周鹤 张阳 鲁辉 黄太强

摘 要：汽车方向盘是车辆驾驶人在驾驶过程中手部接触最为频繁的部件，它的重要性不言而喻。本文简述了汽车方向盘设计中与人机工程学相关的设计因素，涵盖了方向盘的尺寸设计、造型设计、方向盘上舒适的操作区域、方向盘多功能按键设计（按键的大小、操作力和按键的背光颜色）、方向盘上装饰件的设计，希望通过本文的阐述能给方向盘设计人员提供一定的设计参考。

关键词：方向盘；人机工程

中图分类号：U461.99 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2018）05-0067-06

Abstract： The steering wheel of a vehicle is the most frequently contacted part of the hand in the driving process， and its importance is self-evident. In this paper， the design factors related to ergonomics in the design of automobile steering wheel are briefly described， including the size design， modeling design， comfortable operating area on the steering wheel， multi-function key design of the steering wheel （the size of the keys）. The operation force and the backlight color of the key， the design of the decoration on the steering wheel， hope to provide a certain design reference to the designer of the steering wheel through the elaboration of this article.

Key Words： steering wheel； ergonomics

1 方向盘工程设计中的人机工程学

1.1 方向盘设计尺寸

在SAE J1100 汽車尺寸中对方向盘尺寸有以下内容，如图1所示。

对于A*级车：方向盘直径<450mm

对于B*级车：450mm<方向盘直径<560mm

（A*级车包含：乘用车、多用途汽车Multi-Purpose Vehicle、运货车（带有后部或两侧的门和侧窗的，尤其用来运载人的封闭厢式汽车）；B*级车包含：中重卡、公交车）

我们对市面的各级别车型的方向盘尺寸进行测量或搜索相关素材，分析整理出以下尺寸规律，如表1所示：

1.2 方向盘局部造型特点

从表1可以看出，级别高的车型，内部空间也相应宽敞，故方向盘直径也可以设计的相应大些。对于方向盘局部形状，还有以下特征：轮缘断面的形状并非圆形，实际从我们测量的结果显示，大部分断面放大后如图2所示：

通常的驾驶姿态，一般手握在方向盘9点和3点方向，拇指搭在轮缘上部，其他手指握住轮缘下部，如上图所示。考虑到增加接触面积，进而方便施加操作力，同时增加操作手感，故手指接触部位轮缘的弧度较小。

轮缘处的造型还有如下一个特点：在方向盘大约9点和3点的位置分别有一处突起的造型，该造型在增大摩擦面积的同时，也为拇指提供一个休息的平台，增加操作舒适性，请看下面图3不同车系的示例（图中圆圈处）：

图4是利用软件模拟的情形，此处造型的设计要考虑到组合仪表的可视性，避免造成不必要的遮挡。

为增加方向盘人机操作的舒适度及手感，轮缘下部还有以下局部细节特征，如图5所示：

从图5清晰可见轮缘下部有类似波浪式的高低造型特征，模拟了手指握住轮缘时自然形成的形状而进行的细节设计。

1.3 方向盘舒适操作区域

前面两个小节中研究了方向盘的设计尺寸及局部的造型细节特征，本节主要研究方向盘舒适操作的区域，即方向盘上开关按键等功能件的布置区域，此类功能件的操作一般情况下是大拇指第一指关节进行。目前正在执行的人体尺寸标准（GB 10000、ISO 3411），并没有对拇指关节的尺寸进行说明，我们搜集一些外文资料，其中《THE MEASURE OF MAN & WOWAN——HUMAN FACTORS IN DESIGN》中有类似的说明，我们通过尺寸的转化，得到以下尺寸关系，如图6所示：

模拟在方向盘上的位置关系，通过换算得出L的尺寸（根据人体尺寸的不同，有5%，50%，95%三个百分位尺寸，根据性别不同，有男女两种，共有6组尺寸）如图7所示：

从上表中的男女尺寸推算结果来看：最大值48mm，最小值32mm，故开关、按键的布置位置和方向盘轮缘中心线的距离如图8所示：

由于正常驾驶过程中手握方向盘的位置不同，故开关、按键的布置位置还要考虑其在方向盘上的角度区域。如果把方向盘看成一个钟表，手抓握方向盘位置好比不同的时间点，那么比较常见的抓握位置有（见下图红色字体）：10点→2点、9点→3点（或9点15分）、8点→4点、7点→5点，这些位置会随着驾驶时间、驾驶习惯、驾驶路况的不同而交替出现。其中10点→2点这种抓握方式长时间驾驶会产生疲劳，且当发生事故，气囊弹出不会造成二次伤害车祸气囊弹出时，力量是非常大的，驾驶员的手很容易被气囊弹到驾驶者的脸部，而造成二次损伤），此抓握的优点是紧急连续转弯的情况下便于操作，反应迅速。当手的抓握位置低于9点→3点时，相对于10点→2点优势在于发生事故气囊弹出时双手会被分向身体两侧，脸部受到手的伤害几乎没有，但9点→3点和8点→4点同样存在长时间驾驶疲劳问题，因为手臂不是自然下垂的姿态。长时间驾驶最为舒适的是7点→5点的抓握，因此时双手自然弯曲，双臂自然下垂，但在急速连续转弯情况下不如10点→2点实用。

综合以上两图，考虑开关、按键与方向盘轮缘的中心位置及手抓握位置，我们得出方向盘上按键布置的推荐位置，如图9所示。

2 方向盘多功能按键及人机工程学

2.1 方向盘多功能按键介绍

多功能方向盘是指在方向盘两侧或者下方设置一些功能键，驾驶员可以直接在方向盘上操控车内很多的电子设备，不需要在控台上去寻找各类按钮，可以更专心的注视前方，大大提高行车的安全性。多功能方向盘包括音响控制、空调调节、车载电话、定速巡航键等等，这些功能键的布置要考虑误操作的情况，即便被误操作也不会对行车安全带来大的影响。

2.2 方向盘多功能按键操作力

上面介绍了方向盘上的多功能按键，对于按键的操作力，因是手指单独操作，通过对竞品分析及人体生理特性的研究，多功能按键推荐为2N～5N之间。

2.3 方向盘多功能按键字符大小

2.4 方向盘多功能按键背光颜色

首先要考虑到色觉原理进行颜色的搭配，不同颜色的搭配时的配色效果如表2所示，对于按键的背光的颜色，从表2可见，夜间背景为黑色，故按键的背光多以白色和黄色为主。

3 方向盘造型设计中的人机工程学

目前方向盘的形状大致可分为三种：圆形、方形、异形。其中圆形方向盘是目前使用最为普遍的造型，因为圆形的方向盘驾驶人在进行操作时可保证动作的连续性，自然方便的操作模式使驾驶人对其有较高的接受度，如图10所示：

某些运动车型为了使驾驶人获得较好的腿部侧向支撑力，即良好的座椅包覆感，而将座椅两侧设计的较大，此时方向盘下缘为平直的形状，即可获得较好的腿部空间，同时方便驾驶人进出座椅。这种下缘平直的方向盘依然属于圆形方向盘，如图11所示。

方形方向盘多在F1赛车中出现，因在驾驶赛车时，赛车手双手无需离开方向盘，只需左右各转动半圈就可以完成从左死点到右死点的完整转向，因此方形方向盘不会影响操作的延续性；赛车空间狭小，方形的方向盘相对于圆形能节省部分空间，也可方便赛车手进出驾驶室，如图12所示：

除了普通乘用车的圆形方向盘与赛车出现的方形方向盘外，很多概念车上出现了异形方向盘，甚至采用模拟飞机操作杆等其他方式来实现对行驶方向的控制。很多概念车的控制方式和体验感受与标准乘用车方向盘都有很大的不同，而考虑到汽车行业的法规政策与人们的驾驶习惯，在短时间内很难见到其在量产车上推广的可能性，如下圖13所示：

4 方向盘装饰与人机工程学

随着私家车的普及，消费者对车辆的个性化、内饰的装饰性也越加关注，方向盘上的装饰性也被各主机厂给予重视。图14是某款合资品牌方向盘喇叭盖上配备了氛围灯，这些氛围灯的颜色注重把握内饰整体搭配，讲究协调、淡雅、富有亲切感，尽量以不张扬的色系为主。

有的车型在方向盘轮辐或者喇叭盖周边采用亮饰装饰，不管采用的是那种工艺，此处的亮饰装饰均建议进行消光处理，因为外界的光线照射到这些装饰件后产生反射，如果这些反射线进入人眼，会对安全驾驶产生隐患，即便不会产生眩目现象，过多的高光装饰会分散驾驶员的注意力，同样会产生安全隐患，如图15所示：

理论校核方向盘上的装饰件是否会眩目，我们采用99%眼椭圆，利用光学入射、反射原理，当外界的光线照射在方向盘装饰件上，经过其产生的反射线与99%眼椭圆的眼椭圆间距至少要达到50mm，这样是较为安全的校核值，如图16所示：

参考文献：

[1]毛恩荣，张红，宋正河。车辆人机工程学，北京理工大学出版社，2007.2.

[2]谭浩，谭征宇。汽车人机交互界面设计，电子工业出版社，2015.1.

[3]Vivek D. Bhise著，李惠彬，刘亚茹等译。汽车设计中的人机工程学，机械工业出版社，2013.12.

[4]Jay Anning and Rebecca Wellers。THE MEASURE OF MAN & WOWAN——HUMAN FACTORS IN DESIGN，by John Wiley & Sons，New York.

[5]王爱红。人机工程学，兵器工业出版社，2011.8.