汽车后顶棚扶手的人机设计

窦惠敏 黄超俊 王超

摘  要：文章从人机工程角度出发，利用人体尺寸、Ramsis软件分析、主观评价等方法对车内后顶棚扶手操作件在布置时与人体的位置关系、抓握空间、手接触型面等因素进行分析验证，得到后顶棚扶手在后排乘员使用舒适状态下，扶手的布置区域，手伸入空间、扶手截面尺寸等人机要求。提升了后排乘员在车辆转弯、颠簸、急加速等状态下使用车内顶棚扶手时的舒适性。

关键词：人机工程;顶棚扶手;舒适性;操作空间;主观评价

中图分类号：U461.99      文獻标志码：A       文章编号：1005-2550（2020）01-0011-07

Ergonomic Design of Automobile Rear Roof Armrest

DOU Hui-min， HANG Chao-jun， WANG Chao

（ Borgward Automotive Co.， Ltd.， Beijing 102206， China ）

Abstract： From the point of view of ergonomics， this paper uses the methods of human body size， Ramsis software analysis and subjective evaluation to analyze and verify the position relationship， grasping space and hand contact surface between the rear roof handrail and human body in the layout. It is concluded that under the comfortable condition of the rear roof handrail， the layout area of the handrail， the space of the handrail and the cross-section ruler of the handrail are reached. Man-machine requirements such as inch. It improves the comfort of the rear passengers when using the roof armrest in the vehicle under the conditions of turning， bumping and accelerating.

引言

随着生活品质的提高，汽车越来越注重动力性、操控性、个性化及人性化方面的设计。例如，动力性好的汽车在迅速加速过程中往往致使乘员的不安全感增加;注重操控感的汽车在快速来回拐弯时容易使乘员左右摇晃，容易使乘员和门板发生触碰;顶棚拉手能够快速给乘员提供一个稳定的抓握空间，保证乘员在各种非常规路况下稳定身体，防止身体摇晃造成伤害，是汽车乘坐舒适性和安全性的重要零部件。

文章主要从影响顶棚扶手人机设计的三个因素：扶手位置、操作空间和接触型面三方面进行研究分析。提升用户在使用过程中的舒适性。

1   顶棚扶手人机设计分析

1.1  扶手位置分析

顶棚扶手布置在顶棚上，通过两个卡扣固定在顶棚边梁上，其固定点两端紧压顶棚饰面，一般情况下在安装扶手区域的顶棚作凹陷处理，让出扶手的安装和操作空间，如图1所示：

从上述安装要求可以看到，扶手在Y向上受门的密封结构及上边梁空腔结构影响大，如果有侧安全气帘结构，Y向调整空间更小;扶手在Z向上受顶棚位置约束，调整范围有限;扶手在X向上顶棚扶手受结构约束少，故分析扶手位置时，重点考虑X方向和Z方向。

1.1.1胳膊舒适角度分析

第二排乘员使用顶棚扶手，当扶手离人体较远时，乘员不易够着，胳膊一直处于拉伸绷紧状态，肘关节角度大，容易产生疲劳感，操作不舒适，如图2中的情况1;当扶手离人体较近时，乘员需靠后触及，胳膊一直处于压缩绷紧状态，肘关节角度小，也容易产生疲劳感，如图2中的情况2;故扶手需布置在离人体适中位置，避免肘关节角度过大或过小，如图2中的情况3，让乘员容易够着的同时保证操作的舒适性。

通过Ramsis软件模拟分析可知，当肘关节角度大于137度时，胳膊不舒适得分4.1分，不满足低于4分的舒适度可接受范围，且肘关节角度越大时不舒适得分越高;当肘关节角度小于105度时，胳膊不舒适得分4.2分，不满足低于4分的舒适度可接受范围，同样，肘关节角度越小时不舒适得分越高;在此基础上，模拟分析肘关节在105度至137度范围内，胳膊不舒适得分都在4分以内，操作舒适，所以，在操作扶手时，肘关节建议在105度至137度范围内。

1.1.2 扶手舒适位置分析

在上章节已经提到，影响扶手位置的主要是扶手X方向和Z方向位置，假设扶手Z方向不变，调整不同X位置的扶手，运用Ramsis软件分析乘员使用不舒适度，通过软件分析可知，扶手相对于人体SgRP点后80mm至前180mm处右胳膊不舒适得分都在4分以内，属于舒适度可接受范围，如图3：

由上，重点分析扶手X方向相对于人体SgRP点后80mm至前180mm处扶手随高度变化右胳膊不舒适得分情况，根据市场车型调查发现，扶手相对于人体SgRP点Z方向高度一般在690mm至910mm之间，定义扶手X方向相对于人体SgRP点向后为负，向前为正，Z方向相对于人体SgRP点向上为正，分析扶手X方向相对于人体SgRP点从-80mm到300mm及Z方向扶手相对于人体SgRP点向上从690mm到910mm右胳膊不舒适得分情况，分析结果如下图4，其中，3分及以下为推荐位置;3-4分为可接受位置;4-5分为需调整位置;5-8分为严重设计缺陷，可得到：

1、扶手中心与SgRP点的X方向位置差为L，扶手中心与SgRP点Z方向高度差H，则L与H成反比关系，即扶手离人体SGRP点远时扶手高度需降低，扶手离人体SgRP点近时扶手高度需提高。

2、扶手高度很大程度由车高决定，不论是SUV还是轿车，扶手X位置均应随扶手高度增高而靠近SgRP点。

3、扶手距离SgRP点高度不宜过高或过远，高度大于910mm和X方向大于260mm都不被接受。

4、胳膊舒适区域可总结为扶手距离人体 SgRP点X方向在-20mm 至 200mm内，扶手距离人体 SGRP 点Z方向在690mm至810mm内。

将表1中分析结果在数据中拟合，可得到后排顶棚扶手的舒适区域，如图4中绿色线条内区域，扶手在此区域内布置时，其操作舒适性是可以满足的。

进一步将扶手舒适区域进行参数化，可得到扶手必须在由 A、B、C、D、E、F 六点连线组成的区域内，如图 5 所示，此六点相对于 SgRP 点 的坐标差值如表 2 所示：

综上，在布置顶棚扶手时，应考虑扶手操作的舒适性，其位置应布置在上述 舒适区域内。

2    操作空间分析

和汽车上其他操作件一样，首先，考虑顶棚扶手操作的载体是人体的手，设计过程中需结合手的尺寸进行人机分析，其次，扶手分闭合和打开两个状态，此两状态下的操作空间需根据不同的手部尺寸进行分析，当闭合状态时，需要手指前端部分拉开扶手，在逐渐打开的状态下，手掌整体握住扶手，至扶手完全打开状态时，手部完全紧握扶手，此时需关注手指关节到顶棚的间隙是否足够，避免碰手情况。

2.1  手尺寸分析

参考GB10000-88《中国成年人人体尺寸》，对手部尺寸进行样本统计，结合顶棚扶手操作的过程，涉及的手部尺寸如图6所示，人体样本主要考虑95%男性人体和5%的女性人体，样本尺寸统计如表3所示：

2.2  扶手操作空间分析

顶棚扶手操作空间包括三大尺寸，闭合状态下扶手到顶棚的间隙L1，扶手抓握尺寸A和打开状态下扶手到顶棚的间隙L2，如图7。

闭合状态下扶手到顶棚的间隙L1需满足手指方便进入，根据样本统计，95%男性人体手指厚18.1mm，设计中预留1-2mm运动间隙，故L1不能少于20mm。

扶手抓握尺寸A需满足手掌整体的把握舒适性，根据样本统计，95%男性人体手掌宽96.2mm，设计中预留前后3-5mm活动空间，故A不能少于100mm。

打开状态下扶手到顶棚的间隙L2需满足手抓握时手关节不能与顶棚发生磕碰，根据样本统计，95%男性人体手指关节厚32.3mm，另外由于使用扶手時容易晃动，设计中至少预留5-8mm空间，故L2不能少于40mm。

3   接触型面分析

接触型面主要指顶棚扶手横截面的握感，扶手型面不能有毛刺或者明显的分模线，表面细腻，有质感，而且扶手阻尼设计适中，避免操作力过大或者过小。

在扶手的人机设计过程中，还需注意扶手截面尺寸的关系，如图8，扶手的宽度W和厚度H都不宜过大过小，过大导致扶手抓握不够，过小影响抓握安全质量，通过标杆调查及主观评价发现，扶手的宽度W在25mm至30mm间，扶手的厚度H在17mm至25mm间时，扶手操作性好。

最后，扶手的倒角及弧度应迎合手操作的方向，尽量和手的作用型面接合在一起，提高操作的舒适性。

4   主观评价验证

上节从顶棚扶手的位置和操作空间明确了扶手的人机工程设计要求，下面就上述设计要求进行主观评价设计验证，抽取以下四辆SUV车型进行评价分析。

从表4可以看到，Tiguan、Ix35、BX3的顶棚扶手都在舒适区内，BX8高度太高，存在操作不便风险，顶棚扶手位置如图4-1所示;同样，Tiguan、Ix35、BX8打开状态扶手到顶棚间隙L2都接近40mm的人机要求，BX3的L2只有32mm，存在操作时顶棚磕碰手指关节的风险。扶手到顶棚间隙L1和扶手可操作尺寸A尺寸大，风险小。

确定主观评价车辆以后，继而进行评价内容编制，评价团队组织，评价过程讨论，评价得分分析，结果输出五大步骤。

需要特别说明的是，主观评价评分标准如表5所示，标准强调评分非常好和非常差的项目需要具体说明原因，同时在评价打分结束后评价小组共同讨论，方便后期评价结果输出，另外，参与本次主观评价的团队除了人机工程师外还有其他专业系统工程师，采用不同身高不同百分位的人体，让评价更加接近消费者的感受评估，具体评价过程在此不赘述。

从评价结果可以看到，评价项目第一条，扶手位置的舒适程度，只有BX8存在顾客抱怨的情况，十二名评价者中有五名评价者评价低于5分，总体平均分5.67分也未达到大于6分的可接受水平，评价结果为不满意。评价者在原因说明处都反馈扶手位置靠前靠上，特别是小百分位的人体，认为手臂伸及角度大，操作不舒服。此评价结果和理论分析吻合，Tiguan、ix35、BX3的顶棚扶手在舒适位置内，评价得分都大于7分，评价结果满意;BX8后顶棚扶手在舒适位置外，评价得分5.67分，评价结果不满意，这也验证了后顶棚扶手舒适区域的合理性。

评价项目第二条，扶手开启空间是否充足，四车型整体评分差异不大，评价得分都在7分附近，评价结果满意评价项目第三条，扶手抓握长度的感受，四车型整体得分最好的一项，这是因为扶手可操作尺寸A都做到了100mm以上，手部抓握空间充足。

评价项目第四条，使用扶手时手背是否有磕碰，Tiguan、ix35、BX8三车型评价得分基本满意，在使用过程中未发现磕碰现象，满足人体操作要求，不过BX3出现了明显的磕碰现象，十二名评价者中有五名评价者出现了磕碰情况，评价得分低于5分，总体平均分5.75分未达到大于6分的可接受水平。从低分分布可以看到主要是大百分位人体存在上述不良情况，这是因为扶手到顶棚间隙L2尺寸Tiguan、ix35、BX8三车型都接近40mm水平，而BX3只有32mm，出现了磕碰情况。

评价项目第五条，扶手的抓握舒适性评价，四车型评价得分差异小，得分在6.9至7.2之间，评价结果满意。

5    结    论

后顶棚扶手为后排乘员提供有效的着力点，避免汽车在加速、过弯和颠簸路段时乘员晃动造成的伤害，是汽车的重要操作零部件。扶手设计的关键参数指标有三方面：舒适位置、操作空间和接触型面。

对于后顶棚扶手，其舒适位置在一个特定的位置范围内，该位置手臂肘关节一般在105度至137度的舒适范围内，通过模拟分析，舒适区域为扶手距离人体 SgRP点X方向在-20mm至200mm内，Z方向在690mm至810mm内，另外，扶手相对于人体SgRP点的高度位置和前后位置成反比关系，也就是说，扶手位置高即要靠近人体，扶手位置低即要远离人体，

顶棚扶手的操作空间从以下三方面控制，闭合状态下扶手到顶棚的间隙L1、扶手抓握尺寸A和打开状态下扶手到顶棚的间隙L2，为保证扶手的人机工程优化设计，结合手部样本尺寸調查和标杆车调查分析，L1推荐大于20mm，A推荐大于100mm，L2推荐大于40mm。

顶棚扶手的接触型面尽量和手的作用型面接合，扶手的宽度W和厚度H匹配设计，扶手的宽度W推荐在25mm至30mm间，扶手的厚度H推荐在17mm至25mm间。

针对上述人机设计要求进行了Tiguan、Ix35、BX3和BX8的主观评价验证，主观评价结果和设计要求吻合，论证了后顶棚扶手人机设计要求的合理性。

汽车的人机工程设计思路和后顶棚扶手的人机工程设计思路一致，都是从“人”的角度出发，考虑“人”的需求，进行人体操作模拟分析，寻找影响因素，推导设计要求，进行标杆分析，最后实施评价验证，总结设计要求的过程。

参考文献：

[1]SAE J1100-2009 Motor Vehicle Dimensions.

[2]SAEJ833-1989 HUMAN PHYSICAL DIMENSIONS.

[3]GB10000-88 中国成年人人体尺寸.

[4]任金东.人机工程学[M].北京大学出版社：北京，2010.

[5]杜子学. 汽车人机工程学[M]. 机械工业出版社：北京，2011-10-01.