毕业设计（论文）-基于人机工程学SUV车乘坐舱设计.doc

上海工程技术大学毕业设计（论文） 基于人机工程学suv乘坐舱设计提供全套毕业设计，各专业都有摘 要随着轿车在人们生活中的普及，人们对轿车驾驶室也相应提出了安全、舒适、健康、高效等新的要求。因此有必要探讨一种驾驶室新的设计思想和设计方法，以满足人们对现代轿车的要求。本课题以汽车人机工程学的理论为基础，结合计算机技术，提出了基于人机工程学原理的轿车驾驶室设计方法。在论文中通过收集大量资料和借助于catia软件的帮助主要进行了h点优化设计，手操纵件的校核和手伸及界面的校核。1）论文中利用catia建模和分析h点的具体位置，提出h点的优化设想，调整h的位置来改善其舒适性和视野性等。2）论文中提出对手操纵件的校核，主要对手操纵件、指示器及信号显示装置进行校核，以gb/t 17867-1999法规为标准，校核是否满足法规的要求。3）论文中提出对手伸及界面的校核，检验重要操作件、按钮是否在驾驶员手伸及范围之内，是否满足sae j287（1988）、iso3958：1996法规的要求。整个设计过程都是为了实现驾驶室人机工程学的设计目标：安全、舒适、健康、高效。关键词： 驾驶室 人机工程学 人体尺寸 计算机辅助设计 abstractwith the carpopularization in common living, peoples requestment to cab has gone up to safety, easiness, health and high efficiency, etc. so probing into a new cabs designing idea and method is necessary to meet with the requestment.based on car man-mechine engineering theories, using computer technology, the thesis gives a car cab designing method based on man-mechine engineering theories, and builds a database of our country peoplesbody size in relation to cab designding. in this graduation project i do my work through collectting massive materials and using catia. mainly has carried on the below work:1)hpoint optimization, adjusts h-point position, improves its comfortableness and the field of vision and so on.2)hand control examination. examines whether satisfies the requestment of the law gb/t 17867-1999 .3)the hand extends and the contact surface examination. examines whether satisfies the requestment of the law sae j287（1988）、iso3958：1996. the entire design process all is for achieve the cab man-machine design goal.safe, comfortable, healthy, is highly effectivekeywords: cab, man-mechine, body size, engineering cad基于人机工程学suv车乘坐舱设计陈 澄 0611032590 引言人体工程学是从20纪50年代开始迅速发展起来的一门新兴的边缘学科，是从人的生理特点出发，研究在提高人体机器环境系统的总体效能的目标中人体机器环境相互关系的一门科学。指导汽车车身总布置设计的核心理念是“人机环境”思想。在人机环境理论中，“人”是作为主体：“机”是指人所控制的一切对象的总称：“环境”是指人、机共处的特殊条件，它即包括物理、化学因素的效应，也包括社会因素的影响。在汽车车身总布置设计系统中，“人”对应为驾驶员和乘员：“机”对应为驾驶员和乘员操作控制的对象，如方向盘、踏板、变速杆、制动手柄以及操作钮件等的控制对象集：“环境”对应为驾驶员和乘员乘坐的空间，车身外型控制以及光线、道路等外部因素。汽车车身总布置采用“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、安全性，以及驾驶员的操纵方便性、视野性等非常重要。1绪 论1.1 汽车车身内部布置方法概述1.1.1 车身开发设计过程一辆新轿车从构思设计至成批投产，耗资十分巨大。车身开发设计的费用及时间约占整辆汽车开发费用和时间的70%。其主要包括：车身边界及总布置方案；基型开发；批量开发。车身边界是指车身的基本技术数据及车内主要部件安装坐标位置的初步或精确设定。车身的基本技术数据如长、宽、高、轮距、轴距、最小转弯半径等。基型开发主要目的是找出车身外型、总布置设计方案及空气动力学特性三者之间的最佳关系。车身开发应注意以下几点：先进的空气动力学特性；高质量及可靠性；操纵方便及乘坐舒适性；尽量宽敞的乘坐空间；高的主动安全性及被动安全性等。1.1.2 汽车车身总布置及内部布置设计的主要内容汽车总布置应完成车身内外尺寸、发动机、传动系统、车身的悬置形式、转向传动机构、车架和汽车车身的总布置以及一些附件如电瓶、油箱、备胎的布置。汽车车身总布置设计时应考虑整车型式、车身与整车总布置的关系，然后根据各总成型式和整车性能的要求基础上，确定车身内、外尺寸，驾驶员与乘客的操纵与乘坐空间，以及对车室各种部件和附件的位置参数的确定，以满足相关的各项性能及法规要求，并协调各种性能指标之间的矛盾，实现总体优化的布置过程；其特征参数和硬点尺寸繁多，空间关系和制约因素复杂，实现方法和评价指标具有模糊性、多解性、经验性等特点。1.2 本课题的主要内容及意义1.2.1 本课题主要内容本课题主要是基于catia软件的计算机辅助汽车车身内部布置系统，研究总结汽车车身内部布置设计方法。其主要内容包括：（1）由sae 推荐的适意线或区域法来确定不同百分位人体模型的h点位置；（2）确定座椅参考点(sgrp)的位置、座椅靠背角和座椅调节行程；（3）调用头廓包络线，结合内部空间控制尺寸，确定顶盖的位置以及完成对车身内部宽度的确定；（4）调用眼椭圆、手伸及界面等设计布置工具设计仪表盘的断面形状及其操纵件的布置；（5）而后进行方向盘、操纵机构、踏板等的布置；（6）进行驾驶员的视野设计。1.2.2 本课题的研究意义国内的汽车车身内部布置大部分还是照搬国外的技术，本课题的研究是建立在我国大量专家学者研究的基础上，结合我国汽车行业的现状而系统研究车身内部布置设计的方法。本课题的研究对国内进行自主开发的能力的提高起到推动和借鉴作用。国内的好多汽车厂家应用的cad软件大多是通用的设计软件，在用来进行车身内部布置时，除了将手工的工作搬到计算机上并无什么区别。这样，设计的效率还是非常低、劳动强度还是非常大。本软件的开发，可以在一定程度上对车身内部布置实现自动化，对于提高设计效率、降低劳动强度都是非常有作用的。本系统是以catia软件作为开发平台，由于国内不少大汽车厂和研究机构都以catia作为主流设计软件，故软件的开发适应当前国内形势的需要。1.3 人机工程学在汽车车身总布置上的应用人机工程学是二十世纪五十年代迅速发展起来的一门新兴科学，它主要研究工程技术设计如何与人体尺寸、生理和心理特性相适应的问题。人机工程学最大的特点是：把人看成系统中的一个元素，以人为主体详细分析人与机械之间的协调关系，使整个系统工作达到最优。合理的人机工程布置设计，不仅关系到有效的利用车内空间及提高乘坐舒适性，而且会影响车内、外部造型和整车尺寸参数，进一步会影响整车性能和市场竞争力。人机工程设计主要借助于sae 的方法和工具。汽车车身总布置考虑的人机工程问题大致归纳为以下五个主要方面：（1）汽车驾驶操纵系统人机界面的优化匹配；汽车驾驶操纵系统是一种有驾驶员参与反馈控制系统。这类人机界面的优化匹配问题，在人机工程学科领域最有代表性，因为驾驶操纵是驾驶员最基本、最频繁、最重要的操作。（2）汽车行车安全性及车内乘员的人体保护技术；汽车车辆的撞车、翻车事故严重的威胁乘员的安全性。在进行汽车车身总布置时，一定要考虑到安全技术性能，利用有效的车内乘员人体保护技术来避免或减轻乘员可能遭受到严重的伤害。（3）汽车乘员的乘坐舒适性汽车驾驶员和乘员的乘坐舒适性，主要取决于座椅与人体的人机界面能否为人提供舒适稳定的坐姿、驾驶员（或乘员）座椅汽车系统能否有效地隔离或衰减来自路面不平度的激励而产生的振动、驾驶员（或乘员）座椅驾驶室系统的几何位置关系能否为驾驶员提供良好的视野和相对于各种操纵机构与显示装置的舒适位置。（4）汽车驾驶员的驾驶适宜性进行车身总布置也应该考虑到驾驶适宜性，所谓驾驶适宜性是指人具备圆满、不出差错地完成驾驶工作的素质。考虑到不同车型适合何种人群使用，相应地进行车身布置。（5）汽车的道路交通适应性我们认为，应该把人车路作为一个系统来研究，设计汽车性能时既要充分考虑到人的因素，如人体尺寸、人的生理和心理特征、人的习惯等人车的关系，又要考虑到道路交通特性。进行车身总布置时，考虑到人车路系统的综合优化。1.4 汽车cad/cam技术的应用1.4.1 汽车cad/cam技术的概述cadcam技术的应用水平是衡量一个国家汽车工业水平的重要指标之一。汽车工业作为国家支柱产业，一直是cadcam技术应用的先锋和大户。cadcam技术的不断发展和广泛应用，不仅仅在于它能提高产品的质量和缩短产品的周期，更主要的是：cadcam技术是当代最杰出的工程技术成就之一，它从根本上改变了过去用手工绘图、依靠图纸组织整个生产过程的技术管理模式。因此，它对传统产业的改造、新兴技术和产业的兴起和发展、我国汽车工业国际竞争力的增强等方面，均能产生巨大的推动作用。进入90年代后国际市场的竞争更加激烈，汽车公司对cadcam技术的需要更加迫切,为此，世界上很多国家和汽车公司都把发展cadcam技术集成化作为它们的战略目标。1.4.2 汽车cad/cam技术的应用情况国际上，美国福特汽车公司在cadcam技术方面处于领先地位。早在80年代初，福特公司就着手cadcam系统的规划，建成了以工作站力主体的环形网络系统，1985年己经有一半以上的产品设计工作使用图形终端实现，1986年新开发的taurus和sable轿车，大约70的外板件采用cadcam设计，90年代初全面实行产品开发的cadcam 应用可达100%、福特公司1990年工作站己达2000台，以fgs作站（约占70%）和cv工作站（约占18）力主，其应用软件主要为自行开发的pdgs和cad/cam。1993年以后，福特汽车公司提出了c3p（cad/cam/cae/pdm）概念，并决定今后将采用i-deas软件作为其主流核心软件。美国通用汽车公司应cad/cam 技术的情况与福特类似，其硬件主要为applo、sun、hp、ibm、dec 的产品；软件主要为自行开发的cgs（corporate graphics system），cadam公司的cadam系统和mcd公司的ug系统，这三种软件系统构成公司的三维cad/cam数据库基础，以供全部设计、工程和制造使用。该公司采用cad/cam进行产品的设计制造，cad软件与cam软件用以太网相连。日本三菱汽车公司1960年从冲模的数控加工着手，以cad/cae/cam为动力，对从设计到制造的各项工程踏踏实实地进行了改革，至今，已形成了从车型款式设计到车身组装的新车型开发的完整的cad/cae/cam系统。法国雷诺汽车公司应用euclid软件系统作为cad/cam的主导软件，目前已有95%的设计工作量用该软件完成。雷诺公司在euclid主导软件的基础上，开发出很多适合汽车工业需求的模块，如用于干涉检查的megavision，用于钣金成型分析的optris等。德国各大汽车公司普遍采用catia作为其cad/cam系统的主导软件。1994年，德国大众集团决定用catia和pro/e作为其将来开发新车型的主导cad系统。1.4.3 我国汽车cad技术应用与开发我国的cadcam工作始于70年代，发展迅速，己取得了良好的经济效益、少数大型企业，如一汽、二汽等，己建立起比较完整的cadcam系统，其应用水平也己接近国际先进水平。许多中小汽车生产厂家应用cadcam技术在保证产品质量、提高劳动生产率等方面也取得了显著的经济效益。一些科研院所陆续推出了一批cadcam软件，并得到了一定的应用、总的说来，国内汽车行业在cadcam技术应用的深度和广度等方面与国外先进水平相比还有很大的差距，尤其在cadcam集成应用等方面的工作还刚刚开始，随着社会主义市场经济的发展，国有汽车生产厂家需要对传统的产品结构、生产设备和管理模式进行改造，以提高企业的活力和适应市场的应变能力。其中，首当其冲的是进行产品结构的调整，提高产品的技术档次，缩短新产品的开发周期，提高产品的设计质量，降低物耗和造价。要实现上述目标，采用cadcam技术被认为是最有效的方法之一。但是，任何通用的cad软件，甚至面向某一类对象的专用的、商品化的cad软件，都难于满足形形色色具体产品设计的需要。所以，对引进的cad软件还要进行适合各行业不同需要的专业开发。我国在cad开发领域做了不少的工作并取得了一些成果，如已完成的国家重点科技攻关项目“重点机械产品计算机铺助设计(cad)系统开发”取得了一系列在国内具有开创性的成果，包括5个适用于工作站环境和微机环境的cad支持系统；机械产品共性数据库8个；重点产品专用cad系统24个。各行业的企业也纷纷开始使用cad技术并进行了有关的开发工作，取得了cad技术开发与应用的宝贵经验并培养造就了一支cad科技队伍。虽然我国cad技术的应用已取得了一定的成就，但与发达国家相比还存在着许多不足之处，主要表现在：l 软件开发的目标不明确，实用性不强；l cad软件开发与生产未形成规模；l cad软件标准制订不严和不完善，质量问题较多；l cad软件营销工作手段落后；l 企业cad 技术应用缺乏长期规划和整体科技管理；l cad技术人才培养不足；如今，cad技术正向集成化、智能化、网络化、标准化、可视化等方向发展。我国cad技术要发展，就要抓住机遇，迎接挑战，一方面要大力开展cad技术的应用与开发以积累宝贵的经验，另一方面要注重对cad技术人才的培养，努力培养自己的高水平的开发科研队伍。这是企业最宝贵的财富，也是我国与国外差距根源之所在。1.5 本课题的国内外研究现状我国汽车工业九五规划纲要明确提出要以车身开发为突破口，形成我国轿车自主开发的能力，车身开发要达到国际90 年代先进水平。车身占整车总成本的比例约为1/3，甚至接近1/2；而且它又是汽车商品性的重要标志；汽车车身内部布置是车身开发的关键步骤，占有非常重要的位置，我国的车身内部布置的研究起步比较晚，但也做了一些工作，我国的许多汽车研究机构中，车身内部布置仍然采用传统的设计方法，甚至还采用手工的方法进行布置，这样势必造成设计周期长、工作强度大、效率低、准确性差等缺点。许多小型厂家对舒适型、视野性、安全性等根本不重视，在较大的汽车厂中，技术一般都从国外照搬过来，自己做开发的除了一些研究所外几乎没有。没有在充分的人体工程学分析的基础上进行车身总布置设计，很难满足现代汽车高水平的驾驶操纵性、乘坐舒适性、居住性和易维修性等方面的要求；也没有在这一阶段投入较多的的人力和时间，认真地、详细地进行车身总布置设计方法的总结分析，进行可行性研究、评价工作，因而新车方案很可能有严重的缺陷。我国的汽车行业应该投入大量人力物力组建自己的研究与开发机构，培养自己的开发人才，这样才能使中国的汽车工业有希望发展起来。在国外，人机工程在汽车车身内部布置中的应用越来越广泛和成熟，sae和eec是被广为采用两种标准，日本和德国在这方面也制定了自己的标准。在cad技术高速发展的今天，国外的汽车内部总布置早已从二维发展到三维，从一般的cad设计发展到基于知识的工程(kbe) 设计。德国大众开发的ramsis软件建立了详细的三维人体模型，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。该软件可适用的范围也是非常广泛的。以汽车为例，它可以根据一定的约束如人的h 点和座椅参考点(sgrp)重合等，来定义人体模型的坐姿，而后进行舒适性分析、视野分析、手与脚的伸及性检查等。国外很多汽车公司还专门成立了kbe设计部门。1.6 本章小结本章对汽车车身开发设计过程、车身内部布置设计方法及内容、人体工程学在汽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作了阐述。2 汽车车身内部布置工具汽车车身内部布置工具是指为保证各项性能指标具有统一的规范和标准，sae、iso、gb等组织中对于车身总布置工具中常用的工具等制定了一定的规范，如眼椭圆、手伸及界面等。汽车车身布置工具包括人体模型、眼椭圆、头廓包络线、手伸及界面等，对于b类车，还有膝部包络线、胃部包络线等。除人体模型外，其他设计工具都是驾驶员人体特征点(汽车驾驶员的眼睛、头部、胯部、膝部及胃腹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。2.1 人体模型2.1.1 人体模型的概述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点人体模型是车身总布置设计的工具之一。汽车车身总布置的核心理念就是以人为中心的设计，指导设计的理论基础是人机工程学。因此，人体模型在汽车车身总布置中起着举足轻重的作用。利用人体模型可以进行乘坐舒适性校核，可以检查踏板、方向盘、座椅等部件布置的合理性。驾驶员的视野检查、手伸及性检查等也与人体模型有关。2.1.2 人体尺寸的研究人体尺寸因地区和民族发展历史不同而千差万别的，受到环境、气候、生活状况的影响，必须从测量统计中寻找规律。大量的数据证明：人体各部分的数据是呈正态分布的。目前人体尺寸多是以百分位的形式给出的。最简单的百分位分为三档：第5百分位，第50百分位，第95百分位，分别对应于小个子身材，中等个子身材，大个子身材。在车身设计中，常把第95百分位人体尺寸作为设计上限，第5百分位人体尺寸作为设计下限，因此设计就可以满足90%的人的需要。中国人体模型的研究起步比较晚，但也做了一些统计和分析工作。这些都对与研究中国人机工程学的研究起到了推动作用。中国成年人人体尺寸的国家标准gb10000-88的制定并实施为人机工程设计提供了基础数据gb/t15759-1995国家标准中规定了人体模板设计和使用要求，为车身设计中人体模型的应用提供了有力的依据。2.1.3 人体模型的分类(1)sae人体模型它是根据北美地区的人体数据建立的。共分为三档：5th，50 th,95th分别对应为小个子身材，中等个子身材，大个子身材。(2)欧洲人体模型它是适合德国等欧洲人，其特点是身材差别大，第5百分位的身材特别小，而第95百分位的身材有特别大。表2.1 sae 人体模型基础数据(单位mm)项目躯干长度大腿长度小腿长度上臂长度下臂长度手的长度踵点到踝点的距离95th4804524453002678115150th442407398275244752445th40436235125022169120 (3)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。详细人体尺寸见gb10000-88。2.2 眼椭圆2.2.1 眼椭圆的定义眼椭圆是由美国汽车工程师协会制定成标准sae j941,国际标准组织引用该标准制定了国际标准iso4513。 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，他们的眼睛位置在车身坐标系中的统计分布图形，即等概率密度线（见图2.1）。眼椭圆的确立为研究汽车视野性能提供了科学的视野原点基准（见图2.2）。2.2.2 眼椭圆的意义眼椭圆的建立为汽车视野设计和校核提供了科学依据，在汽车概念设计中起着重要的作用。其主要应用有：图2.1 三维眼椭圆示意图 图2.2 眼椭圆视切比的定义u 汽车前风挡玻璃及除霜部位的确定。u 汽车风窗遮阳带位置的确定。u 汽车后视镜位置设计及视野校核。u 计及眼睛与头部转动时车身a、b、c 立柱盲区的求作。u 汽车仪表板盲区的求作。2.2.3 眼椭圆的含义在实际应用中只有和视线(眼椭圆的切线)一起使用才有意义，下面简单介绍视切比的含义。根据图2.2设o为目标点，过o作眼椭圆的切线，它将图形分为两部分，不含眼椭圆的一方称为i区，含眼椭圆的一方称为ii区视切比p 的定义为：理论证明，视切比p实际上就是落在视切线的包含眼椭圆一侧的眼睛的概率。故从(2-1)可知，落在ii区的眼睛的概率为p，即可以看到目标o的驾驶员眼睛数为眼睛总数的p100%；落在i区的眼睛的概率为1p，即看不到目标o的驾驶员眼睛数为眼睛总数(1p)100%。以第95百分位的眼椭圆为例，此时p=0.95，即有95%的驾驶员可以看到目标点，另有5%的驾驶员看不到目标点。2.2.4 眼椭圆的样板眼椭圆样板的尺寸与人体百分位及座椅水平调节行程（l23）有关，根据座椅水平调节行程的不同，将其分为两套。一套为l23在100mm和133mm之间时的眼椭圆，另一套为l23 大于133mm时的眼椭圆。眼椭圆的尺寸数据如表2.2所示。表2.2 眼椭圆的三维尺寸mm项目第95百分位第99百分位100l23133100l23133长轴173198241267短轴俯视105105149149侧视86861221222.3 驾驶员的头廓包络线（面）2.3.1 平均头廓线平均头廓线是由美国工程师协会（sae）根据第50百分位身材的男女驾驶员及乘员头部特征点在车身坐标系中的位置统计而得出的两条圆弧（侧视图、后视图），用于表示乘坐状态下的头部外廓线。如图2.4所示。图中的坐标轴x，y，z是头廓线的自身坐标系，也就是绘制眼椭圆时所用的自身坐标系，或者说眼椭圆样板上的自身坐标系与头廓线样板上的自身坐标系是同一坐标系。这是因为头廓包络线是以眼椭圆为轨迹而形成。2.3.2 头廓包络线头廓包络线是指不同百分位的驾驶员和乘员在乘坐状态下，他们头廓线的包络线。将头廓线样板上的眼点沿着眼椭圆样板上的上半部眼椭圆运动，并保持两样板上的自身坐标系平行，描绘出头廓线运动时的包络线便是头廓包络线。由于头廓包络线是以眼椭圆为基准而生成的，而眼椭圆的长短轴因身材百分位及h点水平行程的不同而有异，因而头廓包络线是有许多条的。头廓包络线分为两种形式，一种为座椅可调节式的头廓包络线，另一种为座椅不可调节式的头廓包络线。前者适合驾驶员的头部位置和头顶空间的设计，后者适合于后排乘员的头部位置和头顶空间的设计。2.3.3 头廓包络线的定位与眼椭圆一样，头廓包络线的定位也有a类车和b类车之别。在此仅讨论a类车的头廓包络线定位。头廓包络线根据座椅的调节形式可以分为座椅可调式和座椅不可调式。对于可调节座椅布置，根据头廓包络线的形成方法可知，其定位方法与眼椭圆的定位方法基本相同：根据h点水平行程和驾驶员百分位确定相应的头廓包络线及头廓包络线的定位中心后，就可根据样板在车身坐标系中定位头廓包线。对于座椅不可调节式座椅，其定位公式如下：（2.2）2.3.4 包络面的形成头廓包络线是指不同百分位的驾驶员和乘员在乘坐状态下，他们头廓线的包络线。将头廓线样板上的眼点沿着眼椭圆样板上的上半部眼椭圆运动，并保持两样板上的自身坐标系平行，描绘出头廓线运动时的包络线便是头廓包络线。sae j1052给出形成原理图。考虑三维空间时，当将头廓线样板上的眼点沿着眼椭球运动，便描绘出头廓线运动时的包络线便形成头廓包络面。同时考虑到驾驶员随汽车振动而左右摇动，使头廓包络线形成的面以头廓包络面中心为基准向车外偏移出23mm的距离。图2.3 头廓包络线的形成 图2.4 向车外偏移2.3.5 包络面的尺寸sae j1052 rev apr97给出推荐的头廓包络面x 轴、y 轴、z 轴的长度数据。表2.3 头廓包络面的x 轴、y 轴、z 轴的长度mm95th95th95th99th99th99th座椅调节行程0(固定)1330(固定)133x轴（长轴）173.31198.76211.25198.0232.4246.04y轴（俯视短轴）143.41143.75165.2165.2166.8166.79z轴（侧视短轴）+147.07+133.5+133.5+169.66+151+1512.3.6 头廓包络线(面)的应用头廓包络线主要用于确定驾驶员和乘员的头部空间，以便校核或设计顶盖高度和宽度。sae为此定义了两个关键尺寸h61、h63，分别为前排座椅有效头部空间尺寸和后排座椅有效头部空间尺寸。根据有效头部空间（经验值为h61介于940980mm之间，h63比h61略小20mm）、顶盖内饰板厚度（经验值为1525mm）以及顶盖造型，就可以由外向至内的确定人体躯干与大腿连接点即胯点的高度，也可以进行由内至外的顶盖高度设计。2.4 驾驶员手伸及界面2.4.1 驾驶员手伸及界面的概念汽车驾驶员的手伸及界面是指驾驶员以正常驾驶姿势坐在座椅中、身系安全带、右脚支承于加速踏板踵点上，一手握住方向盘时另一手所能伸及的最大空间廓面。驾驶员的手伸及界面是在实验室内手伸及界面测量台上测得的，测量台上带有装有安全带的座椅、方向盘、踏板等。根据安全带的型式，手伸及界面分为三点式安全带约束和两点式安全带约束两种。三点式安全带约束的手伸及界面与两点式安全带约束的相比，相当于手腕长度延长了250300mm。由于现在的汽车多采用三点式安全带，故常用的为三点式安全带约束的手伸及界面。测量结果表明，驾驶员手伸及界面是形如椭球的空间曲面。另外需要说明的是，由于在测量时测量杆的一端是一个25mm的三指抓捏式操作按钮，因此在实际校核中，应根据操作钮件的型式进行一定的修正。如指点式按钮的伸及范围应比抓捏式的往前加长50mm；手推式按钮的伸及范围要比抓捏式的往后缩短50mm。图2.5 手伸及界面的形状 图2.6 手伸及界面在车身中的位置2.4.2.手伸及界面的定位(1)驾驶室手伸及界面的相关因数手伸及界面的影响因素主要有两个：a)驾驶员自身的伸及能力，b)汽车驾驶室内部设计尺寸a) 驾驶员自身的伸及能力该因素主要通过选择各种百分位的身材及不同的男女驾驶员比例来加以考虑。由于是最大伸及能力，故不考虑驾驶员的百分位和身材，仅考虑男女比例，在iso 3958中考虑了三种男女比例，分别为50/50，75/25，90/10。b) 汽车驾驶室内部设计尺寸影响手伸及界面的驾驶室内部设计尺寸有：l sgrp到踵点的垂直距离30h(mm)l 座椅靠背角40l(degree)l 方向盘最大直径9w(mm)l 方向盘倾角18h(degree)l 方向盘中心到踵点的水平距离11l(mm)l 方向盘中心到踵点的垂直距离17h(mm)l 人体样板的体腿夹角(degree)上述的尺寸随着车型的不同而不同，故是多维变量。对于多维变量问题，工程中常用因子分析法来寻找反映上述尺寸的综合因子，即是驾驶室尺寸综合因子g 。通过因子分析法，驾驶室尺寸综合因子g 计算公式为：（2.3）(2)手伸及界面的定位在iso 3958中，驾驶员手伸及界面已经生成表格，共21 张，分别对应于三种男女驾驶员比例(50/50，75/25，90/10)、七档综合因子g 值(g -1.25，-1.24g -0.75，-0.74g -0.25，-0.24g 0.24，0.25g 0.74，0.75g 1.25)的数据。在定位手伸及界面时，先确定定位中心的位置，而后从库中调用相应的曲面即可，具体方法如下：l 确定影响手伸性的驾驶室内部设计尺寸，参见公式(2-3)。l 计算驾驶室尺寸综合因子g 。l 选择驾驶员男女比例。l 定位点参考点的确定。设定位参考点的坐标为 pr(xpr,ypr,zpr)下面说明确定方法。定位参考点x 轴坐标的确定假设x 轴方向基准面hr离踵点的水平距离为d ，则有 （2.4）若(d-l53)0，则基准面hr位于sgrp 处，此时有； （2.6）l53sgrp到加速踏板踵点(ahp)的水平距离。xahp加速踏板踵点x 轴坐标。xsgrpsgrp 的x 轴坐标。 定位参考点y轴、z轴坐标的确定y轴基准平面为座椅对称面，z 轴基准平面为过sgrp的水平面，故有定位参考点y轴、z轴坐标的确定y轴基准平面为座椅对称面，z轴基准平面为过sgrp的水平面，故有：（2.7）根据男女比例和g的值从库中调用相应的手伸及界面，进行平移变换运算，将其局部坐标的原点与定位参考点重合，即完成了手伸及界面在车身坐标系中的定位。2.4.3 驶员手伸及界面的应用图2.7 操作钮件的布置合理性检查为保证驾驶员的行车安全，驾驶员在行车过程中用到的各种操纵件应布置在驾驶员的手伸及范围内。驾驶员手伸及界面就可以用来检验操纵件在车室中的布置位置合理与否。当操纵件在手伸及界面的内侧（靠近驾驶员一侧）时，操纵件的布置可以满足手伸及性的要求；2.5 本章小结本章详细的叙述了在汽车内部布置中常用的布置工具的概念、建立方法、定位及应用，主要有人体模型、眼椭圆、头廓包洛线、手伸及界面等。对于汽车舒适性检验、车身内部空间的设计与校核、驾驶室内操纵件的布置、视野设计与校核等都要借助于设计工具来进行。见图2.8，内部布置工具在实际汽车车身内部布置中的应用。图2.8 车身布置工具在车身总布置中的应用3 轿车操纵杆布置的优化系统3.1 问题的提出本功能模块针对汽车企业设计人员提出的如何布置操纵杆的难点，提出了更为符合实际的确定操纵杆位置的方法。该方法是基于汽车常用软件catia平台，优化布置操纵杆的域，该域不仅可以满足驾驶员操纵舒适性的要求，而且结合现有车型的实际布置经验，从而有效的提高汽车车身设计的效率，缩短产品开发周期。3.2 操纵杆汽车操纵杆也称汽车变速杆，是驾驶员用来变速的操纵器。操纵杆的布置位置合适与否直接影响驾驶员的操纵舒适性，驾驶安全性及人机关系的合理性。操纵杆的布置应适应人的手臂特点，尽量做到只用手臂而不移动身躯就可完成操作。另外操纵杆的直径不能太小，以免操作时引起肌肉紧张而容易疲劳。常用操纵杆执握手柄的直径一般为2232mm，操纵力约为3050n为最佳。操纵杆的布置设计，应使操作者在其一个作业班次内、安全、准确、迅速、舒适、方便地持续跨操纵而不产生疲劳。为此，笔者认为必须充分考虑人体的形体、尺寸、生理特点、运动特征和心理特性、以及人的体力和能力的限度，才能使所设计的操纵装置达到高度的宜人化。操纵杆的自由端装有把手或手柄，另一端与机器的受控部件相连。操纵杆可设计成较大的杠杆比，操纵杆常用于一个或几个平面内的推、拉式摆动运动。当操纵力较大、采用立姿操作，操纵杆手柄的位置应与人的肩部等高或略低于肩部的高度；当采用坐姿操作时，操纵杆手柄的位置应与人的肘部等高。3.3 舒适域的求作根据美国福特汽车公司的研究人员多年的研究统计，表明在驾驶时人体各个关节的运动是有一定范围的。下图3.1、图3.2、图3.3 分别从侧视、上视、前视方向给出人体关节的运动范围。从图3.1可知人体头部，靠背，上肢，大腿，小腿，脚脘的舒适角度。从图3.2可知人体肩关节，下臂，腿部的舒适角度。从图3.3可知人体上臂，小腿，手中心线的舒适角度。图3.1 人体侧视方向的运动舒适角度图3.2 上视方向人体运动舒适角度图3.3 前视图方向的舒适角度3.4 本章小结本章针对汽车企业设计人员提出的如何布置操纵杆的难点，提出了更为符合实际的确定操纵杆位置的方法。该方法是基于汽车常用软件catia平台，优化布置操纵杆的域，该域不仅可以满足驾驶员操纵舒适性的要求，而且结合现有车型的实际布置经验，从而有效的提高汽车车身设计的效率，缩短产品开发周期。并且简要的说明了本功能模块的支撑环境catia软件。4 驾驶员h点的设计及优化4.1 h点及其意义4.1.1 h点的意义及其不同的表达方式h点是二维或三维人体模型样板中人体躯干与大腿的连接点，即胯点(hippoint)。在人体模板中为髋关节。在确定驾驶室布置工具第二章所述在车身中的位置时常以此点作为定位基准点。根据应用场合的不同，h点的表达也有所不同：设计h点是指在汽车总布置时的设计基准点。最后设计h点表示的是第95百分位的男子人体模型在最后位置时的胯点，最前设计h点表示的是第5 百分位的女子人体模型在最前位置时的胯点。由最前和最后设计h点便可以求得座椅的水平行程和垂直升程。实际h点是指当h点三维人体模型按规定步骤安放在汽车座椅中时，人体模型上左右h点标记连接线的中点。它表示汽车驾驶员或乘员入座后胯关节在车身中的位置。汽车的实际h点在汽车车身总布置设计中有重要意义：由于h点三维人体模型各构件的尺寸、质量及质心位置均以人体测量数据为依据、座板与背板的轮廓线形状均是真实人体臀部和背部轮廓线形状的统计描述，因此它可以比较真实地模拟出驾驶员以正常驾驶姿势如座后的实际的h点位置。座椅参考点是指座椅上的一个设计参考点，它是座椅制造厂规定的设计基准点。考虑到座椅的所有调节形式（水平、垂直和倾斜），座椅参考点确定了在正常驾驶或乘坐时座椅的最后位置。它表征了当第95百分位的人体模型按规定摆放在座椅上时，实际h点应与座椅参考点相重合。sgrp点相对于车身坐标系的x、y、z坐标，为sae中的l31、w20、h70着三个硬点尺寸。4.1.2 h点在车身设计中的意义驾驶员在车身中的位置（h点的位置）决定着驾驶员身体各关节角度和眼椭圆、头廓包络线、手伸及界面等在车身中的位置，因此h点决定了驾驶员的舒适性、操纵性、安全性和视野性等。如图3.1所示表述了驾驶员在驾驶过程中的各种性能和驾驶室环境间的关系。h点的位置直接决定了驾驶室环境与驾驶员的相互关系，是“人”-“机”-“环境”中“人”与“机”的衔接链。在sae j1100 中定义了三百多个硬点信息来控制整车总布置，其中控制整车外形和第一、第二排驾驶和乘坐空间的主要硬点信息就有70多个。这些硬点大部分是以h 点为基准或是与h点相关的，另外，这些硬点信息之间又具有复杂的关联性。因此合理地确定h 点在车身中的位置直接关系整车的设计质量，实际上该过程是一个不断重复、迭代修改、寻求最佳的折衷方案的过程。4.2 h点的确定方法在基于catia的车身总布置系统中建立了sae j1517中推荐的h 点适意线，实现了设计的自动化。同时对于sae推荐h点适意线进行了分析，提出了更为符合驾驶员实际驾驶要求的h点区域法。图4.1 h点与驾驶员周围环境关系图4.2.1 sae推荐h点适意线方法sae根据不同身材的驾驶员在各自的适意驾驶姿势时实际h点在车身坐标系中位置不同，针对不同百分位的驾驶员统计出了一组h点曲线，该曲线表征了不同百分位驾驶员在适意驾驶姿势时h点的常用位置。利用它可以直接地确定出对应于不同的h 点高度h30下h点在车身中的位置。（1）相关定义l 加速踏板踵点(ahp)：指在加速踏板未压缩时，人体模型的踵点在被压塌的地板覆盖件上的点。l 拇趾参考点(bof)：在侧视图上过ahp点作人体样板鞋底的切线在该切线，上离ahp点203mm处的一个点。l 踏板装置角：在侧视图上踏板平面与水平面的夹角。l 踏平面角：驾驶员以正常驾驶姿势踏在加速踏板上时，在侧视图上鞋底平面与水平面的夹角。l 坐姿舒适性：驾驶员或乘员的舒适性是车身设计中一个非常重要的性能指标。舒适性的内容非常广泛，包括坐姿舒适、动态舒适、温度舒适等，并且具有综合性、主观性、个体性的特点。人机工程定义了舒适的概念，即没有不舒适的状态。从生理学的角度考虑，舒适应该是在生理上从事的活动在一定约束下的能量的最小化。由此可见，坐姿的最小不舒适就是坐姿舒适。l a 类汽车：指h30的大小在127mm和405mm之间，方向盘直径(w9)小于450mm的汽车，通常包括轿车、旅行车及轿车变型车。l b 类汽车：指h30的大小在405mm和530之间，方向盘直径(w9)在450mm和560mm之间的汽车，通常包括重型及中型载货车及一些大客车。（2）拇趾参考点（bof）的确定 图4.2 加速踏板踵点(ahp)和拇趾基准点(bof)拇趾参考点是人体模型鞋底平面上的一个点，其意义在于驾驶员在踏动踏板过程中通过该点（鞋底平面与踏板相切于该点）对踏板施加力比较方便。如图4.2 所示，设在侧视图上踏板平面与地板平面交点为ap， 坐标为（xap,zap）,拇趾参考点坐标为(xbof,zbof),踵点坐标为(xahp,zahp),踏板装置角为, 踏平面角为。则拇趾参考点和踵点的求解过程如下：首先根据车型设计要求（轿车级别、车型总高等）及相关车型的设计经验选择一个h点高度h30h点与踵点的垂直距离），然后根据sae 统计的踏平面角与h点高度h30间的经验公式4-1求得计算踏平面角。（4.1）如图4.2(1)所示，当计算踏平面角时,取实际踏平面=。此时实际踵点和踏板平面与地板平面交点ap 相重合即脚底平面与踏平面相重合。拇趾参考点为在踏板平面上与ap点（ahp点）距离为203mm的点,其坐标为:（4.2）如图4.2(2)所示,当计算踏平面角时, 取实际踏平面=。此时实际踵点较踏板平面与地板平面交点ap后移，并且该点到踏平面与踏板交点的距离为203mm，此时该交点便为拇趾参考点bof。在这种情况下踵点ahp和拇趾参考点bof的坐标分别如公式4-3、4-4所示：（4.3） （4.4）（3）sae推荐适意h点位置线sae推荐的适意驾驶位置时的h点位置线分为a类车和b类车两种，由于我们是针对a类车而建立的车身总布置系统，所以在此仅考虑a类车的h点适意线。sae针对不同的百分位的驾驶员在各自适意驾驶位置时h点在车身坐标系中的位置统计了一组从第2.5百分位到97.5百分位七条曲线，它们是以拇趾参考点为基准点，考虑驾驶员的舒适性而建立的一组曲线。其中每条曲线表示h点与拇趾参考点的水平距离是h点高度h30的二次函数。参考图4.3所示，h点适意线的方程为公式4-5：图4.3 a 类车驾驶员适意驾驶位置线百分位：a-97.5th b-95th c-90th d-50th e-10th f-5 g-2.5thp加速踏板 m踵点 ahp踵点 bof拇趾参考点 h大腿 l小腿（4.5）式中， x第i百分位身材的驾驶员的h点距离拇趾基准点后方的水平距离单位为mm。后方指车身坐标系的x 轴正方向。zh点距离加速踏板踵点的高度，单位为mm。设计时根据选择的h点高度h30确定拇趾参考点bof和踵点ahp 后便可以由公式4-5求得h点在车身中的位置。（4）座椅调节行程的确定满足度（适应级）是指所设计的产品或工程系统，在尺寸上能满足的适合使用者的人数占特定使用者群体的百分率。这是产品设计或工程设计系统中有关人机工程设计的一项基本指标。基于人体尺寸变异性大的特点，设计人员应当充分认识到，他所设计的产品或工程系统，决不是仅供某一小部分身材的人使用，而是为满足占特定使用者群体中相当大百分率的人使用而设计的。要想达到100%的满足度，在技术和经济上往往是不可能实现，或是不合理的。在汽车产品设计中常常以满足度达到90%作为设计目标，其上限取为95th，下限取为5th。为满足第95th驾驶员舒适性、操纵性、安全性等的要求，最后设计h点应采用第95th驾驶员的h点。同样最前设计h点采用第5th驾驶员的h点。根据最前和最后设计