基于人机工程学的汽车驾驶舱设计研究

邓莉萍

【关键词】人机工程学;汽车;驾驶艙;设计

【中图分类号】U463.8 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）07-0061-03

0 引言

近年来，汽车行业快速发展，汽车品牌不断增加，购买汽车的成本不断降低，伴随着人们收入水平的不断提高，对汽车驾驶舒适性的要求也越来越高 [1]。因此，汽车厂家在设计汽车驾驶舱时，对驾驶舱的舒适性也更加关注。在人们驾驶汽车的过程中，越来越多的人意识到汽车驾驶舒适性的重要性。汽车驾驶舱的舒适性与人体结构之间的关系十分密切，设计人员设计汽车驾驶舱时，逐渐加强了对人机工程学的重视，期盼能够通过应用人机工程学进行汽车驾驶舱设计，以改善驾驶的舒适性 [2]。

人机工程学突破了人体科学、医学、社会科学等之间的界限，重点对人的生理、心理等因素变化进行研究;研究人与机器、环境互动时，如何降低人的能力消耗、减轻疲劳，改善人的工作状态，提高人的舒适感，降低事故发生的概率。在传统的汽车驾驶舱设计方法中，主要依靠设计师积累的经验设计 [3]。随着计算机与人机工程学理论的不断发展，为利用计算机辅助技术及人机工程学原理设计汽车驾驶舱奠定了基础条件。设计师进行汽车驾驶舱设计时，能够与人体的具体特征相结合，使汽车驾驶舱的空间大小、造型与具体结构等与驾驶员的身体特征更加匹配。在人-机系统中，设计师要关注人的健康，以提高人的工作效能为目标 [4]。人机工程学应用于汽车驾驶舱设计时，重点关注人-汽车-驾驶环境几个要素之间的关系。通过合理分配人与汽车的功能，确保人-机融合的系统在整体上能够实现最佳功能。

1 驾驶室人机工程设计理论

在现代人机工程中，人-机-环境被视为统一的整体设计系统，一切设计活动都在该系统中进行。人机工程学对人的生理、心理等因素在某种环境中的变化进行研究，研究人与机器、环境之间的相互作用，其研究内容涉及与人相关的各个方面，人机工程学研究人-机-环境的相互作用关系是研究重点，并利用这些相互作用的关系，在机械设计工作中进行科学的应用 [5]。人机工程学的研究内容示意图如图1所示。

在汽车设计中引入人机工程学，形成汽车人机工程学。汽车人机工程学以汽车设计视角为基本着眼点，对人驾驶汽的心理及其变化进行研究，并且对人-车-环境因素的相互作用进行研究，对汽车及其零部件的设计进行指导，从而使设计成果能够满足人们对安全性和舒适性方面的要求 [6]。汽车人机工程学的研究内容可以划分为人体特性、汽车环境及人机关系、汽车操纵与人机研究。

传统的人机工程学设计方式存在较多的问题：设计周期较长，并且需要花费较多的时间与精力成本构建实体模型;构建实体模型后，发现设计存在问题，需要花费较长时间对模型进行修改。因此，需要在设计初期引入人机工程设计系统，提高各个方面的设计优势。

通过分析人机工程学的研究内容，与汽车驾驶舱的设计需求相结合，围绕人-机-环境系统设计的主要目标，探究人机工效参数设计、操纵与视觉功效、感性工学设计;由汽车驾驶舱及环境、人共同构成汽车驾驶舱的人机工程学研究内容 [7]。汽车驾驶舱人机工程学的研究内容如图2所示。

2 汽车驾驶舱座椅设计分析

汽车驾乘人员的乘坐与驾驶舒适性受驾驶舱座椅设计与布置的影响，同时驾驶舱内其他相关设施的布置也会受到影响 [8]。设计驾驶舱座椅时，做到合理规划与设计，能够使人与驾驶舱座椅之间的关系得到有效改善，从而为驾驶员营造舒适且安全的驾驶环境。

在驾驶汽车过程中，振动是不可避免的。在制造座椅时，需要利用各种缓冲材料使它更好地吸收振动;由于驾驶舱座椅在压力下产生弹性变形，所以座椅的最终状态是驾驶员乘坐的安定姿态 [9]。驾驶员乘坐的安定姿态直接由驾驶舱座椅的支撑特性和表面形状特性决定，而最终的安定姿态设计与人体的正常曲腰弧线适应程度，直接关系到驾驶员的舒适度。

汽车驾驶舱座椅受到人体非均匀的压力，当肩部和臀部共同支撑身体时，属于舒适的坐姿。为了避免身体部位产生不适感，需要提前对其承受的压力合理分布。由于驾驶员坐姿的轻松活动范围对汽车驾驶舱设计具有重要的参考依据，所以在确定驾驶姿势时，需要充分考虑人肢体的活动范围 [10]。

在振动环境中，会加速人体的疲劳过程，振动特性对汽车驾驶舱座椅的动态舒适性产生影响。在对汽车驾驶舱座椅设计时，需要最大限度地把人体敏感的振动隔离。

3 基于人机工程学的汽车驾驶舱仿真设计方法

经过较长时间的积累，汽车设计已形成固定流程，不但包含设计模型，还包括前期市场调研、需求分析、工程及产品投放后的反馈。需要对各种因素进行综合考虑并不断完善产品，最终获得良好的用户体验。

根据汽车驾驶舱草图，准备驾驶舱设计参数，构建数字化人体模型，局部设计汽车驾驶舱，对汽车驾驶舱中的一些参数点进行初步设计;在所构建的汽车驾驶舱模型与数字人体模型之间进行交互时，共同构成人-机-环境系统，对数字化人体模型的驾驶姿势进行模拟，获得肢体关节角度;对数字人体模型姿势进行预测，评估视觉的可视域和舒适性，操纵的可达域及操纵舒适性;分析视觉与操纵工效，综合评估驾驶姿势的舒适性，根据评价结果，对所设计的汽车驾驶舱参数模型进一步优化，最终完成参数设计目标。基于人机工程学的汽车驾驶舱仿真设计方法与传统方法有较大差异。基于人机工程学的汽车驾驶舱仿真设计方法，对数字化人体模型进行详细的构建。在前期设计汽车驾驶舱时候，需要充分考虑人-机-环境之间的相互关系，一方面对各个模块进行设计，另一方面同步进行参数优化，使设计效率得到提高。汽车驾驶舱的仿真设计流程如图3所示。

基于人机工程学的汽车驾驶舱仿真设计方法的关键技术包括数字化人体模型和人-机-环境虚拟设计系统两个方面的内容。

数字人体模型能够直观反映视觉与操纵工效特性，从而实现对汽车驾驶舱的优化设计。对汽车驾驶舱中可视性、可操作性及舒适性进行分析，将优化设计的目标具体化、设计出详细的量化考察标准，对功效进行量化，划分为详细的指标，对各个量化指标进行评价打分。布置汽车驾驶舱内部的参考点，构建数字人体模型，从而搭建驾驶室硬点设计与分析的虚拟环境。我国用户在体型、力量与感觉方面与其他国家具有一定差异，如果采用软件默认的人体模型开展设计与评价工作，最终设计的结果与实际的用户需求之间存在一定差异。

人机环境系统设计能够优化汽车驾驶舱参数化模型。根据人体身高、臂长等具体尺寸数据，构建数字人体模型，对人体驾驶姿态全方位模拟，对参数模型操纵，实现对驾驶员姿势角度的预测;分析视觉与操纵工效，实现对功效的优化设计，综合评价人机工效，最终优化设计汽车驾驶舱参数模型。

4 结语

文章从汽车人机工程学设计、数字人体建模、驾驶舒适性等方面分析当前汽车驾驶舱设计状况。论述了人机工程学与汽车人机工程学相关理论，并详细分析了汽车驾驶舱人机工程学研究的内容与方法。针对汽车驾驶舱人机工效设计问题，提出了基于人机工程学的汽车驾驶舱仿真设计方法。汽车驾驶舱设计内容涉及领域与多学科的研究，而且汽车驾驶舱设计是不断设计与优化的过程。受时间限制，本文没有对具体的汽车驾驶舱构建模型和进行仿真分析，在后续的研究中，将进一步加深对这方面的研究工作。

参 考 文 献

[1]王吉.基于人机工程学的工程机械驾驶室优化设计[D].石家庄：石家庄铁道大学，2016.

[2]乔明星.基于人机工程学的汽车驾驶室座椅设计研究[J].环球市场信息导报，2017（39）：115.

[3]张修乾.基于人机工程学的汽车驾驶室内仪表板的数字化参数优化设计[J].科学技术与工程，2018（12）：229-

234.

[4]陈震寰.基于人性化的重型卡车驾驶室优化设计研究[D].成都：西南交通大学，2018.

[5]阎文利.基于人机工程学的汽车驾驶室设计[D].西安：西安工程大学，2017.

[6]徐向阳.基于人机工程学的工业车辆驾驶室设计研究[D].南京：南京航空航天大学，2012.

[7]闫慧炯.基于人机工程學的消防车驾驶室设计与研究[D].太原：太原理工大学，2011.

[8]张帅，张艳欣.汽车驾驶室的人机工程学分析[J].技术与市场，2020，27（1）：155，157.

[9]周毅.试论人机工程学在汽车造型设计中的应用[J].时代汽车，2020（18）：120-121.

[10]袁泽文.基于安全人机工程学的挖掘机驾驶室设计分析[J].科技经济导刊，2020，28（36）：112-113.