人机工程学在重卡驾驶室设计中的应用

马玉金，李欣，李海滨，秦康，李荣义，曹天津

（1.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200；2.陕西万方汽车零部件有限公司，陕西 西安 710200）

引言

随着物流行业的快速发展，物流运输用车上升趋势明显，由于车辆需要长时间高速运行，用户对车辆的安全性、舒适性、轻量化等方面的要求越来越高；驾驶员需要在驾驶室内进行工作、娱乐和休息，驾驶室的设计既要满足人员驾驶、休息和娱乐的功能要求，又要满足驾驶舒适性、安全性和操作方便性的需求，本文重点从重卡驾驶室的人机界面布置、视野分析和操作空间进行研究。

1 重卡驾驶室操纵界面设计

重卡驾驶室的操纵界面包括驾驶员在车辆行驶过程中对车辆进行各种操作装置，驾驶员要在界面内进行转向、制动、加速以及各类开关动作，同时还要观察驾驶室内的仪表、屏幕和驾驶室外的运行环境；主驾驶侧的操纵装置运行需要充分考虑人的身体构造特点和心理因素，确保车辆运行过程中的操作和休息时安全、舒适和方便，不能因此而产生疲劳，车辆的设计应尽量满足相关要求。

人机工程学给出了人体关节舒适角度，以便设计车辆的踏板、方向盘、变速器操纵等结构过程中参考，确保车辆的操纵界面满足人体舒适性和安全性的要求，我们根据对标车型和设计经验给出了一些人体坐姿参数的推荐值，作为车辆设计的参考，相关具体参数见图1 和表1。

图1 人体坐姿及关节舒适角度

表1 人体坐姿参数推荐值

1.1 踏板设计

重卡驾驶室踏板的作用主要是对车辆进行加速、制动、离合操作，其与地板的角度应满足人脚踝关节的舒适性要求；另外车辆还要求踏板周边的空间能够满足操作的要求，已避免限制驾驶员脚操作，影响操作舒适性和安全性。

如图2 所示，是一幅脚踏板、脚平面以及脚相互接触的侧面图，图中选取脚平面与小腿呈90°的位置，因为这个角度范围在80°～100°是人体较为舒适的，通过图示的几何关系可以计算得出：脚踏板的长度h =55.75 ～ 297mm，脚踏板的宽度m =53 ～ 83.5mm，θ=8°～75°。

图2 脚踏板侧面图

1.2 操纵杆设计

重卡变速器操纵杆也被称为换挡杆，换挡操作时手柄的位置应满足人手臂长度和关节舒适的角度范围，同时考虑驾驶室内空间有限且换挡操作频率较高，挡手柄必须处于一个较小的范围内；另外换挡手柄的大小、形状还会影响人的手感，因此设计换挡杆时应充分考虑手柄位置、形状、档杆长度、粗细、布置角度以及换挡的行程和换挡力，以保证设计的合理性。

（1）换挡杆的尺寸和形状：建议挡杆设计直径22m～ 32mm，换挡球头直径为32mm，换挡杆长度应根据人机分析结果确定。

（2）换挡杆的行程和角度：换挡杆操作时人体手臂应处于舒适角度，且不需要移动身体。重卡换挡杆设计行程在300mm～350mm 之间，转角在10°～ 15°范围内。通常操纵杆的动作角度为30～ 60°，不超过90°。

（3）重卡换挡杆的操纵力：最小为30N，最大130N；一般建议控制在30N～ 50N 之间。

（4）换挡杆球头位置：当驾驶员处于正常工作且人体姿态处于较舒适位置时，换挡手柄高度基本与人肘高度持平。

1.3 方向盘设计

重卡驾驶室方向盘周边需要有足够的空间供驾驶员进行转向操作，驾驶员的手臂应避免与门板、仪表板、座椅扶手等装置有接触，另外驾驶室发生碰撞后方向盘与人体之间需要有足够的安全距离；另外为了保证较小的转向力和操作的舒适性，要求安全盘有合适的尺寸和位置。

重卡方向盘的外径一般为400mm～ 550mm 之间，手握部分的直径为 20mm～50mm，方向盘高度一般在 800mm～ 850mm，设计角度在±20°～±30°，调节角度在±5°～±10°之间。

2 重卡驾驶室视觉界面设计

2.1 仪表板设计

重卡驾驶室的仪表台多被布置在驾驶员的正前下方，以便能够精准、快速和清晰的读取仪表上的数据，同时保证驾驶员的坐姿处于一个舒适的位置，保证不影响驾驶员进行其他的操作。

图3 是仪表台距离人眼的最佳距离的空间位置图，一般距离在700mm 左右最优，同时人眼向下45°是较为合理的视野角度，因此仪表布置位置应满足上述要求；考虑驾驶员在坐姿时头部会前倾，且人眼与仪表的屏幕成60°～90°为较合理的角度，所以仪表板在布置时与竖直面成一定的前倾角度较为合理，一般控制在25°～30°。

图3 仪表板的空间位置

驾驶员在读取仪表、屏幕上显示的内容时会受到方向盘或者其他装置的影响，为了能够快速读取相关数据，需要把仪表布置在不被方向盘轮缘、轮毂和轮辐遮挡的投影区域内。

根据人体的眼椭圆、视觉理论以及方向盘结构，一般将仪表板的设计成矩形或者“腰果”状，另外仪表板上各种装置的布局应该符合其重要性和功能性的有限顺序；重要、常用的仪表一般会布置在视野中心位置附近，如：行驶速度、发动机转速等；在20°～40°视野区域内布置的为重要性一般仪表，如：油耗、行驶里程等；40°～60°视野范围内只允许安排不重要的仪表。

2.2 视野设计

车辆行驶时驾驶员需要时刻关注车内外的运行环境，以确保车辆运行安全以及周边车辆和行人的安全，需要获得车辆前方、侧方和后方的视野情况，因此重卡驾驶员的视野校核内容包含三部分：前方视野、后方视野和侧方视野。

2.2.1 前方视野

驾驶员在重卡驾驶室内进行作业时，需要通过风窗或者其他视野装置观察前方的路况。法规对重卡的前方视野做了明确要求，如图4 所示。

图4 车辆的前方视野要求

根据设计经验，给出了前方视野的一般评价标准，见表2。

表2

A 柱盲区对重卡驾驶室前方视野的影响至关重要。在满足A 柱刚度的同时，对A 柱视野的遮挡要尽量的小。在SAE J1050-2009 中对A 柱障碍角都有明确的做法。

2.2.2 侧、后视野设计

图5 主后视镜的侧、后方视野范围

图6 前下视镜视野范围

重卡驾驶室侧方和后方视野主要通过后视镜获得，视镜类型包括主后视镜、广角后视镜、前下视镜和补盲镜，国标和ECE 法规中对各视镜的视野都作出了相应的要求。在重卡驾驶员的视野校核中，一般会重点关注后视镜视野和前下视野，相关视野范围要求如图5、6。

3 重卡驾驶室空间设计

重卡驾驶室设计选用第95 百分位人体模型，通过H 点的确定来确定人体坐姿，这样驾驶员的活动空间也可以得到确认，就可以更好的布置驾驶室的内部空间，确保驾驶员操作时更加方便、安全。

在确定驾驶员坐姿时，应利用简化的人体模型，定义主要的躯干和关节尺寸，如图7。

图7 简化人体数学模型

人机工程学中给出了相应的人体尺寸参数，利用这些参数可以初步得到驾驶室内各种装置的布置区域。为了进一步得到驾驶员操作的最佳位置，通过人体关节点位置和手臂长度，可以计算出人的作业范围，作业范围可以分为舒适作业区域和最大作业区域，垂直方向的舒适作业范围约350mm左右，最大极限位置为700mm。水平方向的舒适作业范围在300mm，最大极限位置为600mm 左右。

重卡驾驶室座椅的几个关键尺寸参数直接决定了座椅的舒适性好坏，包括：H 点高度、座垫宽度、座垫深度、靠背尺寸、头枕尺寸、座垫倾角、靠背倾角等，如图8。

结合产品最佳尺寸计算公式以及人体尺寸参数，可以分别得出第5 和95 百分位人体模型下座椅的尺寸范围，作为座椅设计的理论依据。

图8 驾驶员座椅主要尺寸参数

4 重卡驾驶室人机分析及评价

4.1 座椅舒适性分析

利用CATIA 人机工程学设计与分析中的Human Activity Analysis 模块对人体姿态的舒适程度进行评价，根据人体理论中人体模型的角度参数，软件会生成评价报告，判定驾驶员坐姿是否舒适。

首先我们需要建立人体模型的首选角度，主要是小臂和大臂、大臂与躯干、小腿与大腿、大腿与躯干、脚掌与小腿之间的夹角，然后对人体模型中各关节的角度进行调节。

完成重卡驾驶室人体模型的首选角度确认后，可以通过CATIA 的生成人体姿态评价报告，如图9 所示。

图9 人体姿态评分报告

4.2 驾驶员视野分析

仪表台的视野校核是通过人眼点和方向盘轮缘、轮毂和轮辐行程可透视区域做视野的分析，方向盘的结构形式和造型会影响仪表台的布置区域以及外观，一般来说仪表板设计成半圆形状会有利于仪表视野和仪表的布置，如图10 所示，另外还需根据相关法规要求校核驾驶员的前方视野，后方视野和侧方视野，确保满足法规及用户特殊要求。

图10 第95 百分位人体模型的视野区域

4.3 伸及界面校核

驾驶员的手伸及界面校核主要是校核人在坐立的姿态 下，人体手臂能够方便且舒适的进行转向、换挡、加速、制动等操作，从而评价人机界面的各种装置的布置是否合理。

在CATIA 的人机分析模块中，通过Computes a Reach Envelop 工具来生成驾驶员人体模型的手伸及区域，如图11所示。

图11 驾驶员手伸及界面

另外，我们还可以通过CATIA 软件对踏板和操纵杆进行人机校核分析及评价。

5 结束语

人机工程学在重卡驾驶室设计用已被广泛应用并深入研究，随着未来汽车驾驶模式的变革， 车辆人机工程学的应用范围和内容将会发生变化，可能将不再局限于驾驶室内部的操纵界面布置、视野设计和空间设计。