基于人机工程的客车驾驶员坐姿舒适性校核与评估

康瑞婷，崔国华，王梦宇

（河北工程大学装配制造学院，河北 邯郸 056038）

基于人机工程的客车驾驶员坐姿舒适性校核与评估

康瑞婷，崔国华，王梦宇

（河北工程大学装配制造学院，河北 邯郸 056038）

由目前正在参与的某型新能源电动客车的设计，对该电动客车的驾驶室进行人机工程的研究，利用CATIA软件建立某型新能源电动客车的驾驶室三维模型并对车辆驾驶室进行驾驶员坐姿舒适性校核，根据人机工程学对中国人体模型进行模型建立并对驾驶员坐姿舒适性进行评估。结果表明该客车的方向盘，座椅以及脚踏板等布置合理，实现了校核与评估一体化，为后期的总布置整体评估奠定了基础。

CATIA；人机工程学；校核；评估

CLC NO.:U471.3Document Code:BArticle ID:1671-7988(2015)07-125-04

引言

人机工程学研究贯穿于客车设计、制造的始终，而驾驶员坐姿舒适性是人机工程中考虑因素的重要组成部分之一，也是客车驾驶室人机工程中实现视野校核、操作校核以及炫目校核的前提。人机工程的本质要求是让设备适应使用者，即人在设计车辆的时候，把人的舒适性、安全型与方便性当做车辆中的一部分，尽量做到使机适宜人，而非先将车辆设计出来，然后让人调整自己甚至强迫自己去适应车辆。

本文以城市公交客车的设计为研究对象，在对驾驶室各部件进行总布置完成之后，对其进行人机工程中的人体坐姿舒适度校核与评估，以美国机动车工程师协会（SAE_ J826-2008）规定为基准建立二维人体模型，运用CATIA软件中的人机工程模块建立三维人体模型，并选用chinese (Taiwan)中95百分位的男性人体模型以及5百分位的女性人体模型，详细描述了后期的人体坐姿舒适度校核，考虑到后期总布置整体评估的各因素干扰与制约，运用CATIA软件对人体坐姿舒适度进行评估，为后期的总布置整体评估做前期铺垫，进行了首次将人机工程的坐姿舒适度校核与评估的同步进行。

1、人体坐姿模型的建立

1.1 人体二维模型图的百分位尺寸标准

人体二维模型主要由头部、躯干、大腿、小腿和脚部组成，其躯干中心线长度、大腿中心线长度以及小腿中心线长度在美国机动车工程师协会（SAE J826-2008）中均有规定。

人体二维图的尺寸标准一般是按照H点机械和设计工具规程和规格（美国机动车工程师协会SAE J826-2008）定义所执行的，图1所示为其所规定的基于H点的人体二维模型的基本尺寸。

1.2 关键硬点的定义

H点为二维模板上的躯干线与大腿线的交点，俗称“跨点”，确定汽车车身或驾驶室内部人机界面几何尺寸关系时，常以此点作为人体的定位基准。汽车车身设计中通常采用H点二维人体模板来校核车内尺寸，不同百分位的人体模型对应着不同百分位的人体模板，最终的H点与座椅设计的R点相重合。踵点（AHP）为假人鞋跟与地板的交点，一般情况下考虑地毯与鞋跟的压缩量为5mm。在确定人体踝关节角度的时候首先根据踵点的垂直坐标不变来确定。踏点（PRP）为在假人鞋底中线上，距离踵点203mm的点，即为人体脚部与踏板始终接触的点，以上各硬点在图1中均已明确显示。

1.3 人体三维模型图的百分位尺寸建立

CATIA软件中人机工程学设计与分析模块分为四部分，人体尺寸测量编辑模块（Human Measurements Editor），人体行为分析模块（Human Activity Analysis），人体模型创建模块（Human builder）和人体姿势分析模块（ Human Posture Analysis）。本文中在人体模型创建模块中建立2个三维人体模块。在population中选择chinese (Taiwan)，其中创建一个95百分位的男性人体模型以及一个5百分位的女性人体模型。若认为我国台湾人体尺寸与大陆人体尺寸有差距，可在人体尺寸测量编辑模块中将我国大陆95百分位男性尺寸与5百分位女性尺寸分别编辑进入所选人体模型中，以便于评估应用。

图2所示为人体三维模型尺寸的编辑。因尺寸差异不大，本文直接选用chinese (Taiwan)中95百分位的男性人体模型以及5百分位的女性人体模型。

2、客车驾驶员坐姿舒适度分析与校核

客车的结构与轿车有所不同，其内部空间比较宽大，故其驾驶室的的内部空间与轿车有所不同。相比轿车而言，客车中驾驶员座椅的高度即H点距踵点的垂直距离（H30）远大于轿车，在客车驾驶室进行人机工程布置时，更多的考虑其座椅与踏板之间的水平距离如何确定，使得驾驶员坐姿各角度处于舒适状态。

坐姿舒适性的研究是将座椅设计与人体生理结构结合起来，以确定座椅满足舒适乘坐要求的几何尺寸、表面形状和结构功能特性。在CATIA软件中对坐姿舒适度的校核通常是将人体的二维模型摆放在已经组装好的三维车辆模型中，通过定义各关键硬点以及角度的调整，最终完成坐姿舒适度的校核。

进行人体坐姿校核，一般应考虑其两个极限位置，95百分位的男性坐姿与5百分位的女性坐姿校核，下面介绍95百分位男性坐姿校核。首先将二维人体坐姿摆放在三维模型的客车驾驶室中，将三维模型中的可滑动座椅调至最后位置，将95百分位人体模型摆放其中，由逆向设计中的H点坐标以及座椅与人体的干涉量重新确认H点（一般座椅与人体的干涉量设置为20mm-30mm之间）。使其座椅R点与H点重合，确定H点坐标。由踵点的Z向坐标在摆放假人的时候已基本确定，将假人鞋底线与加速踏板面平行接触来确定踵点的X向坐标。

通常情况下，根据SAE_J1517标准给出的公式:

式中 z-H30（mm），即为H点到踵点的垂直距离。

根据SAE_J1516标准给出的公式:

由初定的踵点以及H点为基准按表1所示调节各角度值，使其符合舒适度要求，再由公式（1）和公式（2）为参考查看其尺寸是否相符，若不符则继续调整。表1为我国客车对人体坐姿舒适度的推荐尺寸。图3即为本客车的最终校核结果，其中

由表1可知各项角度均在推荐值范围之内。

表1 B类车驾驶员坐姿舒适关节角度Tab 1 Class B car drivers sitting comfortable joint Angle

3、人体坐姿的评估

在CATIA软件中应用人体模型构造模块建立三维人体模型图，并将人体模型图插入总装配图中，其各姿势角度校核结果如图4所示。在CATIA软件中应用人体姿态分析模块（ Human Posture Analysis）对人体的坐姿舒适性进行评估。人体姿态分析模块可分别从三个方面对人体坐姿舒适性惊醒评估进行评估，弯曲伸展性( flexion/extension)为其DOF1方向的评估，外扩内收性( abduction / adduction )为其DOF2方向上的评估，自身旋转性(rotation)为其DOF3方向上的评估。

本文在对人体坐姿舒适性进行评估的时候，主要考虑人体坐姿的伸展性舒适度，由于空间的局限性故不对其DOF2进行研究，由经验不存在极大的自身旋转因而舍弃对DOF3进行评估，最终确定只评估其DOF1的角度分布。将人体每个关节的活动范围分为5个区域，舒适区域A，次舒适区域B和C以及不舒适区域D和E，对其不同的舒适区域输入不同的分值，如人体小腿的所有活动范围为0°-135°，将人体小腿的活动范围设置为五个区域，由表1知大腿中心线与小腿中心线的夹角3α的舒适度范围为95°-135°，在CATIA中的相对角度坐标即为45°-85°，由此即可将舒适度区域A设为55°-75°，次舒适区域B和C依次设为45 °-55°和75°-85°，不舒适区域D和E依次设为0°-45°和85°-135°，各分值依次为100,95，85,65,65。腿部可活动角度范围与输入分值的结果如图5图6所示。人体的其它部位依次按照上述理论划分评估各角度舒适度，以此作为评估标准进行评估。

评估结果的分值是用来评价坐姿的舒适程度，按照百分比的形式表现出来，分值越高证明其坐姿越舒服。如图7所示为人体坐姿评价结果，其值均在85以上，故驾驶员的驾驶舒适度较高。

4、结论

本文基于CATIA软件，从驾驶员舒适性角度对客车驾驶室进行人机工程学设计，建立客车驾驶员人体坐姿模型，进行了驾驶员坐姿舒适度分析与校核，并对人体的坐姿舒适性进行评估。目前我国的客车人机工程设计还并未达到成熟阶段，应用CATIA软件进行人机功能进行分析，可以更快速有效的对人机工程进行校核与分析。

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Application of Ergonomics to The Bus Driver Sitting Checking and Evaluation

Kang Ruiting, Cui Guohua, Wang Mengyu
( Hebei University of Engineering Assembly Manufacturing Institute, Hebei Handan 056038 )

The ergonomics consistently throughout the design of the passenger car, and one of an important part of the consideration in ergonomic is the driver sitting comfort,it also the premise of the passenger cab ergonomics to achieve vision check, operate check and dazzling check. This paper describes how to use CATIA software to check the three-dimensional model of the existing vehicle cab driver sitting in the comfort and the application of ergonomics CATIA software module for creating Chinese mannequin sitting comfort and driver to assess.

CATIA; Ergonomics; Check; Assess

U471.3

B

1671-7988(2015)07-125-04

康瑞婷，河北邯郸人，在读研究生，主要研究方向为车辆总布置。