汽车人机工程设计辅助工具.pptx

5.1 H点装置第1页/共94页H点装置（H Point Device）是车身布置和测量的重要工具，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的定位具有重要意义H点装置包括H点测量装置（H-Point Machine，HPM）和H点设计工具（H-Point Design Tool，HPD）第2页/共94页型H点测量装置的构造HPM-II型H点测量装置由鞋、小腿、大腿、座板和躯干组成，各部分均可以拆卸还包括鞋固定装置和头部空间测量装置两个附件第3页/共94页第4页/共94页型H点测量装置的构造1.鞋的构造装有踝关节角度尺；AHP到PRP侧向偏 移 量 标 尺，还 有 测 量 鞋 底 面 倾 角（A47或A48）的辅助测量标记点其它零件：锁止螺钉、水平调节螺钉、气泡水平仪、鞋固定装置第5页/共94页型H点测量装置的构造2.腿部的构造小腿和大腿长度均可调节，并可以用紧固旋钮固定于某刻度处在大腿靠近膝关节一端还装有用于度量小腿侧向位置的刻度盘膝关节处装有角度刻度盘，用来指示膝关节角度第6页/共94页型H点测量装置的构造3.躯干的构造由胸部、腰部和骨盆部组成，相互之间铰接在一起胸部和腰部都装有支撑重块的托架。在腰部还装有支撑头部空间测量装置的固定栓还有把手、载荷施加点、H点枢轴、躯干角度测量台等件第7页/共94页型H点测量装置的构造4.座板总成的构造由座板、大腿和骨盆重块定位杆、H点位置杆、躯干支撑装置、水平仪等组成第8页/共94页点设计工具HPD是HPM-的简化CAD模型HPD模型的鞋、小腿部和大腿部位于身体右侧模型上以点和线的形式标出了HOS、BOF、H点、小腿线和躯干线等基准点和参考线第9页/共94页点装置上的基准点H点装置可用于建立车内布置关键基准点和尺寸汽车内部布置最重要的基准点是H点，一般借助H点测量装置HPM或者H点设计工具HPD来定义在HPM和HPD上定义了与设计和人机关系相关的点和参考线，包括H点、D点、K点、躯干线、腿线、座垫线等；同时，车身布置的一些重要基准点也需要借助H点装置来定义第10页/共94页点装置上的基准点1）H点是H点装置上躯干与大腿的铰接点；在不同场合，其表现形式也不同设计H点：是借助HPD按一定程序建立的H点，用以表达设计乘坐位置第11页/共94页点装置上的基准点1）H点乘坐基准点（SgRP）：是一个特殊的设计H点 是在车辆设计过程初期就定义的重要基准点 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，它用于定位一些布置工具，且用来定义了许多关键尺寸第12页/共94页点装置上的基准点1）H点实际H点：是将HPM按规定步骤安放在座椅上时，所测得的H点位置（相对于整车坐标系，或者相对于座椅结构）第13页/共94页点装置上的基准点2）D点：是坐姿状态下H点装置臀部的最低点3）K点：H点装置上大腿和小腿铰接点，即膝关节点4）躯干线：H点装置上，自H点出发、平行于后背腰部区域外表面、用于定义躯干角度的直线5）腿线：连接腿部两端关节的直线，包括大腿线和小腿线。大腿线连接H点和K点，小腿线连接K点和踝关节点6）座垫线：H点装置上，自H点出发，用于定义座垫角度的直线第14页/共94页点装置上的基准点7）鞋上的基准点AHP：当H点装置的鞋按照适当方法根据自由状态加速踏板定位后，其踵点与地板表面（考虑地毯压塌量）的交点BOF：鞋底表面一点，与踵点相距200mm。其侧向位置位于鞋宽度的一半处裸足底线：鞋底附近与鞋底成6.5的直线，用于定义踝关节角度第15页/共94页点装置上的基准点7）鞋上的基准点地板基准点（FRP）：将H点装置的鞋按一定方法定位（鞋底与考虑地毯压塌量的地板表面接触）后，踵点与地板的交点。FRP不适用于驾驶员右脚（用AHP代替）。踏板基准点（PRP）：当鞋按照适当方法根据加速踏板定位后，加速踏板表面上与BOF接触的点第16页/共94页点装置上的基准点第17页/共94页点装置上的基准点H点测量装置上提供了14个辅助测量点。借助坐标测量机对这些点进行坐标测量，就可以方便地将某些关键点和关键参数计算出来第18页/共94页点装置的功能和应用1.H点装置的测量功能当H点装置用于测量用途时，能够将座椅和车内硬点和硬点尺寸测量出来按照测量的用途区分，可分成方案对比分析（对标分析，Benchmarking）方案审核定位内部基准点第19页/共94页点装置的功能和应用2.H点装置的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的关键基准点和尺寸，这些关键基准点和尺寸称为硬点和硬点尺寸第20页/共94页点装置的功能和应用3.利用H点装置进行驾驶员乘坐环境参数对标进行实验准备对车内关键点进行三坐标测量建立PRP和AHP调节座椅位置和姿态安放HPM的座板总成和躯干部安装HPM的配重测量HPM的关键点坐标计算SgRP安装腿部记录测量结果将HPM从座椅上面取下第21页/共94页点装置的功能和应用4.利用H点装置建立前排乘员布置方案确定关键参数的目标值确定A47、定位鞋、建立PRP和AHP定位SgRP，并确定设计H点调节轨迹曲线定位HPD硬点尺寸参数定义H30-1/mm驾驶员座椅高度W20-1/mm驾驶员侧向中心线位置A40-1/（）H点装置躯干角，取22L18-1/mm驾驶员座椅的腰部支撑量A27-1/（）驾驶员座椅的座垫倾角大腿长度为456mm，小腿长度为459mm完成HPD定位之后，其上的基准点、参考线和相关硬点尺寸就确定了22第22页/共94页5.2 驾驶员H点位置线第23页/共94页类车SAE H点位置曲线A类车的H点位置曲线模型为式中，x为H点到BOF的水平距离（mm），z为H点到AHP的垂直距离（mm）第24页/共94页类车SAE H点位置曲线B类车的H点位置曲线，要考虑驾驶员群体中男性和女性所占的比重表中，X为H点到AHP的水平距离（mm），Z为H点到AHP的垂直距离（mm）第25页/共94页踏板平面角踏板平面角为鞋底与水平面的夹角式中，z为H点到AHP的垂直距离（H30，cm），它反映了容纳驾驶员群体乘坐的座椅高度第26页/共94页5.3 眼椭圆第27页/共94页眼椭圆的定义和由来眼椭圆（Eyellipse，Eye和Ellipse的合成）是指不同身材的乘员以正常姿势坐在车内时，其眼睛位置的统计分布图形；左右各一，分别代表左右眼的分布图形28第28页/共94页类车、行程可调节座椅眼椭圆1.眼椭圆尺寸的计算长轴长度Lxl研究表明，驾驶员眼睛位置沿Ax方向的分布与驾驶员身高呈现0.473的相关关系l可以利用身高的分布来计算长轴长度29第29页/共94页类车、行程可调节座椅眼椭圆1.眼椭圆尺寸的计算长轴长度Lx30第30页/共94页类车、行程可调节座椅眼椭圆1.眼椭圆尺寸的计算长轴长度Lx长轴长度Lx=CM-CF31第31页/共94页类车、行程可调节座椅眼椭圆1.眼椭圆尺寸的计算短轴长度Ly和竖轴长度Lz眼椭圆的短轴和竖轴长度基本上不受驾驶员身高和布置参数的影响。因此，可以根据眼睛位置一维正态分布变量的标准差和眼椭圆百分位值 来计算Ly和Lz，即32第32页/共94页类车、行程可调节座椅眼椭圆2.眼椭圆的定位椭圆倾角的计算椭圆中心33t为变速类型，当有离合踏板时t=1，否则，t=0CM、CF分别为男子和女子眼睛位置分布的上、下1-P分位点第33页/共94页类车、行程可调节座椅眼椭圆2.眼椭圆的定位34第34页/共94页类车、行程可调节座椅眼椭圆3.适合某些国家驾驶员群体的眼椭圆截至2002年，SAE给出了美国、日本和荷兰的眼椭圆尺寸和定位公式35第35页/共94页类车、行程可调节座椅眼椭圆3.适合某些国家驾驶员群体的眼椭圆1）眼椭圆尺寸36百分位TL23/mm长轴Lx/mm短轴Ly/mm竖轴Lz/mm95th1133173.860.393.4133206.460.393.499th1133242.185.3132.1133287.185.3132.1适合美国人的A类车、可调节座椅眼椭圆尺寸第36页/共94页类车、行程可调节座椅眼椭圆3.适合某些国家驾驶员群体的眼椭圆2）眼椭圆定位37适合美国人的A类车、可调节座椅眼椭圆定位第37页/共94页类车、行程可调节座椅眼椭圆4.眼点E点：E点（眼点）代表眼睛位置，是视野设计过程中视线的出发点P点：P点是驾驶员头部水平转动的中心点，与E点等高，位于左右眼点EL和ER连线中点后方98mm处38第38页/共94页类车、行程可调节座椅眼椭圆4.眼点P点相对于95百分位中央眼椭圆中心的偏移量39TL23P点x/mmy/mm左侧驾驶y/mm右侧驾驶z/mm133mmP10-7.3+7.3-20.5P226.2+20.6-20.6-20.5P3191.0-11.2+11.2+22.5P4191.0+11.2-11.2+22.5133mmP116.3-7.3+7.3-20.5P239.2+20.6-20.6-20.5P3175.0-11.2+11.2+22.5P4175.0+11.2-11.2+22.5第39页/共94页类车、行程可调节座椅眼椭圆4.眼点头部转动点P1和P2分别用来计算驾驶员左、右侧A柱的双目视野障碍角头部转动点P4和P3分别用来计算驾驶员左、右侧后视镜的间接视野40第40页/共94页类车眼椭圆1B类车眼椭圆尺寸和定位尺寸41百分位TL23/mm长轴Lx/mm短轴Ly/mm竖轴Lz/mm95th 100133173.8105.086.0133198.9105.086.099 th100133242.1149.0122.0133268.2149.0122.0第41页/共94页类车眼椭圆1B类车眼椭圆尺寸和定位B类车眼椭圆定位时以ATRP作为基准点在侧视图上，眼椭圆关于其中心有向前下方11.6的转角；在俯视图上，左右眼椭圆关于其中心有向右侧5.4的转角42X为椭圆中心相对于ATRP的水平距离；YL、YR分别为左、右眼椭圆中心相对于ATRP的侧向距离；Z为圆中心相对于ATRP的垂直距离第42页/共94页类车眼椭圆43第43页/共94页类车眼椭圆2ATRPATRP是驾驶室布置工具图形定位基准点44式中，X为ATRP到AHP的水平距离（mm），Z为ATRP到AHP的垂直距离（mm）第44页/共94页眼椭圆的理论解释1.眼椭圆的数学含义45眼椭圆的几何含义，就是该方向眼睛坐标变量二维正态分布概率密度函数的等概率密度线第45页/共94页眼椭圆的理论解释2.眼椭圆的视切比视切比定义为眼睛位置落在眼椭圆切线包含眼椭圆一侧的概率对于眼椭圆的任意切线，眼睛位置落在包含眼椭圆一侧的概率都相等，且等于眼椭圆的百分位46第46页/共94页眼椭圆的理论解释2.眼椭圆的视切比包含比，定义为眼睛位置落在眼椭圆内的概率。视切比总是要大于包含比47第47页/共94页眼椭圆的应用眼椭圆是汽车视野设计的基础，但只有与视线（切线）一起使用方有意义48第48页/共94页5.4 头廓包络概述A类车头廓包络B类车头廓包络头廓包络的应用49第49页/共94页概述1头廓包络定义头廓包络指不同身材的乘员以正常姿势坐在适意的位置时，其头廓（包括头发）的包络；用于在设计中确定乘员所需的头部空间与眼椭圆相对应，头廓包络面也包括座椅行程可调式和不可调式两种50第50页/共94页概述2头廓包络生成原理通过对人的头部尺寸进行测量和统计，SAE制定了平均头廓线，来描述侧视和后视方向头廓的平均尺寸51第51页/共94页概述2头廓包络生成原理将平均头廓线样板上的眼点沿着眼椭圆轮廓上半部分运动，平均头廓线随之平动，描绘出的各个位置平均头廓线的包络就是头廓包络线52第52页/共94页概述2头廓包络生成原理1997年，头廓包络面取代了头廓包络线。包络面的开发采用的是CAESAR人体数据库中三个平均身材男子头廓的三维扫描数据为方便使用，将头廓包络面简化成为上半椭球面53第53页/共94页类车头廓包络1.头廓包络面的尺寸头廓包络面的尺寸包括长轴、短轴和竖轴的长度54百分位乘员TL23/mmLX/mmLY/mm（车内侧）LY/mm（车外侧）LZ/mm95th驾驶员和前排外侧乘员133211.25143.75166.75+133.50133198.76143.75166.75+133.500173.31143.41166.41+147.07前排中央乘员133211.25143.75143.75+133.50133198.76143.75143.75+133.50其他0173.31143.41143.41+147.07第54页/共94页类车头廓包络1.头廓包络面的尺寸行程可调节座椅的情况55第55页/共94页类车头廓包络1.头廓包络面的尺寸行程不可调节座椅的情况56第56页/共94页类车头廓包络2.头廓包络面的定位1）头廓包络面倾角适合A类车、行程可调节座椅的头廓包络面只在侧视图有向前下方12的倾角，其它视图方向的倾角为零。对于固定座椅，在各个视图方向倾角均为零57第57页/共94页类车头廓包络2.头廓包络面的定位头廓包络面中心位置（行程可调节座椅）58TL23Xh/mmZh/mm13390.652.613389.545.9085.442.0第58页/共94页类车头廓包络2.头廓包络面的定位头廓包络面中心位置（固定座椅）头廓包络面中心相对于SgRP的三个坐标分量为固定座椅眼椭圆侧视图倾角59TL23Xh/mmZh/mm13390.652.613389.545.9085.442.0第59页/共94页类车头廓包络2.头廓包络面的定位无论是固定座椅，还是行程可调节座椅，当定位眼椭圆之后，可以直接左右眼椭圆中心连线中点（中央眼椭圆中心）来定位相应的头廓包络头廓包络中心相对于中央眼椭圆中心的偏移量60TL23XYZ133mm90.6052.6133mm89.5045.9085.4042.0第60页/共94页类车头廓包络（略）61第61页/共94页头廓包络的应用乘员头部与车身结构之间的空间对于保证乘员头部活动，以及在颠簸和翻车等情况下头部具有必要的缓冲具有重要意义，但这个空间设计过大会浪费空间，并增大汽车正面迎风面积而使空气阻力加大，因此，头部空间尺寸关系到整车性能的好坏，必须科学合理地选取关键就是能够将乘员头部占据空间的范围描述出来，然后只要控制头顶内饰与乘员头部占据空间范围边界即可62第62页/共94页头廓包络的应用当作出头廓包络之后，参照对标尺寸H61，并选择合适的L38、H41、L39等尺寸，就能够将头部空间和顶盖不同部位的高度确定下来63第63页/共94页头廓包络的应用在侧视图上选择合适的W27、W35和H35等尺寸，就能够将宽度方向顶盖不同部位的高度确定下来这样就为造型和结构设计提供了依据和要求64第64页/共94页5.5 驾驶员手伸及界面相关概念驾驶员手伸及界面的描述驾驶员手伸及界面的定位驾驶员手伸及界面的应用65第65页/共94页相关概念1.驾驶员手伸及界面指驾驶员以正常姿势入座、身系安全带、右脚踩在加速踏板上、一手握住转向盘时另一手所能伸及的最大空间廓面66第66页/共94页相关概念1.驾驶员手伸及界面根据安全带形式，有对应于三点式安全带和两点式安全带两种类型的手伸及界面67第67页/共94页相关概念2.通用布置因子通用布置因子（General Package Factor，G因子）是反映乘坐环境布置的代数式68第68页/共94页相关概念3.HR基准面HR基准面是用于定位驾驶员手伸及界面的平面，它平行于车辆坐标系yz平面，位于AHP后方，到AHP的距离根据下式计算69第69页/共94页驾驶员手伸及界面的测量驾驶员手伸及界面数据是在手伸及界面测量台上测得，再经统计分析后得到的70第70页/共94页驾驶员手伸及界面的描述将在测量台上测得的数据根据G因子和男女比例进行分类，对于三点式安全带和两点式安全带各列成21张数据表格，用来构造手伸及界面G因子分成七档驾驶员男女性别比例分为50:50、75:25和90:10三种71第71页/共94页驾驶员手伸及界面的描述每张表格对应着一定范围的G因子值、以及确定的驾驶员比例和安全带形式72第72页/共94页驾驶员手伸及界面的定位要建立驾驶员手伸及界面，首先要定位HR基准面。之后，根据表格中的数据就可以构造出手伸及界面HR基准面的定位方法如下：1.确定驾驶室内部设计尺寸和驾驶员男女比例，并根据公式计算G值2.计算HR基准面的位置786-99GL53，HR基准面位于SgRP处786-99GL53，HR基准面位于AHP后方786-99G处L53：AHP到SgRP的水平距离73第73页/共94页驾驶员手伸及界面的应用驾驶员手伸及界面用于辅助进行仪表板上操纵按钮的布置。常用的操纵按钮应该布置在驾驶员手伸及界面描述的界限范围内由于测量时测量杆的一端是一个25mm的三指抓捏式操作按钮，在实际应用时应根据操作钮件的形式进行一定的修正目前，SAE J287标准主要适合于乘用车、MPV、以及轻型和中型货车，但不适用于重型货车74第74页/共94页5.6 驾驶员膝部包络线第75页/共94页驾驶员膝部包络线的生成左右膝部包络线分别为两条圆弧。左膝部包络线（离合器踏板）的圆弧半径为103.25mm。右膝部包络线（加速踏板）的圆弧半径为113.25mm76第76页/共94页驾驶员膝部包络线的定位驾驶员膝部包络线定位步骤1.确定定位基准线和定位基准点；2.确定驾驶员男女比例；3.利用公式计算出膝部包络线圆心的位置77第77页/共94页驾驶员膝部包络线的定位ATRP的计算ATRP的位置根据50th百分位SAE H点适意位置曲线来计算78第78页/共94页5.7 驾驶员胃部包络线第79页/共94页驾驶员胃部包络线的生成驾驶员胃部包络线对于确定转向盘与驾驶员座椅之间的空间尺寸，以及确定座椅安全带结构方案具有重要参考作用。它被拟合为一圆弧，半径为157.45mm80第80页/共94页驾驶员胃部包络线的定位定位步骤1.确定定位参考点ATRP2.确定驾驶员男女比例3.利用公式计算包络线圆心相对于ATRP的偏移量81第81页/共94页驾驶员胃部包络线的定位定位公式驾驶员男女比例为50:50时 驾驶员男女比例为75:25时 驾驶员男女比例为90:10时82第82页/共94页5.8 数字人体模型第83页/共94页数字人体模型的基本原理1.数字人体建模和数字人体模型数字人体建模：是在计算机中建立一种能够操纵、控制的虚拟人的描述和人机系统，以实现人机工程的交互和设计问题的求解数字人体模型：在计算机中所建立的虚拟人体描述称为数字人体模型84第84页/共94页数字人体模型的基本原理2.人体建模骨骼系统拓扑结构关节自由度肌肉建模肢体之间运动学、动力学关系人的活动建模体表建模人的性能建模舒适度，能量消耗，外力和出力，活动灵活性，视野，姿势平衡和稳定等85第85页/共94页数字人体模型的功能和应用1.数字人体模型的功能成熟的数字人体模型典型的设计和分析功能：1.人体建模：运动学、动力学、生物力学建模2.人体数据管理和应用，包括与常见人体数据库的接口、人体尺寸计算和增长预测等3.肢体驱动、定位和姿势预测，姿势和运动过程模拟，以及模拟过程的记录和回放等4.视野分析：视野范围、眼睛活动范围，视景显示5.通过对肢体和关节活动的模拟，对人的作业空间进行模拟，例如计算肢体最大活动范围界面6.姿势和操作过程的舒适性评价86第86页/共94页数字人体模型的功能和应用1.数字人体模型的功能成熟的数字人体模型典型的设计和分析功能：7.人体出力计算，包括综合考虑年龄、性别、身体状况、操作过程特点的操作力，静态和动态状况下关节力和力矩、脊椎间盘压力等；8.一些典型操作过程的模拟和人机工效分析NIOSH举升过程分析快速上肢操作评估（RULA）OWAS作业姿势分析快速全身评估（REBA）罗杰斯肌肉疲劳分析（RMFA）疲劳和恢复时间分析87第87页/共94页数字人体模型的功能和应用1.数字人体模型的功能在汽车人机工程设计中的应用，通常还需要下述功能：1.容易与流行的CAD软件结合。能够方便地导入、导出产品模型，或者数字人体模型作为子模块集成到CAD软件中；2.能够对常见驾驶操作过程进行模拟和分析；3.集成常见的一些标准，如：SAE标准88第88页/共94页数字人体模型的功能和应用2.数字人体模型的应用数字人体模型应用的一般步骤为：1.建立设计与分析的虚拟环境；2.建立合适的人体模型；3.将人体模型调整至合适的位置和姿态；4.进行工效分析与评价89第89页/共94页数字人体模型的功能和应用2.数字人体模型的应用数字人体模型在虚拟环境中应用的方式1.Avatar方式由真人通过数据手套、立体眼镜、数据衣等外部设备操作数字人体模型进行各种仿真具有所见即所得的优点，主要用于科学研究2.Agent方式在虚拟环境中，通过计算机程序控制数字人体模型，实现人机交互和分析成本低、易于实现，不存在硬件设备的精度和耐用性问题目前成熟的数字人体模型软件的应用主要采用第二种方式90第90页/共94页数字人体模型的功能和应用2.数字人体模型的应用在汽车设计中，主要进行1.乘员布置设计2.驾驶员视野分析3.操纵件伸及性分析4.舒适姿势预测及评价5.活动空间分析6.进出方便性分析7.维修保养方便性分析8.发动机罩和行李箱盖的开启方便性检查9.91第91页/共94页数字人体模型的功能和应用2.数字人体模型的应用实例：RAMSIS的应用1.打开驾驶环境设计方案模型文件2.建立用于分析的人体模型3.在人体模型体表上定义体表点4.定义任务5.姿势计算6.进行舒适度评价7.进行其它分析92第92页/共94页本章结束第93页/共94页感谢您的观看。第94页/共94页