人机工程学在汽车设计中的应用

2018-01-25孙兵

时代农机 2017年11期

孙兵

（江铃控股有限公司，江西南昌 330052）

人机工程学，是把人的因素作为产品设计的重要参数，以人的安全、健康、舒适为目标的一种新的理论依据和方法。其核心研究内容是优化人与机器设备的关系。在当今的汽车设计中已普遍运用人机工程学的原理，将人机协调的理念渗入到具体的汽车结构设计当中，以改善驾驶员的驾驶环境、降低其劳动强度，并同步提升驾乘人员的舒适性，使车辆总体性能达到最优化。

1 人机工程学在汽车设计中的应用

（1）基于感管的设计应用。人是通过感觉器官来获得各种信息，当周围环境发生变化或人的自身状态受到刺激时，感觉器官接收到刺激带来的作用，人的神经终梢发生兴奋，并传送到大脑皮层，因此产生感觉。感觉是人脑对直接作用于感觉器官的客观事物特殊属性的反映，为人的认识活动提供原始资料，是人了解自身状态和认识客观世界的初阶。

在汽车设计中，主要针对人的视觉、听觉和触觉进行适应性的设计，以求到达最佳的感官体验。视觉是最重要的感官方面的体验，而驾驶员视野作为一项重要的视觉要求，需要在满足前方180°视野、A柱双目障碍角、A/B/C柱直接视野障碍、后视镜视野要求、前风窗视野要求等法规的基础上，进一步优化设计，以确保车辆的安全性要求。同时，前风窗玻璃刮刷面积校核也是非常重要的环节，需对刮刷面积、玻璃的A/B区分项要求进行设计校核，使刮刷能有效地清除前挡玻璃影响视线的物质，让驾驶员视线清晰，确保行车安全。另外，汽车产品的内外部造型也是很重要的环节，需要基于美观的基础上，同时考虑车辆性能、功能、舒适性和便利性的因素。

在听觉方面，重点在于噪声对人的影响。噪声给人带来的不舒适和精神状态的负面影响是很直接的。可以通过降低噪声源、隔断噪声传播路径和优化噪声激励方面重点采取技术手段加以控制。如在某款SUV车型开发中，为降低整车噪声水平，对整车气密性进行了多轮的优化，结合工艺实施和实施的难易情况最终确定采取方案三，将气密性测试值由98cm2降至85cm2，整车噪声水平得到明显改善。气密性提升方案如表1所示。

在触觉方面，对零部件的材质、操作响应方面进行优化，使驾乘人员得到良好的操作感受。同时，对于整车的品质的感知方面，触觉也起着不小的影响。

表1 某SUV气密性提升方案

（2）基于人体形态的应用。在整车总布置设计过程中，首先需对坐姿进行人机校核。设计人员建立人体的数字模型后，按照尽量降低驾驶员的疲劳程度、提高车内空间利用率，兼顾内外造型的原则进行人性化设计，从而使驾驶员获得舒适的驾驶姿势。通常的设计原则是：根据踵点、踏板参考点、驾驶员设计H点、方向盘中线轴线来初步确定驾驶员坐姿，然后根据以往车型的设计数据进行修正。然后，要对驾驶室内的手部操控便利性进行校核，包括方向盘、换挡杆、手制动杆和各类按键、旋钮等，要求在驾驶员伸手能及的范围之内，且便于操作，不容易出现操作错误。在某SUV车型的座椅设计开发过程中，设计初期理论校核时，发现存在腿部操作离合器踏板时与座椅坐垫面干涉量大的问题。以95%百分位假人校核座椅压缩量，初始状态臀部座椅压缩量32.4mm，腿部座椅压缩量0mm；假人R点不动，将离合踏板踩至极限位置时，臀部座椅压缩量27.3mm，腿部座椅压缩量63mm。由于座椅最大压缩量为40mm，人体腿部压缩量至少为23mm。与其他同类车型对比，腿部压缩量偏大，需要进行设计优化，具体如表2所示。根据人机工程的校核结果，对座椅型面进行了修改，最终将离合踩到底部座椅压缩量降至45mm，经验证满足了舒适性的要求。

表2 座椅压缩量对比表

作为人机工程的一项重要要求，下车方便性在汽车结构设计中须充分考虑。根据与上下车方便性相关的尺寸范围和角度，对车身门框立柱、车门开口尺寸和位置，以及车身侧壁倾斜度进行设计校核，以达到舒适、便利的要求。

（3）基于力学特性的设计应用。为降低驾驶员的疲劳程度，需要基于力学特性进行满足人机工程的设计。充分考虑人体各部分的操作力，在控制操作力数值的同时，还要合理设计操纵时的用力方式。同时，可通过建立基于生物力学的驾驶和操作舒适度模型，按照人体活动的特点确定操作力的各项参数，从力学角度研究各种操作方式的设计参数与肌肉疲劳的关系。通过仿真试验建立相关的数学模型，结合边界限制条件，对研究参数进行计算分析，通过多组参数的结果对比，实现最佳人机操纵界面的匹配。