基于人機工程學的BSC賽車設計研究

石懷升

摘 要：根據中國汽車工程學會巴哈大賽（BSC）賽車的比賽要求對BSC賽車展開人機設計，以人機工程學為指導理論，總結BSC賽車的人機創新設計流程；對BSC賽車設計及使用過程中存在的問題進行人機分析；以參賽車手為服務對象，進一步對BSC賽車的外觀造型、空間布置等進行人機設計，提出合理的造型設計方案和駕駛舒適調研結果；從而對“車手-賽車-場地”的人機系統有更好的把握，提高BSC賽車的舒適性、安全性和美觀性。根據人機工程學設計的BSC賽車，從造型和人機適配上都體現了人性化的人機設計理念，為后續模擬仿真提供了參照。

關鍵詞：中國汽車工程學會巴哈大賽賽車；人機工程學；造型設計；人機分析

中圖分類號：U469 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）04-0015-02

Abstract： According to the requirements of car race of Baja SAE-China （BSC）， the human-machine design of BSC car is carried out， and the human-machine innovation design flow of BSC car is summarized based on the theory of ergonomics. This paper analyzes the problems existing in the design and use of BSC racing car and designs the appearance and space layout of BSC racing car with the drivers in the race as the service object. The reasonable design scheme and the results of driving comfort investigation are put forward， which can improve the comfort， safety and beauty of the BSC car by better conforming with the man-machine system of "the driver， the racing car and the ground". The BSC racing car designed based on the ergonomics， which represents the user-friendliness conception in terms of style and human-computer adaptation， provides a reference for the follow-up simulation.

Keywords： Baja SAE-China； ergonomics； style design； man-machine analysis

由中國汽車工程學會（SAE China）主辦的BSC大賽，主要針對小型越野賽車進行設計。作為常規越野車和方程式汽車賽的衍生產物，BSC賽測的投入成本相對較低，但設計程序卻嚴格遵循汽車的生產要求。隨著各高校的研發投入，BSC賽車設計逐漸從“仿制”轉為“創新”，并對常規越野車的生產有一定的指導意義。因此，在滿足車手使用BSC賽車駕駛功能的基礎上，其設計要求轉變為車身結構的美觀、舒適度等人機設計；同時，靜態項目下的BSC賽車人機仿真及測試需由多軟件構成的計算機輔助設計完成，其設計思路也逐漸趨于科學性。

1 概述

1.1 汽車人機工程學

人機工程學（Ergonomics）研究人在生產或操作過程中合理地、適度地勞動和用力的規律問題；它把“人-機-環境”系統作為研究的基本對象，運用生理學、心理學等，根據人和機器的特點，合理分配人和機器承擔的職能，并使之相適應，為人創造出舒適和安全的工作環境，使工效達到最優[1]。

汽車人機工程學在此基礎上以“人性化”為前提，為駕駛者提供舒適的體驗，并兼顧安全性。由于汽車的外形和內部空間的環境較為單一，而駕駛者的身材有所差異，要在相同的空間中設計出能讓不同身材的駕駛者都感受舒適、便捷，就要結合人機工程學的相關原理進行設計已達到人機適配的目的[2]。作為汽車分支的一類，BSC賽車具備了越野車和比賽房車的優勢，其設計嚴格遵循汽車人機工程學。

1.2 BSC賽車的設計問題

BSC大賽包括靜態與動態項目測試，車輛需達單座、全地形、運動汽車的要求，并符合人機工程學的要求。目前多數BSC賽車設計的研究停留在車身及結構的輕量化設計，其研究方法可參照成熟車輛。筆者通過對國內高校的設計方案及其他賽事對比分析，總結出BSC賽車設計當中存在的問題：

（1）造型設計單一，部分車隊形體受鋼架結構限制而呈現同質化問題。

（2）涂裝配色辨識度度低，未能在體現使用者視覺方面的人機需求。

（3）部分零件裸露，且未采取良好的保護措施，在風沙的比賽環境當中存在安全性問題。

（4）駕駛室布置簡陋，座椅因為節約成本而采用普通汽車座椅，大大降低了使用者的舒適性和安全性。

2 BSC賽車的人機設計分析

筆者將BSC賽車的人機設計內容分為車身的造型設計和駕駛室的空間布局設計。以上兩者共同構成了BSC賽車的內外飾設計，在一定程度上反映出賽車與使用者的人機適配關系；同時，兩者又與比賽環境密切聯系，在實際比賽當中能夠與所處環境和諧統一，進而完善了整個人機系統。據此，筆者對調研所得的問題提出如下解決辦法：

（1）將有關團隊的符號納入到BSC賽車座椅的造型設計中，并在符合人機尺寸的前提下對其具有特色的元素進行推演、物化，從視覺角度滿足使用者的人機需求。

（2）運用人機工程學中的色彩理論對整車進行重新涂裝，將符合作業環境的明快色調作為主色，并配以互補色作為對比、修飾。選擇適合的材質或噴涂方式增強其辨識度，以達到相應的審美需求。

（3）在進行造型設計和空間布置時對于可隱藏的零件進行外殼保護設計，從而提高比賽時的安全作業環境。

（4）在人機工程學前提下，對賽車座椅進行定制化設計，采用合適的可塑性材料，從而滿足參賽選手的人機舒適度需求。

（5）針對多項改良舉措，提供一種人機校核的方法，從而確保設計的產物符合人機原理，并服務于后續的生產和進一步的研究。

3 BSC賽車的人機設計應用

3.1 BSC賽車的舒適值

根據汽車人機工程學的駕駛室布置明確需要設計的內容，并總結為示意圖，經過比較不同資料的舒適值范圍，提供一種汽車普遍使用的關節舒適度作為參照：背角為20°-30°、臀角為95°-120°、膝角為95°-135°、足角為78°-105°、臂角為0°-50°、肘角為80°-170°、腕角為170°-190°，可在BSC賽車座椅設計時運用。

3.2 BSC賽車的人機設計方案

BSC賽車的人機設計尺寸主要集中在整車設計尺寸及座椅駕駛舒適度兩部分內容，兩部分數據可參閱SAE制車標準[3]得出。筆者通過查閱資料及汽車人機工程集團的造車經驗在設計之初對整車尺寸進行了繪，以此作為其造型設計的約束。以燕山大學BSC賽車設計為例，首先提取了校徽當中的海燕元素和學院藍作為設計點，對符合人機性能的車架進行外觀造型設計，使其從視覺上滿足使用者需求，并將一些裸露部位進行外殼設計，最終完成渲染圖（如圖1）。

3.3 BSC賽車的人機設計仿真

輸出的BSC賽車座椅方案需要經過仿真模擬以驗證其是否解決了使用者的人機適配問題。可根據虛擬仿真軟件Jack的特點和關鍵技術，按照：采集/重設數據、定義人機要素及作業任務、人因工效分析、優化方案進行。在設計實例基礎上，該人機工學分析的思路與技巧具有較強的可操作性，可廣泛應用于各類人機系統的設計分析與評價[4]。同時針對BSC賽車座椅的特定部位可將有限元分析應用到該仿真分析流程當中[5]，通過確定有限元分析方案、建立汽車結構模型信息、建立有限元模型等校核。

4 結束語

人機工程學是研究賽車設計的一項重要內容，經過人機適配的BSC賽車設計，對現階段該類賽車存在的問題分析并解決，使其安全性、舒適性和美觀性得到進一步的提升；將人機尺寸納入前期的設計研究可減少不規范的方案輸出，提升設計效率；最終提出的仿真結合有限元分析的優化方法可為后續的BSC賽車人機設計研究提供借鑒。

參考文獻：

[1]姚君，劉淼，陳亞明，等.基于人機工程學知識的設計認知與應用方法研究[J].包裝工程，2010（6）：5-8.

[2]陳杰.汽車座椅的人機工程學分析[J].包裝工程，2015，36（22）：145-148.

[3]SAEJ1100-2009.機動車輛尺寸[S].

[4]蘭爽.基于Jack虛擬仿真技術的人因工效分析[J].工業工程，2017（6）：96-100.

[5]陳克，田國紅.車輛有限元與優化設計[M].北京：北京理工大學出版社，2015，2：37-59.