人機(jī)工程學(xué)在重卡駕駛室設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

馬玉金，李欣，李海濱，秦康，李榮義，曹天津

（1.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200；2.陜西萬方汽車零部件有限公司，陜西 西安 710200）

引言

隨著物流行業(yè)的快速發(fā)展，物流運(yùn)輸用車上升趨勢明顯，由于車輛需要長時(shí)間高速運(yùn)行，用戶對車輛的安全性、舒適性、輕量化等方面的要求越來越高；駕駛員需要在駕駛室內(nèi)進(jìn)行工作、娛樂和休息，駕駛室的設(shè)計(jì)既要滿足人員駕駛、休息和娛樂的功能要求，又要滿足駕駛舒適性、安全性和操作方便性的需求，本文重點(diǎn)從重卡駕駛室的人機(jī)界面布置、視野分析和操作空間進(jìn)行研究。

1 重卡駕駛室操縱界面設(shè)計(jì)

重卡駕駛室的操縱界面包括駕駛員在車輛行駛過程中對車輛進(jìn)行各種操作裝置，駕駛員要在界面內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、加速以及各類開關(guān)動(dòng)作，同時(shí)還要觀察駕駛室內(nèi)的儀表、屏幕和駕駛室外的運(yùn)行環(huán)境；主駕駛側(cè)的操縱裝置運(yùn)行需要充分考慮人的身體構(gòu)造特點(diǎn)和心理因素，確保車輛運(yùn)行過程中的操作和休息時(shí)安全、舒適和方便，不能因此而產(chǎn)生疲勞，車輛的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量滿足相關(guān)要求。

人機(jī)工程學(xué)給出了人體關(guān)節(jié)舒適角度，以便設(shè)計(jì)車輛的踏板、方向盤、變速器操縱等結(jié)構(gòu)過程中參考，確保車輛的操縱界面滿足人體舒適性和安全性的要求，我們根據(jù)對標(biāo)車型和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)給出了一些人體坐姿參數(shù)的推薦值，作為車輛設(shè)計(jì)的參考，相關(guān)具體參數(shù)見圖1 和表1。

圖1 人體坐姿及關(guān)節(jié)舒適角度

表1 人體坐姿參數(shù)推薦值

1.1 踏板設(shè)計(jì)

重卡駕駛室踏板的作用主要是對車輛進(jìn)行加速、制動(dòng)、離合操作，其與地板的角度應(yīng)滿足人腳踝關(guān)節(jié)的舒適性要求；另外車輛還要求踏板周邊的空間能夠滿足操作的要求，已避免限制駕駛員腳操作，影響操作舒適性和安全性。

如圖2 所示，是一幅腳踏板、腳平面以及腳相互接觸的側(cè)面圖，圖中選取腳平面與小腿呈90°的位置，因?yàn)檫@個(gè)角度范圍在80°～100°是人體較為舒適的，通過圖示的幾何關(guān)系可以計(jì)算得出：腳踏板的長度h =55.75 ～ 297mm，腳踏板的寬度m =53 ～ 83.5mm，θ=8°～75°。

圖2 腳踏板側(cè)面圖

1.2 操縱桿設(shè)計(jì)

重卡變速器操縱桿也被稱為換擋桿，換擋操作時(shí)手柄的位置應(yīng)滿足人手臂長度和關(guān)節(jié)舒適的角度范圍，同時(shí)考慮駕駛室內(nèi)空間有限且換擋操作頻率較高，擋手柄必須處于一個(gè)較小的范圍內(nèi)；另外換擋手柄的大小、形狀還會(huì)影響人的手感，因此設(shè)計(jì)換擋桿時(shí)應(yīng)充分考慮手柄位置、形狀、檔桿長度、粗細(xì)、布置角度以及換擋的行程和換擋力，以保證設(shè)計(jì)的合理性。

（1）換擋桿的尺寸和形狀：建議擋桿設(shè)計(jì)直徑22m～ 32mm，換擋球頭直徑為32mm，換擋桿長度應(yīng)根據(jù)人機(jī)分析結(jié)果確定。

（2）換擋桿的行程和角度：換擋桿操作時(shí)人體手臂應(yīng)處于舒適角度，且不需要移動(dòng)身體。重卡換擋桿設(shè)計(jì)行程在300mm～350mm 之間，轉(zhuǎn)角在10°～ 15°范圍內(nèi)。通常操縱桿的動(dòng)作角度為30～ 60°，不超過90°。

（3）重卡換擋桿的操縱力：最小為30N，最大130N；一般建議控制在30N～ 50N 之間。

（4）換擋桿球頭位置：當(dāng)駕駛員處于正常工作且人體姿態(tài)處于較舒適位置時(shí)，換擋手柄高度基本與人肘高度持平。

1.3 方向盤設(shè)計(jì)

重卡駕駛室方向盤周邊需要有足夠的空間供駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，駕駛員的手臂應(yīng)避免與門板、儀表板、座椅扶手等裝置有接觸，另外駕駛室發(fā)生碰撞后方向盤與人體之間需要有足夠的安全距離；另外為了保證較小的轉(zhuǎn)向力和操作的舒適性，要求安全盤有合適的尺寸和位置。

重卡方向盤的外徑一般為400mm～ 550mm 之間，手握部分的直徑為 20mm～50mm，方向盤高度一般在 800mm～ 850mm，設(shè)計(jì)角度在±20°～±30°，調(diào)節(jié)角度在±5°～±10°之間。

2 重卡駕駛室視覺界面設(shè)計(jì)

2.1 儀表板設(shè)計(jì)

重卡駕駛室的儀表臺多被布置在駕駛員的正前下方，以便能夠精準(zhǔn)、快速和清晰的讀取儀表上的數(shù)據(jù)，同時(shí)保證駕駛員的坐姿處于一個(gè)舒適的位置，保證不影響駕駛員進(jìn)行其他的操作。

圖3 是儀表臺距離人眼的最佳距離的空間位置圖，一般距離在700mm 左右最優(yōu)，同時(shí)人眼向下45°是較為合理的視野角度，因此儀表布置位置應(yīng)滿足上述要求；考慮駕駛員在坐姿時(shí)頭部會(huì)前傾，且人眼與儀表的屏幕成60°～90°為較合理的角度，所以儀表板在布置時(shí)與豎直面成一定的前傾角度較為合理，一般控制在25°～30°。

圖3 儀表板的空間位置

駕駛員在讀取儀表、屏幕上顯示的內(nèi)容時(shí)會(huì)受到方向盤或者其他裝置的影響，為了能夠快速讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，需要把儀表布置在不被方向盤輪緣、輪轂和輪輻遮擋的投影區(qū)域內(nèi)。

根據(jù)人體的眼橢圓、視覺理論以及方向盤結(jié)構(gòu)，一般將儀表板的設(shè)計(jì)成矩形或者“腰果”狀，另外儀表板上各種裝置的布局應(yīng)該符合其重要性和功能性的有限順序；重要、常用的儀表一般會(huì)布置在視野中心位置附近，如：行駛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等；在20°～40°視野區(qū)域內(nèi)布置的為重要性一般儀表，如：油耗、行駛里程等；40°～60°視野范圍內(nèi)只允許安排不重要的儀表。

2.2 視野設(shè)計(jì)

車輛行駛時(shí)駕駛員需要時(shí)刻關(guān)注車內(nèi)外的運(yùn)行環(huán)境，以確保車輛運(yùn)行安全以及周邊車輛和行人的安全，需要獲得車輛前方、側(cè)方和后方的視野情況，因此重卡駕駛員的視野校核內(nèi)容包含三部分：前方視野、后方視野和側(cè)方視野。

2.2.1 前方視野

駕駛員在重卡駕駛室內(nèi)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，需要通過風(fēng)窗或者其他視野裝置觀察前方的路況。法規(guī)對重卡的前方視野做了明確要求，如圖4 所示。

圖4 車輛的前方視野要求

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，給出了前方視野的一般評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2

A 柱盲區(qū)對重卡駕駛室前方視野的影響至關(guān)重要。在滿足A 柱剛度的同時(shí)，對A 柱視野的遮擋要盡量的小。在SAE J1050-2009 中對A 柱障礙角都有明確的做法。

2.2.2 側(cè)、后視野設(shè)計(jì)

圖5 主后視鏡的側(cè)、后方視野范圍

圖6 前下視鏡視野范圍

重卡駕駛室側(cè)方和后方視野主要通過后視鏡獲得，視鏡類型包括主后視鏡、廣角后視鏡、前下視鏡和補(bǔ)盲鏡，國標(biāo)和ECE 法規(guī)中對各視鏡的視野都作出了相應(yīng)的要求。在重卡駕駛員的視野校核中，一般會(huì)重點(diǎn)關(guān)注后視鏡視野和前下視野，相關(guān)視野范圍要求如圖5、6。

3 重卡駕駛室空間設(shè)計(jì)

重卡駕駛室設(shè)計(jì)選用第95 百分位人體模型，通過H 點(diǎn)的確定來確定人體坐姿，這樣駕駛員的活動(dòng)空間也可以得到確認(rèn)，就可以更好的布置駕駛室的內(nèi)部空間，確保駕駛員操作時(shí)更加方便、安全。

在確定駕駛員坐姿時(shí)，應(yīng)利用簡化的人體模型，定義主要的軀干和關(guān)節(jié)尺寸，如圖7。

圖7 簡化人體數(shù)學(xué)模型

人機(jī)工程學(xué)中給出了相應(yīng)的人體尺寸參數(shù)，利用這些參數(shù)可以初步得到駕駛室內(nèi)各種裝置的布置區(qū)域。為了進(jìn)一步得到駕駛員操作的最佳位置，通過人體關(guān)節(jié)點(diǎn)位置和手臂長度，可以計(jì)算出人的作業(yè)范圍，作業(yè)范圍可以分為舒適作業(yè)區(qū)域和最大作業(yè)區(qū)域，垂直方向的舒適作業(yè)范圍約350mm左右，最大極限位置為700mm。水平方向的舒適作業(yè)范圍在300mm，最大極限位置為600mm 左右。

重卡駕駛室座椅的幾個(gè)關(guān)鍵尺寸參數(shù)直接決定了座椅的舒適性好壞，包括：H 點(diǎn)高度、座墊寬度、座墊深度、靠背尺寸、頭枕尺寸、座墊傾角、靠背傾角等，如圖8。

結(jié)合產(chǎn)品最佳尺寸計(jì)算公式以及人體尺寸參數(shù)，可以分別得出第5 和95 百分位人體模型下座椅的尺寸范圍，作為座椅設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

圖8 駕駛員座椅主要尺寸參數(shù)

4 重卡駕駛室人機(jī)分析及評價(jià)

4.1 座椅舒適性分析

利用CATIA 人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與分析中的Human Activity Analysis 模塊對人體姿態(tài)的舒適程度進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)人體理論中人體模型的角度參數(shù)，軟件會(huì)生成評價(jià)報(bào)告，判定駕駛員坐姿是否舒適。

首先我們需要建立人體模型的首選角度，主要是小臂和大臂、大臂與軀干、小腿與大腿、大腿與軀干、腳掌與小腿之間的夾角，然后對人體模型中各關(guān)節(jié)的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

完成重卡駕駛室人體模型的首選角度確認(rèn)后，可以通過CATIA 的生成人體姿態(tài)評價(jià)報(bào)告，如圖9 所示。

圖9 人體姿態(tài)評分報(bào)告

4.2 駕駛員視野分析

儀表臺的視野校核是通過人眼點(diǎn)和方向盤輪緣、輪轂和輪輻行程可透視區(qū)域做視野的分析，方向盤的結(jié)構(gòu)形式和造型會(huì)影響儀表臺的布置區(qū)域以及外觀，一般來說儀表板設(shè)計(jì)成半圓形狀會(huì)有利于儀表視野和儀表的布置，如圖10 所示，另外還需根據(jù)相關(guān)法規(guī)要求校核駕駛員的前方視野，后方視野和側(cè)方視野，確保滿足法規(guī)及用戶特殊要求。

圖10 第95 百分位人體模型的視野區(qū)域

4.3 伸及界面校核

駕駛員的手伸及界面校核主要是校核人在坐立的姿態(tài) 下，人體手臂能夠方便且舒適的進(jìn)行轉(zhuǎn)向、換擋、加速、制動(dòng)等操作，從而評價(jià)人機(jī)界面的各種裝置的布置是否合理。

在CATIA 的人機(jī)分析模塊中，通過Computes a Reach Envelop 工具來生成駕駛員人體模型的手伸及區(qū)域，如圖11所示。

圖11 駕駛員手伸及界面

另外，我們還可以通過CATIA 軟件對踏板和操縱桿進(jìn)行人機(jī)校核分析及評價(jià)。

5 結(jié)束語

人機(jī)工程學(xué)在重卡駕駛室設(shè)計(jì)用已被廣泛應(yīng)用并深入研究，隨著未來汽車駕駛模式的變革， 車輛人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用范圍和內(nèi)容將會(huì)發(fā)生變化，可能將不再局限于駕駛室內(nèi)部的操縱界面布置、視野設(shè)計(jì)和空間設(shè)計(jì)。