基于人機工程學的汽車設(shè)計

徐燕，王國濤

（1.泰州機電高等職業(yè)技術(shù)學校，江蘇 泰州 225300；2.泰州市計量測試院，江蘇 泰州 225300）

前言

隨著科技的發(fā)展，汽車的變化也是日新月異，人們對汽車的操作穩(wěn)定性和乘坐舒適性也提出了更高的要求。在汽車設(shè)計研究中，越來越多地考慮到人的主體性地位，我們必須堅定讓人在使用汽車過程中感到安全、舒適的目標。人機工程學就是這樣一門新興的學科，它是一門從人的心理和生理角度來研究人—機—環(huán)境之間的相互配合規(guī)律的學科，而汽車人機工程學則是研究人—汽車—環(huán)境之間優(yōu)化配合的學科，本學科的人機系統(tǒng)設(shè)計理論，就是科學地利用三個要素間的有機聯(lián)系來尋求系統(tǒng)的最佳參數(shù)[1]。

1 人機工程學在汽車設(shè)計的應用

1.1 信號燈的設(shè)計

在汽車信號燈設(shè)計時，信號燈必須清晰醒目，以使用目的的不同為區(qū)分，信號燈在滿足要求的情況下要放在鮮艷的位置，與操縱機構(gòu)不能發(fā)生干涉，比如信號燈背景色首選灰暗色，警示燈不利因素信號燈用紅色，提醒信號燈用黃色，運行正常用綠色。

1.2 儀表盤的設(shè)計

當前儀表盤的布置形式通常分為集中布置，置于方向盤下，設(shè)計基本原則是確保轉(zhuǎn)速、車速、水溫、油箱油量、報警指示燈等重要信息能直接明了地出現(xiàn)在駕駛員可視范圍內(nèi)，減少方向盤與轉(zhuǎn)動頭部的影響，繞開由按鈕、手柄、操作桿等造成的視野盲區(qū)，及時提供汽車狀態(tài)信息，準確反映情況，使駕駛員能立即做出反應，減少安全事故發(fā)生幾率，提高行駛安全性。

另外，在設(shè)計儀表盤具體位置時還要考慮儀表盤平面的目視距離以及儀表盤平面的角度。研究經(jīng)驗表明[2]：儀表盤的目視距離在460～710mm之間，以550mm為最佳目視距離；儀表盤中心和駕駛員眼球中心連線與儀表盤平面角度設(shè)計呈90°。

1.3 方向盤的設(shè)計

方向盤布置時考慮的因素包括確定中心位置及調(diào)節(jié)范圍、傾角、輪緣直徑，合理地布置方向盤可以改善駕駛員操縱姿勢、減小操舵力，降低駕駛員的疲勞程度?，F(xiàn)在的方向盤多為多功能方向盤，配有影音控制鍵、藍牙免提鍵、定速巡航鍵等等。便于駕駛員在手不離開方向盤的情況下完成相應操作，避免在駕駛過程中因為手離開方向盤，而要開啟的開關(guān)不在眼睛觸及之處導致注意力分散發(fā)生交通意外[3]。

1.4 汽車座椅的設(shè)計[4]

座椅設(shè)計時關(guān)鍵尺寸在于臀部和膝蓋的長度和膝蓋到地面的高度以及要考慮椅背是否能恰到好處地支撐腰部。根據(jù)人機工程學原理，座椅有關(guān)靜態(tài)參數(shù)選取原則如下：

1）椅面高度：椅面高度應使駕駛員大腿接近水平、小腿自然放置，即保證不因椅面過高而使大腿肌肉受壓，又保證不因椅面過低而增加背部肌肉負荷。

2）座寬：座寬必須能容納身材粗壯的人。參考尺寸為臀寬，以女性群體尺寸上限為設(shè)計依據(jù)。為使駕駛員能調(diào)整坐姿，座寬取適當大于臀寬。座寬也不能太大，否則肘部必須向兩側(cè)伸展以尋取支承，這樣會引起肩部疲勞。另外座寬受車寬的限制。

3）座深：坐墊前端至靠背表面之間的距離。這個尺寸不能太大，正確的座深應使靠背方便地支撐腰椎部位。如座深大于身材矮小者的大腿長臀部至膝窩距，座面前緣將壓迫膝窩處壓力敏感部位，這樣若要得到靠背的支持，則必須改變腰部正常曲線，否則坐者必須向前緣處移動以避免壓迫膝窩，卻得不到靠背的支持，這兩種坐姿都是不舒適的。為適應絕大多數(shù)駕駛員，座深應當按照較小百分位的群體設(shè)計，這樣身材矮小者坐著舒適，身材高大的人只要小腿能得到穩(wěn)定的支持，也不會在大腿部位引起壓力疲勞。

4）座面傾角：指座面與水平面所夾角度。座面后傾的作用有兩點：一是由于重力驅(qū)趕后移，使背部抵靠靠背獲得支持，可以降低背肌靜壓；二是防止坐者從坐緣滑出座面，這對于經(jīng)常處于震動顛簸環(huán)境中的駕駛員座椅非常重要。但是如果座面過分后傾,進行駕駛操作時，脊椎因身體前屈而會被拉直，破壞正常的腰椎曲線，形成一種費力的姿勢，同時還會壓迫腹部，長期駕駛會造成生理上的傷害。因此傾角不能太大，一般為5°～15°。坐墊表面最好采用與臀部形態(tài)相適應的曲面。

5）椅墊：坐姿狀態(tài)下，與座面緊密接觸的實際上只是臀部的兩塊坐骨結(jié)節(jié)，其上只有少量肌肉，人體重量的75%左右由約25cm2的坐骨周圍的部位來支承，這樣久坐足以產(chǎn)生壓力疲勞，導致臀部痛楚麻木感。若在座面上加上軟硬適度的坐墊，則測試研究表明，坐于坐墊上的臀部壓力大為降低，而接觸支承面積也由900cm2增大到1050cm2，使壓力分散。坐墊的另一優(yōu)點是能使身體采取一種較穩(wěn)定的姿勢，讓身體可以適度地陷入坐墊。過硬的坐墊不足以起到預想的作用，太軟則使身體陷入其中，無法得到應有的支持，造成坐姿不穩(wěn)，而身體為了維持一定的姿勢，不得不使肌肉緊張，疲勞便很快產(chǎn)生。

1.5 操縱裝置的設(shè)計[5]

汽車上操縱裝置較多，主要可分為手控和腳控。手控主要有方向盤的操作、中控臺的操作、換擋的操作、座椅的調(diào)節(jié)等等，而腳控主要有剎車的操作、油門的操作等等。從人機工程學角度上講，開關(guān)控制一般采用按鈕、扳鈕和踏鈕，分級控制、粗細調(diào)節(jié)控制常采用旋轉(zhuǎn)開關(guān)，快速調(diào)節(jié)裝置常采用扳鈕開關(guān)進行操作。對于其他操縱裝置也應遵循人機工程學原理，如手輪適用于微調(diào)、旋塞適用于無級調(diào)節(jié)、鑰匙適用于帶有安全裝置的部件，移動幅度較大且精度較低的部件一般使用曲柄進行操作等。相對于手動控制操縱裝置，腳控制裝置運用較少，如腳踏板裝置?？偟膩碚f，操縱裝置的設(shè)計要符合人的生理和心理特征，根據(jù)大多數(shù)駕駛員的駕駛習慣，如操作力度需按駕駛員的中下限能力進行設(shè)計，運動方向需同汽車的運行狀態(tài)相適應，并且盡量利用人體操縱范圍進行設(shè)計。操作裝置的形狀和功能應便于識別，且適合人的手或腳進行操作，同時也要適合駕駛員的邏輯和習慣[5]。

1.6 安全系統(tǒng)的設(shè)計

汽車的安全性能對于駕駛員和乘客都非常重要?，F(xiàn)代大多數(shù)汽車都配備了安全帶、安全氣囊、ABS防抱死系統(tǒng)、ESP電子穩(wěn)定系統(tǒng)、EBD電子助力轉(zhuǎn)向等等。預緊式安全帶保證車輛在發(fā)生交通事故時人們的身體一直與座椅保持接觸狀態(tài)，這樣就防止了因身體的過度前傾而使身體受到傷害；安全氣囊可以在一定的環(huán)境下引爆，減少汽車在發(fā)生碰撞時因巨大的慣性對乘員造成傷害；在汽車高速行駛的情況下，電子穩(wěn)定系統(tǒng)可以保證汽車行駛的穩(wěn)定性；汽車在任何路面上緊急制動時，防抱死系統(tǒng)能夠自動控制和調(diào)節(jié)汽車車輪的制動力，防止車輪完全抱死，獲得最大的制動力；電子助力裝置可以使得駕駛員在汽車低速行駛時轉(zhuǎn)向輕便、靈活，在高速行駛時增加轉(zhuǎn)向操縱力，使駕駛員的手感增強。

2 結(jié)論與展望

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和國際市場的激烈競爭，現(xiàn)代人們對汽車已不再僅僅滿足于能用能開就行，而是要得到使用的舒適性和舒心性，汽車的設(shè)計必須能“打動”消費者的心靈需求。因此，人機工程學越來越引起人們的重視，越來越多的人機工程學設(shè)計將被采納，符合人機工程學的產(chǎn)品必然會獲得成功。但是隨著汽車使用者群體特征的不斷變化，汽車的設(shè)計與制造技術(shù)的進步、道路交通環(huán)境的改善以及社會大環(huán)境的變化，汽車人機工程學將面臨一系列變化：

1）現(xiàn)代醫(yī)學水平的提高及社會公共衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展，人的壽命呈上升趨勢，汽車駕駛員的平均年齡逐步提高，乘客群體覆蓋范圍進一步擴大，必將對汽車的“用戶適應性”水平提出更新、更高、更多樣化的要求。

2）基于計算機和電子技術(shù)的各種控制系統(tǒng)及輔助裝置在汽車上的大量采用和不斷完善，汽車的智能化程度越來越高，因此汽車駕駛操縱的人機系統(tǒng)功能分配、人機系統(tǒng)特性調(diào)和和人機界面優(yōu)化匹配的內(nèi)容、方法必將隨之發(fā)生改變。

3）隨著新能源與環(huán)境問題的備受關(guān)注，汽車技術(shù)發(fā)展的趨勢可能從石油燃料車輛轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱悠?，將對駕駛者帶來新的操縱特性，需要人機工程學更好地去平衡、協(xié)調(diào)、優(yōu)化設(shè)計。

4）隨著技術(shù)的發(fā)展，無人駕駛汽車的研發(fā)將會對傳統(tǒng)汽車設(shè)計產(chǎn)生重大影響。

[1] 陳旭.論人機工程學在汽車設(shè)計中的體現(xiàn)[J].河南科技,2013,11）：76.

[2] 曾滿林,戴禮強,趙福全.基于人機工程的汽車組合儀表設(shè)計研究[J].設(shè)計與制造,2011,（6）：95-99.

[3] 戴旭東,曹海燕.汽車設(shè)計中的人機工程學[J].汽車與駕駛維修,2017,（4）：118.

[4] 史慧麗.轎車駕駛座椅的人機工程學研究與設(shè)計[D].濟南：山東大學碩士學位論文,2005.

[5] 程琳,關(guān)太炎.淺談人機工程在汽車工程中的應用[J].山東工業(yè)技術(shù),2016（1）：70.