汽車人機工程設計方法與應用研究

李慶雯 曹旭 劉偉東

摘 要 本文研究了根據人體測量學數據建立用于商用車人機工程設計和分析數字人體模型的關鍵技術，包括人體測量學參數描述、運動學和動力學建模、人體肢體運動驅動和姿勢求解的正向和反向運動學問題、幾何建模和外觀可視化、性能建模等，建立了三維數字化人體模型，開發了具有自主知識產權的重型商用車人機工程設計評價系統。

關鍵字 人體測量學 駕駛室 人機工程學 數字人體模型

中圖分類號：U46 文獻標識碼：A

1論文研究背景

汽車發展的潮流是行駛安全性越來越好，技術含量越來越高，駕駛越來越舒適和人性化。在人們生活水平大幅提高的我國，隨著汽車工業技術水平的不斷提升和消費者的不斷成熟，會對汽車的舒適性和安全性有著越來越高的要求，使得進一步研究和改善汽車的人機性能十分必要。從某種意義上講，人機工程設計的好壞直接決定了汽車設計水平的高低。

2人體模型

駕駛室設計需要利用人體模型來盡可能的模擬現實中的人，從而縮短與人體有關的零部件的設計與評價周期。以人體參數為基礎建立的人體模型是描述人體形態特征和力學特征的有效工具，是研究、分析、評價、試驗人機系統不可缺少的重要輔助手段。科學、合理的建立人體模型是人機工程設計的基礎。對于像裝載機這樣比較復雜的設計對象，應用人體模型是一種重要的輔助手段，它既可以表現設計結果，也可以用來調整設計，以確定最終設計尺寸。

3商用車人機設計工作原理

人機工程設計通常始于概念設計初期。了解目標駕駛員群體特點和人體尺寸，作為人機工程設計的依據，商用貨車具有底盤高，駕駛室為平頭，駕駛室內部高度方向空間大、長度方向空間緊湊等特點。此外，商用貨車的駕駛員群體多數為男性。對于全新開發車型，商用貨車人機工程設計主要內容和流程。

3.1踏板布置

加速踏板的安裝位置和駕駛員座椅高度決定了駕駛員的基本乘坐姿態，對駕駛員坐姿舒適性和各項功能操作具有重要影響。此外，加速踏板位置還決定了駕駛室其它部件的布置位置，是車內布置的重要參考元素。加速踏板布置分析主要關注以下問題：

（1）踏板中心高度。會影響駕駛員踩關節舒適性。由于加速踏板踩踏頻繁，其布置必須考慮長時間操作的舒適性。加速踏板未踩下時，應保證跺關節角度合適，以保證駕駛員踩關節舒適；

（2）踏板表面傾斜角度要合適，否則會影響踏板表面和腳底面的貼合；

（3）要保證駕駛員腳底施力位置始終處于踏板中心附近。

3.2轉向盤布置

轉向盤布置，包括確定中心位置、傾角和輪緣直徑。合理地布置轉向盤，對于改善駕駛員操縱姿勢、減小操舵力，從而降低駕駛疲勞程度具有重要意義。確定轉向盤的位置要考慮與儀表板和駕駛員之間的距離合適。轉向盤輪緣到駕駛員軀干的距離不宜小于250mm，這個間隙是安全的重要保證。最終所確定的轉向盤中心位置、傾角和轉向盤直徑，是通過反復進行駕駛員人體、座椅、轉向盤布置和位置校核后得到的。現代轉向盤上還集成了許多操縱鈕鍵，如雨刮器開關，風擋玻璃洗滌器噴水開關，大燈、轉向燈、小燈開關，喇叭按鈕，巡航按鈕等。布置這些的時候要考慮手指操作的伸及性。適當選擇這些鈕件的形式和操作順序，保證操作方便性。

3.3儀表布置

儀表盤和儀表在寬度方向的位置應布置在可視區域內。為此，應該作出不受方向盤阻擋的可視區域。在可視區中心附近應該布置最常用、最主要的儀表，如：

車速里程表。在最重要的儀表周圍布置一般性儀表，如：發動機轉速表、燃油表、發動機水溫表等。有些汽車儀表盤上還集成了發電機狀態、燈光、變速檔位、環境溫度、路面傾斜度等儀表。

儀表罩要有足夠的深度，以遮住射向儀表玻璃的光線。設計時應進行眩目檢查。如果入射光經過儀表面反射后不會與眼橢圓相交，就不會產生眩目現象。儀表罩的布置不能影響前方下視野，其斷面應該布置在前方下視野線Ld以下、公切線Ll的上方。儀表罩最前端與轉向盤要保持一定的距離，免發生干涉。

4總結

本文是對商務汽車駕駛室設計方法構架及其相關參數評價方法的有益探索，以人機工程學為基本原理，對駕駛室進行人機工程設計，能夠提供給駕駛員舒適的駕駛姿勢，良好的視野和合理的操縱裝置布局，以實現安全、舒適、健康、高效的人機系統設計目標。本課題的主要研究工作和成果如下：

（1）在駕駛室人機工程設計方法研究中，根據商用車和駕駛員群體的特點，研究了人機設計的前期條件、設計要求、設計流程、具體設計原理和基于統計學的設計工具，建立了適用于商用車任意目標駕駛員群體的通用人機工程設計方法。

（2）深入研究了駕駛員駕駛和乘坐姿勢的舒適性。提出了采用人體肌肉負荷作為姿勢舒適性的客觀量度，而肌肉負荷從宏觀上根據關節載荷計算來評價舒適度的方法。

（3）某商用車樣車的人機性能進行了客觀評價，分析了該車型踏板舒適性、儀表視野、駕駛室進出方便性和乘坐空間等方面的人機工程性能。

參考文獻

[1] 郭竹亭.汽車車身設計[M].吉林科學技術出版社，1992（10）：36-83.

[2] 中城.中國商用車之路[J].世界汽車，2005（6）：64-65.