喻少高（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某皮卡選換擋操縱裝置人機工程設(shè)計理論及應(yīng)用

喻少高
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章通過汽車人機工程理論與我公司設(shè)計開發(fā)的皮卡選換擋操縱座相結(jié)合闡述了選換擋操縱裝置設(shè)計在人機工程方面的應(yīng)用與實踐，以完善選換擋操縱裝置人機工程方面的設(shè)計思路。

選換擋操縱裝置；人機工程

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.014

CLC NO.: U463.8Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-35-05

引言

人機工程學(xué)是一門研究和應(yīng)用范圍都極為廣泛的綜合性邊緣學(xué)科，是技術(shù)科學(xué)、解剖學(xué)、心理學(xué)、人類學(xué)等學(xué)科的交叉。國際人類工效學(xué)學(xué)會(International Ergonomics Association，lEA)對它的定義是：人因工程學(xué)是研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的各種因素；研究人和機器及環(huán)境的相互作用；研究在工作、家庭生活中和休假是怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學(xué)科[1]。

人機工程學(xué)是以人——機——環(huán)境作為基本的研究對象，通過揭示人、機、環(huán)境之間相互關(guān)系的規(guī)律，已確保人——機——環(huán)境系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化的總體性能。

人機工程學(xué)的內(nèi)容具體包括幾個方面：

（1）研究內(nèi)容

人體特性的研究研究的主要內(nèi)容包括人體形態(tài)特征參數(shù)、感知特性、反應(yīng)特性以及在勞動中人的心理特征和人為差錯等。

（2）人機系統(tǒng)的整體設(shè)計

人機系統(tǒng)設(shè)計的目的就是為了使整個系統(tǒng)工作性能最優(yōu)化，這就必須解決機器與人體相適應(yīng)的問題，即如何合理地分配人機功能，二者的配合以及有效地交流信息等。

（3）研究人與機器間信息傳遞裝置和工作場所的設(shè)計

人與機器之間的信息傳遞包括顯示器向人傳遞信息，控制器則接收人發(fā)出的信息兩個方面。其中，顯示器的研究包括視覺顯示器、聽覺顯示器以及觸覺顯示器等各種類型顯示器的設(shè)計，同時還要研究顯示器的布置和組合等問題；控制器設(shè)計則要研究各種操作裝置的形狀、大小、位置以及作用力等在人體解剖學(xué)、生物力學(xué)和心理學(xué)方面的問題。

（4）環(huán)境控制和人身安全裝置的設(shè)計

為了克服不利的環(huán)境因素，需要設(shè)計一系列環(huán)境控制裝置來保障人身安全。其中安全保障技術(shù)包括機器的安全本質(zhì)化、防護(hù)裝置、保險裝置、防止人為失誤裝置、事故控制方法，救援方法等。

1、車輛人機工程學(xué)

人機工程學(xué)在車輛設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)已有專門的一門學(xué)科，車輛人機工程學(xué)，她就是將人機工程學(xué)的理論、方法應(yīng)用于車輛工程領(lǐng)域，通過“人—車—環(huán)境”系統(tǒng)的人機工程學(xué)研究，提高駕乘人員的舒適性、安全性和工作效率，使系統(tǒng)的總體性能達(dá)到最佳匹配狀態(tài)的學(xué)科。

車輛人機工程學(xué)的研究內(nèi)容大致包括以下幾個方面：

（1）車輛駕駛操作系統(tǒng)人機界面的優(yōu)化設(shè)計。駕駛操縱系統(tǒng)人機界面設(shè)計的是否合理，對駕乘人員在駕乘過程中的安全性、舒適性、身心健康以及工作效率等方面，都有著重大的影響。

（2）車輛乘員的安全保護(hù)技術(shù)研究。提高車輛的安全性能，降低安全事故的發(fā)生率，包括兩方面內(nèi)容：一方面通過研究各種預(yù)防報警系統(tǒng)，防止事故的發(fā)生，另一方面需要利用有效的車內(nèi)乘員保護(hù)技術(shù)來避免或減輕乘員可能遭受的傷害。

（3）車輛乘員的乘坐舒適性。乘坐舒適性主要取決于座椅與人體的人機界面能否為人提供舒適而穩(wěn)定的坐姿，駕駛員—座椅—車輛系統(tǒng)能否有效地隔離或衰減來自路面不平度的激勵而產(chǎn)生的振動，駕駛員—座椅—駕駛室系統(tǒng)的幾何位置關(guān)系能否為駕駛員提供良好的視野和相對于各種操縱裝置與顯示裝置的舒適位置。

（4）車輛的噪聲控制。車輛噪聲控制的目的是要保證車內(nèi)駕乘人員的耳旁噪聲滿足人的聽力保護(hù)允許標(biāo)準(zhǔn)，車外噪聲滿足動態(tài)環(huán)境噪聲允許標(biāo)準(zhǔn)。

（5）車輛內(nèi)部小氣候壞境的宜人化控制。對車內(nèi)小氣候環(huán)境的宜人化控制的具體要求標(biāo)準(zhǔn)因車輛的類型，使用條件和運行環(huán)境的不同而異，其科學(xué)依據(jù)是人的熱舒適性評價標(biāo)準(zhǔn)。

（6）車輛駕駛員的駕駛適宜性。所謂駕駛適宜性是指人具備圓滿、不出差錯的完成駕駛工作的素質(zhì)。開展駕駛適宜性研究并制訂科學(xué)的駕駛適宜性檢查方法，對于駕駛員的選拔和科學(xué)化管理具有重要的指導(dǎo)意義。

（7）車輛的道路交通適應(yīng)性。在設(shè)計車輛的性能時，既要充分考慮人的因素，又要充分考慮現(xiàn)在及將來的道路交通特性，如道路的等級、通行能力、管制等級等車—路關(guān)系的問題，從駕駛員的角度出發(fā)評價車輛對道路交通條件的適應(yīng)性，使車輛的設(shè)計與交通設(shè)施的調(diào)整相互協(xié)調(diào)。

（8）人—車—路系統(tǒng)的綜合優(yōu)化。綜合運用了人機工程學(xué)、汽車工程學(xué)、交通工程學(xué)、計算機仿真技術(shù)、圖形圖像技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的基本理論的“人—車—路一體化設(shè)計”概念將是未來幾年擺在各個領(lǐng)域的科技工作者面前的共同課題。

隨著車輛使用者群體特性的變化，車輛設(shè)計與制造技術(shù)的進(jìn)步，道路交通環(huán)境的改善以及社會大環(huán)境的變化，車輛人機工程學(xué)面臨的研究課題必將不斷發(fā)生變化。

2、 選換擋操縱座的人機工程設(shè)計

選換擋操縱座的人機工程設(shè)計主要考慮車輛駕駛操作系統(tǒng)人機界面的優(yōu)化設(shè)計、車輛乘員的乘坐舒適性、車輛駕駛員的駕駛適宜性。在實際應(yīng)用過程中，主要從三個方面設(shè)計，一是手把外形，即手握部分的形狀和尺寸；二是其操縱行程，包括操縱的角度和位移；三是操縱桿的位置布置。

首先我們通過一個 CATIA的模擬模型做一個選換擋操縱座與人體配合的總體感受。如圖1所示。

圖1　選換擋操縱座與人體的配合模擬模型

2.1手柄的外形設(shè)計

依據(jù)手的生理特點來分析和設(shè)計操縱桿外形。圖 2為手的生理結(jié)構(gòu)，由圖可知，就手掌的生理結(jié)構(gòu)來說，掌心部位的肌肉最少，指骨間肌和手指部分是神經(jīng)末梢滿布的部位，指球肌、大魚際肌和小魚際肌是肌肉豐富的部位，是手部的天然減震器。因此在設(shè)計這類手柄時，要防止手柄形狀和振動力方向不能集中于掌心和指骨間肌。如果掌心長期受壓受振，可能會引起難以治愈的痙攣，至少易引起疲勞和操作不準(zhǔn)確。因此，操作者握住手柄時最好使掌心處略有空隙，使受力減少。

圖2　手的生理結(jié)構(gòu)

如圖 3，常見操縱桿手柄有圓柱形、錠子形、球形、錐形、梨形等形狀。而圖3中(b)、(d)、(f)的手柄形狀，在執(zhí)握時，掌心與手柄的貼合面太大，操縱效果不好，只適合作為瞬間和受力不大的操縱手柄。因此優(yōu)先考慮(a)、(c)、(e)所示的形狀。

圖3　常見操作手柄的形狀

具體設(shè)計來說，為了減少對掌心部位的壓迫可以將操縱桿的端部設(shè)計成平面或弧面，這樣能使它與掌心留有一定的間隙。又因為操縱桿在操縱過程中，其運動多是前后或左右進(jìn)行，手握部分可以設(shè)計成上部徑圍稍大于下部徑圍，這樣可以防止操作過程中駕駛員手的滑脫。此外，手握部分不能設(shè)計的太光滑，以免操作過程中手的滑動，設(shè)計要有一定的紋理，這樣可以產(chǎn)生摩擦力，從而防止手滑動。

在實際應(yīng)用過程中，我公司設(shè)計了下圖4所示的選換擋手柄，目前應(yīng)用于皮卡等車型，手柄前方類似于梨形，后方及側(cè)面類似于圖 3中(C)所示的直桿結(jié)構(gòu)，主體部分采用PW130617-Z=主皮紋（10°，130μ）的皮紋處理，背部蓋板光滑透明。在左右選擋過程中，手掌的大魚際肌和小魚際肌作用在手球側(cè)面部位，在向前換 1、3、5、R四個擋位時，手掌的大魚際肌和小魚際肌作用在手球后方及側(cè)面部位，在向后換2、4、6擋時，手指的肌接觸梨形下方，拉動球頭?？梢?，此球頭在使用過程中均能夠合理利用手部肌肉完成選換擋，一定的紋理處理也防止了手的滑動。

圖4　某皮卡選換擋球頭形狀

操縱桿的長度取決于杠桿比要求和操作頻率要求。為了克服大阻力而需要大杠桿比時，操縱桿只能加長。需要高操作頻率時，操縱桿只能縮短。操縱桿的粗細(xì)一般為 22～32mm，把握手柄的直徑一般設(shè)計為 32mm，太小會引起肌肉緊張，長期操作產(chǎn)生痙攣和疲勞。

2.2選換擋行程設(shè)計

在選換擋操縱座設(shè)計過程中，除了要考慮手柄的形狀外，還要考慮它的選換擋操縱桿的行程，即操縱角度和操縱位移量。操縱桿的操縱角度和位移量不宜太大，如果太大的話，不僅占用較大的操作空間，而且在進(jìn)行操作時由于運動消耗量大會使操作者加快疲勞感。所以，操縱桿的操縱角度和位移量應(yīng)在一個適宜的范圍內(nèi)。操縱桿的操縱角度以30°～60°為宜，一般不超過 90°。操縱桿的位移量隨操縱桿的運動方向不同而不同。當(dāng)操縱桿前后運動時，最大為 350mm；左右運動時，最大為 150mm。角度和位移大小如圖5所示。

圖5　操縱桿的角度及位移

皮卡車型設(shè)計角度如圖6所示，換擋方向極限角度39°，選擋方向極限角度28.5°。換擋行程目標(biāo)值如表1，換擋的前后行程最大極限160mm，左右選擋最大極限125mm。

圖6　皮卡操縱座操縱角度（換擋39°，選擋28.5°）

表1　皮卡選換擋行程設(shè)計目標(biāo)及實測值

圖7　選換擋行程測試實例

圖8　選換擋靜態(tài)間隙及實際行程實例及示意

通過換擋性能測試，實際換擋前后最大值 126，左右選擋最大值69，理論和實際均滿足人際工程要求。

2.3選換擋操縱座布置位置選擇

2.3.1手伸及界面介紹

駕駛員的手伸及界面是指駕駛員以正常駕駛姿勢坐在座椅上，身系安全帶，右腳置于加速踏板上，一只手握住轉(zhuǎn)向盤時另一只手所能伸及的最大空間界面。此界面所提供的空間范圍，為駕駛員的操縱范圍。實驗結(jié)果表明，駕駛員的手伸及界面是一形如橢球的封閉曲面，因此也稱為手伸橢球。不同身材的男女駕駛員的手伸能力不同，對應(yīng)有不同百分位的手伸及界面。

駕駛室內(nèi)各種操作鈕件的合理布置，是駕駛室設(shè)計中的一個重要方面。為了保證駕駛員注意力集中，操作方便、快捷、準(zhǔn)確，儀表板及其周圍的控制按鈕、手柄及開關(guān)的位置、空間分布以及儀表和指示、警告燈的辨認(rèn)識別等都應(yīng)符合人機工程學(xué)的基本要求，必須布置在駕駛員的手伸及界面以內(nèi)。這樣駕駛員才能在不必大幅度改變正常駕駛姿態(tài)的情況下方便的操縱這些鈕件。這是保證駕乘舒適和行駛安全不可缺少的條件[2]。

2.3.2操縱桿的布置

操縱桿位置的合適與否直接影響駕駛員的操作效率及舒適性。按人機工程學(xué)要求，操縱桿應(yīng)布置在駕駛員只移動手臂而不移動身軀就可操作的范圍內(nèi)。通過CATIA等設(shè)計軟件我們可以模擬駕駛員手伸空間的模擬，用于確定操縱桿在駕駛員手伸及范圍內(nèi)充分考慮人機工程學(xué)原理，使駕駛員在駕駛過程中最低限度的減少操作錯誤頻率，而達(dá)到安全駕駛的目的。校核示意如圖9、圖10所示。

圖9　

圖10　

為使駕駛員能有一個較為舒適的控制過程，應(yīng)盡可能的將操縱桿設(shè)置在人能夠有較大施力的位置，且便于施力,坐姿狀態(tài)下手握點應(yīng)與肘同高?？紤]到駕駛員能在小臂正常放置而上臂處于自然懸垂?fàn)钕率孢m地操作，可根據(jù)人體手臂的尺寸及駕駛員的舒適作業(yè)空間來布置操縱桿。并且上臂與前臂夾角的舒適范圍角度為80～165°，操縱桿距H的X方向距離定為：Hx=280mm；操縱桿距H點的Y方向距離定為：Hy=330mm。Hx 和Hy 代表的意義如圖11 所示。

圖11　操縱桿的布置

在皮卡操縱座設(shè)計過程中，對于操縱范圍的設(shè)計要求，綜合國內(nèi)外汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提出機械式變速桿在任意位置時，均應(yīng)位于R點在Z平面上的投影，距R點距離≤600mm的區(qū)域范圍內(nèi)；變速操縱手柄球頭與儀表板最小間隙大于50mm。如圖10所示，皮卡操縱座操縱范圍有一個半手柄在600mm范圍之外，因出于左右置駕駛通用性的考慮，讓步接收此設(shè)計方案。操縱座最前端與儀表板距離50.8滿足要求。

圖12　皮卡操縱座位置校核

對于操縱者手柄彎曲角度，參考德國汽車工業(yè)協(xié)會（VDA）推薦最舒適駕駛員姿態(tài)各夾角值，如表2所示。手大臂與豎直夾角約40°，手大臂與小臂夾角約120°基本滿足要求。

圖13　皮卡駕駛室操縱模擬

表2　德國汽車工業(yè)協(xié)會（VDA）推薦最舒適駕駛員姿態(tài)各夾角值

2.3.3操作舒適性模擬與評估

根據(jù)圖14人體舒適坐姿模型以及表3人體各關(guān)節(jié)舒適角度 的數(shù)據(jù)，我們可以在CATIA中將人體模型按照這些角度調(diào)整，并產(chǎn)生如圖15所示的人體舒適狀態(tài)下的坐姿模型。

圖14　人體舒適坐姿模型

表3　人體各關(guān)節(jié)舒適角度

圖15　人體舒適狀態(tài)下的坐姿模型

對于操縱舒適性的評估，我們通過人體姿態(tài)評估功能模塊來分析。通過人體姿態(tài)評估得到評估報告，從而對人體模型各部位的姿態(tài)進(jìn)行定量的分析，從而得到關(guān)于操縱舒適性的評估報告。

在進(jìn)行姿態(tài)評估前，我們首先要確定人體模型重要部位的首先角度。在 DOF1 方向上，根據(jù)坐姿舒適角范圍建立人體模型的各個部位的首選角度，先為編輯活動范圍劃分區(qū)域，再為這些區(qū)域設(shè)立分值，利用人體模型姿態(tài)評估工具快速給出人體模型舒適度的評估結(jié)果。

以小臂的首選角度建立為例，簡單敘述操縱步驟。

首先，由表 3 人體各關(guān)節(jié)舒適角度 可知小臂和大臂的夾角舒適性角度在 80～120°范圍，因此小腿的首選角度為60～100°，如圖16（a）中藍(lán)色區(qū)域。再將藍(lán)色區(qū)域劃分為3個區(qū)域，因為區(qū)域越多，得到的分析結(jié)果越精確。其劃分結(jié)果如圖如圖16（b）所示。

圖16　首選角度設(shè)計

然后對各個角度區(qū)域進(jìn)行設(shè)計分?jǐn)?shù)值，各分?jǐn)?shù)值如下所示：

0～60設(shè)計分值為50分 ；60～70設(shè)計分值為 80 分；

70～80設(shè)計分值為90分 ；80～100 設(shè)計分值為80分；

100～140設(shè)計分值為50分。

最后得出輸出結(jié)果，其評價結(jié)果如圖17所示。由圖可知，該項評分值為94.4 ，符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖17　姿態(tài)評估分析結(jié)果圖

用同樣的方法對人體模型的左上臂、左小腿、左大腿的首選角度進(jìn)行設(shè)定，如圖 16所示，右側(cè)部位的首選角度由左側(cè)角度鏡像得到。

圖18　左上臂、左大腿、左小腿的首選角度設(shè)定

在設(shè)計好首選角度以后，就可以進(jìn)入姿態(tài)的分析階段，通過人體姿態(tài)評估分析工具生成分析報告。圖 19 就是在上述首選角度的設(shè)計下輸出的分析報告。

在皮卡操縱座的設(shè)計過程中，我們?nèi)鄙佘浖M的過程，主要采用主觀評價進(jìn)行評估。評估要求如表4所示。

3、總結(jié)

本文通過理論與實踐相結(jié)合的方式，對選換擋操縱裝置所涉及的人機工程理論及皮卡操縱裝置設(shè)計中的人機工程設(shè)計實踐進(jìn)行了分析及闡述。深化了選換擋操縱裝置人機工程設(shè)計的理論的同時，也找出了我們現(xiàn)在在選換擋操縱裝置設(shè)計過程中人機工程設(shè)計考慮的不足之處，具體如下：

（1）駕駛員手伸空間模擬在選換擋操縱座設(shè)計中應(yīng)用不足，設(shè)計之初應(yīng)全面考慮手伸空間對駕駛的影響；

（2）駕駛員手大臂與豎直面夾角，手大臂與手小臂夾角在設(shè)計完成后校核不充分；

（3）人機工程評價措施以主觀評價為主，因人而異，設(shè)計指標(biāo)不可控，應(yīng)研究增加客觀評價措施。

[1] 呂杰鋒,陳建新,徐進(jìn)波.人機工程學(xué)（高等學(xué)校工業(yè)設(shè)計叢書）[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[2] 任金東.汽車人機工程學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2010.

A pickup optional shift control theory of the man-machine engineering design and application

Yu Shaogao
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

This paper describes the application and practice of the ergonomicsof the shift controls design in the pikupand the design idea of the ergonomics of the shift controls is developed.

the Shift controls; ergonomics

U463.8

A

1671-7988（2015）12-35-05

喻少高，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。