基于人机工程学的BSC赛车设计研究

石怀升

摘 要：根据中国汽车工程学会巴哈大赛（BSC）赛车的比赛要求对BSC赛车展开人机设计，以人机工程学为指導理论，总结BSC赛车的人机创新设计流程；对BSC赛车设计及使用过程中存在的问题进行人机分析；以参赛车手为服务对象，进一步对BSC赛车的外观造型、空间布置等进行人机设计，提出合理的造型设计方案和驾驶舒适调研结果；从而对“车手-赛车-场地”的人机系统有更好的把握，提高BSC赛车的舒适性、安全性和美观性。根据人机工程学设计的BSC赛车，从造型和人机适配上都体现了人性化的人机设计理念，为后续模拟仿真提供了参照。

关键词：中国汽车工程学会巴哈大赛赛车；人机工程学；造型设计；人机分析

中图分类号：U469 文献标志码：A 文章编号：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

由中国汽车工程学会（SAE China）主办的BSC大赛，主要针对小型越野赛车进行设计。作为常规越野车和方程式汽车赛的衍生产物，BSC赛测的投入成本相对较低，但设计程序却严格遵循汽车的生产要求。随着各高校的研发投入，BSC赛车设计逐渐从“仿制”转为“创新”，并对常规越野车的生产有一定的指导意义。因此，在满足车手使用BSC赛车驾驶功能的基础上，其设计要求转变为车身结构的美观、舒适度等人机设计；同时，静态项目下的BSC赛车人机仿真及测试需由多软件构成的计算机辅助设计完成，其设计思路也逐渐趋于科学性。

1 概述

1.1 汽车人机工程学

人机工程学（Ergonomics）研究人在生产或操作过程中合理地、适度地劳动和用力的规律问题；它把“人-机-环境”系统作为研究的基本对象，运用生理学、心理学等，根据人和机器的特点，合理分配人和机器承担的职能，并使之相适应，为人创造出舒适和安全的工作环境，使工效达到最优[1]。

汽车人机工程学在此基础上以“人性化”为前提，为驾驶者提供舒适的体验，并兼顾安全性。由于汽车的外形和内部空间的环境较为单一，而驾驶者的身材有所差异，要在相同的空间中设计出能让不同身材的驾驶者都感受舒适、便捷，就要结合人机工程学的相关原理进行设计已达到人机适配的目的[2]。作为汽车分支的一类，BSC赛车具备了越野车和比赛房车的优势，其设计严格遵循汽车人机工程学。

1.2 BSC赛车的设计问题

BSC大赛包括静态与动态项目测试，车辆需达单座、全地形、运动汽车的要求，并符合人机工程学的要求。目前多数BSC赛车设计的研究停留在车身及结构的轻量化设计，其研究方法可参照成熟车辆。笔者通过对国内高校的设计方案及其他赛事对比分析，总结出BSC赛车设计当中存在的问题：

（1）造型设计单一，部分车队形体受钢架结构限制而呈现同质化问题。

（2）涂装配色辨识度度低，未能在体现使用者视觉方面的人机需求。

（3）部分零件裸露，且未采取良好的保护措施，在风沙的比赛环境当中存在安全性问题。

（4）驾驶室布置简陋，座椅因为节约成本而采用普通汽车座椅，大大降低了使用者的舒适性和安全性。

2 BSC赛车的人机设计分析

笔者将BSC赛车的人机设计内容分为车身的造型设计和驾驶室的空间布局设计。以上两者共同构成了BSC赛车的内外饰设计，在一定程度上反映出赛车与使用者的人机适配关系；同时，两者又与比赛环境密切联系，在实际比赛当中能够与所处环境和谐统一，进而完善了整个人机系统。据此，笔者对调研所得的问题提出如下解决办法：

（1）将有关团队的符号纳入到BSC赛车座椅的造型设计中，并在符合人机尺寸的前提下对其具有特色的元素进行推演、物化，从视觉角度满足使用者的人机需求。

（2）运用人机工程学中的色彩理论对整车进行重新涂装，将符合作业环境的明快色调作为主色，并配以互补色作为对比、修饰。选择适合的材质或喷涂方式增强其辨识度，以达到相应的审美需求。

（3）在进行造型设计和空间布置时对于可隐藏的零件进行外壳保护设计，从而提高比赛时的安全作业环境。

（4）在人机工程学前提下，对赛车座椅进行定制化设计，采用合适的可塑性材料，从而满足参赛选手的人机舒适度需求。

（5）针对多项改良举措，提供一种人机校核的方法，从而确保设计的产物符合人机原理，并服务于后续的生产和进一步的研究。

3 BSC赛车的人机设计应用

3.1 BSC赛车的舒适值

根据汽车人机工程学的驾驶室布置明确需要设计的内容，并总结为示意图，经过比较不同资料的舒适值范围，提供一种汽车普遍使用的关节舒适度作为参照：背角为20°-30°、臀角为95°-120°、膝角为95°-135°、足角为78°-105°、臂角为0°-50°、肘角为80°-170°、腕角为170°-190°，可在BSC赛车座椅设计时运用。

3.2 BSC赛车的人机设计方案

BSC赛车的人机设计尺寸主要集中在整车设计尺寸及座椅驾驶舒适度两部分内容，两部分数据可参阅SAE制车标准[3]得出。笔者通过查阅资料及汽车人机工程集团的造车经验在设计之初对整车尺寸进行了绘，以此作为其造型设计的约束。以燕山大学BSC赛车设计为例，首先提取了校徽当中的海燕元素和学院蓝作为设计点，对符合人机性能的车架进行外观造型设计，使其从视觉上满足使用者需求，并将一些裸露部位进行外壳设计，最终完成渲染图（如图1）。

3.3 BSC赛车的人机设计仿真

输出的BSC赛车座椅方案需要经过仿真模拟以验证其是否解决了使用者的人机适配问题。可根据虚拟仿真软件Jack的特点和关键技术，按照：采集/重设数据、定义人机要素及作业任务、人因工效分析、优化方案进行。在设计实例基础上，该人机工学分析的思路与技巧具有较强的可操作性，可广泛应用于各类人机系统的设计分析与评价[4]。同时针对BSC赛车座椅的特定部位可将有限元分析应用到该仿真分析流程当中[5]，通过确定有限元分析方案、建立汽车结构模型信息、建立有限元模型等校核。

4 结束语

人机工程学是研究赛车设计的一项重要内容，经过人机适配的BSC赛车设计，对现阶段该类赛车存在的问题分析并解决，使其安全性、舒适性和美观性得到进一步的提升；将人机尺寸纳入前期的设计研究可减少不规范的方案输出，提升设计效率；最终提出的仿真结合有限元分析的优化方法可为后续的BSC赛车人机设计研究提供借鉴。

参考文献：

[1]姚君，劉淼，陈亚明，等.基于人机工程学知识的设计认知与应用方法研究[J].包装工程，2010（6）：5-8.

[2]陈杰.汽车座椅的人机工程学分析[J].包装工程，2015，36（22）：145-148.

[3]SAEJ1100-2009.机动车辆尺寸[S].

[4]兰爽.基于Jack虚拟仿真技术的人因工效分析[J].工业工程，2017（6）：96-100.

[5]陈克，田国红.车辆有限元与优化设计[M].北京：北京理工大学出版社，2015，2：37-59.