某皮卡選換擋操縱裝置人機工程設計理論及應用

喻少高（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某皮卡選換擋操縱裝置人機工程設計理論及應用

喻少高
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章通過汽車人機工程理論與我公司設計開發的皮卡選換擋操縱座相結合闡述了選換擋操縱裝置設計在人機工程方面的應用與實踐，以完善選換擋操縱裝置人機工程方面的設計思路。

選換擋操縱裝置；人機工程

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.014

CLC NO.: U463.8Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-35-05

引言

人機工程學是一門研究和應用范圍都極為廣泛的綜合性邊緣學科，是技術科學、解剖學、心理學、人類學等學科的交叉。國際人類工效學學會(International Ergonomics Association，lEA)對它的定義是：人因工程學是研究人在某種工作環境中的解剖學、生理學和心理學等方面的各種因素；研究人和機器及環境的相互作用；研究在工作、家庭生活中和休假是怎樣統一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學科[1]。

人機工程學是以人——機——環境作為基本的研究對象，通過揭示人、機、環境之間相互關系的規律，已確保人——機——環境系統達到最優化的總體性能。

人機工程學的內容具體包括幾個方面：

（1）研究內容

人體特性的研究研究的主要內容包括人體形態特征參數、感知特性、反應特性以及在勞動中人的心理特征和人為差錯等。

（2）人機系統的整體設計

人機系統設計的目的就是為了使整個系統工作性能最優化，這就必須解決機器與人體相適應的問題，即如何合理地分配人機功能，二者的配合以及有效地交流信息等。

（3）研究人與機器間信息傳遞裝置和工作場所的設計

人與機器之間的信息傳遞包括顯示器向人傳遞信息，控制器則接收人發出的信息兩個方面。其中，顯示器的研究包括視覺顯示器、聽覺顯示器以及觸覺顯示器等各種類型顯示器的設計，同時還要研究顯示器的布置和組合等問題；控制器設計則要研究各種操作裝置的形狀、大小、位置以及作用力等在人體解剖學、生物力學和心理學方面的問題。

（4）環境控制和人身安全裝置的設計

為了克服不利的環境因素，需要設計一系列環境控制裝置來保障人身安全。其中安全保障技術包括機器的安全本質化、防護裝置、保險裝置、防止人為失誤裝置、事故控制方法，救援方法等。

1、車輛人機工程學

人機工程學在車輛設計中的應用現已有專門的一門學科，車輛人機工程學，她就是將人機工程學的理論、方法應用于車輛工程領域，通過“人—車—環境”系統的人機工程學研究，提高駕乘人員的舒適性、安全性和工作效率，使系統的總體性能達到最佳匹配狀態的學科。

車輛人機工程學的研究內容大致包括以下幾個方面：

（1）車輛駕駛操作系統人機界面的優化設計。駕駛操縱系統人機界面設計的是否合理，對駕乘人員在駕乘過程中的安全性、舒適性、身心健康以及工作效率等方面，都有著重大的影響。

（2）車輛乘員的安全保護技術研究。提高車輛的安全性能，降低安全事故的發生率，包括兩方面內容：一方面通過研究各種預防報警系統，防止事故的發生，另一方面需要利用有效的車內乘員保護技術來避免或減輕乘員可能遭受的傷害。

（3）車輛乘員的乘坐舒適性。乘坐舒適性主要取決于座椅與人體的人機界面能否為人提供舒適而穩定的坐姿，駕駛員—座椅—車輛系統能否有效地隔離或衰減來自路面不平度的激勵而產生的振動，駕駛員—座椅—駕駛室系統的幾何位置關系能否為駕駛員提供良好的視野和相對于各種操縱裝置與顯示裝置的舒適位置。

（4）車輛的噪聲控制。車輛噪聲控制的目的是要保證車內駕乘人員的耳旁噪聲滿足人的聽力保護允許標準，車外噪聲滿足動態環境噪聲允許標準。

（5）車輛內部小氣候壞境的宜人化控制。對車內小氣候環境的宜人化控制的具體要求標準因車輛的類型，使用條件和運行環境的不同而異，其科學依據是人的熱舒適性評價標準。

（6）車輛駕駛員的駕駛適宜性。所謂駕駛適宜性是指人具備圓滿、不出差錯的完成駕駛工作的素質。開展駕駛適宜性研究并制訂科學的駕駛適宜性檢查方法，對于駕駛員的選拔和科學化管理具有重要的指導意義。

（7）車輛的道路交通適應性。在設計車輛的性能時，既要充分考慮人的因素，又要充分考慮現在及將來的道路交通特性，如道路的等級、通行能力、管制等級等車—路關系的問題，從駕駛員的角度出發評價車輛對道路交通條件的適應性，使車輛的設計與交通設施的調整相互協調。

（8）人—車—路系統的綜合優化。綜合運用了人機工程學、汽車工程學、交通工程學、計算機仿真技術、圖形圖像技術和數據庫技術的基本理論的“人—車—路一體化設計”概念將是未來幾年擺在各個領域的科技工作者面前的共同課題。

隨著車輛使用者群體特性的變化，車輛設計與制造技術的進步，道路交通環境的改善以及社會大環境的變化，車輛人機工程學面臨的研究課題必將不斷發生變化。

2、 選換擋操縱座的人機工程設計

選換擋操縱座的人機工程設計主要考慮車輛駕駛操作系統人機界面的優化設計、車輛乘員的乘坐舒適性、車輛駕駛員的駕駛適宜性。在實際應用過程中，主要從三個方面設計，一是手把外形，即手握部分的形狀和尺寸；二是其操縱行程，包括操縱的角度和位移；三是操縱桿的位置布置。

首先我們通過一個 CATIA的模擬模型做一個選換擋操縱座與人體配合的總體感受。如圖1所示。

圖1　選換擋操縱座與人體的配合模擬模型

2.1手柄的外形設計

依據手的生理特點來分析和設計操縱桿外形。圖 2為手的生理結構，由圖可知，就手掌的生理結構來說，掌心部位的肌肉最少，指骨間肌和手指部分是神經末梢滿布的部位，指球肌、大魚際肌和小魚際肌是肌肉豐富的部位，是手部的天然減震器。因此在設計這類手柄時，要防止手柄形狀和振動力方向不能集中于掌心和指骨間肌。如果掌心長期受壓受振，可能會引起難以治愈的痙攣，至少易引起疲勞和操作不準確。因此，操作者握住手柄時最好使掌心處略有空隙，使受力減少。

圖2　手的生理結構

如圖 3，常見操縱桿手柄有圓柱形、錠子形、球形、錐形、梨形等形狀。而圖3中(b)、(d)、(f)的手柄形狀，在執握時，掌心與手柄的貼合面太大，操縱效果不好，只適合作為瞬間和受力不大的操縱手柄。因此優先考慮(a)、(c)、(e)所示的形狀。

圖3　常見操作手柄的形狀

具體設計來說，為了減少對掌心部位的壓迫可以將操縱桿的端部設計成平面或弧面，這樣能使它與掌心留有一定的間隙。又因為操縱桿在操縱過程中，其運動多是前后或左右進行，手握部分可以設計成上部徑圍稍大于下部徑圍，這樣可以防止操作過程中駕駛員手的滑脫。此外，手握部分不能設計的太光滑，以免操作過程中手的滑動，設計要有一定的紋理，這樣可以產生摩擦力，從而防止手滑動。

在實際應用過程中，我公司設計了下圖4所示的選換擋手柄，目前應用于皮卡等車型，手柄前方類似于梨形，后方及側面類似于圖 3中(C)所示的直桿結構，主體部分采用PW130617-Z=主皮紋（10°，130μ）的皮紋處理，背部蓋板光滑透明。在左右選擋過程中，手掌的大魚際肌和小魚際肌作用在手球側面部位，在向前換 1、3、5、R四個擋位時，手掌的大魚際肌和小魚際肌作用在手球后方及側面部位，在向后換2、4、6擋時，手指的肌接觸梨形下方，拉動球頭。可見，此球頭在使用過程中均能夠合理利用手部肌肉完成選換擋，一定的紋理處理也防止了手的滑動。

圖4　某皮卡選換擋球頭形狀

操縱桿的長度取決于杠桿比要求和操作頻率要求。為了克服大阻力而需要大杠桿比時，操縱桿只能加長。需要高操作頻率時，操縱桿只能縮短。操縱桿的粗細一般為 22～32mm，把握手柄的直徑一般設計為 32mm，太小會引起肌肉緊張，長期操作產生痙攣和疲勞。

2.2選換擋行程設計

在選換擋操縱座設計過程中，除了要考慮手柄的形狀外，還要考慮它的選換擋操縱桿的行程，即操縱角度和操縱位移量。操縱桿的操縱角度和位移量不宜太大，如果太大的話，不僅占用較大的操作空間，而且在進行操作時由于運動消耗量大會使操作者加快疲勞感。所以，操縱桿的操縱角度和位移量應在一個適宜的范圍內。操縱桿的操縱角度以30°～60°為宜，一般不超過 90°。操縱桿的位移量隨操縱桿的運動方向不同而不同。當操縱桿前后運動時，最大為 350mm；左右運動時，最大為 150mm。角度和位移大小如圖5所示。

圖5　操縱桿的角度及位移

皮卡車型設計角度如圖6所示，換擋方向極限角度39°，選擋方向極限角度28.5°。換擋行程目標值如表1，換擋的前后行程最大極限160mm，左右選擋最大極限125mm。

圖6　皮卡操縱座操縱角度（換擋39°，選擋28.5°）

表1　皮卡選換擋行程設計目標及實測值

圖7　選換擋行程測試實例

圖8　選換擋靜態間隙及實際行程實例及示意

通過換擋性能測試，實際換擋前后最大值 126，左右選擋最大值69，理論和實際均滿足人際工程要求。

2.3選換擋操縱座布置位置選擇

2.3.1手伸及界面介紹

駕駛員的手伸及界面是指駕駛員以正常駕駛姿勢坐在座椅上，身系安全帶，右腳置于加速踏板上，一只手握住轉向盤時另一只手所能伸及的最大空間界面。此界面所提供的空間范圍，為駕駛員的操縱范圍。實驗結果表明，駕駛員的手伸及界面是一形如橢球的封閉曲面，因此也稱為手伸橢球。不同身材的男女駕駛員的手伸能力不同，對應有不同百分位的手伸及界面。

駕駛室內各種操作鈕件的合理布置，是駕駛室設計中的一個重要方面。為了保證駕駛員注意力集中，操作方便、快捷、準確，儀表板及其周圍的控制按鈕、手柄及開關的位置、空間分布以及儀表和指示、警告燈的辨認識別等都應符合人機工程學的基本要求，必須布置在駕駛員的手伸及界面以內。這樣駕駛員才能在不必大幅度改變正常駕駛姿態的情況下方便的操縱這些鈕件。這是保證駕乘舒適和行駛安全不可缺少的條件[2]。

2.3.2操縱桿的布置

操縱桿位置的合適與否直接影響駕駛員的操作效率及舒適性。按人機工程學要求，操縱桿應布置在駕駛員只移動手臂而不移動身軀就可操作的范圍內。通過CATIA等設計軟件我們可以模擬駕駛員手伸空間的模擬，用于確定操縱桿在駕駛員手伸及范圍內充分考慮人機工程學原理，使駕駛員在駕駛過程中最低限度的減少操作錯誤頻率，而達到安全駕駛的目的。校核示意如圖9、圖10所示。

圖9　

圖10　

為使駕駛員能有一個較為舒適的控制過程，應盡可能的將操縱桿設置在人能夠有較大施力的位置，且便于施力,坐姿狀態下手握點應與肘同高。考慮到駕駛員能在小臂正常放置而上臂處于自然懸垂狀下舒適地操作，可根據人體手臂的尺寸及駕駛員的舒適作業空間來布置操縱桿。并且上臂與前臂夾角的舒適范圍角度為80～165°，操縱桿距H的X方向距離定為：Hx=280mm；操縱桿距H點的Y方向距離定為：Hy=330mm。Hx 和Hy 代表的意義如圖11 所示。

圖11　操縱桿的布置

在皮卡操縱座設計過程中，對于操縱范圍的設計要求，綜合國內外汽車行業標準，提出機械式變速桿在任意位置時，均應位于R點在Z平面上的投影，距R點距離≤600mm的區域范圍內；變速操縱手柄球頭與儀表板最小間隙大于50mm。如圖10所示，皮卡操縱座操縱范圍有一個半手柄在600mm范圍之外，因出于左右置駕駛通用性的考慮，讓步接收此設計方案。操縱座最前端與儀表板距離50.8滿足要求。

圖12　皮卡操縱座位置校核

對于操縱者手柄彎曲角度，參考德國汽車工業協會（VDA）推薦最舒適駕駛員姿態各夾角值，如表2所示。手大臂與豎直夾角約40°，手大臂與小臂夾角約120°基本滿足要求。

圖13　皮卡駕駛室操縱模擬

表2　德國汽車工業協會（VDA）推薦最舒適駕駛員姿態各夾角值

2.3.3操作舒適性模擬與評估

根據圖14人體舒適坐姿模型以及表3人體各關節舒適角度 的數據，我們可以在CATIA中將人體模型按照這些角度調整，并產生如圖15所示的人體舒適狀態下的坐姿模型。

圖14　人體舒適坐姿模型

表3　人體各關節舒適角度

圖15　人體舒適狀態下的坐姿模型

對于操縱舒適性的評估，我們通過人體姿態評估功能模塊來分析。通過人體姿態評估得到評估報告，從而對人體模型各部位的姿態進行定量的分析，從而得到關于操縱舒適性的評估報告。

在進行姿態評估前，我們首先要確定人體模型重要部位的首先角度。在 DOF1 方向上，根據坐姿舒適角范圍建立人體模型的各個部位的首選角度，先為編輯活動范圍劃分區域，再為這些區域設立分值，利用人體模型姿態評估工具快速給出人體模型舒適度的評估結果。

以小臂的首選角度建立為例，簡單敘述操縱步驟。

首先，由表 3 人體各關節舒適角度 可知小臂和大臂的夾角舒適性角度在 80～120°范圍，因此小腿的首選角度為60～100°，如圖16（a）中藍色區域。再將藍色區域劃分為3個區域，因為區域越多，得到的分析結果越精確。其劃分結果如圖如圖16（b）所示。

圖16　首選角度設計

然后對各個角度區域進行設計分數值，各分數值如下所示：

0～60設計分值為50分 ；60～70設計分值為 80 分；

70～80設計分值為90分 ；80～100 設計分值為80分；

100～140設計分值為50分。

最后得出輸出結果，其評價結果如圖17所示。由圖可知，該項評分值為94.4 ，符合標準。

圖17　姿態評估分析結果圖

用同樣的方法對人體模型的左上臂、左小腿、左大腿的首選角度進行設定，如圖 16所示，右側部位的首選角度由左側角度鏡像得到。

圖18　左上臂、左大腿、左小腿的首選角度設定

在設計好首選角度以后，就可以進入姿態的分析階段，通過人體姿態評估分析工具生成分析報告。圖 19 就是在上述首選角度的設計下輸出的分析報告。

在皮卡操縱座的設計過程中，我們缺少軟件模擬的過程，主要采用主觀評價進行評估。評估要求如表4所示。

3、總結

本文通過理論與實踐相結合的方式，對選換擋操縱裝置所涉及的人機工程理論及皮卡操縱裝置設計中的人機工程設計實踐進行了分析及闡述。深化了選換擋操縱裝置人機工程設計的理論的同時，也找出了我們現在在選換擋操縱裝置設計過程中人機工程設計考慮的不足之處，具體如下：

（1）駕駛員手伸空間模擬在選換擋操縱座設計中應用不足，設計之初應全面考慮手伸空間對駕駛的影響；

（2）駕駛員手大臂與豎直面夾角，手大臂與手小臂夾角在設計完成后校核不充分；

（3）人機工程評價措施以主觀評價為主，因人而異，設計指標不可控，應研究增加客觀評價措施。

[1] 呂杰鋒,陳建新,徐進波.人機工程學（高等學校工業設計叢書）[M].北京:清華大學出版社,2009.

[2] 任金東.汽車人機工程學[M].北京:北京大學出版社,2010.

A pickup optional shift control theory of the man-machine engineering design and application

Yu Shaogao
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

This paper describes the application and practice of the ergonomicsof the shift controls design in the pikupand the design idea of the ergonomics of the shift controls is developed.

the Shift controls; ergonomics

U463.8

A

1671-7988（2015）12-35-05

喻少高，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。