04-人机工程学在车身设计中的应用

第四章人机工程学在车身设计中的应用§0.概述§1.H点人体模型§2.汽车驾驶员眼椭圆§3.风窗刮扫面积及部位确定和校核§4.驾驶员的手伸及界面2重庆大学车辆工程系§0概述0.1人机工程学–定义(IEA,TheInternationalErgonomicsAssociation)：人机工程学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；研究人和机器及环境的相互作用：研究人在工作、家庭生活和休闲时怎样考虑人的工作效率、健康、安全和舒适等问题的学科。•研究对象：人－机－环境•研究目的：高效、安全、健康、舒适•研究的基本内容：人的生理特性、心理特性•“考虑”：不是唯一的，也未必是优先的。人机工程学是从人的生理和心理特点出发，研究人、机、环境的相互关系和相互作用规律，以优化人－机－环境系统的一门学科。3重庆大学车辆工程系–“人机工程学”•HumanEngineering（美）•HumanFactorsEngineering/HumanFactors（美）•Ergonomics（欧）•人间工学(日）•人机工程学、人机学、人体工程学、人类工程学、人因工程学、人因学、人类工效学、工程心理学4重庆大学车辆工程系–人机系统的构成•“人”：所研究的系统中参与系统过程的人；•“机”：泛指一切人造的，供人使用的物品；•“环境”：“人”、“机”共处的、对“人”和“机”有直接或间接影响的周围外部条件。–人机界面•控制系统人机界面：机器通过显示器将机器的运转信息传递给人，人通过机器上的操纵装置对机器传达控制指令。•直接作用型人机界面：“人”与“机”直接相互作用。•间接作用型人机界面：“机”的输出通过对环境的影晌，间接作用于人的生理、心理过程。–人机工程设计•设计对象：人机界面。•设计目的：高效、安全、健康、舒适。0.2人机系统5重庆大学车辆工程系–“人”的特性的研究•人体尺寸及人体测量技术：静态尺寸和动态尺寸。其基础学科是人体测量学。•人体的力学性能：人在各种状况下，其质量特性、质心位置、肢体运动速度、人体各部分的体力和耐力等参数的变化规律。其基础学科是人体生物力学。•人的劳动生理功能：人的体力负荷、脑力负荷、人体反应与疲劳机制等。其基础学科是劳动生理学。•劳动中人的心理过程：心理调节的特点、心理反射的机制、心理负荷及疲劳的心理机制等。其基础学科是劳动心理学。•人的信息传递能力：人对信息的接受、传递、存储、加工和输出的能力及其机制。其基础学科是工程心理学。•人的可靠性：人在劳动中产生失误的可能性。•人员的选拔和训练研究：人的基本素质的测试与评价、人员的选拔和训练等。•人的动作时间研究：人的操纵动作的有效性，寻求改善作业的途径，进行人的操纵动作的合理设计。•人体模型研究：人的数学模型、物理仿真模型、人体模板等。0.3人机工程学的研究内容6重庆大学车辆工程系–“机”的特性的研究内容•信息传达技术：仪表显示、声音信息传达、触觉信息传达、图形符号传达、编码方法等。•操纵控制技术：操纵装置、控制装置、控制系统、键盘技术等。•安全保障技术：冗余性系统、机器保险装置、防止人的操作失误及失失职的设施、事故预警预防方法、救援方法、安全保护措施、机器的防错设汁等。•动力学仿真技术：受控对象的动力学建模、数学仿真、物理仿真等。•宜人化技术：改善人的舒适性及使用方便性的技术，如振动及噪声的控制和隔离，坐椅及用具的宜人化设计等。–“环境”特性的研究内容•作业空间：场地、厂房、机器布局、作业线布置、道路及交通、紧急脱险方法等。•物理环境：噪声、振动、照明、温度、湿度、气压、辐射等物理因素。•化学环境：有毒物质、化学性有害气体及水质污染等。•生物环境：细菌污染及病原微生物污染等。•美学环境：造型、色彩、背景音乐等。7重庆大学车辆工程系–人－机关系的研究•人机系统功能分配研究•人机的信息交换•人机系统特性协调研究•人机系统可靠性研究•人机系统安全性研究–人－环境关系的研究•环境因素对人的影响、环境质量标准、环境控制及生命保障系统的设计方法、人体防护技术等。–机－环境关系的研究•环境困素对机器性能的影响、机器对环境的影响、环境保护技术等。–人－机－环境系统总体性能的研究•基本目的是为了获得整个系统具有高的工效、高的安全性，对人有高的舒适度及很好的生命保障功能。概括为“安全、舒适、高效”。8重庆大学车辆工程系–人机分工•人机的机能比较把笨重、快速、单调、规律性强、高阶运算及在严酷、危险条件下的工作分配给机器。•制约人机分工的主要因素：–科技水平–社会、经济条件–在车辆人机工程设计中，主要考虑的人体因素：•人体尺寸：乘坐空间、操作空间、乘坐（包括进、出）姿势、操作（包括装、卸）姿势等；•人体的生物力学特性：手操纵力、足操纵力、门窗开闭力、操纵速率、操纵位移、操纵节拍和操纵准确度等；•人的感知响应特性：视觉、听觉；显示、报警；照明；•人的反应特性：感觉通道、刺激方式与刺激强度、操纵器负荷、反应动作等；•人体的耐受性：振动、噪声、车内气候、紧张等引起的疲劳、不舒适等；•人的安全性：人体伤害极限、安全防护装置。9重庆大学车辆工程系–人机学的萌芽期：自发思维倾向，本能行为方式。无系统的研究，未提出科学的理论原则。–人机学的孕育期：研究核心是最大限度地挖掘人的操作效率。要求人适应于机器，以机器为核心进行设计；研究的主要目的是选拔与培训操作人员。（“人适机”）–人机学的诞生：以机器为中心转变为以人为中心，强调机器的设计应适合人的因素。（“机宜人”）–人机学的发展期：人与机器应互相适应、人机分工应合理。0.4人机工程学的发展史10重庆大学车辆工程系1.1人体尺寸人体尺寸是一离散的随机变量。–均值μ，标准差σ–百分位数百分位数是一种位置指标、一个界值，以符号Pk表示。一个百分位数将群体或样本的全部观测值分为两部分，有k%的观测值等于和小于它，有(100-k)%的观测值大于它。人体尺寸用百分位数表示时，称人体尺寸百分位数。若已知某项人体测量数据的均值μ、标准差σ，可计算任一百分位的人体尺寸百分位数：Pk＝μ±σK式中K为转换系数，可根据不同的百分数查表确定。§1H点人体模型11重庆大学车辆工程系GB/T10000提供的我国成年人人体尺寸的基础数据立姿人体尺寸6项坐姿人体尺寸11项人体水平尺寸10项人体头部尺寸7项人体手部尺寸5项人体足部尺寸2项人体主要尺寸6项12重庆大学车辆工程系–人体主要尺寸(mm)–立姿人体尺寸(mm)13重庆大学车辆工程系–尺寸修正量•功能修正量–穿着修正量：考虑穿鞋、戴帽、穿衣后的尺寸变化量。如：着衣修正量：坐姿时的坐高、眼高、肩高、肘高加6mm,胸厚加10mm,臀膝距加20mm。穿鞋修正量：身高、眼高、肩高、肘高对男子加25mm，对女子加20mm。–姿势修正量：躯干呈放松状态及处于不同姿势引起的尺寸变化量。如：立姿时的身高、眼高等减10mm；坐姿时的坐高、眼高减44mm。–操作修正量考虑不同操作动作（用手指、手掌、手臂操作）引起的尺寸变化量。如：对按按钮、推滑板推钮、搬动搬钮开关的不同操作功能应作如下的修正：按减12mm、推和搬拨减25mm。•心理修正量：考虑心理因素（压抑感、恐惧感、美观等）而加的尺寸修正量。–产品功能尺寸的设定产品最小功能尺寸＝人体尺寸百分位数＋功能修正量产品最佳功能尺寸＝人体尺寸百分位数＋功能修正量＋心理修正量GB/T12985《在产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则》14重庆大学车辆工程系–产品尺寸设计•Ⅰ型产品尺寸设计（双限值设计）：需要两个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值和下限值的依据。•Ⅱ型产品尺寸设计（单限值设计）：只需要一个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值或下限值的依据。–ⅡA型产品尺寸设计（大尺寸设计）：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。–ⅡB型产品尺寸设计（小尺寸设计）：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。•Ⅲ型产品尺寸设计（折中设计）：只需要第50百分位人体尺寸作为产品尺寸设计的依据。–满足度指所设计的产品在尺寸上能满足多少人使用，以合适地使用的人占使用者群体的百分比表示。15重庆大学车辆工程系–人体尺寸百分位数的选择16重庆大学车辆工程系1.2人体模型人体模型是模拟某种人体特性的装置。–二维人体模型•模拟主要人体尺寸17重庆大学车辆工程系–三维H点装置•模拟人体坐姿的H点位置。用来检查每个特定汽车座椅的实际H点的一种装置。•H点：人体身躯与大腿的铰接点，即胯点（HipPoint）。¾R点（座椅基准点SgRP/最后H点）：制造厂规定的设计基准点。该点a.确定了正常驾驶或乘坐的座椅最后位置；b.确定了座椅相对车辆的坐标；c.模拟人体驱干和大腿铰接中心位置；d.是用来安装二维人体样板的参考点。¾汽车座椅H点：按规定将三维H点装置安装在汽车座椅上，三维H点装置的躯干线和大腿中心线的交点。18重庆大学车辆工程系–汽车碰撞试验人体模型•模拟人体各部分的质量、惯量、弹性、迟滞性、阻尼；•模拟主要人体尺寸；•安装有传感器。–部分人体模型•头部模型：模拟头部的部分尺寸、质量及皮肤的力学响应特性。•胸部模型：模拟头部的部分尺寸、质量及皮肤的力学响应特性。•人造皮肤与皮下组织：模拟力学响应特性。•两自由度振动人体模型：模拟部分集中质量、弹性、阻尼。19重庆大学车辆工程系§2眼椭圆（SAEJ941RevSUP2002）2.1眼椭圆的概念眼椭圆是汽车驾驶员眼睛位置的统计分布图形。–眼椭圆的测量•驾驶员按意愿调整座椅，以正常驾驶姿势入座；•前方屏幕上播放城市交通影像；•两像机等高，在前方和侧面同步拍摄，以确定驾驶员眼睛位置。20重庆大学车辆工程系–驾驶员眼睛位置测量数据的统计•在前后、上下、左右三个方向分别服从正态分布•双变量的正态分布的等百分比线为一椭圆。因此，驾驶员左右眼睛位置的等百分比轮廓线在侧视图和俯视图上均为椭圆。百分位视切比2-D包含比(侧视图)3-D包含比90.0090.00%56.01%35.02%95.0095.00%74.15%56.07%99.0099.00%93.32%85.60%99.9699.96%99.66%99.00%„眼椭圆的几何意义¾视切比：含眼椭圆的切线一侧区域内的眼睛数与眼睛总数之比。¾包含比：眼椭圆内包含的眼睛数与眼睛总数之比。21重庆大学车辆工程系–A类汽车与B类汽车•A类汽车：通常包括小型乘用车、多功能车、皮卡车等。•B类汽车：通常包括载货汽车、大客车、多功能车（MPV）。驾驶员工作空间尺寸尺寸范围A类汽车B类汽车座椅参考点到踵点的垂直高度(H30)127~405mm405~530mmH点高度调节量(TH23)0~50mm0mm座椅水平调节量(TL23)≥100mm≥100mm方向盘直径(W9)＜450mm450~560mm躯干角(A40)5°~40°11°~18°2.2眼椭圆尺寸及眼椭圆在汽车内的位置22重庆大学车辆工程系2.2.1A类汽车、驾驶员男/女比例为50/50，座椅位置可调–眼椭圆尺寸•对于男性身高均值1755mm、标准差74.2mm和女性身高1618mm、标准差68.7mm（美国人），其眼椭圆的轴长按下表确定。座椅水平调节量百分位X轴长Y轴长Z轴长13395206.460.393.499287.185.3132.11~13395173.860.393.499242.185.3132.123重庆大学车辆工程系–眼椭圆在汽车内的位置Xc=L1+664+0.587(L6)–0.176(H30)–12.5tYcl=W20–32.5Ycr=W20+32.5Zc=H8+638+H30β=12.0°式中t取决于变速器型式。有离合器踏板取t=1，没有离合器踏板取t=0。–眼椭圆尺寸•男女眼椭圆中心与眼椭圆参考中心的距离M=0.473(SM–SR)，F=0.473(SF–SR)；•男女眼睛位置在眼椭圆侧视图长轴方向上的分布标准差•由下式解出CM、CF1–q=pMφ[(CF–M)/sdM]+(1–pM)φ[(CF–F)/sdF]，q=pMφ[(CM–M)/sdM]