人机工程在汽车设计上的应用

何双娇

摘 要：如今汽车越来越普及，消费者对汽车的要求也越来越高，在满足基本的代步要求以后，大家更追求驾乘的操作性，舒适性和安全性。驾乘室是人与汽车交互最多的地方，大量的人机工程应用在其中。探究常见的仪表、方向盘、按键、踏板、座椅和操纵杆等部件上应用的人机工程，供汽车设计师在设计时参考。

关键词：汽车;人机工程;仪表;方向盘;座椅

近年来中国汽车发展突飞猛进，到今天中国已经是汽车大国，据中国汽车工业协会统计分析，2016年，中国汽车产销分别完成2811.9万辆和2802.8万辆;全年中国汽车产销均超2800万辆，连续八年蝉联全球第一[1]。如此庞大的产销量注定了汽车行业的激烈竞争，如何提高产品竞争力是一个摆在所有汽车企业管理层的严峻问题。除了提高各种高科技配置以外，汽车驾驶室内部的人性化设计是吸引消费者，提高成交率，保证市场占有率的有效途径。同时驾驶室内的人性化设计也是减缓驾驶员疲劳，提高安全驾驶的保证。

1 人机工程的涵义

人机工程学是一门尚处于发展中的新兴学科，着眼于人、机、环境三个要素的和谐统一。把人-机-环境系统作为研究的基本对象，运用生理学、心理学等学科知识使之相互适应，从而为人创造出舒适和安全的工作环境，使工效达到最优的一门综合性学科。

2 汽车上的人机工程

2.1 仪表

仪表是為驾驶员提供汽车各方面行驶信息，是驾驶员发出正确操作指令的基础。因为汽车的高速行驶和路面情况瞬息万变，所以要求仪表为驾驶员提供精准信息的同时还要求提供的信息应该易于识别，便于快速识别，且不易误解。

驾驶负荷是认知资源的有限性问题，即认知过程中驾驶员的加工能力有限带来的负荷。驾驶负荷是一个多维度的结构，与驾驶环境下的多任务密切相关，受到任务、驾驶外部支持和个体因素的影响。从汽车人机界面设计的角度看驾驶负荷则应维持在合理水平，过高和过低的负荷水平均不利于驾驶的绩效[2]。所以仪表的界面设计背景色与数字显示的分辨度应该要高一些，实验表明墨绿色和淡黄色仪表背景色配上白色和黑色的刻度时误读率最小;而黑色和灰黄色仪表背景色配上白色刻度线时误读率最高，不宜采用。在驾驶过程中，观看仪表是很频繁的动作，故而仪表的位置应该设置在最佳视线之内。根据人机工程学研究汽车仪表板的面板要在驾驶员的目视距离500毫米至700毫米之间。这个目视距离符合中国人的身材特点，也是结合多年的汽车仪表板的面板设计经验的结果而确定下来的[3]。仪表板的平面与视线成30°角是最合理的范围。因为人视线的变化习惯从左到右，从上到下和顺时针方向运动，仪表的刻度方向设计应该遵循这个规律。当眼睛偏离视中心时，在偏离距离相等的情况下，人眼对左上限的观察最佳，故而仪表一般设计在视线中心左侧。夜晚如果仪表灯光通过前风窗玻璃反射到人眼里，那么仪表就会在前风窗上成像，在行驶的过程中严重干扰驾驶员对前方路面信息的接收和分析，影响到行车安全。故而人机工程要求：光线不能通过风窗玻璃的反射，射到驾驶员99%眼椭圆向外增加20mm偏距的眼椭圆内。在白天，组合仪表里面的指示灯射出的光线不能造成驾驶员炫目[4]。

2.2 方向盘

方向盘的角度，高度，尺寸和材质的合理与否直接影响到行车安全和驾驶员的疲劳程度。人机工程学已经研究出来当手臂弯曲到70°处时可产生最大的力量，故而方向盘的设计位置要让手臂处在70°弯曲处。方向盘的轮廓直径D最小限定为180mm。手握部位的尺寸d最小限定为20mm，最大为50mm。驾驶员坐姿时，方向盘设置在距离座椅基点前400～475mm为宜，该距离能保证驾驶员发出较大的扭距[5]。汽车方向盘的材质也有讲究，冬天太冰操作不舒服，夏天手心冒汗方向盘会打滑，方向盘的材料选择要考虑这两方面。

2.3 按键

按键的尺寸，力度、行程决定了按键的灵敏度和驾驶者的疲劳程度。按键的位置排序按以下4个原则进行：（1）按按键的重要性排位置，越重要越靠近手边。（2）按频次排位，经常使用的按键优先排在操作舒适区里。（3）按功能排位，把功能相似的放在一起，比如4个窗户的升降控制按键，一般设置在驾驶座侧的门框上。（4）按使用顺序来排位，比如空气循环和温控开关，一般放一起。

近年来，触屏按键越来越流行，大有取代传统按键之势。触屏和传统按键各有优劣势，触屏不如传统按键有那么明显的反馈，触感比较弱。但是触屏有其自身优势，它不像传统按键那样只能担任一个功能，按键数量繁多。特别是因为电控技术的发展，汽车上的舒适性和安全性越来越重要，汽车内部增加了很多可以针对驾驶员个性化设置的按键，这个时候如果还是使用传统按键，就会使得按键数量激增，车内操作面杂乱无章，增加驾驶员的操作难度，增加误操作的概率。

2.4 座椅

座椅的设计与驾驶舒适性和安全性息息相关。最舒适的坐姿是保证腰曲弧线和腰背肌肉处于正常状态。科学合理的坐姿保证了前后方视野、提高读取组合仪表数据和踩踏三踏板的便利性，提高行车安全。如图1是汽车驾驶员最舒适驾驶姿势。设计师可以根据这张姿势图设计出最舒服的汽车座椅。

汽车座椅在行驶中免不了上上下颠簸左右摇晃。同时还要满足不同身体尺寸的驾乘人员的需求，保证每个人可以保持放松的驾驶姿势。故而需要满足的要求也比较多：（1）驾乘人员坐上汽车座椅的时候能够有一个良好的体压分布，贴合身体尺寸，包括后背、臀部和腿部尺寸。（2）座椅需要一定的横向稳定性。当汽车拐弯的时候，座位上的驾乘人员不可避免的会因为惯性而随汽车左右摇晃，这个时候如果座椅的横向稳定性不够，就有可能导致驾乘人员从座椅上滑出，造成伤害。当汽车急刹车的时候，驾乘人员还可能因为惯性从座位上向前滑出。综合考虑，一般座椅会做成左右和前沿高，中间略微凹陷的形状。（3）要求有背靠对驾乘人员的腰部和背部进行有效支撑，缓解长时间不变的坐姿引起的疲劳。第一支撑在5～6胸椎之间，保证驾驶员的肩部有所依靠，颈部不会变形。第二支撑在腰曲部位，让驾驶员在驾驶的姿势下也能保证正常的腰曲弧度[6]。（4）要求软硬度适中，触感良好。硬一些的座椅比软一些的座椅更有效缓解疲劳，但与人体尺寸贴合度不够好的硬座就会对身体造成压迫。所以软硬度应该保持在一个合理的范围。（5）减震效果。车上人员坐在椅子上并不会觉得很颠簸，主要依靠汽车的悬架系统和座椅的减震效果来达成的。（6）驾驶者可以根据自身状态对座椅的尺寸与位置进行调整。（7）外形上要保证美观，要与整车内饰的装饰协调统一，看起来整洁舒服，给驾乘人员一个舒服的心理感受。

2.5 操纵杆

汽车操纵杆是使用频率非常高的部件。如果设计的不合理，长期使用会让驾驶员产生痛觉，出老茧甚至变形，并影响驾驶情绪，危及安全。操纵杆除了外形、大小、长短、重量及材料等应满足操作要求外，还应符合手的结构、尺寸和触觉特征。

设计操纵杆的时候不能把操纵杆手把纹丝合缝地贴着掌心。掌心长期受压受振容易导致疲劳，从而容易导致操作不当，甚至引起难以治愈的痉挛。如果车上有多个操纵杆，设计时要加以区分，让每个操纵杆手把都有不同的形状，以便驾驶员精准确认并操作，确保不会引起混淆和误操作。在长度，粗度和触感等方面上通常手把的长度接近或者超过手幅的长度，使手在握柄上有个选择的余量。手把的径向尺寸必须与正常的手握尺度相符或者小于手把尺度。如果太粗，握不住手把。如果太细，又会造成手部肌肉紧张而容易疲劳。手把的形状要保证手呈现自然放松的握持状态。据上述特点设计操纵杆时，操作角度一般小于90°，通常为30°～60°。对于操作幅度，前后方向最大位移一般为350mm，左右方向最大位移950mm。操纵杆的长度由操作角度、位移及操作力来确定，当操纵杆的端部装有球形手柄时，球体直径一般为12.5～25mm，当操纵杆的直径小于7.5mm时会引起肌肉紧张而容易疲劳[5]。操纵杆的操作力大小要适中，太小不易控制，太大容易引起疲劳。

3 汽车上人机应用给我们带来的好处

汽车上的人机应用是为了让我们在驾乘时更舒适，心情更明亮轻快，减缓驾驶疲劳，提高行车安全，同时根据人体感知特征，生理特征设计更方便我们与汽车进行信息交流的界面。同时促进汽车技术在舒适性方面的探索和发展，最终让整个人类享受到科技带来的福利。

4 结语

现在汽车的作用已经远远超过了简单的代步，人们对于驾驶过程，乘车过程的操作性，舒适性，安全性要求越来越高。汽车企业想要提高产品竞争力，必须在方方面面上考虑的更人性化，让汽车成为一个贴心的出行伙伴。实际上汽车上的人机工程体现在我们看到的每个小细节上，特别是驾驶室作为人与汽车主要的接触空间，尤为重要。

参考文献：

[1]中国汽车工业协会.中国汽车产销量全球第一江苏整车产量占7.8%http：//www.caam.org.cn/hangye/20170921/1005211790.html.

[2]譚浩，等编.汽车人机交互界面设计研究[J].汽车工程学报.2012（5）：315-321.

[3]王少杰，王伟.汽车仪表板的设计及分析[J].中小企业管理与科技.2016（4）：182-183.

[4]刘斐，孙宇.基于人机工程的汽车组合仪表设计研究[J].辽东学院学报：2010.17（2）：124-128.

[5]刘金秋.人机工程在汽车驾驶室设计中的应用研究[J].汽车技术：1989（2）：4-12.

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