汽车人体基本特性及车身设计

为了使车身总布置设计特别是汽车室内部设计能够很好地满足性能要求，使驾驶人和乘员感到安全、舒适和方便，必须首先研究人体本身，掌握与驾驶人和乘员相关的人体基本特性，然后在此基础上利用相关的辅助工具，进行车身总布置设计。

人体基本特性包括人体尺寸和其他物理方面的特性，如肢体的容积、质量、质心位置、转动惯量，人体的力特性，人体的作用范围，人的感觉、知觉和心理特点等。人体尺寸决定了人体占据的几何空间和活动范围，是人机系统或产品设计的基本资料，主要包括人体静态尺寸和人体动态尺寸。人体的静态尺寸是指结构尺寸，人体的动态尺寸是指功能尺寸，后者包括操作者在工作姿势或某种操作活动状态下测量的尺寸。

1.人体测量的基本内容

人体测量的基本内容主要包含以下几方面。

（1）静止形态参数的测量

其主要内容有人体尺寸测量、人体体型测量、人体体积测量等。静态人体测量可采取不同的姿势，主要有立姿、坐姿、跪姿和卧姿。

（2）活动范围参数的测量

活动范围参数是指人在运动状态下，人的肢体的动作范围。肢体活动范围主要有两种形式：一种是肢体的活动角度范围，另一种是肢体所能达到的距离范围。有关人体测量数据的图表资料中所列出的通常是肢体活动的最大范围，而在车身布置设计中所考虑的肢体活动范围，应是人体最有利的位置，其数值远小于这些极限。

（3）生理学参数的测量

其主要内容有人体表面积的测量、人体各部分体积的测量、耗氧量的测量、心率的测量、人体疲劳的测量、人体触觉反应的测量等。

（4）生物力学参数的测量

其主要内容有人体各部分质量与质心位置的测量、人体各部分转动惯量的测量、人体各部分出力的测量等。

2.人体测量的参照系

为了人体测量的需要，根据人体关节形态和运动规律，设定三个相互垂直的基准轴和三个相互垂直的基准平面作为人体测量的参照系，分别给出了名称和定义。

（1）测量基准轴

①垂直轴。通过各关节中心并垂直于水平面的一切轴线，都称为垂直轴。

②矢状轴。通过各关节中心并垂直于冠状面的一切轴线，都称为矢状轴或纵轴。

③冠状轴。通过各关节中心并垂直于矢状面的一切轴线，都称为冠状轴或横轴。

（2）测量基准面

①矢状面（sagittal plane）。通过人体垂直轴和纵轴的平面（即正中矢状面）及与其平行的所有平面都称为矢状面。

②冠状面（coronal plane）。通过垂直轴与横轴的平面及与其平行的所有平面都称为冠状面。

③水平面（horizontal plane），又称横切面（transverse plane），与垂直轴垂直，将人体分为上、下两部分的断面。

3.百分位的概念

由于不同人的人体尺寸有很大变化，不是某一确定的数值，而是分布于一定的范围内。如亚洲人的身高主要在151～188 cm这个范围，而设计时只能用一个确定的数值，如何确定使用哪一数值，这是百分位所解决的问题。

百分位是人体测量学中的一个术语，用于表示人体某项尺寸数据的等级。百分位表示具有某一人体尺寸和小于该尺寸的人占统计对象总人数的百分比。将抽取的样本实测尺寸值由小到大排列于数轴上，再将这一尺寸段均分成100份，则将第n份点上的数值作为该百分位数。显然，百分位数是一个位置指标。例如，将一群人的身高统计在数轴上，第95份点上的数值为1.8 m，则称第95百分位数为1.8 m，表示该人群中有95%的个体，该尺寸小于此值；有5%的个体，该尺寸大于此值，一般写为P 95=1.8m。最常用的是第5、第50和第95三个百分位人体尺寸，分别表示小、中等和大尺寸。

用这种方法可以先测得人体各部位的尺寸，再通过数据处理，即可得到各个百分位数的标准人体尺寸。在车身布置设计中，满足所有人的要求是不现实的，但必须满足大多数人的需要，所以必须从中间部分选取能够满足大多数人的尺寸作为依据，一般是舍去极端情况，只涉及中间的90%或95%的大多数人。

对于单一性别群体，由于大多数人体一维尺寸近似符合正态分布，当已知某项尺寸x i分布的均值ui和标准差σi时，则该尺寸p百分位的值可根据下式计算

式中：K——转换系数，需要查标准正态分布表得到。

当求第1～第50百分位的百分位数时，式中取“-”号，当求第50～第99百分位的百分位数时，式中取“+”号。表3—1列出了常见百分位的K值。

表3-1 常见百分位的K值

4.我国成年人的人体静态基本尺寸(www.xing528.com)

（1）我国成年人的人体静态尺寸

我国国家标准CB 10000—1988《中国成年人人体尺寸》是1989年7月开始实施的，按照人机工程学的要求提供了我国成年人（男18～60岁，女18～55岁）人体尺寸的基础数据（中国标准化研究院在2009年完成了最新中国成年人人体尺寸抽样试点调查工作，新的标准暂未出台）。该标准提供了七个类别共47项人体尺寸基本数据，主要包括人体主要尺寸、立姿人体尺寸、坐姿人体尺寸、人体水平尺寸、人体手部和足部的尺寸等。

（2）人体静态尺寸的差异

不同的国家和地区，不同的民族之间，人体尺寸、体型、各部分肢体尺寸和比例存在差异。面向不同的用户群体设计产品，或从不同的国家和地区引进产品，必须考虑到人体尺寸的差别。GB 10000—1988标准给出了东北、华北区，西北区，东南区，华中区，华南区和西南区六个地区成年人身高、胸围和体重三项人体尺寸的均值和标准差。

随着人类社会的不断发展，人们生活和健康水平的提高，人类的体质也在发生变化。人体尺寸的增加，将随着地区生活水平的提高持续增长，但达到一定程度后，其速度将会变缓并趋于稳定。

（3）人体静态尺寸的相关性

正常人的身体各部分的静态尺寸之间存在一定的比例关系，可以根据人的站姿身高来推算各部位的结构尺寸。根据GB 10000—1988标准中的人体测量基础数据，推导出我国成年人各部位的尺寸与身高H的比例关系，如图3-8所示。

图3-8 我国成年人人体尺寸各部分与身高的比例关系

5.我国成年人的人体功能尺寸

人体静态测量参数虽然可以解决不少工业产品造型中有关人体尺寸的问题，但人在驾驶汽车时并不是静止不动的，因此，以不同姿势工作时，手、脚活动的范围和体形变化等的测定显得更为重要。肢体的活动范围可分为两类：一是肢体活动的角度范围，另一类是肢体活动所能及的距离范围。

（1）肢体活动的角度范围

人体由关节连接的肢体在肌肉活动的作用下将产生相对运动，活动部位有头、肩胛骨、臂、手、腿、小腿和足，其活动范围如图3-9所示。

图3-9 人体主要肢体的活动范围

（2）操作空间的人体尺寸

在进行驾驶人操作空间设计时，应考虑操作者的舒适性和安全性，要便于操作者使用，操作者四肢分担的作业要均衡，避免身体局部超负荷作业等，所以操作空间的设计应以“人”为中心，以人体尺度为重要设计基础。在车身布置设计中，对于人的肢体活动所能及的距离范围，主要讨论坐姿下手和脚的可操纵空间。

①手操作空间。坐姿操作面通常在操作面以上进行，其操作范围为如图3-10所示的三维空间。随操作面高度、手偏离身体中线的距离以及手举高度的不同，其舒适的操作范围也随之变化。如图3-11所示是第3百分位的人体坐姿抓握尺度范围，以肩关节为圆心的直臂抓握空间半径：男性为65 cm，女性为58 cm。坐姿操作时，操作者的手臂在水平面上运动所形成的运动轨迹范围，称为水平平面作业范围，如图3-12所示。操作限于踏板装置。正常的脚操作空间位于身体前侧、座高以下的区域，其舒适的操作空间取决于身体尺寸与动作的性质。男子坐姿时，手和脚在垂直平面内的最优操作范围如图3-13所示。

图3-10 坐姿近身操作空间

图3-11 坐姿抓握尺寸范围

图3-12 坐姿状态下上肢在水平面内的操作范围

图3-13 手和脚在垂直平面内的最优操作范围

③伸及界面。在实际应用中，人体肢体伸及能力常用伸及界面来描述，是指人体在坐或站立时，由于要执行某些操作或出于安全等原因身体某些部位被约束时，人的末端肢体（腿、手、头）活动的最大限度。约束条件如一只手握转向盘、上身系安全带、脚踩踏板等。这些约束会大大限制人体的活动能力。此外，伸及界面还受到操作者本身的尺寸和操作类型的影响，例如，手指按钮的伸及界面要大于操作旋钮的伸及界面。

身体部位和约束形式不同，伸及界面也不相同。图3-14和图3-15所示分别为坐姿、躯干受安全带约束状态下，不同百分位身高男子和女子右手最大抓握位置的界面。其中，图3-14是手心位于胯点上方76cm处水平面内的抓握界面。图3-15为手心位于矢状面内的抓握界面。

图3-14 男子和女子右手在水平面内的最大抓握位置界面

图3-15 男子和女子右手在矢状面内的最大抓握位置界面