基于人機工程學的轎車車聲設計

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1、人機工程學在車身設計中的應用 1 概述 人機工程學是近40年來發(fā)展的一門新興學科，在車身設計中得到了大量的應用。 一、人機工程的概念 研究對象：人—機—環(huán)境系統(tǒng)的整體狀態(tài)和過程。 任務：使機器的設計和環(huán)境條件的設計適應于人，以保證人的操作簡便省力、迅速準確、安全舒適，充分發(fā)揮人、機效能，使整個系統(tǒng)獲得最佳經(jīng)濟效益和社會效益。 研究范圍： ①人的生理、心理特征和能力極限——能承受的極限； ②人機功能的合理分配——充分發(fā)揮各自特長； ③人機相互作用及人機界面設計； 相互作用——利用信息顯示器和控制器實現(xiàn)人—機間信息交換的過程； 人機界面——使顯示器與人的感覺器官的特性

2、相匹配，使控制器與人的效應器官相匹配，以保證人、機之間的信息交換迅速、準確。 ④研究環(huán)境及其改善——溫度、濕度、照明、噪聲、振動、塵埃、有害氣體等對人的作業(yè)活動和健康的影響。以及控制、改善不良環(huán)境的措施和手段； ⑤研究作業(yè)及其改善——人從事體力和腦力作業(yè)時生理、心理變化，由此確定作業(yè)時的合理負荷及耗能量、合理的作業(yè)和休息制度、合理的操作方法→↓疲勞，保障健康，↑作業(yè)效率； ⑥研究人的可靠性與安全——工程系統(tǒng)日益復雜和精密，操作人員面對大量的顯示器、控制器，容易出現(xiàn)人為差錯而導致事故發(fā)生?！芯咳说目煽啃约坝绊懸蛩兀瑢で鬁p少人為差錯，防止事故發(fā)生的途徑和方法。 二、人機工程學與車身設計的

3、關(guān)系 1、人機工程學的研究目的——要解決的問題 ①如何減少汽車的各種物理性能對人生理、心理所產(chǎn)生的影響； ②如何減少駕駛操作的失誤而造成的事故。 2、在汽車工程中的應用 ——對現(xiàn)有條件下駕駛汽車和乘坐汽車在生理、心理及社會等各方面進行大量統(tǒng)計與調(diào)查，引入生理學、醫(yī)學、心理學、人體解剖學、運動生物學、人體測量學、工程學、機械學、環(huán)境科學、信息工程、系統(tǒng)工程等學科的觀點和方法，開展全面研究和分析→改善汽車的各種性能。 目的：為汽車設計、改進提供各種調(diào)查、改進、試驗與分析結(jié)果，使汽車更好地、盡善盡美地為人服務。 3、車身內(nèi)部各種物理量的變化和人體的承受范圍 人對車內(nèi)各種物理量變化的感

4、受具有一定的限度。 車內(nèi)各種物理量的變化超過允許條件→感到疲勞、頭暈、惡心、嘔吐等生理上的病態(tài)變化和心理上的煩燥不安。 措施：采用各種燈光、音響報警裝置→及時提醒注意； 應用空調(diào)設備→調(diào)節(jié)車室氣候； 采用各種絕緣、密封手段→↓振動、噪聲、空氣污染。 ——為乘客創(chuàng)造一個安全、可靠、舒適的乘坐環(huán)境。 4、研究內(nèi)容： ①人體尺度和操縱范圍； ②人的視覺和光效應； ③聽覺信息的傳遞和噪聲干擾； ④人體對環(huán)境的適應； ⑤人—車系統(tǒng)的響應時間； ⑥人—車系統(tǒng)的特性和安全駕駛； ⑦飲酒對駕駛的干擾。 要求：從主觀和客觀兩方面使汽車的各種性能更好地適應人們的心理和生理上的要求。

5、 5、達到的目的 根據(jù)人類生理、心理的自身規(guī)律來指導設計； 為駕駛員創(chuàng)造一個安全性、操作性好，視野開闊、清晰而又舒適的工作環(huán)境； 使乘客感到安全、舒適和方便，不會有過度疲勞與不良的生理反應； 從主觀和客觀，積極和消極等方面采取措施，使車禍降到最低限度 2 人體的尺度和人體模型 一、人體尺度和人體的動作范圍 人體尺度——人體所占的幾何空間尺寸。 人體的動作范圍——人四肢所能控制的區(qū)域和在此區(qū)域內(nèi)人能產(chǎn)生的作用力的大小。 采用人體測量的方法為人體尺度和動作范圍提供各種數(shù)據(jù)資料，并由此確定了以人體身高為基本尺度的等級系列。 1、人體尺度的表示方法——百分位 按身高分布的百

6、分位表示的人體尺度——稱百分位身高。 車身設計中，采用的人體尺度是5%百分位和95%百分位，以保證90%（從5%百分位到95%百分位）的人能在所設計的汽車座椅調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，獲得最適合于自身尺度的乘坐空間和操作空間→↑舒適性、操作方便性。 50%百分位的人體尺度（人體平均尺度）——用于檢驗中間尺寸。 2、人體尺度的應用 ——確定人體在座椅中所占的 幾何空間和活動范圍。 用測量的人體統(tǒng)計數(shù)據(jù)設計人 體模型→按比例制作5%、50%、 95%百分位的二維人體模型→放置 于車身總布置圖的駕駛座位上： 確定人體在座椅中所占的幾 何空間和活動范圍； 確定按5%和95%百分位的 人體尺

7、度所要求的各種調(diào)節(jié)范圍。 （5%和95%百分位的人體差距— 縱、橫、高度，即調(diào)節(jié)范圍） 確定乘客座椅的尺寸和布置 參數(shù)。 3、中國的人體尺度 中國地域遼闊，民族眾多，各地區(qū)成年人的人體尺度存在一定差異。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)知，中國人體身高按自然地理區(qū)域由北向南大致可分為三種身材： 大個身材——東北、華北和西北地區(qū)的人體； 中等個身材——華東、華中和西部等地區(qū)的人體； 小個身材——華南、西南地區(qū)的人體。 如：男子身高均值μ=1688mm，標準差σ=81.83mm,取5%和95%百分位作為設計標準，則由：μ1.645σ，得中國90%的男子身高在1554～1823mm之間。 二、H點人體

8、模型 1、人體模型 汽車設計和試驗用人體模型因用途不同，種類不一。 假人——撞車試驗用人體模型，費用高，每個2～5萬美元； 三種： 多自由度人體模型——振動等試驗用； H點人體模型——確定車身實際H點位置。 2、H點人體模型——三維H點人體模型 H點——人體身軀與大腿的鉸接點。 用途：車身內(nèi)部模型中的布置和測量。 國際標準：ISO6649-1980對H點人體模型的結(jié)構(gòu)、代表人體各部分重量重塊的位置等都作了具體規(guī)定。 各部分尺寸、質(zhì)量、質(zhì)心位置——以人體測量資料為依據(jù)。 臀盤模仿人體臀部和大腿； 背盤——模仿人體背部； 輪廓線形狀——真實人體的統(tǒng)計反映； 背盤與臀盤鉸

9、接處——相當于人體胯點位置設鉸接副，鉸接中心被定義為H點。 H點人體模型按照有關(guān)標準安放在汽車座椅上時，模型上的H點在車身中的位置——汽車實際H點位置。 ISO6649-1980對如何利用H點人體模型在汽車座椅上來確定H點的程序作了具體規(guī)定：用途、定義、對三維H點人體模型的描述、三維H點人體模型的安裝位置順序等。 ——適用于：駕駛員踵點至R點（設置座椅基準點——人體軀干線和大腿中心線的鉸接點）垂直距離＜550mm，靠背角＞5，或由大腿桿所表示的大腿中心線的方位在水平線之上＞5的任何設計方案。 標準還對5%、95%百分位的H點人體模型的小腿桿長、大腿桿長和兩膝之間的距離作了規(guī)定。 各國

10、都根據(jù)本國和主要汽車輸出國家和地區(qū)的人體尺寸規(guī)定了三維H點人體模型——產(chǎn)品進入國際市場。 中國人體模型標準見GB/T11559-89。 3 汽車駕駛員的眼橢圓 眼橢圓是研究眼睛分布范圍的一種圖形。汽車駕駛員的眼橢圓用于研究駕駛員眼睛位置在車身中的分布范圍，對駕駛員的視野設計極為重要。 一、人眼的視覺范圍 單眼視區(qū)——人只用左眼或右眼單獨觀察事物時所能看到的區(qū)域。 雙眼視區(qū)——人用雙眼觀察事物時所能看到的區(qū)域。 1、頭部、眼睛不轉(zhuǎn)動的視野范圍。 條件：眼睛保持向前直視，眼球、頭部不轉(zhuǎn)動。水平方向：左單眼觀察：直前視線左邊90，右邊60； 右單眼觀察：直前視線左邊60，右

11、邊90； 雙眼同時觀察，左、右單眼觀察的重疊區(qū)：120。 ——雙眼視區(qū)。 垂直方向: 雙眼視區(qū)——直前視線上方50～55； 下方60～70。 可見，由此構(gòu)成了人眼視錐，錐頂就是瞳孔距的中心。 2、眼睛和頭部轉(zhuǎn)動時的視覺范圍 駕駛員觀察周圍事物，往往轉(zhuǎn)動眼睛和頭部→擴大視野。眼睛和頭部的轉(zhuǎn)動范圍，按舒適與否，分為兩種： ①自然轉(zhuǎn)動——轉(zhuǎn)動頭部和眼睛，無勉強感和不舒適感眼睛自然轉(zhuǎn)動范圍：水平方向：左15，右15； 垂直方向：上15，下15。 頭部自然轉(zhuǎn)動范圍：水平方向：左45，右45； 垂直方向：上30，下30。 ②勉強轉(zhuǎn)動——在轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)感到不適和疲勞 眼睛勉

12、強轉(zhuǎn)動范圍：水平方向：左30，右30； 垂直方向：上45，下65。 頭部勉強轉(zhuǎn)動范圍：水平方向：左60，右60； 垂直方向：上50，下50。 二、駕駛員的眼睛分布范圍——眼橢圓 1、眼橢圓的意義 ——汽車駕駛員以正常的駕駛姿勢坐在座椅中時，其眼睛位置在車身中的統(tǒng)計分布圖形——該圖形呈橢圓形，故稱眼橢圓。 眼橢圓是車身設計中的幾種工具性圖形之一。 2、來歷 由于駕駛員的身材、坐姿和駕駛習慣等方面的差異，駕駛員的眼睛位置在車身中是不可能固定不變的，而是呈某種形態(tài)分布的曲線。美國汽車工程師學會車身工程委員會人體模型分會通過對國內(nèi)各州（包括少數(shù)歐、亞洲及其它國籍）的2300多名男女駕

13、駛員的試驗測定及統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)駕駛員的眼睛位置在車身中的分布呈橢圓形。 根據(jù)上述結(jié)果，SAE就以眼橢圓來定義上述概念。 眼橢圓由此成為汽車駕駛員眼睛位置分布范圍的同義詞 。 SAE眼橢圓——分第90、第 95、第99等幾種投影圖，分別代 表一定百分比的駕駛員的眼睛位置。 ——在決定（確定）駕駛員眼睛位置和視野性方面起著重要作用→國際標準采納：ISO4513-1978。 3、眼橢圓幾種投影圖的含義 ——第90、第95、第99等幾種投影圖，分別代表一定百分比的駕駛員的眼睛位置。 在投影圖上繪出一條相切于第95百分位眼橢圓的切線，說明有95%的駕駛員眼睛位置位于切線的下側(cè)，而僅有5

14、%的駕駛員眼睛位于切線上側(cè)。 注意：切線切出的百分比并不等于橢圓本身包圍的駕駛員眼睛位置的百分比。它們有如下關(guān)系： 切線剖出的百分比：80 90 95 99 平面橢圓內(nèi)的百分比：30 56 74 93 空間立體內(nèi)的百分比：13 35 56 86 眼橢圓側(cè)視圖前低后高，俯 視圖向右偏斜。 三、眼橢圓樣板的繪制 為什么要繪眼橢圓樣板—— 便于設計和校核。 常將幾種典型的百分位眼橢 圓制成樣板——方便使用。 制作步驟： 1、眼橢圓中心座標：由胯 點行程→與X-X、Y-Y、Z-Z的 距離→中心位置。 2、眼橢圓長、短軸：長軸相等，短軸不等，查表得出。 3、方位角——在

15、兩視圖上均呈傾斜狀 側(cè)視圖：長軸傾斜角-6.4——前低后高； 俯視圖：長軸傾斜5.4——向右偏斜。 4、眼橢圓定位線 ——指側(cè)視圖上的基線x-x、z-z相對于垂直工作線X-X和Z-Z的交點的水平和垂直位移，由座椅靠背角根據(jù)表4-4查出。 由上述四步，即可確定側(cè)視和俯視平面內(nèi)眼橢圓的形狀和位置。 四、眼橢圓樣板在車身側(cè)視和俯視圖上的定位 1、在側(cè)視圖上的定位 步驟： ①根據(jù)設計確定的H點行程（水平調(diào)節(jié)量）及眼橢圓百分位，在樣板組中選取相應的樣板； ②在車身側(cè)視圖上，由最后H點向上作垂直工作線Z-Z； ③由H點向上在635mm處作一水平工作線； ④將眼橢圓定位線放在兩工作線

16、的交點上。該交點是座椅靠背角為25時眼橢圓自身座標原點所在的位置。若背靠角不是25時，自身座標相對于垂直工作線和水平工作線的偏距 由表4-4查得。 ⑤將眼橢圓樣板置于眼橢圓定位線上的兩基線X-X、Z-Z的交點上，該交點所對應的靠背角值應是制造廠所規(guī)定的前座椅靠背角的設計值。 ——注意，在25時，兩基線 與兩工作線（參考線）重合；當不足 25時，兩基線與兩工作線相互平行。 2、在車身俯視圖上的位置 ①對于座椅為長條椅的客車，方 向盤中心線與眼橢圓樣板的X-X軸的距離為0.15(a-b),其中a為駕駛區(qū)肩部的1/2車寬,b為方向盤中心到汽車中心的距離; ②對于座椅為單人椅或挖斗椅，

17、則將左右眼橢圓中心連線的中點置于H點上，且保持X-X軸與汽車縱向中心線平行即可。 4 視野校核 目的：保證所設計的汽車具有良好的視野，使駕駛員能通過視覺，最大限度地獲取外界信息→保障行車安全。 確定駕駛員的視野范圍。 依據(jù)：駕駛員的眼橢圓。 一、前方視野校核 目的：檢查所設計汽車的前方視野是否符合要求——安全法規(guī)，能否保證正常駕駛。 內(nèi)容：直前視野、儀表視野校核。 1、直前視野——前方視野，駕駛員通過前風窗玻璃所能看到的范圍。 要求：盡量寬闊，受風窗玻璃、風窗立柱、鼻梁、未刮凈區(qū)和未除霜區(qū)等的影響最小→保證處于正常工作位置的駕駛員能清楚無誤地看到前方的交通、道路和環(huán)境狀

18、況。 ①前方盲區(qū)和辨認交通信號燈校核 a）在側(cè)視圖上作駕駛員第95%百分位眼橢圓； b）從前風窗下沿（或儀表臺最高點——儀表臺高于前風窗下沿）和上沿分別作第95%百分位眼橢圓下緣和上緣的切線（切平面）： 下緣切平面和地面交點到客車前端的范圍即為前方盲區(qū)，要求≯4.5m(GB4992-85)，國外要求≯3m。近年德國TUV運輸安全研究所在完成對現(xiàn)代大客車技術(shù)裝備狀況和人體工程學指標的研究中提出，現(xiàn)代大客車的前方盲區(qū)應＜1.4m，即保證在距車前端0.8m 處坐高為0.5m的小孩可以被駕駛員發(fā)現(xiàn)。達不到則要求安裝下視鏡。 上緣切平面與直前視線的夾角＞15，并保證車前15m，高5m的交通信

19、號燈能被方便地看見，且視角α＜15。 ①前風窗視野角校核 要求：在結(jié)構(gòu)允許的情況下，前風窗視野角越大越好。 方法：過前風窗兩立柱的前端向第95百分位眼橢圓作切線，要求兩切線間的夾角越大越好，一般應＞120。 為避免影響前方視野，前風窗應盡可能無鼻梁或鼻梁較小。 ②風窗玻璃刮掃面積和刮掃部位校核 要求：以駕駛員眼睛位置為基準。 刮掃系統(tǒng)不僅要有足夠的刮掃面積，而且應有正確的刮掃部位； 在整個刮掃面積內(nèi)的不同區(qū)域，應有不同的清晰度要求——刮凈率。 風窗玻璃的刮凈率要求 區(qū)域 轎車 大客車 A 80% 整塊玻璃 80% 多塊玻璃 65% B 95% 整塊玻璃

20、 94% 多塊玻璃 70% C 100% 整塊玻璃 99% 多塊玻璃 84% 校核方法： 在車身側(cè)視圖和俯視圖上作第95百分位眼橢圓； 根據(jù)表4-7（轎車表4-5）中規(guī)定的角度分別作眼橢圓上下、左右四個切平面，這四個切平面與風窗玻璃的交線構(gòu)成了為視野所要求的刮掃區(qū)域或部位。 校核后若達不到要求的區(qū)域（面積），應調(diào)整刮水器的安裝位置，或加大刮片的長度。 ④前風窗除霜面積校核 要求： 在規(guī)定的除霜試驗條件下，30min內(nèi)各種不同類型汽車的除霜面積和除凈率達到③中要求的刮掃面積、刮掃部位和刮凈率； 面積B中未除凈部分只允許位于面積的周圍邊緣。如達不到要求，可

21、修改暖風機的除霜噴口位置或設計形狀，或加大除霜風量。 2、儀表視野校核 目的： ①檢查儀表的視野——可視程度是否滿足要求； ②檢查儀表視角是否滿足如下推薦值： 轎車：α=90——儀表平面中心與眼橢圓中心的連線和儀表平面的夾角。 =10——儀表平面與垂直平面夾角。 β≯30——儀表視線與直前視線夾角。 客車：α≈90，β≯65，γ≯50。 ③外來光線的反射是否影響駕駛員的視覺； ④儀表在風窗玻璃上的影像是否影響駕駛員視覺。 校核內(nèi)容和方法： ①方向盤和儀表位置 在車身側(cè)視圖上作第95百分位眼橢圓； 通過前風窗下沿和方向盤頂點引一條直線a，該直線應與第95百分位眼橢圓

22、下沿相切——表示有95%以上的駕駛員可以不受方向盤和風窗下沿的影響去觀察前方； 通過儀表板上沿和方向盤上端的內(nèi)環(huán)，儀表板下沿和轉(zhuǎn)向柱端作兩條切線b、c，應分別與第95%百分位眼橢圓的上下緣相切，其所形成的區(qū)域表示約有90%的駕駛員可以通過方向盤內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)向柱之間的空間去觀察儀表。 ②儀表板對外來光線的反射校核 在圖中作儀表板對外來光線的反射線d、e，看是否與眼橢圓區(qū)相交——檢查儀表對外來光線的反射是否影響駕駛員的視覺。 ③儀表板上各種零件映照在風窗玻璃上的形象 在圖中作儀表板零件受外來光線照射后映照在風窗玻璃上的影象（如圖中f線），其反射后是否與眼橢圓區(qū)相交。 通過上述校核，如發(fā)現(xiàn)儀表板、方向盤的形狀或位置設計布置不合理，不能滿足視野要求，就應采取措施加以改進。 措施： 10、采用一字形方向盤——使駕駛員清楚、不受影響地觀察儀表； 20、在儀表板上部做出較長的遮檐——避免儀表影像的影響; 30、采用帶亮度調(diào)整的全面透過式儀表——不反射光線; 40、將儀表或遮檐表面做成深暗色、無光澤的凹凸紋樣（布紋或皮質(zhì)處理）——吸收強烈的光線和造成漫反射等，消除刺目反光，改善儀表視野。