【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 1） D2AL2 即目標(biāo)點(diǎn)在球面內(nèi)。此時(shí)目標(biāo)點(diǎn)，肘關(guān)節(jié)點(diǎn)，肩關(guān)節(jié)點(diǎn)接上面的假設(shè)在垂直平面內(nèi)構(gòu)成一個(gè)三角形。如圖210（1）利用此三角形進(jìn)行有關(guān)計(jì)算，可求得肘關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。圖 210（1） S、A、H分別表示肩關(guān)節(jié)點(diǎn)，肘關(guān)節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)點(diǎn)在三維空間中對(duì)肘關(guān)節(jié)點(diǎn)的求解比較麻煩，可能用到坐標(biāo)平移及旋轉(zhuǎn)變換矩陣的，本文對(duì)此采用了Auto CAD軟件中的幾個(gè)功能組合在一起來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。在三角形SAH中利用三角函數(shù)求得SA于SH的夾角a如下：a=cos1 把a(bǔ)轉(zhuǎn)為角度值aˊ。在這個(gè)局部坐標(biāo)內(nèi)以o為原點(diǎn)，以UAL為長(zhǎng)度轉(zhuǎn)動(dòng) aˊ大小，得一點(diǎn)坐標(biāo)P（x,y,z）。把P從局部坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)化為車身坐標(biāo)中，即為所求的肘關(guān)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。圖 210（2）S、A、H分別表示肩關(guān)節(jié)點(diǎn)，肘關(guān)節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)點(diǎn)2） D2= AL2 即目標(biāo)點(diǎn)在球面上如圖 210，此時(shí)目標(biāo)點(diǎn)，肘關(guān)節(jié)點(diǎn)，肩關(guān)節(jié)點(diǎn)共線。肘關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)由下式可得： (22)3） D2 AL2 即目標(biāo)點(diǎn)在球面外，對(duì)于這種在給定姿勢(shì)下（靠背角、H點(diǎn)已定）不能不能直接伸及的情況下，在程序設(shè)計(jì)時(shí)加入了一個(gè)循環(huán)過(guò)程，每次使軀干向前傾斜1186。即靠背角（AL40）數(shù)值依次減少1186。，每次循環(huán)后檢查目標(biāo)點(diǎn)是否仍不可伸及，此過(guò)程循環(huán)進(jìn)行，直至目標(biāo)點(diǎn)在手伸及球面上或球面內(nèi)。當(dāng)然這種循環(huán)是有條件限制的，程序中給出了兩個(gè)限制條件：一是保證另一只手的位置不變，二是在軀干前傾角度的舒適范圍內(nèi)。腿上有髖關(guān)節(jié)點(diǎn)，膝關(guān)節(jié)點(diǎn)，踝關(guān)節(jié)點(diǎn)，在已知髖關(guān)節(jié)點(diǎn)和踝關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置及大小腿的各自長(zhǎng)度后，即可通過(guò)有關(guān)計(jì)算得到膝關(guān)節(jié)的位置。對(duì)于腿上這三個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置，在正常工作姿勢(shì)下，基本上在同一垂直平面內(nèi)，因此模型就以此三點(diǎn)在同一垂直平面內(nèi)為前提，計(jì)算出膝蓋關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置。這里首先要說(shuō)明一下踝關(guān)節(jié)的計(jì)算。他是在已知踵點(diǎn)和踏平面角度后計(jì)算而得到的。關(guān)于踏平面和踵點(diǎn)的位置確定SAE中給出以下方法，已知踏板支點(diǎn)和踏板裝置角（為加速踏板在不受壓狀態(tài)時(shí)其平面與地板面所成夾角）。利用以下公式求出踏平面角的值。=其中Z為踵點(diǎn)到最后H點(diǎn)的垂直距離，單位為:cm. 單位為：角度。求出值后同值相對(duì)比從而求出踵點(diǎn)位置。分別為≥何兩種情況。1） 踵點(diǎn)于踏板支點(diǎn)保持接觸，即將踏板于地面的焦點(diǎn)作為踵點(diǎn)。2） 此時(shí)已知踏平面長(zhǎng)度為203mm（統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)度）。，的角度值，支點(diǎn)坐標(biāo)值，利用三角幾何關(guān)系即可求得踵點(diǎn)坐標(biāo)值。求出踵點(diǎn)及踏平面角后，在已知踝關(guān)節(jié)點(diǎn)到踏平面的距離h1和到鞋后跟的距離L1后，即可求得踝關(guān)節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)如圖 211。圖211求出踝關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)后，已知大腿長(zhǎng)TL，小腿長(zhǎng)LL后，利用求肘關(guān)節(jié)點(diǎn)相同的方法即可求得膝關(guān)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。經(jīng)過(guò)以上討論分析，已知了建立幾何模型所需的各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值。依照前面所述建立局部坐標(biāo)的方法，建立起相應(yīng)的局部坐標(biāo)秒，利用AutoCAD軟件中的插入塊（Insert）功能，調(diào)用已存貯的各塊的圖形，在相應(yīng)位置加以顯示，從而構(gòu)成一個(gè)邊疆的三維人體模型。關(guān)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，還有棍棒（stickfigure）表示法，和二維模板表示法三種表示方法可以根據(jù)實(shí)際需要加以選擇使用。如圖圖212 棍棒模型圖213 二維模版圖 214 自由曲面模型 車身內(nèi)部布置方法車身內(nèi)部布置是汽車總布置工作中的重要組成部分，影響乘坐舒適性。操作方便性和汽車安全性，也影響整車的外形設(shè)計(jì)。它主要包括乘坐姿勢(shì)和操縱機(jī)構(gòu)的合理安排，座椅的布置，內(nèi)部空間設(shè)計(jì)和視野設(shè)計(jì)等，下面分別對(duì)乘坐姿勢(shì)、操縱機(jī)構(gòu)、空間尺寸確定加以討論。 乘坐姿勢(shì)的確定根據(jù)人體X光透視和解剖學(xué)知識(shí)，人體上身可分為頭、胸、臀三大部分其間以柔韌的頸椎和腰椎相連結(jié)，下半身以大腿、小腿、腳組成，這些組成部分間的位置關(guān)系決定了人體的姿勢(shì)。在汽車行駛過(guò)程中，駕駛員由于操作或疲勞等因素需要調(diào)節(jié)姿勢(shì)，所以駕駛員的坐姿是動(dòng)態(tài)的，而這種動(dòng)態(tài)的姿勢(shì)改變基本上以人體的髖關(guān)節(jié)點(diǎn)連線為軸前后彎曲。日本大友良之教授長(zhǎng)期研究表明座椅靠背角在110～120度范圍內(nèi)變化時(shí)，駕駛員的舒適坐姿下的脊椎形狀非常相似，由此可認(rèn)為可在一固定的脊柱形狀下來(lái)研究駕駛員的坐姿，特別在高速公路上，經(jīng)大友良之教授觀測(cè)試驗(yàn)表明，幾乎所有駕駛員在外觀上看來(lái)，某坐姿在整個(gè)工作過(guò)程中變化很小?？梢哉f(shuō)是以同一姿勢(shì)駕駛汽車的。這表明隨著道路條件和乘坐環(huán)境的改善，駕駛員可以同一姿勢(shì)長(zhǎng)時(shí)間工作，其坐姿更接近于靜態(tài)時(shí)的狀態(tài)，所以本文僅以駕駛員靜態(tài)坐姿作為車身內(nèi)部的布置依據(jù)。圖 215 駕駛姿勢(shì)舒適角度人在站立時(shí)，身體呈直立狀態(tài)下，脊椎呈自然S形，但在坐姿時(shí)，上身呈非自然狀態(tài)，腰部肌肉易產(chǎn)生疲勞，且上身與大腿又呈一定角度，從而導(dǎo)致內(nèi)臟受壓迫，所以座椅的設(shè)計(jì)首先要考慮的是如何使腰部股骨得致充分休息，且體腿夾角合理。駕駛員在駕駛汽車時(shí)，不僅要求具有普通坐姿下的舒適性，更為重要的是為駕駛員提供輕便安全的工作條件，這與關(guān)系到座椅的調(diào)節(jié)問(wèn)題。包括座椅前后和高度方向上的位置調(diào)節(jié)和靠背角的大小調(diào)節(jié)，然而這些調(diào)節(jié)又不是單一的。它與方向盤(pán)柱角度和視野設(shè)計(jì)等都有較大關(guān)系，若從舒適性出發(fā)，方向盤(pán)柱的傾角應(yīng)大一些，靠背角也應(yīng)大一些，使體腿夾角接近于阿格布羅馬線的夾角115176。,同時(shí)還要求座椅高度小一些，這樣駕駛員操作時(shí)比較舒適。然而由人機(jī)工程學(xué)理論可知方向盤(pán)管柱越趨向直立位置，駕駛員操作時(shí)越便于施展全身力量，即從手臂到背部的肌肉都能參與轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)。反之，則只能靠手臂部分的肌肉施加力量。這樣看來(lái)，為提高操作輕便性，只能適當(dāng)降低舒適性。另外，由于心理作用，駕駛員主了保持最好的視野狀態(tài)，總希望自己的視線垂直于被觀察目標(biāo)，本能的使頭部處于位置，這樣的話，若靠背過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致頸部彎曲較嚴(yán)重或軀干部離開(kāi)靠背支撐，從而容易產(chǎn)生疲勞，因此針對(duì)這種具體情況，有時(shí)也只能到折衷方案，如對(duì)于大中型載重車，轉(zhuǎn)向比較沉重，應(yīng)先考慮操縱的輕便性，此外考慮到整車的布置，方向管柱角度應(yīng)該大一些，同時(shí)座椅位置較高，靠背角度要小，而對(duì)于轎車的情況正好相反，此外，踏板的位置（踵點(diǎn)）、儀表板位置和視野要求都對(duì)座椅位置的確定有影響。無(wú)疑，駕駛員適宜的座椅位置應(yīng)是駕駛室內(nèi)有關(guān)尺寸的函數(shù)，這就要求在車身駕駛室內(nèi)部布置時(shí)，綜合地考慮各相關(guān)因素。然而由以上分析可知，這是比較困難的。因此設(shè)計(jì)者總希望有一個(gè)模型為依據(jù)來(lái)進(jìn)行有關(guān)工作，通過(guò)對(duì)14種不同車型的座椅位置進(jìn)行有關(guān)測(cè)量，最后總結(jié)開(kāi)發(fā)出所謂“駕駛員座椅位置選擇”模型。如圖 216 所示為A類車，圖 217 為B類車的。圖 216 A類車圖 217 B類車A類車指符合以下條件的汽車：H點(diǎn)高度（H30）＜405mm方向盤(pán)直徑＜450mmB類車指符合以下條件的汽車：405＜H30＜530方向盤(pán)直徑在450～560mm間駕駛員座椅位置選擇模型對(duì)于A類是二次曲線，B類車是直線，這是由數(shù)據(jù)擬合得到的。下面簡(jiǎn)要介紹一下其測(cè)量推導(dǎo)過(guò)程。首先選擇了14種不同的車輛，對(duì)受測(cè)試人員按年齡和性別進(jìn)行組合，以代表正常的駕駛員群體，每個(gè)車輛測(cè)試40～120個(gè)試驗(yàn)者的數(shù)據(jù)，測(cè)試過(guò)程中座椅調(diào)節(jié)量按照生產(chǎn)廠家的給定值，方向盤(pán)位置、座高、靠背角都是固定的，要求受測(cè)試者坐在座椅上并調(diào)節(jié)到自己適宜的位置。此時(shí)記錄下有關(guān)坐姿的數(shù)據(jù)。然后將測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，對(duì)每個(gè)車都進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)。結(jié)果符合正態(tài)分布，得出不同百分位的實(shí)驗(yàn)值，將每種車的H點(diǎn)相對(duì)于拇指基準(zhǔn)點(diǎn)的位置，按不同百分位，作為H點(diǎn)高度（H30，指H點(diǎn)到踵點(diǎn)的垂直距離），采用二次多項(xiàng)式對(duì)相應(yīng)百分位的數(shù)據(jù)加以擬合，得出式41所示的曲線方程，對(duì)于B類車過(guò)程基本同A類車，但由于所測(cè)數(shù)據(jù)較少，只采用了直線擬合得直線方程如式21。A類車：公式如下＝＋－X95＝＋－X50＝＋－X10＝＋－ (23)X5＝＋－＝＋－其中X是H點(diǎn)相對(duì)踏板上拇指基準(zhǔn)點(diǎn)的水平距離，Z是H點(diǎn)相對(duì)于踵點(diǎn)的垂直距離，單位都是mm。拇指基準(zhǔn)點(diǎn)見(jiàn)圖218。拇指基準(zhǔn)點(diǎn)踏平面踵點(diǎn)拇指基準(zhǔn)點(diǎn)踏平面踵點(diǎn)圖 218 拇指基準(zhǔn)點(diǎn)與踵點(diǎn)B類車：公式如下按 50/50、75/290/10或95/5 三種男女比例分類男女駕駛員比為50/50：＝－ ZX95＝－ ZX90＝－ ZX50＝－ Z (24)X10＝－ ZX5＝－ Z＝－男女駕駛員比為75/25：＝－ ZX95＝－ ZX90＝－ ZX50＝－ Z (25)X10＝－ ZX5＝－＝－男女駕駛員比為91/10或95/5時(shí)：＝－ ZX95＝－ ZX90＝－X50＝－ Z (26)X10＝－ ZX5＝－＝－其中X是H點(diǎn)相對(duì)于踵點(diǎn)的水平距離，其余同式21注釋，式21和22可用于設(shè)計(jì)和校核。設(shè)計(jì)時(shí)在已知H點(diǎn)高度和適應(yīng)級(jí)后，即可由公式算得適宜的H點(diǎn)水平行程，如要求設(shè)計(jì)達(dá)到90%的適應(yīng)級(jí)，把H點(diǎn)高度值Z代入式中，求出和X95和X5兩值即可作為最后H點(diǎn)和最前H點(diǎn)到踵點(diǎn)的水平距離。校核時(shí)，用已知H點(diǎn)的值同由以上公式計(jì)算得到的值比較，即可得知原設(shè)計(jì)的H點(diǎn)位置及水平行程是否達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。對(duì)于A類車基準(zhǔn)點(diǎn)由第50百分位的座椅位置選擇曲線求出，對(duì)于B類車也由第50百分位的座椅位置選擇方程求出。其中A類車的基準(zhǔn)點(diǎn)是水平方向相對(duì)足拇指基準(zhǔn)點(diǎn)，B類車的基準(zhǔn)點(diǎn)是水平方向相對(duì)于踵點(diǎn)，垂直方向上A、B車都相對(duì)于踵點(diǎn)。 確定操作區(qū)域當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，由于其前方視野變化很快，駕駛員神經(jīng)總處于比較緊張的狀態(tài)，這時(shí)就要求駕駛員的操作方便準(zhǔn)確，并能防止誤操作，以確保安全性。這樣在布置操作件時(shí)，就要從方便性出發(fā)，在駕駛員的上身幾乎不用的前提下，方便把操縱方向盤(pán)，各種拉、拔、按鈕及手柄等。為此國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）規(guī)定了手伸及界面，要求各種手操縱件都合理的布置在手伸及界面內(nèi)，這是車身設(shè)計(jì)中必須遵守得一條重要原則。駕駛員手伸及界面是指駕駛員以正常姿勢(shì)坐在座椅中，身系安全帶，右腳支撐于油門(mén)踏板踵點(diǎn)上，一手握住方向盤(pán)時(shí)，另一只手所能伸及的最大輪廓空間，這個(gè)輪廓空間近似為橢球面如圖219和圖220所示圖219 手伸及界面圖220 手伸及界面在車身中的實(shí)際形狀及位置由手伸及界面的定義可知，在正常坐姿下，由于安全帶的約束，踵點(diǎn)支撐和方向盤(pán)限制，最大伸及空間一方面于駕駛員自身伸及能力有關(guān)，另一方面必然與駕駛室內(nèi)有關(guān)裝置相關(guān)如圖221所示圖 221 于手伸及界面有關(guān)的駕駛室尺寸駕駛員的自身伸及能力可以通過(guò)各種不同百分位和男女比例來(lái)加以區(qū)別。而駕駛室內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸的影響則由駕駛室尺寸綜合因子G的不同加以反映。ISO3985標(biāo)準(zhǔn)中將G因子分成7檔：G , G , G , G , G , 4G , G男女比例分為三種：50/50 75/25 90/10標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)3種男女比例和7檔G因子，給出了21張表格,來(lái)表示手伸及界面，依據(jù)此表格可來(lái)檢驗(yàn)操作部件的位置是否在手伸及界面內(nèi)。男女駕駛員比例對(duì)于卡車來(lái)說(shuō)，中國(guó)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中為90/10，基本一致。對(duì)于轎車則直接采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的50/50。G因子由美國(guó)通用汽車公司 Hammond和Roe提出，它反映了駕駛室內(nèi)部尺寸對(duì)手伸及界面的影響，研究表明，對(duì)手伸及界面有顯著影響的駕駛室內(nèi)部尺寸可能有多個(gè)方面但究竟哪些是主要因素，對(duì)于這種多變量問(wèn)題，工程中常用因子分析法來(lái)尋找出反映這些變量影響的綜合因子。G因子的推導(dǎo)不走基本是首先統(tǒng)計(jì)出同類汽車的相當(dāng)尺寸的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。建立相關(guān)矩陣，然后求取相關(guān)陣的最大特征值所對(duì)應(yīng)的綜合變量表達(dá)式。G因子的計(jì)算表達(dá)式如下：G=++++其中HZ為最后H點(diǎn)至踵點(diǎn)的垂直距離，β為坐椅靠背角，D為方向盤(pán)直徑，a為方向盤(pán)傾斜角，WZ為方向盤(pán)中心至踵點(diǎn)的垂直距離，WX為方向盤(pán)中心至踵點(diǎn)的水平距離，γ為軀干同大腿夾角。如圖221所示。依據(jù)G值分部范圍就可以大體判斷駕駛室的基本布置方式。：G=++++ (27)確定了某一坐姿（一定的G值）下的手伸及界面后，該界面即可以認(rèn)為是手操作件布置得極限位置，一切手操作件的位置不得遠(yuǎn)于該界面，而舒適的操作件的位置與做大手伸及界面相比要小150200mm。因此，在布置常用操縱件時(shí)，要使它們?cè)谑孢m的操作范圍附近。下面介紹一下ISO3958標(biāo)準(zhǔn)中給出的駕駛室內(nèi)操作鈕件布置合理性的檢驗(yàn)方法。首先這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有一定的適應(yīng)范圍：座椅靠背角：β9186?！?3186。方向盤(pán)傾斜角：a 10186?！?0186。方向盤(pán)直徑：D 330～600mmH點(diǎn)的水平調(diào)節(jié)范圍HX130mm最后H點(diǎn)至踵點(diǎn)的水平距離：WX 130～520mm方向盤(pán)中心至踵點(diǎn)的水平距離：WX 660～152mm方向盤(pán)中心至踵點(diǎn)的垂直距離：WZ 530～838mm檢驗(yàn)步驟如下：1）測(cè)出欲檢驗(yàn)汽車駕駛室的以下幾項(xiàng)尺寸：HZ、D、WX、a、β、γ這些都與計(jì)算G因子有關(guān)。2）計(jì)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準(zhǔn)面HR離踵點(diǎn)的水平距離d,確定該基準(zhǔn)面得位置d=786?D99?G若（dHX）0,則該基準(zhǔn)面HR縱向位于踵點(diǎn)之后d處。若（dHX）0,則該基準(zhǔn)面HR縱向位于最后H點(diǎn)之處。4）用以下三個(gè)正交平面建立坐標(biāo)系，基準(zhǔn)面HR，駕駛員座椅對(duì)稱面及通過(guò)最后H點(diǎn)的水平面（如圖220）5）測(cè)出車輛上欲檢驗(yàn)的操作件在上述4）中建立的坐標(biāo)系的坐標(biāo)值。6）根據(jù)2）中得到的G值和以確定的男女駕駛員比例。找到ISO3958中對(duì)應(yīng)表格。7）將5）中測(cè)得的軸操作件離基準(zhǔn)面得水平面距離同表格中給定值相比較。若前者小于后者，則認(rèn)為該手操部件布置合理，可以伸及，否則認(rèn)為不合理，需重新布置。上述檢驗(yàn)過(guò)程只能保證手操縱件是否在手伸及界面內(nèi)，但重要的手操縱部件，指示信號(hào)裝置應(yīng)布置在駕駛頭部無(wú)需轉(zhuǎn)動(dòng)便能直接觀察到的視區(qū)內(nèi)，以確操作方便，迅速辨認(rèn)為此ISO標(biāo)準(zhǔn)中有以下詳細(xì)規(guī)定。首先對(duì)駕駛員手伸及界面進(jìn)行扥去，如圖222所示圖222