automobile body assign tool such as dummy always， eyes oval， head wide bag hold in place with a net line and head wide bag hold surface， driver hand stretch and interface，etc. in place with a net，visual field of discussion ergonomic and driver， taking the comfortableness，security， handling，relation among upper and lower conveniences，then apply theory described above to the new cars fixing up the real course designed，proceed from concrete requirement that the new car is designed，assign within the completion new style automobile body with better method to combine man-machine engineering. Use the automobile body to always assign the tool to the visual field of completed car finally，indoor space and person who handle if human comfortableness， wind windowpane blow，sweep area，A column obstacle corner and instrument visual field，etc. check the analysis of combining. Keyword: The automobile body is always assigned the tool ；Man-machine engineering 17目 录 摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 课题的提出11.2 人机工程学在轿车车身内部布置上的应用11.3 本文研究内容21.4 本章小结3第2章基于人机工程学的轿车车身内部布置工具42.1 人体模型42.2 眼椭圆52.3 乘员及驾驶员的头廓包络线（面）72.4 本章小结10第3章 车身内部布置方法的应用113.1 轿车车身内部总布置设计过程113.2 人体模型的布置过程123.3 后视镜和仪表盘布置要求12第4章 轿车车身设计硬点及应用144.1 设计硬点的意义144.2 人体姿态舒适性相关的主要硬点的确定144.3 人体乘坐空间主要硬点尺寸164.4 车身布置主要硬点164.5 本章小结18结 论20致 谢21参考文献22附 录 123附 录 225第1章 绪论1.1 课题的提出轿车车身内部布置是轿车概念设计阶段中最关键部分，轿车车身内部布置的特点是需要确定的内部布置参数和车身硬点数目繁多，空间关系和约束条件复杂，实现方法和评价指标没有明确的法规和标准，这使得设计方案具有多解性、经验性和综合性的特点。目前人机工程学在轿车车身内部布置中的应用日趋广泛和成熟。利用人机工程学原理进行车身设计可以满足现代轿车驾驶操纵性、乘坐舒适性、上下车方便性等方面的要求。人机工程学以人(驾驶员、乘客)为中心，在布置设计方面从人体的生理、心理和人体的运动规律出发，研究布置方面如何适应人的需要，能够设计出一个操纵方便、舒适安全的驾驶环境和乘坐环境，因此结合人体工程学进行车身内部布置设计，认真详细地对车身内部布置设计方法进行总结和归纳，成为现代轿车企业成功研发新车型的关键。我国的大部分轿车行业已经从过去传统落后的设计制造方法过渡到了现代以数字化设计为主的时代，并在流程中引入了强度校核、碰撞模拟以及运动仿真等。但大部分的CAD软件由于设计和开发手段相对落后等各方面原因的限制没有真正发掘CAD巨大潜力以提高设计开发效率。现在国内外很多轿车制造业内部已经在AUTOCAD、CATIA、UG等软件平台上开发了车身总布置系统，并形成了一套完整的轿车车身内部布置理论和方法。但依然存在着盲目使用国外的SAE、ISO等标准进行车身室内布置，没有一套完整的适合国内轿车车身设计的标准。我国的人机工程学正处于初始发展阶段，目前只做了一些基础性工作如对人体尺寸的测量统计和分析。因此我国的人体工程学研究还有待于更加进一步的深入和发展。本论文依据人机工程学原理，结合相关资料和教材，介绍了轿车内部布置的基本要求和步骤，对轿车的内部布置设计提供参考，并具有一定的意义。1.2 人机工程学在轿车车身内部布置上的应用在内部布置设计过程中，重点工作是确定决定车型技术水平和造型风格的总布置尺寸。在内部布置方案的确定过程中，必须以满足人机工程要求为原则把乘坐舒适性、安全性、操作方便性、上下车方便性等作为主要因素考虑。人体工程设计的基本要求是操纵方便和舒适性，即尽最大可能的满足不同身材和姿势的驾驶者对操纵件的手足伸及性与姿势舒适性以及视野性的要求。人机工程设计主要借助于SAE的方法和工具。在轿车设计中的应用有如下几方面：1上下车方便性； a车门开度角、车门通道尺寸b车门框口尺寸c车门的高度、宽度和厚度尺寸d乘员入座后手伸及关门把手的尺寸2车内部空间尺寸和座椅轮廓尺寸a前、后H点的位置及前H点的调节范围b头部空间尺寸c前、后排座乘坐空间d后座舒适性尺寸3驾驶员视野设计a直接前方地面视野b交通灯视野c A柱障碍角d外后视镜视野e仪表板视野4驶员操纵方便性a脚踏板（油门踏板、制动踏板）的位置和活动空间b手操纵杆（换挡杆、手制动杆）c驾驶舱内服务元件（空调、收音机、转向开关、灯光开关等）1.3 本文研究内容深入研究了车身内部布置工具的基本原理、相关标准、设计参考值及评价指标等，包括百分位的选择、H点的确定与座椅调节范围、操纵方便性、眼椭圆、汽车内部空间尺寸确定、上下车方便性、视野设计。并进行了实际车型的应用设计。从新车设计的具体要求出发，结合人机工程学的方法较好的完成了新车型车身内部布置。运用车身总布置工具对整车视野、室内空间及操纵性如人体舒适性、风窗玻璃刮扫区域、A柱障碍角及仪表视野等进行了校核并分析。最后，在实际工作过程中，学会运用人机工程学进行简单的轿车内部布置，对于人机工程设计、轿车内部布置设计有一定的指导意义。1.4 本章小结 本章对车身内部布置设计方法及内容、人体工程学在轿车车身内部布置的应用作了简要的叙述，最后对本课题的主要内容和意义做了阐述。第2章 基于人机工程学的轿车车身内部布置工具在轿车设计中，车身内部布置应当能够满足驾驶员和乘员的乘坐舒适性、操纵性、行车安全性、视野性的要求。为了达到以上性能，SAE、ISO等设计标准定义了轿车驾驶员的眼睛、头部、肢体上与车身布置有关的人体特征点。驾驶员以正常驾驶姿势入座后，测取人体特征点，经统计处理后，便可得到各种百分位身材男女驾驶员的人体特征点分布图形。这些图形称为车身内部布置设计工具。它们包括眼椭圆、头廓包络线（面）、手伸及界面等。除人体模型外，其他设计工具都是驾驶员人体特征点(轿车驾驶员的眼睛、头部、胯部上一些与车身设计有关的特殊点)在车身坐标系中的分布图形，这些分布图形已经被做成现成的样板以供内部布置使用，所以本章主要介绍人体模型、眼椭圆、乘员及驾驶员的头廓包络线（面）。2.1 人体模型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、人机系统不可缺少的辅助手段。用于车身设计的H点人体模型是轿车车身内部布置的重要工具之一。利用人体模型可以进行乘舒适性校核，可以检查踏板、方向盘、座椅等部件布置的合理性。对于轿车内部空间如头部空间、膝部空间、肩部空间、肘部空间等都要用人体模型来检查。中国人体模型：中国人体模型分为四个身高等级，分别为女子第5百分位，男子第5百分位(相当于女子第50百分位)，男子第50百分位(相当于女子第95百分位)，男子第95百分位。按照不同的用途来分类包括：二维杆系人体模型、二维平面人体模型、三维人体模型，如下列图所示：图2-1二维杆系人体示意图 图2-2二维平面人体示意图 图2-3三维人体模型示意图2.2 眼椭圆轿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轿车视野性能提供了科学的视野原点基准。眼椭圆的中心位置、长短轴的长度和方向，与车辆类型、SgRP（H）点位置、座椅水平调节量、驾驶员比例都有关系，如图2-4所示：图2-4三维眼椭圆示意图 适合中国人的A类车、可调节座椅眼椭圆尺寸根据中国人体数据（男女比例为1：1；男子平均身高为1710毫米，女子平均身高为1580毫米）计算，可以得到适合中国人的A类车、可调节座椅眼椭圆尺寸，参见表2-1。表2-1适合中国人的A类车可调节座椅眼椭圆尺寸百分位TL23/mm长轴Lx/mm短轴Ly/mm竖轴Lz/mm95th1-133133173.8206.460.360.393.493.499th1-133133242.1287.185.385.3132.1132.1眼椭圆在车身坐标系下按以下方式定位：函数关系表达式：=12X=664mm+0.587(L6)0.176(H30)12.5tY=W2032.5mmZ=638mm+H30图4-2整车总布置尺寸示意图轿车总长L103是轴距L101、前悬L104和后悬L105的和。它们之间有下述关系：L103L101C。式中，C为比例系数，其值在0.520.66之间。发动机前置前轮驱动轿车的C值为0.620.66，发动机后置后轮驱动轿车的C值约为0.520.56。 轿车宽度尺寸一方面由乘员必需的室内宽度和车门厚度来决定，另一方面应保证能布置下发动机、车架、悬架、转向系和车轮等。轿车总宽W103与车辆总长L103之间有下述近似关系：W103(L1033)(19560)mm。后座乘三人的轿车，W103不应小于1410mm。室内长度与轴距之间存在下述近似关系：室内长度(L1013)(98050)mm。室内宽度与轮距和全宽之间存在下述近似关系：室内宽度（34)全宽(10080)mm。 在进行宽度方向布置设计时，用到整车宽度方向的硬点包括W3、W4、W5、W6、W101、W102、W103。表4-2为不同风格轿车宽度方向尺寸：表4-2轿车乘客舱内部舒适性尺寸总结（宽度方向）本设计为考虑驾驶室的空间尺寸要宽敞，选取数值如下：L104=945mm、L103=4950mm、L101=2915mm、H101=1557mm、L105=1090mm、W3=1380mm、W4=1460mm、W101=1499mm、W102=1500mm、W103=1740mm、W10=1440mm、W20=350mm 车身布置中以下硬点必须在总布置草图中给出：图4-3车身布置硬点示意图表4-3车身布置主要硬点4.5 本章小结本章重点论述了轿车车身内部布置的过程、方法以及总布置应考虑的问题。并给出了车身硬点的概念，结合具体车型实例总结了车身硬点的分布范围和尺寸范围。总之，车身内部布置是基于功能和约束的方案寻求最优的过程。通过对几款同型车的总布置数据硬点分析，运用车身总布置工具讨论了人机工程尺寸与驾驶员视野、乘坐舒适性、安全性、操纵性、上下轻便性之间的关系，对人体尺寸，人体舒适驾驶姿势与布置，驾驶员眼椭圆及其在车身总布置设计中的应用如风窗玻璃刮扫区域、A柱障碍角及仪表视野等做了具体分析和设计方法的总结，对于新车型设计具有重要的指导意义。结 论 轿车车身内部布置设计是经验和原理方法的结合。车身内部布置是在考虑整车形式、车身与底盘的关系、以及总布置和造型传递给车身内部布置的一些约束条件下，进行车室内部布置，是基于功能和约束的方案寻求最优的过程。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。 轿车车身内部布置一般采用“以人为中心”的设计思想，必须确保驾驶员与乘员的舒适性、居住性、上下车方便性、安全性，以及驾驶员的操纵方便性、视野性等。在满足以上性能要求的前提下，要尽量减小整车质量，减小外形尺寸，增大内室空间。同时还要考虑各个总成的协调关系。因此，轿车车身内部布置可以理解为是一个在满足一定约束条件下，对内部部件进行布置优化的方案设计过程，它涉及到人机工程学、统计学等学科，体现的是“以人为中心”的人-机-环境和谐的设计思想。本文运用车身内部布置设计的方法，详细的阐述了车身内部布置基本原理及过程。包括：驾驶员座椅位置的确定、后排座椅位置的定位、仪表板的截面及仪表的布置、方向盘的布置、前后风窗的倾角、顶盖高度的控制尺寸等。利用适意座椅参考位置与其影响因素座垫倾角、座椅高度、方向盘到拇趾参考点的水平距离。建立起理论的基石，更好的理解设计方法的原理。本文利用基于车身内部布置工具，结合各种车型的有关布置数据的统计，运用具体数据详细地对车身内部布置进行了探讨。由于各方面的原因，本课题还有一些不完善的地方有待于进一步改进。总结如下：轿车车身内部布置是一个实践过程，需要在总布置实验室和借助先进的工具反复协调，而不是仅仅在计算机上就可以完成的；另外，车身内部布置方法还需要进一步深入，吸收及应用国外最新的车身内部布置方法。致 谢值此论文完成之即，我非常高兴，同时也感到压力很大，在几年的学习过程中，深深体会到在知识爆炸的年代，知识的无边无际。在撰写论文的过程中，我常有在大海中航行的感觉，感觉到知识的欠缺和方向的迷失，而令我难忘的是郑德林教授、席振鹏老师和孙凤霞老师给我的指导和帮助，他们就像舵手一样，指导我在知识的海洋中向着指定的目标前进。从开题到大纲的编写，最后到作图和每一个部分的撰写，每个部分都是在老师们的精心指导和帮助下完成的，没有他们的谆谆教诲和严格的要求，我不可能顺利地完成毕业设计，他们治学严谨，工作认真、勤奋，对学生诲人不倦，给我留下了终生难忘的印象。我只有以我的努力工作和勤奋学习来报答恩师。感谢所有关心、支持和帮助我的老师和同学们！参考文献1黄金陵、黄天泽，轿车车身结构与设计机械工业出版社，2002年10月第一版2周一鸣、毛恩荣编著，车辆人机工程学北京理工大学出版社，1999年12月3吴亚良著，现代轿车车身设计，上海科学技术出版社，1999年3 月4郭竹亭主编轿车车身设计吉林科学技术出版社2000年10月第一版5龚微寒主编轿车现代设计制造，人民交通出版社，2001年9月6余志生轿车理论机械工业出版社，2000年5月7黄金陵主编汽车车身设计机械工业出版社，2007年9月第一版8裘真基于知识的轿车车身内部布置吉大硕士论文2000年2月9SAE J826Devices for use in Defining and Measuring Vehicle Seats and Seating10SAE Paper 650464Automobile Driver Eye Position，J.F.Meldrum(1965)11SAE Paper 720200Driver Head and Eye Positions，D.C.Hammond and R.W.Roe 12SAE J1050a Describing and Measuring the Drivers Field of View 附 录 1 汽车车身总布置采取以人为中心的设计思想，尤其是在轿车设计中，确保驾驶员与乘员的舒适性、居住性、上下车方便性、安全性以及驾驶员的操纵方便性和视野性等其应遵循一定的设计原则：外部尺寸尽量小、内部空间尽量大、满足各项功能要求、满足人机工程学要求、满足标准法规及技术条件要求。 人机工程学是上世纪50年代发展起来的一门新学科。它以人-机关系为研究的对象，以实测、统计、分析为基本的研究方法，是一种描述如何塑造适宜人的工作环境的科学。具体到产品开发，就是在产品的设计和制造方面要按照人体的生理解剖功能量身定做，更加适合于人体的工作效能。今天的汽车要追求“人车合一”，就是设计汽车的目标要以人为本，围绕人的需求而建造。要使人驾乘汽车感到舒适、方便和不易疲劳，这就是汽车人机工程学的目的。 汽车设计以总体布置为核心，而轿车总体布置又是从车厢开始的。为此，要利用能表述人体形状的标准模型作为准绳来安排驾驶舱各个部件位置。例如驾驶员的位置，从脚踩油门踏板上算起，身材高大者要比身材矮小者靠后坐，这决定了驾驶座椅后移的位置；身材矮小者要比身材高大者靠前坐，这决定了座椅前移的位置。手臂长度与腿相比是较短的，当座椅后移时可能手触及不到仪表板，这就有了一个范围限制。例如以百分位人群来划分，假设第5个百分位的女子身高为1.47米，而第95个百分位的男子身高为1.82米，对于固定踏板的布置，工程师就只考虑5%的矮小女子和95%高大男子的手臂触及范围。做出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，即以伸展的手臂运动，在水平及垂直方向上各绘出一个圆弧线，近似描绘出一个半圆形空间去安排座椅、仪表、方向盘、踏板、变速杆、中控板控制旋钮等零部件的位置及相互的距离尺寸。人机工程学,在美国称之为人类工程学(Human Engineering)、人因工程学(Human Factors Engineering)，在欧洲有人称之为功效学(Ergonomics)，日本称之为人间工学。而我国目前除使用上述名称外，还译成宜人学、人机工程学等。人机工程学的命名已经充分体现了该学科是“人体科学”与“工程技术”的结合,实际上,这一学科就是人体科学、环境科学不断向工程科学渗透和交叉的文化产物。人机工程学就是研究人在一定的工作环境中所涉及的解剖学、生理学、心理学等诸方面因素,研究人-机(物)-环境系统中的交互作用着的各组成部分(效率、健康、安全、舒适等)，在具体的工作条件下，在家庭中和在休假的环境里,如何达到最优化的问题。国外对汽车人机工程学的研究起始于上世纪五十年代，并且已经做了大量的测绘分析和基础性研究工作，尤其是美国提出了很多推荐性标准，有的已被国际标准组织所采用，如三维H点人体模型、眼椭圆等。国外汽车设计行业对于人机工程的应用极为重视，如日本、美国等在设计新车型时都要做相应的人机工程检查和校核，并且抽取不同的人群进行主观评价。德国汽车业联合开发的RAMSIS软件，建立了详细的三维人体模型，从德国、日韩、中国到SAE等并提供各种年限参考，用户还可以根据自己的数据建立自己的三维人体模型。在国外，已建立起了一个较为完整的设计开发流程和评价标准。在中国，人机工程学的研究在20世纪30年代开始即有少量和零星的开展，但系统和深入的开展则在“文革”以后。1980年4月，国家标准局成立了全国人类工效学标准化技术委员会，统一规划、研究和审议全国有关人类工效学的基础标准的制定。1984年，国防科工委成立了国家军用人-机-环境系统工程标准化技术委员会。这两个技术委员会的建立，有力地推动了我国人机工程学研究的发展。此后于1989年又成立了中国人类工效学学会，并且1995年9月创刊了学会会刊人类工效学季刊。20世纪90年代初，北京航空航天大学首先成立了我国该专业的第一个博士学科点，随后南京航空航天大学、西北工大、北京理工大学、北大医学部等大学也先后成立了相应的专业。我国人机工程学的研究起步比较晚，但也做了一些基础性工作如对人体尺寸的测量统计和分析等。这些都对中国人机工程学的研究起到了一些推动作用，但我国的人体测量数据没有随着时间的变化和社会的发展得到及时的更新。在GB10000-1988中的某些数据已经不适合当今社会人体尺寸的实际情况，并且还缺少一部分数据，不能构成一个完整的人体，因此我国的人体工程学研究还有待于更加进一步的深入和发展。我国的大部分汽车行业依旧沿用传统的设计方法，虽然在硬件条件上已经实现了CAD，但大部分的CAD软件由于各方面原因的限制没有真正发掘CAD巨大潜力以提高设计开发效率。另一方面虽然国内的一些大学、科研院所和企业经过数年的研究和积累工作已经形成了一套完整的汽车车身内部布置理论和方法，但是由于缺少相关的交流合作，大部分研究开发成果不能实现共享，所以造成了一定程度上的人力、物力等资源上的浪费，不利于国内汽车行业整体水平的快速提高。国内人机工程方面，建议今后科研院所及生产企业联合起来进行如下的一些工作：进行人体尺寸测量数据的统计工作，更新相关标准数据，以此为基础，进行统计分析，建立标准的中国人体模型数据库，从而在进行整车开发时，可用到中国人体百分位的模板，这是基础性的工作；建立并完善相关的标准，建立一个完善的设计流程及相应的设计推荐值；联合开发并完善一个实用的评价软件及评价标准，尽最大可能地实现共享，或者引进国外成熟软件；培养一些进行主观评价的人员等等。附 录 2 The body of a motor car always fixes up and adopts the design philosophy that regards people as the centre, especially in the car design, guarantee the comfortableness of driver and passenger, he should follow certain design principle for livability, getting on or off the bus in the convenience, security and drivers manipulation convenience and visual field,etc.: External size try hard little, internal space try hard heavy meeting every functioning requirementing, meeting man-machine engineering requirement, meeting standard regulationing and technological terms requirementing. Man-machine engineering is a new discipline developed in the fifties of last century. It regards people - machine relation as the target of studying, regards surveying, counting, analyzing as the basic research approach, science how to mould the working environment of the suitable person that it is a kind of description. Reach product development specifically, even if in design and manufacture of the products yes made to measure according to the physiological dissection function of the human body, suitable for the working efficiency of the human body more. The car of today will be pursued People unifies car ,Goal to design car take people first, demand and construction to centre on people. Will make people feel comfortable, convenient and difficult to be tired to drive by bus, this is the purpose of man-machine engineering of car. The car is designed by fixing up overallly for the core, and the car fixes up overallly begin from the carriage. For this reason, should utilize the standard model that can state the human form to come to each part position of arrangement cockpit as the criterion. Position on it is driver,it step on since foot gas pedal cases worthwhile is the large than short and small by after sit, this position that has determined to drive the seat and move backward; It is the short and small than large by before sit,determine this by position that seat move. Compared with leg the arm length is shorter, perhaps hands can not touch the instrument board when the seat move backward, this has a range to limit. For example divide with the hundredths crowd, suppose the womans height of 5th hundredths is 1.47 meters, and the mans height in the 95th hundredths is 1.82 meters, arrangement to the fixed footboard, the engineer only considers 5% of the short and small women and arm of 95% of the tall and big men touch the range. Make instrument boards and contacts measurement, a decisive criterion with tall and big arm of man usually, move with the arm spreading, draw a round arc in the horizontal and vertical direction respectively, depict first semi-circular space to arrange for the seat approximately, instrument, steering wheel,footboard, gearshift lever, in accuse of for the position and mutual distance sizes of spare partses such as knob,etc. Man-machine engineering, call that the ergonomics (Human Engineering) in U.S.A., people, because of engineering (Human Factors Engineering) ,Study (Ergonomics) in the European efficiency that someone calls that ,An engineering of attitude towards life which Japan calls. And our country also translates into pleasant studying, man-machine engineering,etc. besides using name described above at present. The name of man-machine engineering has already fully reflected this discipline is Human science With engineering Combination,in fact, this discipline science, environmental science, constantly project culture result where science permeate and crosses human. Study all peoples respect factors such as anatomy, physiology, psychology involved in certain working environment in man-machine engineering, study people - machine (thing) -Every component (efficiency of reciprocation of environmental system, healthy, safe, comfortable) ,Under the concrete condition of work, in the family and in the environment of having a holiday, problem of how to reach and is optimized most. The foreign study on man-machine engineering of car originates in the fifties of last century, and has already made a large amount of survey and drawing analyzing and basic research work, especially U.S.A. has proposed a lot of recommendatory standards, some have already been adopted by ISO(International Standards Organization), for instance three-dimensional H some dummies, eyes are oval. The foreign car designs the trade to extremely pay attention to the application of the ergonomic, for instance Japan, U.S.A.,etc. will do the corresponding ergonomic to check and check while designing the new style, and collect different crowds and carry on subjective appraisal. RAMSIS software which the German car industry developed jointly, has set up detailed three-dimensional dummy, offer, consult various service life from Germany, Japan an