人機工程學在汽車主動安全設(shè)計中的應(yīng)用*

郝亮

（遼寧工業(yè)大學）

汽車的安全性能是汽車技術(shù)永恒的焦點，人們對汽車安全性能的要求越來越高，在被動安全迅猛發(fā)展的同時，汽車主動安全性越來越受到人們的關(guān)注[1]。國外對人機工程學的研究比較早，在應(yīng)用人機工程學原理進行汽車設(shè)計方面已進行了長期而卓有成效的工作，在20世紀50年代，美、歐及日先后制定了FMVSS，ECE及保安基準法等各種安全法規(guī)[2]，美國還提出試驗安全車（ESV）計劃，通過大量碰撞試驗改善車身構(gòu)造，提高汽車安全性。因此，文章充分考慮人的因素，采用人機工程學理論對汽車主動安全裝置進行設(shè)計，使設(shè)計的汽車主動安全裝置更加符合人的特性，從而使汽車行駛更加安全。

1 人機工程學理論

人機工程學起源于20世紀50年代，經(jīng)歷了50多年發(fā)展歷史，它是從人的生理和心理特點出發(fā)，研究人、機及環(huán)境的相互關(guān)系和相互作用的規(guī)律，以優(yōu)化人-機-環(huán)境系統(tǒng)的一門交叉性和邊緣性學科[3]。人機工程學理論可以應(yīng)用于日常生活的各個領(lǐng)域。

1.1 人體測量學

人體測量數(shù)據(jù)是人機系統(tǒng)設(shè)計時所遵循的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。人群中個體與個體間存在著差異，同時對一定數(shù)量的個體樣本得到的測量值可以根據(jù)概率論與數(shù)理統(tǒng)計對測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，求得人體測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計規(guī)律和特征參數(shù)。常用的統(tǒng)計特征參數(shù)有均值、方差、標準差及百分位數(shù)等。

人體測量的數(shù)據(jù)通常是以百分位數(shù)（PK）來表示人體的尺寸等級，PK是一種位置指標，一個界值。一個PK將總體或樣本的全部測量值分為兩部分，其中有K%的測量值小于等于此數(shù)，有（100-K）%的測量值大于此數(shù)。最常用的是第 5，50 及 95PK，分別記作 P5，P50及 P95。GB 10000-88《中國成年人人體尺寸》提供了我國成年人人體尺寸的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時研究人員根據(jù)GB 10000-88提供的人體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行分析研究，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出人體的功能尺寸，為我國人機系統(tǒng)設(shè)計提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

以人體參數(shù)為基礎(chǔ)建立的人體模型，應(yīng)用時必須根據(jù)設(shè)計對象的結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計參數(shù)來選用適當?shù)腜K人體模型，因此在進行汽車主動安全系統(tǒng)設(shè)計時，可以在設(shè)計中選用相應(yīng)的PK人體模型，如汽車H點（指人體身軀與大腿的鉸接點，即跨點）三維人體模型。

1.2 人的感知響應(yīng)特性

人的信息90%以上來自視覺通道，因此在汽車主動安全設(shè)計中一定要應(yīng)用人機工程學的原理對駕駛室的儀表板、內(nèi)外信號燈及前后方的視野等進行良好設(shè)計?？刹捎眯畔鬟f理論進行駕駛室顯示裝置的設(shè)計，充分考慮人體生物力學特性，如操縱力、人體動作的靈活性及準確性進行操縱裝置設(shè)計。通過以上設(shè)計可以保證駕駛員高效、舒適、不易疲勞及高效地進行駕駛，更有效地提高汽車主動安全性。

2 人機工程學在汽車主動安全設(shè)計中的應(yīng)用

汽車的主動安全性涉及到汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)及駕駛員視野等方面[4]，因此可以應(yīng)用人機工程學知識對轉(zhuǎn)向和制動操縱裝置、儀表顯示與照明裝置及駕駛員視野進行設(shè)計，從而可以保證汽車良好的主動安全性[5]。

2.1 汽車操縱裝置人機工程學設(shè)計

汽車中涉及到主動安全最主要的操縱裝置分別是轉(zhuǎn)向盤和腳踏板。

2.1.1 汽車轉(zhuǎn)向盤的設(shè)計

1）汽車轉(zhuǎn)向盤是駕駛室的重要功能部件，它的轉(zhuǎn)動方向應(yīng)該與汽車行駛方向相協(xié)調(diào)。2）它的安裝位置是由人體生物力學特性和不同車型駕駛員的位置決定的，轉(zhuǎn)向盤應(yīng)該布置在駕駛座椅前方最優(yōu)區(qū)域內(nèi)，即人手活動最靈敏、視野最好、操作最準確及最舒適的區(qū)域[6]。3）為了保證操縱舒適和握持牢靠，常在輪緣的下部加工出適合指形的波紋，橫截面應(yīng)為橢圓形或圓形。4）汽車轉(zhuǎn)向盤直徑和傾斜角度是由人體的施力舒適性限度與不同車型駕駛員位置所確定的，對于卡車及公共汽車，為了使駕駛員位置舒適，轉(zhuǎn)向盤傾角為15～30°，直徑取400 mm左右；對于大型載重汽車需要較大的操縱力，轉(zhuǎn)向盤傾角為0°，直徑取450～500 mm；對于小轎車和小卡車因座椅較低，轉(zhuǎn)向盤操縱力矩也較小，轉(zhuǎn)向盤傾角為45～60°，直徑取350～400 mm，握把的直徑通常在20～50 mm間選取。5）操縱力以人體生物力學為依據(jù)，選擇大多數(shù)人操作的中/下限能力數(shù)據(jù)，根據(jù)不同操作要求轉(zhuǎn)向盤操縱力取45～100 N。

2.1.2 汽車制動腳踏板的設(shè)計

1）汽車制動腳踏板應(yīng)該設(shè)計在駕駛員最易施力且易觸碰的位置，踏板設(shè)計應(yīng)該依據(jù)人體下肢尺寸和力學參數(shù)為基礎(chǔ)，汽車制動踏板通常為腳懸空踏板的形式，形狀采用矩形或者橢圓形平面板，制動踏板尺寸相對加速踏板小，為了保證制動踏板踩踏時不容易滑脫，踏板表面有增大摩擦力的花紋；2）制動腳踏板前后位置應(yīng)設(shè)計在“小”身材人群P5模型能及的范圍內(nèi)，左右位置應(yīng)設(shè)計在人體中線兩側(cè)各10～15°的范圍內(nèi)，這樣保證腿和腳能形成一個統(tǒng)一的易施力單元，以滿足操縱力大、速度快及準確性高的操作要求；3）踏板與地面最優(yōu)傾角為30～40°，操作時腳掌與小腿的舒適夾角為87～95°，大小腿間夾角應(yīng)在 105～135°為宜，以 120°為最優(yōu)；4）制動腳踏板適宜的操縱力為45～600 N，為了防止腳踏板被無意碰移而發(fā)生事故，腳踏板應(yīng)有一定起動阻力，該起動阻力一般為18～32 N；5）制動踏板與加速踏板處于鄰近位置，為了避免在緊急制動情況下不觸碰到加速踏板，它們間應(yīng)該采用合理的位置編碼方式區(qū)分，加速踏板與制動踏板的間距以100～150mm為宜。

2.2 汽車視覺裝置的設(shè)計

2.2.1 汽車儀表板的設(shè)計

汽車儀表板是各種儀表、信號燈及控制開關(guān)的總成，駕駛員對汽車運行狀態(tài)的90%信息都是通過儀表板上的儀表和信號燈來獲取的，因此儀表板設(shè)計的好壞在汽車主動安全中占有很重要的位置。

1）為了保證較高的工作效率和減輕人體視覺疲勞，儀表板的空間位置應(yīng)保證駕駛員不需要較大幅度地運動頭部和眼睛，更不需要移動身體位置就能看清全部的儀表；另外因儀表板空間位置的好壞也將影響行車的安全性，因此，儀表板應(yīng)該布置在操作者的正前方，而且儀表板的位置不得妨礙操作者對周圍環(huán)境的觀察。圖1示出儀表板的空間位置設(shè)計方案。儀表板離人眼的距離最好是710 mm，其高度最好與眼平齊，儀表板上邊緣的視線與水平視線夾角不大于10°，下邊緣的視線與水平視線夾角不大于45°，儀表板與操作者的視線宜成直角，至少不應(yīng)小于60°，當人在正常坐姿下操作時，頭部一般自然前傾，所以布置儀表板時應(yīng)使板面相應(yīng)前傾，儀表板與垂直面的夾角為25～30°；當儀表板很大時，可采用弧形或者彎折形板面以提高觀察效率。

圖1 儀表板空間位置設(shè)計方案示意圖

2）通常儀表板上的儀表采用指針式儀表形式，因為它更適合人的心理和生理特點，并且認讀速度和準確度都非常高，能減輕使用人員的疲勞和緊張程度。同時對于指針式儀表刻度盤的形狀、大小，指針、圖形標志、文字符號、照明條件及顏色匹配等進行周密的人機工程學設(shè)計，可進一步提高觀察效率和準確率。

3）通常所說的儀表板都是呈左右方向的長方形，符合人的視覺運動規(guī)律，板面上儀表的排列順序最好與它們認讀順序一致；功能相同及關(guān)聯(lián)度高的儀表應(yīng)當靠近布置，甚至放在同一個區(qū)域內(nèi)，以與其它儀表形成明顯區(qū)別，方便觀察。試驗證明，24°是最優(yōu)認讀范圍的極限，對于重要儀表及信號燈最好是安排在最優(yōu)認讀范圍內(nèi)，一般性儀表及信號燈允許安排在20～40°視野范圍內(nèi)，次要儀表和信號燈安排在40～60°視野范圍內(nèi)，同時應(yīng)該兼顧儀表和信號燈與操縱裝置的協(xié)調(diào)性。

2.2.2 汽車外部視覺裝置設(shè)計

照明系統(tǒng)是保證駕駛員在夜間行車時獲得良好視野的重要保障，但照明問題往往是夜間行車時引起交通事故的主要原因，因此必須對其進行合理設(shè)計。

1）通常夜間行車遇到霧和雨雪天時，在前照燈配光鏡上的水珠會削弱燈光照度，因此可在轎車前照燈透光面上設(shè)計清洗器清潔水珠，以保證良好照明；2）夜間兩車會車時，為了不使對面來車的駕駛員眩目，可以設(shè)置前照燈基準軸的遠距離調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，由駕駛員在駕駛室內(nèi)進行操縱，適時轉(zhuǎn)動前照燈位置；3）汽車在轉(zhuǎn)彎時，前照燈光束仍向行駛路線切向照射，不能全部照射在前方彎路上，這樣就降低了駕駛員觀察前方彎路的視認性，為了保證轉(zhuǎn)彎行駛安全性，可使前照燈與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同步轉(zhuǎn)動，使前照燈的光束始終照射在汽車前方道路上；4）為了避免后車前照燈遠光光束照射到前車后視鏡上，產(chǎn)生反射光線引起駕駛員眩目，可設(shè)置一套能根據(jù)本車與前車的距離將本車前照燈的遠近光自動切換的裝置；5）應(yīng)增加能增強視認性的輔助信號燈，以便每輛車都能被其他車輛駕駛員或其他人員迅速準確地辨認出來。從而進一步提高行車的主動安全性。

2.3 汽車駕駛視野的設(shè)計

為了保證駕駛員及時準確地接收到外界的信息以保證汽車行駛的安全性，因此汽車視野設(shè)計的宜人化程度也非常重要。美國汽車工程師協(xié)會（SAE）車身工程委員會人體模型分會通過對美國各州、歐洲、亞洲及其它國家的2 300多名男女駕駛員進行試驗測定和統(tǒng)計分析后，得出汽車駕駛員眼睛位置在縱向垂直面和水平面上的分布范圍都呈眼橢圓的結(jié)論。SAE將駕駛員的眼橢圓分為第90，第95及第99百分位等若干種投影圖形，分別表示某個百分位人群的眼橢圓分布規(guī)律。汽車駕駛員的眼橢圓為研究汽車視野性能提供了重要的科學依據(jù)。

在汽車車身設(shè)計中，常將各種百分位的眼橢圓事先制作成樣板，以便設(shè)計或校核用，眼橢圓樣板在汽車車身主俯視圖中位置，如圖2所示。

圖2 眼橢圓位置示意圖

汽車駕駛員的視野設(shè)計可以分為前方視野、車內(nèi)后視野、側(cè)方視野及全周視野。

2.3.1 駕駛員前方視野設(shè)計

前方視野是指從前風窗玻璃所能觀察到的可見范圍。前方視野是汽車運行中最關(guān)鍵的視野[7]。

1）前風窗玻璃框架橫框和立柱位置以眼橢圓為設(shè)計基準，并且綜合考慮汽車使用環(huán)境、人眼視覺特性及讓駕駛員方便獲取交通信號又避免太陽光照射而目眩等因素。視野太大，前風窗玻璃下緣過低，導(dǎo)致路感等刺激增大，容易使駕駛員恐慌和發(fā)暈；視野太小，不能獲得足夠且必要的信息。

2）為了保證汽車在雨雪天能有良好的視野，應(yīng)設(shè)有除霜和除霧系統(tǒng)。

3）汽車風窗玻璃刮掃系統(tǒng)不僅要有足夠刮掃面積，而且要有正確的刮掃部位，在刮掃面積內(nèi)對不同部位的清晰度有不同要求，如表1[8]所示。由表1可知不同刮掃部位要求不同，設(shè)計刮掃部位時通常選用第95百分位眼橢圓作為設(shè)計和校核的基準。

表1 美國汽車工程師學會小客車風窗玻璃刮掃部位設(shè)計要求

2.3.2 后方視野的設(shè)計

后方視野是通過車內(nèi)外后視鏡間接觀察到的可見范圍。其視角大小和方位主要取決于后視鏡的尺寸和布置位置，如圖3和如圖4所示。

圖3 汽車外后視鏡的后方視野區(qū)域校核示意圖

圖4 汽車內(nèi)后視鏡的后方視野區(qū)域校核示意圖

后視鏡的大小、鏡面曲率與視角角度密切相關(guān)，鏡面面積和曲率越大，視野角就越大，但是鏡面面積過大會導(dǎo)致物像畸變失真；鏡面曲率過大，難以判斷物像的距離并在后車速度接近時，物像有急劇變化的眩目感，不利于行車安全。因此在設(shè)計后視鏡時應(yīng)在鏡面面積與曲率之間求得平衡。保證視野和物像兩者有較好的效果。

關(guān)于后視鏡的布置位置美國SAE推薦采用眼橢圓的方法確定，對于車內(nèi)外后視鏡要求安裝在第95百分位眼橢圓上邊緣水平切線之上或下邊緣水平切線之下的位置，一般頭部和眼睛的總轉(zhuǎn)動量不超過60°，并且應(yīng)該避開風窗玻璃不能刮掃到的部分或立柱遮擋的區(qū)域。

2.3.3 側(cè)方視野設(shè)計

側(cè)方視野是指駕駛員通過側(cè)門風窗等直接可見的視野范圍。由于大客車和貨車視點位置高，側(cè)方視野的要求顯得比轎車更重要。大客車增加側(cè)方視野主要是靠右側(cè)（左置轉(zhuǎn)向盤）向下加大風窗面積。有些貨車在右側(cè)門窗玻璃下增設(shè)下窺窗以增加側(cè)方視野。

2.3.4 全周視野設(shè)計

全周視野主要用于轎車。因為轎車經(jīng)常要進出停車場，或在擁擠的街道上行駛，所以駕駛員需要環(huán)視前后左右，這就要求轎車的全周視野要好。

3 結(jié)論

文章充分考慮人的因素，將人機工程學原理應(yīng)用于轉(zhuǎn)向和制動系統(tǒng)的操縱裝置、視覺顯示裝置及駕駛員視野的汽車安全性設(shè)計中，這樣設(shè)計出來的裝置，使人操縱起來更加高效、舒適及安全，從而有效地避免了駕駛員的誤操作和由于長時間操縱造成的疲勞等現(xiàn)象的發(fā)生，可進一步提高汽車的主動安全性，有效地減少交通事故的發(fā)生。