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汽车人机工程的开发与应用
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一、汽车人机工程的定义
1）应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究。
2）提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数。
3）提供人体各部分的出力范围、以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性。
4）分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力。
5）探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响。
在汽车车身设计中应用人体工程学，就是以人（驾驶员、乘客）为中心研究车身设计（包括布置和设备等）如何适应人的需要，创造一个舒适的、操纵轻便的、可靠的驾驶环境和乘坐环境，即设计一个最佳的人-车-环境系统。
二、人机工程在汽车设计中的应用
1. 通过测量、统计、分析人体的尺寸，以此为依据确定车内的有效空间以及各部件、总成的布置位置和尺寸关系。
2. 通过对人体生理结构的研究，以使座椅设计以及人体坐姿符合人体乘坐舒适性的要求。
3. 根据人体操纵范围和操纵力的测定，确定各操纵装置的布置位置和作用力的大小，以使人体操纵自然、准确、轻便，并降低操纵疲劳程度。
4. 通过对人眼的视觉特性、视野效果的研究、试验，校核驾驶员的信息系统，以保证驾驶员获得正确地驾驶信息。
5. 根据人体的动力学，研究汽车碰撞时对人体的合理保护正确确定安全带的铰接点位置和对人体的约束力;研究振动时对人体乘坐舒适性的影响;研究人体上下车的方便性，以确定车门的开口部位与尺寸。
6. 研究人体的生理要求，合理确定和布置空调系统。
三、汽车人机工程设计排序
注：其中前六项与汽车总布置关系最大，直接需要总布置进行设计和校核。
四、汽车人机工程设计参照标准
五、汽车人机工程的设计过程
六、汽车人机工程设计的一般步骤
选定设计用的百分位人体，根据加速踏板、地板及方向盘的位置选择合适的人体坐姿以初步确定H点。根据车身空间通过对选定人机的布置及相关校核初步确定后排的H点及坐姿。
根据H点及人体坐姿确定眼椭圆的尺寸位置以及相关人机工程硬点，然后进行前方视野、后视野、风挡玻璃刮刷面积、遮阳板、内外后视镜、仪表板视野等。
所有可操作部件都能被驾驶员方便舒适的操作，包括脚踏板校核、手伸及面校核、换挡、手刹、门内板操作键以及发动机盖、行李箱盖。
主要包括车内外突出物校核、汽车安全带布置校核、汽车安全气囊的布置以及上下车的方便性校核等。
七、汽车人机工程关键硬点定义
指三维人体模型的躯干线与大腿线的交点（针对的是人体模型）。
汽车实际H点是指当H点三维人体模型按照规定的步骤安放在汽车座椅上时，人体模型上左右两H点标记连接线的中点。
1）是与操作方便性及坐姿舒适性相关的车内尺寸的基准点；
2）是确定眼椭圆在车身重位置的基准点；
3）是确定座椅参考点R（H点与R点重合）的基准点；
4）汽车实际H点的位置影响到驾驶员的手伸界面。
对于三维H点装置放置在座椅上时的H点位置（针对的是座椅）。
驾驶员右脚放置在地板和加速踏板上时，驾驶员右脚的足跟点。
加速踏板平面与加速踏板上表面的切点，位于加速踏板上表面的中心线上，与AHP点距离为200mm。
转向管柱旋转轴与方向盘外缘上表面切平面的交点。
八、人体坐姿校核
根据踵点、踏板参考点、驾驶员设计H点、方向盘中心位置及座椅靠背角确定驾驶员坐姿，对一下尺寸进行测量。
对于驾驶员人体坐姿除满足下表中的推荐值外，还应与参考车型进行对比分析。
根据踵点、踏板参考点、后排乘客设计H点位置及座椅靠背角确定后排乘客坐姿，对一下尺寸进行测量。
对于后排乘客人体坐姿除满足下表中的推荐值外，还应与参考车型进行对比分析。
九、驾驶员视野设计
1）驾驶员视野直接影响汽车主动安全性，是整车总布置及造型设计要始终关注的基本方面。
2）驾驶员视野设计主要包括以下几个方面：前方视野、交通灯视野、A柱障碍角、直接后方视野及间接后方视野、仪表板视野。
1）前方地面视野
从驾驶员眼睛中心点作一条与发动机舱盖相切的直线，与设计地面线相交，其交点与前保险杠最前端的纵向距离越小越好，一般希望小于5m。
2）风窗玻璃透明区视野
风窗玻璃透明区至少应包括风窗玻璃基准点连线所包围的面积。这些基准点是：（注意：透明区域指的是光线垂直照射的时候，透光率大于70%）
A. 基准点a，V1点水平向前偏左17°；
B. 基准点b，V1点向前沿铅垂面偏上7°；
C. 基准点c，V2点向前沿铅垂面偏下；
辅助基准点a'、b'、c'与a、b、c点关于汽车纵向对称平面对称。
V点是表征驾驶员眼睛位置的点，它与通过驾驶员乘坐位置中心线的纵向铅垂平面、R点及设计座椅靠背角有关。此点用于检查汽车视野是否符合要求。通常用V1、V2两点表示V点的不同位置。
3）驾驶员前方180范围内直接视野
在通过V1的水平面下方和通过V2的三个平面（三个平面都和水平面向下成4°夹角，其中一个平面垂直于Y基准平面，另两个平面垂直于X基准平面）上方的范围内，除了A柱、三角窗分隔条、车外无线电天线、后视镜和风窗玻璃刮水器等造成的障碍外，不得有其它障碍。
要求汽车在停车线1m以外能方便看到交通灯最上面的红灯，不能被车顶或其它零件所遮盖（内后视镜除外）。
按GB11562-1994的规定进行测量，每根A柱双目障碍角不得超过6°。若两柱相对汽车纵向铅垂面是对称的，则右柱不需要再测量。在测量A柱障碍角的时候，一定要注意门窗密封条、门窗的上框架、遮阳带也要考虑在内。
1）P点至驾驶员眼睛高度上的头部中心点，通常以P1、P1两点表示驾驶员水平观察物体时P点的不同位置。
2）Pm点指通过R点的纵向铅垂面与P1、P2连线的交点。
直接后方视野主要与倒车性能有关。求作方法是从驾驶员眼睛中心点作一条与后挡风玻璃透明部分最下沿（或衣帽架最上沿、行李箱盖）相切的直线，并与设计地面线相交，交点与保险杠最后段的距离越小越好（一般要求小于20m）。
间接后方视野是指驾驶员通过内、外后视镜观察车后物体的视野范围。
1）内后视野
驾驶员借助内后视镜必须能在水平路面上看见一段宽度至少为20m的视野区域，其中心平面为汽车纵向基准面，并从驾驶员的眼点后60m处延伸至地平线（如下图）。
2）驾驶员一侧外后视镜的视野
驾驶员借助外后视镜必须能在水平路面上看见一段宽度至少为25m的视野区域，其右边与汽车纵向基准面平行。且与汽车左边最外侧点相切，并从驾驶员眼点后10m外延伸至地平线（见下图）
3）乘客一侧外后视镜的视野
对于总质量小于2000kg的M1和N1类汽车，驾驶员借助外后视镜必须能在水平路面上看见一段宽度至少为4m的视野区域，其左边与汽车纵向基准面平行，且与汽车右边最外侧点相切，并从驾驶员的眼点后20m处延伸至地平线（见下图）。
仪表板视野是指由于转向盘而造成的驾驶员对于仪表板上指示装置的视野障碍。根据人机工程要求，这些指示装置应该在女子5百分位和男子95百分位的视野范围之内。其中，影响视野上限的为转向盘轮缘，影响视野下限的为转向盘中央盖板或转向盘柱上沿。
汽车驾驶员眼椭圆是指不同身材的驾驶员以正常驾驶姿势坐在座椅上，其眼睛位置在车身中的统计分布图形。由于图形呈椭圆状，故称之为“眼椭圆”。在车身设计中一般采用眼椭圆样板来描述驾驶员的眼睛分布范围。
国际标准ISO4513中，对应于一定的座椅水平调整行程，提供了各种百分位的驾驶员眼睛分布位置，即侧视图和俯视图上的相应眼椭圆样板，并适用于下列尺寸范围的车身：
1）最后H点到踵点的垂直距离：127~457mm；
2）座椅垂直调节范围：0~38mm；
3）座椅水平调节范围：102~165mm；
4）最后H点到踵点的水平距离：≥508mm。
十、乘员头部空间设计
驾驶员及乘员头部活动空间校核主要通过头廓包络线来计算完成，头廓包络线是指不同百分位身材的驾驶员和乘员在乘坐状态下，他们头廓线的包络线。
将头廓线样板放在眼椭圆样板上面，使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平行，描绘出头廓线运动时候的包络线便是头廓包络线。
由于头廓包络线以眼椭圆为基准而生成，而眼椭圆的长短轴因身材百分位及水平行程的不同而有异，因而头廓包络线是有许多条的。
十一、上下车方便性
考虑上下车方便性，首先要考虑的是车门立柱是否符合要求，下图给出了前座不能翻倒的轿车车身与座椅相对位置的推荐值。
当立柱倾斜度过低或者为0时，前后座入座都会不舒适，如果将门立柱往后倾斜适当角度，则可以大大改善入座离座的方便性，参考下图所示。
影响上下车方便性结构主要是车门，座椅及车门槛。对于前座的上下车方便性H130（前门槛至地面的垂直距离）、H74（在方向盘中心平面内，方向盘到未压坐垫的最小距离）、HY1（R点到前车门上沿的垂直距离）、L18（前入口的足部空间，前门最大开度时门内边缘或在门槛之上102mm的立拄与前座椅最小距离）、LX1（前车门X方向最大开度）、LX2（前车门对角最小距离）起着最关键的作用。不管车型大小，前门上下车尺寸都以驾驶员的要求为中心的，不同级别的尺寸大小相当。
推荐值如下：
L18>450mm；H130<400mm；h74>150mm ；HY1>750mm
对于后座的上下车方便性（下图），H131（后门槛至地面的垂直距离）、HY2（R点到后车门上沿的垂直距离）、L19（后入口的足部空间，后门最大开度时内边缘或在门槛之上102mm的立柱与前座椅最小距离）、LX1（前车门Ⅹ方向最大开度）、LX2（前车门对角最小距离）、LX3（后车门X方向最大开度）有直接影响。一般而言，高度方向上的上下尺寸不因级别而异，而长度方向的尺寸则因级别的不同而有不同的要求，级别越高，尺寸越大。
推荐值如下：
L19>250mm；H131<400mm；hy2>750mm
侧壁倾斜度对于上下车特别是上车有很大的影响，如下图所表示，当K值（车门上缘与门槛之间的间距）为0时，乘客的上身必须倾斜30°以上才能进入车内。而当K值在100150mm（视车身高度变化），则可以很方便的入座。
当K值过大时，下车时也不方便，同时将由于上下比例失调而影响汽车的外观，同时也会影响内部空间的利用，以及乘员的头部空间和乘坐适合性，而且玻璃升降占用车门内腔的空间太大，也会使车门变厚。
十二、人体坐姿舒适性和手伸界面
由于驾驶员的舒适驾驶姿势随车型的不同而变化，各自选择舒适姿势下的关节角度有较大的差别，如下图所示。推荐角度如下：
1）对于轿车通常靠背角A1最大不超过33°，最舒适为28°；
2）人体躯干与大腿的夹角A4以105°为宜，110°~115°最理想；
3）肘角A3以105°为宜；
4）膝角A5在112°~118°为好；
5）脚角A6（踏平面与小腿间夹角）最小为87°，最大不超过130°。
这些都是在总结以往设计经验基础上得到的经验值。
驾驶员的手伸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廓面。驾驶室内的一切操纵钮件、杆件、开关等的位置均应在驾驶员手伸及界面之内，这是车身设计中的一条重要原则。
在高度方向上，手伸界面的0线位于通过H点的水平面上，向上为正，向下为负。在左右方向上，其0线位于通过H点的纵向垂直平面上，驾驶员左侧为正，右侧为负。在汽车的前后方向上，离加速踏板踵点后方水平距离为d处，表示手神及距离的HR基准面。HR基准面至手伸界面之间的水平距离表示了驾驶员在不同高度及左右方向上的最大可伸及距离。
d=786-99G
如果d-Hx<>
如果d-Hx≥0，基准面HR纵向位置于最后H点处。
为便于使用，驾驶员手伸界面的数据已列成表格。根据驾驶室尺寸因子G值的大小和使用车辆男女驾驶员的比例不同，ISO3958共列出了21张表格。根据算出的G值及已确定的男女驾驶员比值，从表中找到相应的表格。测得的手操纵钮件离基准面HR的水平距离（测量值）与表格中的给定值（极限值）相比较，若前者小于后者便认为该手操作钮件布置合理，即可伸及。否则认为不合理，应重新考虑其布置位置。
十三、三踏板校核
三踏板校核应投影到参考平面P上进行校核，国标中没有推荐值，根据ECE标准有以下推荐值：
十四、结语
随着数字化设计的不断深入，人机工程应用在汽车设计中的方法也更加精确，人机工程学将更注重人的信息处理能力，更注重人机-环境的完整研究，并运用系统论、信息论等新兴科学来研究这个新的系统，以创造出更舒适、更人性、更科学的汽车，使人机系统的综合效能达到最佳水平。
同时，随着能源与环境问题的备受关注，车辆技术发展的趋势可能从石油燃料车辆转变为电动汽车，将对驾驶者带来许多新的操纵特性，需要人机工程学更好的去平衡、协调、优化设计工作。
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