车辆设计的人机工程学研究及应用的初探.docx

车辆设计的人机工程学研究及应用
摘要：人机工程学是一门综合性学科，是综合了人体解剖学、心理学、生理学各方面的知识，并在机械、电子工程等方面进行应用。车辆的人机工程学，是人机工程学的一个重要应用分支。随着汽车工业的不断发展及科学技术的不断进步，对人机工程学在汽车工程领域应用也提出了更高的要求。对汽车车身内部布置方法进行相关的人机工程研究，有助于改善汽车驾驶员的劳动条件，对保护驾驶员和车内乘员的身心健康、生命安全起着重要作用。针对影响汽车车辆人机工程设计工作的若干重要因素，如满足对象、评价数据、人类影响因素、数据标、及相关研究成果的应用等，进行了介绍和阐述，并提出了自己的见解。
关键词：车辆人机工程，研究成果，应用

Ergonomics is a combined discipline, is a comprehensive knowledge of human anatomy, psychology, physiology various aspects and applications in mechanical, electronic engineering. Ergonomics of the vehicle, is a branch of ergonomics important applications. With the continuous development of the automotive industry and the continuous progress of science and technology, on ergonomics in the field of automotive engineering applications are also put forward higher requirements. Internal layout method for auto body related ergonomic research, help to improve the car driver's working conditions, the protection of the driver and the vehicle occupant health, life safety plays an important role. Several important factors affecting the automotive vehicle ergonomic design work for, such as to meet the target, the evaluation data, human factors, the data standard, and the application of research results, etc., are introduced and explained, and put forward my own views.
Keywords vehicle ergonomics，research, applications

车辆人机工程学是人机工程学在地面车辆系统领域的重要应用分支,该学科以人的健康、安全、舒适为最终目标,以人一车一环境系统为研究对象,以改善驾驶员和乘客舒适性、适应性为核心,使整个人一车一环境系统的总体性能达到最优。经过最近十几年的研究应用,车辆人机工程学为车辆的人性化设计提供了方法、理论、规范和标准,己经建立了一系列比较成熟的理论和方法,成为现代车辆设计中非常重要的理论依据,并不断得到应用和发展。在人一车一环境系统中,驾驶员是人机工程学研究的核心对象。随着交通环境和行驶道路的日益复杂化,车辆形态的日益多样化,自动化程度的不断增长,功率和工作速度的不断提高,驾驶员的工作越来越复杂和繁重,因而越来越迫切的需要改善驾驶员工作条件。这就使得人机工程学在车辆设计和使用中的重要性尤为突出。
汽车车身内部布置是汽车总布置设计的重要部分,采用合适的汽车车身内部布置方法可以提升整个车身的设计水平。车身内部布置是一个不断优化和综合考虑各个因素的过程,这些考虑因素主要包括:整车布置形式、车身造型、车身与底盘的关系等。一个高雅而舒适的驾驶室应该具有这些特点:舒适的座椅布置,开阔的视野,布置紧凑的仪表以及伸手可及的操作元件。“以人为中心”的设计思想是现代汽车车身内部布置的主流思想,该思想的主要设计点为:保证驾驶员与乘员的舒适性、手伸及性、安全性、上下车方便性、居住性,以及驾驶员的视野性、操纵方便性等。上述设计点式基本要求,在满足以上性能要求的前提下,还要要优化各个总成的协调关系,以及尽量减小外形尺寸,减小整车质量,增大室内空间等等。从上述可以看出,汽车车身内部布置过程是一个涉及多门学科的优化过程。它涉及到人机工程学、统计学等学科。因此,汽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,对车身内部各个部件进行布置优化的方案设计过程。
1 驾驶员眼椭圆
1.1 车辆驾驶员眼椭圆的概念
在驾驶员一车辆一环境系统中,人机界面的视觉链的优化匹配,必须以驾驶员的眼睛位置(视点)为定位基准。由于人的身材大小之不同,不同的驾驶员以正常驾驶姿态坐在驾驶座椅上,他们的视点是显然不同的。运用统计的原理和方法研究驾驶员的视点分布规律,发现车辆驾驶员的视点分布图形呈椭圆状,故称之为驾驶员眼椭圆美国汽车工程师协会(sAE)通过2300多名男、女驾驶员进行试验测定和统计分析后,得出汽车驾驶员眼睛位置在水平面上和纵向垂直面的分布范围都呈椭圆形的结论。这2300多名男、女驾驶员来自美国各州及欧洲、亚洲和其他国家,因此具有一定的普遍性,美国汽车工程师协会(sAE)根据这个结论提出了车辆驾驶员眼椭圆的概念。他们把SAE眼椭圆分为第90、第95、第99百分位等若干种投影图形,分别代表某个百分位人群的眼椭圆分布规律。

图1 眼椭圆分布规律
1.2 眼椭圆样板及其定位
车身总布置中,在己知sgRp点、座椅水平行程和座椅靠背角的条件下,便可唯一的定位眼椭圆。眼椭圆的尺寸与座椅水平调节行程有关,而眼椭圆在车身坐标系中的位置与座椅靠背角有关。
图2 眼椭圆在车身坐标系中的位置
1.3 眼椭圆在车辆设计中的实际应用
1.3.1 汽车风窗玻璃透明区及刮扫面积与部位
汽车风窗玻璃透明区及刮扫面积与部位校核按SAE推荐的方法，先在车身侧视图与侧视图上画出第95百分位眼椭圆，根据规定的角度分别作眼椭圆上、下左右4个切平面，这4个切平面与风窗玻璃交线构成了视野要求的刮扫区域，如图1所示。首先风窗玻璃透明区至少应包括整个A区，遮阳板、遮阳带及其它对透光性能有妨碍的风窗附件应在该区域之外。其次，为保证雨雪天有良好的视野，汽车风窗玻璃刮扫系统应保证各区域的刮净率分别是：区域C为100%，区域B为95%，区域A为80%。
图3 汽车风窗玻璃透明区及刮扫面积与部位
1.3.2 方向盘、仪表板、前门窗
汽车行驶中驾驶员的前方180° 范围内的视野要受到方向盘、仪表盘、前门窗下沿高度等的影响，在设计中应当用眼椭圆进行校核。首先，通过眼椭圆向下分别作与水平面成1° 和4° 的夹角的两个切平面，前方方向盘最高点应当低1°切平面，仪表板的最高点应低于4 °的切平面，4° 切平面绕Z轴向左右各旋转90° ，前门窗下沿的最高处及其它对视野有影响的障碍物应处于该平面之下。另外，方向盘的轮缘、轮幅和轮廓在仪表板上形成的视野盲区，不应当影响驾驶员对仪表或显示装置的读识。该视野盲区可以通过眼椭圆用作图法确定。这样可以使车速表，发动机转速表等重要仪表避开方向盘所形成的视野盲区。同时可以验证视点到仪表的目视距离是否符合要求，美国Henry.Dreyfas标准的规定为最大目视距离为7llmm，推荐值为550mm。
2 驾驶员手伸及界面
2.1 驾驶员手伸及界面的概念
SAEJ287和国际标准工503958定义了驾驶员手伸及界面的概念,并对车内操作杆件、控制钮件、开关等的合理布置及检验作了详细的说明。驾驶员的手伸及界面是指驾驶员以比较舒适的驾驶姿势坐在座椅中、右脚踩在加速踏板的踵点上,身系安全带、一手握住方向盘,另一手可以触及到的最大空间轮廓面。车身设计中的一个重要方面是合理布置驾驶室内部各种操作手柄、操作按钮。只有保证仪表板及其周围的操作手柄、控制按钮和开关的位置以及仪表和指示、警告灯等都布置在驾驶员的手伸及界面以内,都符合车辆人机工程学的基本要求,这样驾驶员就可以在不必大幅度改变舒适的驾驶姿态下方便的操纵这些钮件,才能保证司机在驾驶时保持注意力集中,同时操作方便、快捷而准确。这是保证驾乘舒适和行驶安全不可缺少的条件。在实验室内手伸及界面测量台上可以进行驾驶员的手伸及界面的测量,一般采用一个25的三指抓捏式操作钮件作为测量台的手接触端。根据操作钮件的形式对三指抓捏式操作钮件进行一定的修正是利用测量台的手伸及界面对车内操作钮件等进行伸及性校核时必须进行的措施,例如手推式按钮的伸及范围要比指点式的往后缩短大约50,而指点式按钮的伸及范围应比抓捏式按钮的往前加长大约50。大量实验数据显示,驾驶员手伸及界面是一个如同椭球的空间曲面。503958驾驶员的手伸及界面形状及SAEJ287驾驶员的手伸及界面形状如图

图4 503958驾驶员的手伸及界面形状

图5 SAEJ287驾驶员的手伸及界面形状
2.2 驾驶员手伸及界面的应用
为保证驾驶的舒适性和驾驶员的操作方便,驾驶员在驾驶过程中用到的各种按钮和操纵件应尽可能的布置在驾驶员的手伸及界面内。当操纵件和各种按钮布置在手伸及界面的范围内时,操纵件和按钮的布置是可以满足驾驶员的手伸及性要求。因此驾驶员手伸及界面可以用来检验操纵件和按钮在驾驶室中的布置位置是否合理。
3 结束语
以上是对在进行车辆人机工程设计及研究时，需要考虑几个重点关注问题的介绍。随着车辆使用群体特征的变化、车辆设计与制造技术的进步、道路交通环境的改善以及社会大环境的变化，车辆人机工程学的研究课题，必将不断地变化，在未来的车辆人机工程学学习及应用中，需要考虑更多的问题，面临着更新的挑战。