第三章基于统一标准的车辆人机综合项目工程设计工具.doc
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1、第三章基于原则车辆人机工程设计工具3.1 基于H点车辆车内空间设计 3.1.1点装置、功能和应用3.1.2驾驶员H点位置曲线3.1.3 A类车SAE H点位置曲线3.1.4 B类车SAE H点位置曲线3.2 眼椭圆3.2.1驾驶员眼椭圆3.2.2汽车先后视野及规定3.2.3人眼视区3.2.4 A类车、B类车眼椭圆应用3.3 头廓包络3.3.1概述3.3.2A类车、B类车头廓包络3.3.3头廓包络应用3.4驾驶员膝部、胃部包络线 3.4.1 驾驶员膝部包络线生成、定位 3.4.2 驾驶员胃部包络线生成、定位思考题3.1 基于H点车辆车内空间设计3.1.1 H点装置、功能和应用1H点H点装置(H
2、Point Device)是车身布置和测量重要工具,对于进行驾驶室人机工程学设计和参数测量、辅助进行驾驶室内部基准点定位具备重要意义。H点装置涉及H点测量装置(H-Point Machine,HPM)和H点设计工具(H-Point Design Tool,HPD)。 H点测量装置是SAE定义用于建立和测量汽车核心基准点和尺寸物理装置,在美国、欧洲和日本等汽车发达国家得到了广泛应用。HPM-型H点测量装置由鞋、小腿、大腿、座板和躯干构成,各某些均可以拆卸,如图3-1所示。此外,还涉及鞋固定装置和头部空间测量装置两个附件。H点测量装置重要尺寸如图3-2所示。 图3-1 HPM-型H点测量装置图1-
3、鞋;2-鞋固定装置;3-小腿;4-大腿;5-座板;6-可拆卸重块;7-头部空间测量装置;8-躯干图3-2 H点测量装置重要尺寸驾驶员H点布置定位。 为了使不同身材驾驶员都获得良好视野和操作性能,转向盘、操作踏板和座椅在理论上都可以设计成固定或可调节。例如固定H点调节加速踏板和转向盘;固定转向盘抓握点调节、加速踏板和座椅;固定视点调节加速踏板、转向盘和座椅;固定加速踏板调节转向盘和座椅。但从设计、加工和使用状况来看,固定操作踏板同步辅以转向盘可调是最抱负方式。因而,在SAE J1517 Driver Selected Seat Position原则中则以加速踏板和地板面为基准给出了驾驶员H点坐标
4、曲线,如图3-3所定义x、z值。图3-3 驾驶员H点曲线坐标定义 H点是H点装置上躯干与大腿铰接点。在不同场合,其体现形式也不同。 (1)设计H点:是借助HPD按一定程序建立H点,用以表达设计乘坐位置。 (2)乘坐基准点(Seating Reference Point,SgRP,欧洲和国标称为R点):对于指定乘坐位置而言是一种特殊设计H点。它具备如下特点:它是在车辆设计过程初期就定义重要基准点;虽然行程可调节座椅在其H点调节轨迹上有许多设计H点,但只有唯一一点定义为SgRP;驾驶员SgRP很重要,它用于定位某些布置工具,且用来定义了许多核心尺寸。(3)实际H点:是将HPM按规定环节安放在座椅上
5、时,所测得H点位置(相对于整车坐标系,或者相对于座椅构造)。2. H点装置功能与应用(1)H点装置测量功能当H点装置用于测量用途时,可以将座椅和车内硬点和硬点尺寸测量出来。按照测量用途区别,可提成方案对比分析、方案审核以及定位内部基准点3种状况。在概念设计初期,H点装置常被用来测量其她厂商车型布置参数,以获得其设计意图,并对不同车型参数进行对比分析,称为对标分析(Benchmarking)。当样车制造出来后,通过对样车上H点和内部尺寸测量可以审核样车制造和装配精度与否达到了设计方案规定。H点装置所测得基准点位置还为其她测量和实验提供了位置基准。例如:在进行整车碰撞实验时需要将碰撞假人安放在座椅
6、适当位置(SgRP处),这个位置就是用H点装置测得。因而,H点装置对于进行驾驶室人机工程学设计和参数测量、辅助进行驾驶室内部基准点定位具备重要意义。当测量与SgRP位置关于尺寸时,也需要借助H点装置来将SgRP位置标记出来。如果HPM与HPD配合使用,则更以便对测量数据解决。单纯测量座椅参数(SgRP位置、A40、A27和L81-1)时,可不必安装HPM大腿部、小腿部和鞋。(2)H点装置设计功能在方案设计中,用H点装置来建立室内人机工程学基本布置方案所涉及核心基准点和尺寸,这些核心基准点和尺寸称为硬点和硬点尺寸。例如:对于两排座轿车,可建立硬点和硬点尺寸见表3.1.表3.1 运用H点装置建立硬
7、点和硬点尺寸(3)运用H点装置进行驾驶员乘坐环境参数对标在开发新车型时,由于缺少经验和数据,有时无法给出某些核心参数值。在这种状况下,经常借助对市场上竞争车型进行对标分析来获得参照值,亦即获得对方设计意图。将HPM(HPD)和三坐标测量设备(Coordination Measurement Machine,CMM)配合使用,就可以对竞争车型上核心参照元素进行测量,以进行对标分析。在此基本上就可以建立新车型核心基准点和尺寸。这里讲述运用HPM(结合HPD)进行驾驶员乘坐环境参数对标分析办法。3.1.2驾驶员H点位置曲线3.1.2节H点位置曲线在背面3.1.3,3.1.4均涉及,此节单独解说内容少
8、,与否可以与后边小节合并H点布置方案与驾驶员乘坐舒服性、上肢和下肢操作空间、视野性和头部空间以及乘员乘坐空间等人机关系密切有关,是室内布置重要内容。3.1.3 A类车SAE H点位置曲线SAE原则依照驾驶员空间尺寸差别将汽车分为A、B两个大类:A类汽车重要是指乘用车,如轿车、旅行车、MPV和轻型货车; B类汽车重要是指商用车,如中、重型货车和大客车。对于A类车,x方向定位基准点位于BOF,z方向定位基准点是AHP,如图3-4所示。SAEJl517中适意H点位置曲线是依照美国20世纪60年代驾驶员人体和实验数据经记录分析之后生成。记录时,A类车驾驶员男女比例为1:1;B类车男女比例提成90:10
9、、75:25和50:50这3个档位。A类车H点位置曲线模型为 (3.1)式中,x为H点到BOF水平距离,mm;z为H点到AHP垂直距离,mm。图3-4 A类车SAEJI517中适当H点位置曲线3.1.4 B类车SAE H点位置曲线B类车H点位置曲线,要考虑驾驶员群体中男性和女性所占比重。3种状况下适意线方程列于表57中。表中,x为H点到AHP水平距离,mm z为H点到AHP垂直距离,mm。客车驾驶区布置设计要用到B类车H点曲线表达式,它在SAE J1517原则中给出。详细如下图3-5所示关系:图3-5 B类车SAE H点位置曲线考虑到客车驾驶员实际状况,咱们选用男女比例为95:5H点曲线来布置
10、驾驶区。在SAE原则中,H点高度范畴是405530mm。图3-6是客车驾驶员H点位置曲线,男女比例按95:5。从图中可直接得出:驾驶椅理论调节量是先后246mm,上下125mm。如果考虑放宽余量,要将所有百分位H点曲线包括起来,可取先后260mm,上下150mm,则以50H点曲线中点做出这个矩形ABCD,则咱们能得出:驾驶椅H点安装定位最后点是距PRP点747mm,最下点是距地板面3925mm。图3-6 客车驾驶员H点位置曲线(男女比例按95:5)理论上,SgRP点应定义在第95百分位曲线中点,即图1050中理论SgRP点。但这样定位对于客车而言没有太大使用价值。为了能定义一种明确驾驶区与乘客
11、区边界,咱们需要是驾驶员椅最后位置:这就是图中线段AB,它距加速踏步上PRP点747mm。那么驾驶椅安装定位就是以AB线为最后位置来定位,即图3-6中“工程SgRP点”。这取决于座垫与底座相对运动关系:如果座椅垫相对于底座只能向后增大调节距离,那么驾驶椅是在最大调节量状态下安装;如果座椅垫相对于底座只能向前增大调节距离,那么驾驶椅是在最小调节量状态下安装。理论上先后调节量260mm是偏大,这是为了能覆盖尽量多人群。考虑到客车驾驶员详细状况,在国内第5百分位女性身高只有1484mm,见表3.2。如果限定客车驾驶员身高必要在1600mm以上,那么驾驶椅先后调节量至少可降为理论值一半,即130mm。
12、再如,GB 18463-机动车驾驶员身体条件及其测评规定原则中规定:驾驶大型客车、大型货车、无轨电车者身高必要不不大于等于1.55m,而此身高值则大概相称于国内女性身高第35百分位。表3.2 中华人民共和国女性身高分布综合这些因素,当前国内客车驾驶椅调节量大概是先后200mm、上下180mm是适当。以上是按SAE原则给定H点方程来推断驾驶椅行程,咱们可称之为解析法。另一种办法是用原则人体模板来求得驾驶椅工作行程,即作图法。以作图法来检查SAE解析法结论。图3-7所示是用中华人民共和国第95百分位男性人体图3-7 中华人民共和国第95百分位男性人体和第5百分位女性人体驾驶区布置模板和第5百分位女
13、性人体模板做出四个极限位置驾驶员坐姿。直观感觉是没有一种坐姿是舒服!踝关节角度太小,并且先后两个极限位置转向盘调节量过大,这在转向盘构造上是不能接受。如果不调节转向盘而整体移动踏板和驾驶员椅,这在乘客乘坐空间布置上也是不能接受。问题核心是如何定义客车驾驶员最舒服坐姿。乘用车驾驶员舒服坐姿已研究得相称成熟,并且也有诸多参照资料可以运用。而客车在这方面研究几乎是空白。客车驾驶姿势同乘用车驾驶姿势有着很大差别,这导致咱们无法完全套用乘用车结论。但有一点是共通,即脚与加速踏板作用姿态决定了驾驶员坐姿:最适当姿势是右脚很自然地放在加速踏板上,即踝关节角度接近90。客车驾驶员坐姿不同于乘用车驾驶员最大特点
14、是躯干后倾角小,大腿接近水平。图3-8所示是用中华人民共和国50人体H点样板做出乘用车驾驶员和大客车驾驶员最适当坐姿,图中各角度见表3.3。图3-8 乘用车驾驶员和大客车驾驶员最适当坐姿表3.3 乘用车驾驶员和大客车驾驶员最适当坐姿角度范畴因而,咱们当前对大客车加速踏板也有了明确技术规定:在自由状态下其踏板安装角度不能太大,相对于驾驶区地板角度不能不不大于400。且依照人体踝关节生理特点,踏板行程最佳不不不大于200,以150为最佳。图3-9是两个安装角较小加速踏板,图3-10是采用图3-9中第二种踏板、按95百分位和女性1550mm身高两种H点样板做出两个极限驾驶员H点布置。图3-9 两种安
15、装角较小加速踏板图3-10 按95百分位男性和女性1550mm身高两个极限驾驶员H点布置至此,咱们最后结论是:a第95百分位男性H点就是驾驶椅最后位置,它距BOF点850mm。b身高1550mm女性H点就是驾驶椅最前位置,它距BOF点750mm。那么驾驶椅调节行程是:先后方向:850mm一750mm=100mm。上下方向:485mm一433mm=52mm。对于客车驾驶区设计,对的做法是:a. 固化转向盘及其管柱、加速踏板、制动踏板、离合这四件为一组件,即操纵件模块。b.做出驾驶员相对于该操纵件模块最后位置。为了增大乘客区尺寸,就是要尽量地使操纵件模块前移,这取决于造型曲线和刮水器构造型式,即其
16、前面究竟尚有多大空间可用。3.2眼椭圆3.2.1驾驶员眼椭圆在驾驶人-车辆-环境系统中,人(驾驶人)机(车和车外环境)界面视觉链优化匹配,必要以驾驶人眼睛位置(称为视点)为定位基准。由于人身材大小不同,不同驾驶人以正常驾驶姿态坐在驾驶座椅上,她们眼睛位置显然是不同。运用记录观点和办法研究驾驶人视点分布规律,发现车辆驾驶人视点分布图形是呈椭圆状,故称为驾驶人眼椭圆。如图3-11眼椭圆示意图。图3-11 眼椭圆1-长轴轴线Ax2-短轴轴线Ay 3-竖轴轴线Az1992年此前SAE J941眼椭圆原则,是基于美国福特汽车公司Meldrum等人研究成果。1963年,Meldrum等人在SAE资助下,对
17、驾驶人眼睛位置分布进行了实验记录。办法是:让美国各州及少数欧洲、亚洲和其她国家2300多名驾驶人(男女人数比例为1:1)分别坐在3辆静止敞篷车内,将转向盘和座椅按各自习惯调节到适当位置,眼睛注视前方屏幕上播放交通场景,并犹如真正驾驶同样操纵汽车,同步正前方和侧面两架照相机同步拍摄下眼睛位置。图3-12 为不同百分位人群眼椭球视图。图3-12 不同百分位人群眼椭球视图3.2.2汽车先后视野及规定汽车视野性能直接影响到汽车行驶安全性、乘坐舒服性及操纵以便性,是车身总布置设计中视野设计应考虑核心。汽车视野必要保证95 以上驾驶员视野能达到有关原则和法规规定。汽车视野设计内容如图3-13所示:1. 前
18、方及内外后视野设计规定 前方视野规定涉及:保证驾驶员在交通路口停车线内能看到交通灯和其她交通标志、前风窗玻璃有足够透明区、对A立柱双目障碍角限制。 如图3-13为汽车视野设计内容图。图3-13 汽车视野设计内容(1)前方垂直向上方向上视野应当满足:驾驶员坐在车内以正常驾驶姿势能看见车前方12m处,高为5 m标杆(红绿灯高度)。其评价原则见表3.4。表3.4 前方视野评价从前风挡上缘向眼椭圆作上、下切线,普通上视角不得不大于10,下视角不得不大于20。在俯视图上,由左右前立柱边沿向左右眼椭圆作切线,其夹角为水平视角,普通不不大于73。(2) 内外后视野法规规定 SAE法规与GB规定大体是一致,国
19、标参见GB15084。SAE规定:内视镜后视野双眼水平视野角不不大于20。视距不小60m,即垂直方向视角保证驾驶员能看见60m 处交通状况。外视镜后视野法规规定双眼水平视野角不不大于10,视距不不大于l 0m,即:垂直方向视角保证驾驶员看见至少l0m处交通状况。3.2.3人眼视区一切光学信息都要通过眼睛才干被人大脑所感知,视野是指人眼可视范畴,普通以角度表达。1. 眼睛和头部都不转动时视区此时,视区可以分为如下三种:(1)单眼视区,是指只用左眼或右眼单独观测时所能看到区域。(2)双眼视区,是指用左、右眼同步观测时两眼都能看到区域。(3)两单眼视区,左、右眼单独观测到两个单眼视区合成区。眼睛保持
20、向前直视,眼球和头部均不转动时,单眼水平视区为1500其为直前视线一侧90o、另一侧600区域。双眼视区为1200,两单眼视区为180o。见图3-14。在垂直方向上双眼视区为直前视线上方50o-55o,下方60o-70o。这样便构成了人眼视锥。锥顶视瞳孔距中心,见图3-15。图3- 14 水平方向视区图3-15 垂直方向视区2眼睛和头部都转动时视区驾驶员观测周边物体时,往往转动眼球和头部,以扩大视区范畴。眼睛和头部转动角度按转动时,与否舒服提成自然转动和勉强转动。在自然转动时,眼睛和头部均无不舒服感。在勉强转动时,眼睛和头部会有不舒服感。其范畴如图3-16、3-17所示。图3-16 眼睛和头部
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