AO681电动车人机工程座椅及踏板布置校核本科毕业论文

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1、本科生毕业设计AO681电动车人机工程座椅及踏板布置校核AO681 electric vehicles with the seat and the pedal layout of the verification毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（

2、设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 摘 要随着国内外电动汽车的发展，人们对其车身的造型有了一定的要求。对座椅及踏板布置，结合人体坐姿实际情况、汽车驾驶舒适性等方面因素对其进行设计以及零部件的选配。电动汽车的车身外部造型的设计要求与传统汽车的要求是一样的。本次设计初步搜集几款世界上各品牌的座椅及踏板布置的资料。整理了一些轿车座椅及踏板布置的基本

3、技术参数，并对作了初步的分析，了解了车身外形设计的发展现状和趋势。在学习和分析座椅及踏板布置设计中的设计规则和经验知识的基础上，主要以大型工程软件Unigraphics NX(简称UG)为设计平台，进行座椅及踏板布置设计，研究了如何利用UG中的三维造型技术知识熔接，来实现轿车座椅及踏板布置设计的自动化、智能化的理论和方法，并在此基础上进行座椅及踏板布置的校核。赋予计算机一定的创意能力更强大可靠的虚拟设计环境关键词：电动汽车；座椅及踏板布置；Unigraphics NX； ABSTRACTWith the development of electric vehicles at home and

4、abroad, people have certain requirements of auto body shapes. In the seat belt and treadle collocation design, the combination of Gods image, production processes, technology and other factors connected to the design and components of the matching. Electric vehicles the body shape has the same requi

5、rements of the traditional automotive. The preliminary design includes collection of several brands of the world car engine hood information. Compiled some basic car engine hood of the technical parameters, and a preliminary analysis, to understand the body contour design of the development status a

6、nd trends. During the study design and analysis of the hood in the design rules and knowledge on the basis of experience, adopt the large-scale engineering software Unigraphics NX (referred to UG) for the design platform. During the hood design, using the three-dimensional modeling techniques of UG

7、Weld knowledge to achieve the car hood design automation, intelligent theories and methods. and on this basis to cover the two-dimensional graphics engine to map. The computer give the creative capacity of more powerful and reliable virtual design environment.Key Words：Electric Vehicle；Engine Hood；U

8、nigraphics NX目 录1 绪 论- 1 -1.1 汽车发展简介- 1 -1.2 本文研究的内容及意义- 2 -2 汽车座椅及踏板布置的设计与校核- 5 -2.1 布置设计要求- 5 -2.1.1 座椅布置要求- 5 -2.1.2 座椅的人机工程学要求- 5 -2.1.3 脚踏板布置要求- 5 -2.2 人体统计尺寸在汽车设计中的应用- 7 -2.3 模型关节点的确定和人体分块简化- 7 -2.3.1 关节的简化- 7 -2.3.2 人体简化分块- 8 -2.4 车身内部布置方法- 16 -2.4.1 乘坐姿势的确定- 16 -2.4.2 确定操作区域- 20 -2.5 确定踏板布置区

9、域- 24 -2.6 高度及宽度方向上有关尺寸的确定- 25 -2.7 头廓包络线 腹部包络线 膝部包络线- 26 -2.7.1 头部包络线- 26 -2.7.2 载货汽车的膝部包络线- 27 -2.7.3 载货汽车的腹部包络线- 29 -3 H点的计算- 31 -3.1 H点的各种定义- 31 -3.2 基于人体工程学的舒适H点区域计算- 31 -4 汽车座椅的舒适性- 34 -4.1人体模板在车辆座椅设计中的应用- 34 -4.2 座椅的静态舒适性设计- 35 -4.3 座椅的动态舒适性设计- 36 -4.4 对人体坐姿实际情况进行校核- 37 -4.5 汽车驾驶舒适性评价- 39 -4.

10、6 检查结果- 41 -4.7 仪表板以及操纵件和操纵手柄的位置布置- 42 -4.8 校核结论- 43 -总 结- 44 -参考文献- 45 -致 谢- 46 -英文翻译- 47 -II天津工程师范学院2009届本科生毕业论文1 绪 论1.1 汽车发展简介随着我国经济的快速发展，汽车工业在国民经济中的地位越来越重要，将逐渐成为我国的支柱产业，并对经济和社会进步产生深远的影响。在我国，尽管汽车业发展的势头很好，但汽车产品与国际先进水平差距还很大。面对竞争激烈的国市场，我国汽车工业仍存在诸多问题，如民族品牌缺乏，自主开发能力不强等。生产厂家为了能在市场竞争中立于不败之地，就必须提高产品质量，降低

11、生产成本，缩短产品的开发周期，提高劳动生产率，所有这些迫使设计者不断地寻求智能化的设计工具和先进的设计方法。在汽车发展的百余年中，汽车车身结构也经历了从无到有、从简单到复杂、从单方面到多方面的发展过程。在此过程中，汽车车身的性能不断增强、安垒性不断提高、外观设计不断改进，形成了独具特色的现代汽车车身。1）、车身结构设计发展简史在汽车工业发展的幼年时期，汽车车身实际上就是从马车结构直接转化而来，所谓的“车身工程”在当时还是木匠的事情，只是为了使车身的各组件能大批量生产，将木匠的工艺加以改进而已。在整个20年代，汽车车身在全金属结构的基础上只发生了一些小的变化，它们都是为了满足顾客的舒适需要而变化

12、的。30年代后期，世界汽车工业进入一个新的时期，出现了所谓的“概念车”。概念车的设计和生产向车身生产商提出了新的要求：车身的设计和制造必须与汽车的整体设计融为一体。80年代，当世界车工业的竞争进入全球化的时候。汽车市场进入又一轮外观设计的竞争，这给汽车车身的设计在新材料、一体化等基础上又增添了新的焦点。20世纪90年代初，轿车车身外部造型设计的主流主要是柔性与刚性的特点相呼应，构成棱角分明的外形。车身造型显得朴实含蓄、线条明晰优美。这种外形与现代发展起来的车身制造工艺很适应。由于空气动力学是影响车身造型的最重要因素，根据节约能源、减小风阻系数和提高空气动力性能等原理而推出的楔形造型，后来也一度

13、十分盛行，亦即：长头短尾，车头前端低矮，线条前低后高，尾部保持丰满并向上翘起的造型风格。近年来，因为棱角分明的外形很难大幅度地降低风阻系数，故汽车外部造型逐步突破棱角分明而趋向圆滑，尤其重视完美的局部造型以及加装各种导流板。事实上，这种圆滑、飘逸型的造型风格已博得广大消费者的理解和喜爱，并成为今天的车身造型主流。总的来说车身结构也出现了如下个不同特点：轻型化：由于节油是当代汽车发展的主要课题之。作为汽车主要总成之一的汽车车身的轻型化是大势所趋。为此，世界汽车工业的主要供应商们都“挖空心思”地开发出了各种轻型化汽车车身。联合化：当今大的汽车生产商的设计与生产已经出现了上下一条龙的联合化趋势。这种

14、联合化趋势给汽车车身生产商以更多的设计创造、生产革新等方面的自主权。优质化：汽车车身的设计和制造的优质化体现在三个方面：首先，汽车车身的实际使用中的结构强度必须完全符合有关方面的安全标准，以彻底消除汽车受到撞击后车身变形、车内人员受到直接的撞击力；其次，汽车车身的生产工艺的发展不再独立化，它必须能够不断适应汽车外形设计发展的需要：最后，汽车车身在设计变得复杂的同时其结构却变得简单了。2）、未来汽车车身结构设计的发展方向汽车当今的市场竞争和技术发展推动了设计思想和设计手段的革新，这无疑在不远的将来会得到进一步的发展。汽车产业内部、汽车整车制造商与其上下零部件供应商之间、汽车企业之间的联合化发展的

15、前提条件就是设计工具、生产手段的自动化。随着计算机软硬件技术的迅速发展出现了专门的二维/ 三维辅助设计/ 工程软件汽车设计迈入了数字化时代其核心是在设计过程中使用计算机辅助设计软件CATIA、PRO/E、UG 等建立车身的数学模型。1.2 本文研究的内容及意义汽车是人的代行工具，与人在日常生活中息息相关，己形成独特的汽车文化。“一堆冰冷的钢铁”是无法满足现代人精神和文明需要的。车身造型设计必须以人为本，体现人机协调，使用操作方便、舒适，使汽车适应人的各种生理和心理要求，从而提高工作效率、保障安全、维护健康。未来的车身造型设计将在车身外观设计、人机工程以及室内环境等方面更加注意人性化的发展。人机

16、工程学在对人的特性进行详细研究的基础上设定了一系列的设计准则，用来指导汽车产品的设计，主要是人和汽车之间的界面设计。其中与汽车设计相关的主要有1）基于人体感官的界面设计例如，人的视觉有视角、视野、可视光波长范围、颜色分辨力、视觉灵敏度、定位错觉、运动错觉、视觉疲劳等特性，汽车的挡风玻璃、仪表板和仪表的设计就要充分考虑这些特性，使驾驶者能够得到足够的视区，能够迅速辨认各种信号，减少失误和视觉疲劳。交通标志的设计也应该采用大多数人能明辩的颜色和不易产生错觉的形状。2）基于人体形态的界面设计不同地区和人种、不同年龄和性别都具有不同的身体尺寸，为不同地区和群体设计的汽车就要参考特定对象的人体参数，在现

17、代社会条件下，以一种产品规格想占有不同地区的市场是很难的。人在生活和劳动中又具有各种不同的形态，人体在不同的姿态下工作，全身的骨头和关节处于不同的相对位置，全身的肌肉处于不同的紧张状态，心脏负担不同，疲劳程度也不同。设计一台机器首先要考虑采用什么身体形态来操纵，选定姿态后，还要考虑以最舒适的方式对人体进行支撑，并适当地布置被操作对象的位置，从而减少疲劳和误操作。例如司机在驾驶汽车的时候采用坐姿，坐椅的设计要符合人体骨骼的最佳轮廓，仪表的布置应在易于看到的地方，操纵杆/板的位置要在人体四肢灵活运动的范围内。3）基于力特性的界面设计人体在不同的姿态下，用力的疲劳程度不同，操纵机器所需的力量应该选择

18、在对应姿态下不易引起疲劳的范围内。例如转向助力器就是为了减轻操纵力而设计的。人体在不同的姿态下最大拉力、最大推力也不相同，例如坐姿下人腿的蹬力在过臀部水平线下方20度左右较大，操纵性也较好，所以刹车踏板就安装在这个位置上。人体在不同的姿态使用不同的肌肉群进行工作，动作的灵活性、速度和最高频率都不相同，例如腿的反复伸缩具有较低的频率，而手指则可以用较高的频率进行敲击。因此，对应不同的操纵频率应采用不同的动作方式来完成。4）基于人脑特性的界面设计 人脑对事物的认识和反应有自己的特点，体现在他的行为和对外界的反应中。人喜欢用直觉处理事情，不善于烦琐过程和精确的计算。对于协助人脑进行工作的计算机，如何

19、进行人机界面的设计一直是热门的论题。无论是从低级语言到高级语言，到面向对象、面向任务的编程方式的发展，还是图形终端、鼠标定位、窗口系统、多媒体、可视化、虚拟现实等方面的进展，都体现了这个主题。近年来，人工智能已经在汽车上应用，车载电脑可以协助驾驶者认路、换档、避碰。可以毫不夸张地说，现代社会中，凡成功的机器产品，不能缺少人机工程学的理念。也正因为如此，越来越多的汽车公司在设计产品的时候都将人机工程作为设计考虑一大要素。近年来，纯电动汽车无论在国外，还是在国内，均得到了较大的发展。从当前中国经济发展水平和国民收入的情况来看，纯电动汽车不仅适合国情，而且是能够快速进入中国家庭的车型。目前，国内的纯

20、电动汽车设计水平与国外相比，还有比较大的差距。国内成批量生产的纯电动汽车大多是与国外厂家合资生产的，自主开发的整车几乎是空白。所以提高的纯电动汽车设计水平和自主开发能力是我们迫切需要解决的问题。而汽车车身属于汽车的4大总成之一，在汽车设计中占有极其重要的地位。汽车座椅以及脚踏板的布置设计直接影响汽车的美观和安全性。随着汽车工业的高速发展，全球汽车总保有量不断增加，汽车所带来的环境污染、能源短缺，资源枯竭等方面的问题越来越突出。当今世界节能和环保日益引起关注，因此电动汽车正在加速发展。电动汽车具有高效、节能、低噪声、零排放等显著优点，在环保和节能方面具有不可比拟的优势，因此它是解决上述问题的最有

21、效途径。目前电动汽车技术的研发已成为各国政府和汽车行业的热点。电动汽车势必成为2 1世纪重要的绿色交通工具。电动汽车指全部或部分用电能驱动电动机作为动力系统的汽车。它包括蓄电池电动汽车即纯电动汽车(AO681)。如图1-1：电动机离合器减速器差速器车轮蓄电池图1-1 AO681 纯电动汽车电能驱动系统本文针对纯电动汽车的座椅及踏板布置设计主要研究内容如下：首先，通过搜集人体测量的实际数据来确定乘坐姿势的舒适性和安全性。其次，搜集几款世界上各品牌(包括中国本土)的轿车座椅及踏板布置的资料，把它们的技术参数作一个整理，进行一些初步地分析。最后，进行座椅及踏板布置设计并对设计好的座椅及踏板进行校核。

22、2 汽车座椅及踏板布置的设计与校核2.1 布置设计要求2.1.1 座椅布置要求驾驶座椅的布置是轿车总布置的关键之一。驾驶座椅的调整应能够使驾驶员相对方向盘、操纵杆、踏板等操纵机构及前档风玻璃，在纵向及铅垂方向的位置应能够满足绝大多数驾驶员群体的各类人身体特征。座椅的平行移动及高度调整范围根据人体标准模型的肢体夹角来确定。座椅安装位置的尺寸是很重要的，它直接影响到使用者的便利性和舒适性。座椅布置要体现出人体工程学的要求。驾驶座椅是最关键的座椅。它的基本要求是布置合理，操纵方便，即乘坐时驾驶者对方向盘、操纵杆和踏板的良好可及性。座椅设计时应同时满足以下五点基本要求：1.座椅的合理布置；2.座椅外形

23、要符合人体生理功能；3.座椅应具有调节机构；4.座椅有良好的振动特性；5.座椅必须十分安全可靠。2.1.2 座椅的人机工程学要求1）各部贴合感：要求座椅靠背和坐垫的形状与人体背部、臀部及大腿底面的形状相贴合。贴合感强的座椅将有利于改进接触面积和部位。2）横向稳定性 ： 汽车转弯时，人体承受横向加速度，为了提高乘员的身体保持性， 要求座椅的侧面稍加高，以便两跨和大腿部能轻轻支承身体。3）背部和腰部的合理支承：汽车座椅设计时应提供形状和位置适宜的两点支承，第一支承位于人体第56胸椎之间的高度上，作为肩靠能减轻颈曲变形；第二支承设置在腰曲部位，作为腰靠，能保证乘坐姿势下近似于正常的腰曲弧线。4）各部

24、合适的软硬感：座椅最重要的作用是支撑乘员的身体，不能只是一把安乐椅，表面硬一些的座椅不易使人疲劳，但与身体不是特别贴合的硬座椅会压迫身体的某一部分，使疲劳感倍增。5）振动舒适性：需要设计好座椅的静态刚度、共振频率及衰减特性。2.1.3 脚踏板布置要求(1) 踏板排列。从驾驶员位置观察时,踏板应按以下次序自左至右排列:离合踏板、制动踏板、加速踏板。(2) 踏板间距。踏板间距以两个踏板在参考平面P上投影之间的最小距离来测量,图2-1所示,踏板之间的最小距离是指加速踏板和制动踏板及制动踏板和离合踏板之间的最小距离。图2-1 脚踏板布置示意图 (3) 离合踏板在参考平面P上的投影至被P平面所截的车身内

25、饰板截面之间的最小距离,如图2-2 所示。图 2-2 离合踏板与车身固定距离(4) 操作单个踏板的最小侧向间距。紧挨踏板左右侧向有碍于踏板操作的两障碍物,在参考平面P上投影之间的最小距离。除相邻踏板外,还应考虑转向柱及固定装置等。具体数值见表1 所列。表 1 踏板间距推荐值 （mm） ECE法规 DIN73001 最大 最小 推荐值 E 100 50 70 F - 50 60 G - 50 130 H - 130 170 J - 160 260因此，为了使离合器踏板到新设计的轮包的最小距离符合标准，必需将离合器踏板在原来位置的基础上再向内移动。由于转向管柱略向前倾，所以离合器踏板同转向管柱是交

26、错的，没有干涉问题的存在。可适当向内移一些,但要考虑驾驶舒适性.一般离合器踏板到侧边距离为4080mm, 小车小一些, 到方向盘中心Y向距离为40120mm,制动踏板离离合器踏板约为100160mm, 油门踏板离制动踏板水平距离为60120mm, 设计时可以参照同类车型尺寸.2.2 人体统计尺寸在汽车设计中的应用通过人体测量获取大量数据，经统计分析得出相应部分的各种百分位值，然而这些统计数据在产品设计中还不能还拿来就用，还必须根据实际情况加以修正。同样，有了这些数据，我们可以建立起人体的三维几何模型，这就需要对人体进行适当的简化。人不同于机械，机械运动是有规律的，大小是分系列的，二人的运动是无

27、规律的，人体尺寸也是千差万别的。因此，对于人体的研究只能采用统计的方法，从概率中寻求规律，以满足茶品设计的需要。2.3 模型关节点的确定和人体分块简化人体本身由头颈，躯干，四肢几大部分组成，各组生部分以关节相连结，构成一个有机的整体。而人体实际就是以骨骼系统为支架，再加上肌肉等软组织构成的。2.3.1 关节的简化做作为关节在人体解剖学和生物力学中都有具体描述，各在结构和功能上也多不相同。尤其对于工程应用来说，要模拟各关节复杂的运动和结构是比较困难的，也不太必要，设计者所关心的只是在对肢体运动及构造简化的前提下，对人体静态动态空间进行客观的描述，如人体的高度和关节的活动范围。而我国至今还没有成熟

28、的人体关节简化数据，在这种总情况下只能参照国外相应资料并进行某些适当的假设。本文使用的人体模型是参照德国DIN334416和DIN334402标准有关人体模版关节位置和体表尺寸间的比例关系，并假设这种比例关系也适合中国人体尺寸。这种假设是建立在以下认识上的：即各民族，国家的人体在尺寸分布及结构比例（如坐高/身高）上存在差异，但在同一部位如肩宽与肩关节点中心位置之间的比例关系上应该是相差很小的。基于这种认识，根据德国人在模版设计中心位置与人体相应部位的比例，作为计算中国人体关节中心位置的依据。如有以下计算公式：中国人体关节中心距=中国人体肩宽德国人体 (2-1)关于关节转动角度直接引用DIN33

29、408中有关内容，这是基于关节角度方面国际上比较一致的观点：即不同种族间在人体尺寸方面有较大差距，但人体关节活动角度仅限于正常范围其数值相差较小，可以认为基本上相同。在模型中，用关节点来表示整个关节，但模型没有采用全部关节点，而只用了以下11个：左右肩关节点，颈关节点，左右肘关节，左右髋关节点，左右膝关节点，左右踝关节点，忽略了腕关节点和胸腰关节点。2.3.2 人体简化分块模型建立中将整个人体分为颈，躯干，左右上臂，左右前臂（包括手），左右大腿，左右小腿，左右脚共12块，分别用曲面加以描绘，然后再通过关节点把相应部分（块）连接起来，构成整个几何模型，如图2-3和2-4，下面分别讨论各块的简化。

30、图2-3 图2-41 头颈部 2 躯干 3 上臂 4前臂和手5 大腿 6 小腿 7 脚 1.左右前臂和手的简化在模型建立中把手和前臂作为一个整体加以简化。原因如下：在胳膊的正常工作姿势下手心（握心），腕关节，肘关节，基本在同一直线上，也就是说手相对前臂基本不发生弯曲动作，因此就忽略了手绕腕关节的转动，把手和前臂作为一个整体，定义成一个块如图 2-4 中的4。手的姿势简化，手是人体结构较为灵活的部分，结构复杂关节众多。由于模型并不是用来检验手的灵活性，只考虑了两种在驾驶员操纵部件时两种常用姿势如图2-5所示，一是握手柄和方向盘的，另一种是拔按开关，按钮的。模型中针对这两种情况考虑手的长度变化。

31、图 2-5 上为抓握姿势 下为抓捏姿势2.脚的简化驾驶员在操纵踏板时，脚着工作鞋，整个脚部就像一个整体一样，几乎不变形。在建立模型时对脚趾关节活动的考虑也没有多大意义，因此在建立本文模型时，把脚同鞋子一起作为一整体对待。使其只绕踝关节做转动。3.躯干部分的简化躯干部分是几大部分中最为复杂的，自由度大。由于主要组成部分胸腰两块以脊柱为连结。为了简化起见，在建立模型时，仍把躯干作为一个整体来对待。图 2-4中的2。4.头颈部分的简化头颈的结构稳定，几乎不变形，在驾驶时姿势基本保持不变的情况，而把头颈作为一个整体来加以简化如图 2-4 中的15.其他部分的简化上臂，大腿，小腿这几部分由于其结构比较单

32、一，大多是一根大的骨骼贯穿其中，故把他们简化成不同的独立整体。如图2-4所示。2.3.3 三维人体几何模型的建立人体可以看成是复杂的运动机构，各部分由相应关节连结而构成一个运动链。通过对人体的简化分块，对各组成部分建立对应的局部坐标系，在各自的局部坐标系中，对各块进行描述。这样对人体处于某一姿势时，在三维空间中确定出各块的局部坐标系，然后再在各局部坐标系中，描绘出各组成块，就可构成整个三维人体几何模型。如图2-6所示以上就是建立几何模型的基本思路。具体过程如下：1.首先是各块的局部坐标的确定。发法如下：x轴方向为长度或高度方向，y方向为厚度方向。（注：长度、高度、厚度方向都以人们通常习惯所指一

33、致）原点o在该部分转动所绕的关节点上，z轴方向由右手定则定出。如图 2-7 所示。例如躯干部分的局部坐标系的确定。以H点为原点，HSc为x轴，垂直朝向背为y轴。图 2-6图 2-7各部分的局部坐标系却确定后，建立各块的三维曲面模型如图2-4所示各块。由局部坐标系的确定方法可知，在建立各局部坐标时，必须已知各相应关节点的位置（三维坐标值）。下面就主要讨论如何确定模型建立中要使用的各关节点在车身坐标系中的坐标值。车身坐标系以前后方向为X轴，向后为正方向，高度方向为Z轴，向上为正，宽度方向为Y轴，向右为正。一般情况下，已知驾驶员的H点，左右手触及点（或手握中心点）左右踵点的坐标值，这样就是求解左右H

34、点，左右膝关节点，左右踝关节点，左右肩关节点，左右肘关节及颈关节点，左右髋关节点，连线中心点的坐标值，下面分别讨论。2.躯干部分各有关关节点的位置计算模型建立时，只考虑躯干绕过左右H点连线前后摆动的情况，对躯干的左右侧倾和扭转不加考虑，这样的话，就可知左右H点连线平行于y轴，脊柱线HSc平行于XOZ平面，左右肩关节点连线平行于y轴（以上各轴平面皆指车身坐标系），那么计算躯干部分各关节点坐标就简单了。设已知H点在车身坐标系的坐标值（XH YH ZH）,靠背倾斜角L40 ,左右H点距离HB，左右肩关节点SB，H点到肩关节点连线中心点Sc的距离SH（本文长度单位为：mm,角度所用单位为：角度）。图2

35、-8 躯干在车身坐标系中的位置示意图（左视）图2-9 躯干部分各关节在车身坐标系中的位置示意图（后视）左H点HL的坐标为：XHL=XHYHL=YH-HB/2ZHL=ZH右H点HR的坐标为：XHR=XHYHR=YH+HB/2ZHR=ZH左右关节点连线中心的坐标为：XSC=XH+SHsin(L40)YSC=YHZSC= ZH+SHcos(L40)左肩关节点的坐标为：XSL=XSCYSL=YSC+SB/2ZSL=ZSC左肩关节点的坐标为：XSR=XSCYSL=YSC-SB/2ZSR=ZSC3颈关节点的位置计算在模型建立时，总使头部保持在垂直状态，这主要从视觉方面看，驾驶员总希望自己的视线几乎垂直于被

36、观察目标，况且模型也不用于视觉方面的设计，所以对头颈部的摆动扭转皆不加考虑。这样就假设颈关节点直接位于肩关节中心的垂直向上的位置上。已知肩关节中心点到颈关节点的长度为NL，则颈关节点的坐标为：XNC=XSC YNC=YSC ZNC=ZSC+NL4.肘关节点的位置计算胳膊上依次有肩关节点，肘关节点，腕关节点，由上节的简化可知忽略了腕关节点，且把手触及点（手握点）看作同肘关节点。腕关节点在同一直线上。这样对于胳膊上这三个点依次相连结，可以构成一个三角形（特殊情况下，三点在同一直线上）。我们已知了肩关节点和手触及点的位置。剩下就是如何确定肘关节点的位置问题。这是比较难的，关键是无标准或推荐方法可以依

37、据。由于绕关节点，胳膊有较大的自由度，在手触及点和肩关节点位置已定的情况下，肘关节点位置由于人的随意性，可能出在不同的位置上。但通常在驾驶员的正常的工作姿势下，有一点是可以肯定的，就是使胳膊处于比较省劲舒适的姿势。根据这种情况，在建立模型时认为肘关节处于最低位置上，这样胳膊重心最低，被认为是最省劲的。几何关系上即肩关节点，肘关节点，手触及点处在同一垂直平面内，俯视图上，此三点在同一直线上。有了以上假设，即可计算关节点位置，首先必须检验可伸及性问题（以下对手握中心点或手触及点称为目标点）即检查目标点同以肩关节点为中心，胳膊上为半径的球面间的位置关系。很有可能有三种情况：即目标点在球面内，球面上，

38、球面外。已知目标点在车身坐标系中的坐标为（X0 Y0 Z0），上臂长为UAL，前臂长为FAL，肩关节点坐标为（XS YS ZS），AL=UAL+FAL，则肩关节点于目标点的距离平方为：D2=(XS-X0)2+(YS-Y0)2+(ZS-Z0)2将D2同AL2比较即有前面所述三种情况。1） D2 AL2 即目标点在球面外，对于这种在给定姿势下（靠背角、H点已定）不能不能直接伸及的情况下，在程序设计时加入了一个循环过程，每次使躯干向前倾斜1即靠背角（AL40）数值依次减少1，每次循环后检查目标点是否仍不可伸及，此过程循环进行，直至目标点在手伸及球面上或球面内。当然这种循环是有条件限制的，程序中给出了

39、两个限制条件：一是保证另一只手的位置不变，二是在躯干前倾角度的舒适范围内。5.腿上有关关节的计算腿上有髋关节点，膝关节点，踝关节点，在已知髋关节点和踝关节点的位置及大小腿的各自长度后，即可通过有关计算得到膝关节的位置。对于腿上这三个关节点的位置，在正常工作姿势下，基本上在同一垂直平面内，因此模型就以此三点在同一垂直平面内为前提，计算出膝盖关节点的位置。这里首先要说明一下踝关节的计算。他是在已知踵点和踏平面角度后计算而得到的。关于踏平面和踵点的位置确定SAE中给出以下方法，已知踏板支点和踏板装置角（为加速踏板在不受压状态时其平面与地板面所成夹角）。利用以下公式求出踏平面角的值。=78.96-0.

40、15Z2-0.0173Z2其中Z为踵点到最后H点的垂直距离，单位为:cm. 单位为：角度。求出值后同值相对比从而求出踵点位置。分别为何 踵点于踏板支点保持接触，即将踏板于地面的焦点作为踵点。2） 此时已知踏平面长度为203mm（统计长度）。，的角度值，支点坐标值，利用三角几何关系即可求得踵点坐标值。求出踵点及踏平面角后，在已知踝关节点到踏平面的距离h1和到鞋后跟的距离L1后，即可求得踝关节点在坐标如图 2-11。图2-11求出踝关节点坐标后，已知大腿长TL，小腿长LL后，利用求肘关节点相同的方法即可求得膝关节点的坐标。经过以上讨论分析，已知了建立几何模型所需的各个关节点坐标值。依照前面所述建立

41、局部坐标的方法，建立起相应的局部坐标秒，利用AutoCAD软件中的插入块（Insert）功能，调用已存贮的各块的图形，在相应位置加以显示，从而构成一个边疆的三维人体模型。关于模型的表示方法，除了上面所提到的用自由曲面描述的外，还有棍棒（stickfigure）表示法，和二维模板表示法三种表示方法可以根据实际需要加以选择使用。如图图2-12 棍棒模型图2-13 二维模版图 2-14 自由曲面模型2.4 车身内部布置方法车身内部布置是汽车总布置工作中的重要组成部分，影响乘坐舒适性。操作方便性和汽车安全性，也影响整车的外形设计。它主要包括乘坐姿势和操纵机构的合理安排，座椅的布置，内部空间设计和视野设

42、计等，下面分别对乘坐姿势、操纵机构、空间尺寸确定加以讨论。2.4.1 乘坐姿势的确定根据人体X光透视和解剖学知识，人体上身可分为头、胸、臀三大部分其间以柔韧的颈椎和腰椎相连结，下半身以大腿、小腿、脚组成，这些组成部分间的位置关系决定了人体的姿势。在汽车行驶过程中，驾驶员由于操作或疲劳等因素需要调节姿势，所以驾驶员的坐姿是动态的，而这种动态的姿势改变基本上以人体的髋关节点连线为轴前后弯曲。日本大友良之教授长期研究表明座椅靠背角在110120度范围内变化时，驾驶员的舒适坐姿下的脊椎形状非常相似，由此可认为可在一固定的脊柱形状下来研究驾驶员的坐姿，特别在高速公路上，经大友良之教授观测试验表明，几乎所

43、有驾驶员在外观上看来，某坐姿在整个工作过程中变化很小。可以说是以同一姿势驾驶汽车的。这表明随着道路条件和乘坐环境的改善，驾驶员可以同一姿势长时间工作，其坐姿更接近于静态时的状态，所以本文仅以驾驶员静态坐姿作为车身内部的布置依据。图 2-15 驾驶姿势舒适角度人在站立时，身体呈直立状态下，脊椎呈自然S形，但在坐姿时，上身呈非自然状态，腰部肌肉易产生疲劳，且上身与大腿又呈一定角度，从而导致内脏受压迫，所以座椅的设计首先要考虑的是如何使腰部股骨得致充分休息，且体腿夹角合理。驾驶员在驾驶汽车时，不仅要求具有普通坐姿下的舒适性，更为重要的是为驾驶员提供轻便安全的工作条件，这与关系到座椅的调节问题。包括座

44、椅前后和高度方向上的位置调节和靠背角的大小调节，然而这些调节又不是单一的。它与方向盘柱角度和视野设计等都有较大关系，若从舒适性出发，方向盘柱的倾角应大一些，靠背角也应大一些，使体腿夹角接近于阿格布罗马线的夹角115,同时还要求座椅高度小一些，这样驾驶员操作时比较舒适。然而由人机工程学理论可知方向盘管柱越趋向直立位置，驾驶员操作时越便于施展全身力量，即从手臂到背部的肌肉都能参与转动方向盘。反之，则只能靠手臂部分的肌肉施加力量。这样看来，为提高操作轻便性，只能适当降低舒适性。另外，由于心理作用，驾驶员主了保持最好的视野状态，总希望自己的视线垂直于被观察目标，本能的使头部处于位置，这样的话，若靠背过

45、大，就会导致颈部弯曲较严重或躯干部离开靠背支撑，从而容易产生疲劳，因此针对这种具体情况，有时也只能到折衷方案，如对于大中型载重车，转向比较沉重，应先考虑操纵的轻便性，此外考虑到整车的布置，方向管柱角度应该大一些，同时座椅位置较高，靠背角度要小，而对于轿车的情况正好相反，此外，踏板的位置（踵点）、仪表板位置和视野要求都对座椅位置的确定有影响。无疑，驾驶员适宜的座椅位置应是驾驶室内有关尺寸的函数，这就要求在车身驾驶室内部布置时，综合地考虑各相关因素。然而由以上分析可知，这是比较困难的。因此设计者总希望有一个模型为依据来进行有关工作，为此美国通用汽车公司N.L.Philippart等人经过10年研究

46、调查，通过对14种不同车型的座椅位置进行有关测量，最后总结开发出所谓“驾驶员座椅位置选择”模型。如图 2-16 所示为A类车，图 2-17 为B类车的。图 2-16 A类车图 2-17 B类车A类车指符合以下条件的汽车：H点高度（H30）405mm方向盘直径450mmB类车指符合以下条件的汽车：405H30530方向盘直径在450560mm间驾驶员座椅位置选择模型对于A类是二次曲线，B类车是直线，这是由数据拟合得到的。下面简要介绍一下其测量推导过程。首先选择了14种不同的车辆，对受测试人员按年龄和性别进行组合，以代表正常的驾驶员群体，每个车辆测试40120个试验者的数据，测试过程中座椅调节量按

47、照生产厂家的给定值，方向盘位置、座高、靠背角都是固定的，要求受测试者坐在座椅上并调节到自己适宜的位置。此时记录下有关坐姿的数据。然后将测得数据进行统计处理，对每个车都进行正态分布检验。结果符合正态分布，得出不同百分位的实验值，将每种车的H点相对于拇指基准点的位置，按不同百分位，作为H点高度（H30，指H点到踵点的垂直距离），采用二次多项式对相应百分位的数据加以拟合，得出式4-1所示的曲线方程，对于B类车过程基本同A类车，但由于所测数据较少，只采用了直线拟合得直线方程如式2-1。A类车：公式如下X97.5936.60.613879Z0.0018624Z2X95917.70.672316Z0.00

48、19553Z2X50855.00.735374Z0.0020165Z2X10715.90.9687932Z0.00228674Z2 (2-3)X5692.60.981427Z0.00226230Z2X2.5687.10.895336Z0.00210494Z2其中X是H点相对踏板上拇指基准点的水平距离，Z是H点相对于踵点的垂直距离，单位都是mm。拇指基准点见图2-18。拇指基准点踏平面踵点拇指基准点踏平面踵点图 2-18 拇指基准点与踵点B类车：公式如下按 50/50、75/25、90/10或95/5 三种男女比例分类男女驾驶员比为50/50：X97.5916.500.471 ZX95900.2

49、30.471 ZX90888.440.487 ZX50798.440.446 Z (2-4)X10668.970.340 ZX5637.760.317 ZX2.5625.210.327Z男女驾驶员比为75/25：X97.5941.880.514 ZX95941.880.514 ZX90928.860.519 ZX50822.440.460 Z(2-5)X10699.710.354 ZX5668.860.339ZX2.5641.350.329Z男女驾驶员比为91/10或95/5时：X97.5929.130.480 ZX95922.490.494 ZX90903.030.485ZX50855.31

50、0.509 Z(2-6)X10785.360.492 ZX5762.170.485ZX2.5732.260.460Z其中X是H点相对于踵点的水平距离，其余同式2-1注释，式2-1和2-2可用于设计和校核。设计时在已知H点高度和适应级后，即可由公式算得适宜的H点水平行程，如要求设计达到90%的适应级，把H点高度值Z代入式中，求出和X95和X5两值即可作为最后H点和最前H点到踵点的水平距离。校核时，用已知H点的值同由以上公式计算得到的值比较，即可得知原设计的H点位置及水平行程是否达到了设计要求。对于A类车基准点由第50百分位的座椅位置选择曲线求出，对于B类车也由第50百分位的座椅位置选择方程求出。

51、其中A类车的基准点是水平方向相对足拇指基准点，B类车的基准点是水平方向相对于踵点，垂直方向上A、B车都相对于踵点。2.4.2 确定操作区域当汽车高速行驶时，由于其前方视野变化很快，驾驶员神经总处于比较紧张的状态，这时就要求驾驶员的操作方便准确，并能防止误操作，以确保安全性。这样在布置操作件时，就要从方便性出发，在驾驶员的上身几乎不用的前提下，方便把操纵方向盘，各种拉、拔、按钮及手柄等。为此国际标准化组织（ISO）规定了手伸及界面，要求各种手操纵件都合理的布置在手伸及界面内，这是车身设计中必须遵守得一条重要原则。驾驶员手伸及界面是指驾驶员以正常姿势坐在座椅中，身系安全带，右脚支撑于油门踏板踵点上

52、，一手握住方向盘时，另一只手所能伸及的最大轮廓空间，这个轮廓空间近似为椭球面如图2-19和图2-20所示图2-19 手伸及界面图2-20 手伸及界面在车身中的实际形状及位置由手伸及界面的定义可知，在正常坐姿下，由于安全带的约束，踵点支撑和方向盘限制，最大伸及空间一方面于驾驶员自身伸及能力有关，另一方面必然与驾驶室内有关装置相关如图2-21所示图 2-21 于手伸及界面有关的驾驶室尺寸驾驶员的自身伸及能力可以通过各种不同百分位和男女比例来加以区别。而驾驶室内部结构尺寸的影响则由驾驶室尺寸综合因子G的不同加以反映。ISO3985标准中将G因子分成7档：G-1.25 , -1.24G-0.75 ,

53、-0.75G-0.24 , -0.24G0.24 , 0.24G0.74 , 4G1.24 , 1.25130mm最后H点至踵点的水平距离：WX 130520mm方向盘中心至踵点的水平距离：WX 660152mm方向盘中心至踵点的垂直距离：WZ 530838mm检验步骤如下：1）测出欲检验汽车驾驶室的以下几项尺寸：HZ、D、WX、a、这些都与计算G因子有关。2）计算出G因子的值3）按下述公式算出手伸及界面前后方向上的基准面HR离踵点的水平距离d,确定该基准面得位置d=786D-99G若（d-HX）0,则该基准面HR纵向位于最后H点之处。4）用以下三个正交平面建立坐标系，基准面HR，驾驶员座椅对

54、称面及通过最后H点的水平面（如图2-20）5）测出车辆上欲检验的操作件在上述4）中建立的坐标系的坐标值。6）根据2）中得到的G值和以确定的男女驾驶员比例。找到ISO3958中对应表格。7）将5）中测得的轴操作件离基准面得水平面距离同表格中给定值相比较。若前者小于后者，则认为该手操部件布置合理，可以伸及，否则认为不合理，需重新布置。上述检验过程只能保证手操纵件是否在手伸及界面内，但重要的手操纵部件，指示信号装置应布置在驾驶头部无需转动便能直接观察到的视区内，以确操作方便，迅速辨认为此ISO标准中有以下详细规定。首先对驾驶员手伸及界面进行扥去，如图2-22所示图2-22基准平面：是指与汽车纵向对称

55、平面平行的，座椅参考点（设计H点）左右各50mm的平面。I区：位于基准平面左侧，由以下表面形成的区域。a)平行于方向盘平面且向上相距20mm的平面。b)平行于方向盘平面且向下相距170mm的平面。c)沿方向盘轮圈外缘向外扩展100mm的圆柱面，内缘向内扩展130mm的圆柱面，两圆柱面中心线同方向盘轴线共线。d)通过方向盘轴线的两相交平面，两垂直相交平面与过方向盘中心的纵向平面成的夹角分别为40和130区：由下列表面所形成的区域A）,b）同I区的a）b）。 c）以方向盘轴线为中心，以50mm为半径的圆柱面。区：与I区关于方向盘中心平面相对称的右侧区域。2.5 确定踏板布置区域脚部操作区域的安排直

56、接影响踏板操纵的轻便性，准确性在汽车的整个行驶过程中，几乎要一直操纵油门踏板，其位置合理与否，对驾驶员的舒适性有较大影响。设计时还要考虑空间的合理安排，即要求踏板之间，踏板与前围之间，小腿与仪表板下缘之间，大腿与方向盘下缘之间要有合适的间隙，以保证操纵踏板时，不发生相互干涉，同时油门踏板要长时间踩下；这就要考虑怎样发挥最佳作用力的问题人机工程学的研究成果为解决次问题提供了依据，如图2-23所示为踏板位置相对于座椅的高度和座椅对称平面的横向位置对施加踏板力的影响，可以供设计布置时参考。由图示2-24可知，驾驶员可以施加最大作用力的踏板位置，同时也是较舒适的位置。总之，踏板位置要合理布置，由此而定的踵点位置是座椅方向盘等的定位基础。最大力/10N图2-23(1) 踏板(相对于座椅)位置对于驾驶员施与踏板上的力的影响最大力/10N图2-23(2) 踏板(相对于座椅)位置对于驾驶员施与踏板上的力的影响2.6 高度及宽度方向上有关尺寸的确定首先是