汽車方向盤設(shè)計(jì)與人機(jī)工程學(xué)

周鶴 張陽 魯輝 黃太強(qiáng)

摘 要：汽車方向盤是車輛駕駛?cè)嗽隈{駛過程中手部接觸最為頻繁的部件，它的重要性不言而喻。本文簡(jiǎn)述了汽車方向盤設(shè)計(jì)中與人機(jī)工程學(xué)相關(guān)的設(shè)計(jì)因素，涵蓋了方向盤的尺寸設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、方向盤上舒適的操作區(qū)域、方向盤多功能按鍵設(shè)計(jì)（按鍵的大小、操作力和按鍵的背光顏色）、方向盤上裝飾件的設(shè)計(jì)，希望通過本文的闡述能給方向盤設(shè)計(jì)人員提供一定的設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：方向盤；人機(jī)工程

中圖分類號(hào)：U461.99 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2018）05-0067-06

Abstract： The steering wheel of a vehicle is the most frequently contacted part of the hand in the driving process， and its importance is self-evident. In this paper， the design factors related to ergonomics in the design of automobile steering wheel are briefly described， including the size design， modeling design， comfortable operating area on the steering wheel， multi-function key design of the steering wheel （the size of the keys）. The operation force and the backlight color of the key， the design of the decoration on the steering wheel， hope to provide a certain design reference to the designer of the steering wheel through the elaboration of this article.

Key Words： steering wheel； ergonomics

1 方向盤工程設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)

1.1 方向盤設(shè)計(jì)尺寸

在SAE J1100 汽車尺寸中對(duì)方向盤尺寸有以下內(nèi)容，如圖1所示。

對(duì)于A*級(jí)車：方向盤直徑<450mm

對(duì)于B*級(jí)車：450mm<方向盤直徑<560mm

（A*級(jí)車包含：乘用車、多用途汽車Multi-Purpose Vehicle、運(yùn)貨車（帶有后部或兩側(cè)的門和側(cè)窗的，尤其用來運(yùn)載人的封閉廂式汽車）；B*級(jí)車包含：中重卡、公交車）

我們對(duì)市面的各級(jí)別車型的方向盤尺寸進(jìn)行測(cè)量或搜索相關(guān)素材，分析整理出以下尺寸規(guī)律，如表1所示：

1.2 方向盤局部造型特點(diǎn)

從表1可以看出，級(jí)別高的車型，內(nèi)部空間也相應(yīng)寬敞，故方向盤直徑也可以設(shè)計(jì)的相應(yīng)大些。對(duì)于方向盤局部形狀，還有以下特征：輪緣斷面的形狀并非圓形，實(shí)際從我們測(cè)量的結(jié)果顯示，大部分?jǐn)嗝娣糯蠛笕鐖D2所示：

通常的駕駛姿態(tài)，一般手握在方向盤9點(diǎn)和3點(diǎn)方向，拇指搭在輪緣上部，其他手指握住輪緣下部，如上圖所示。考慮到增加接觸面積，進(jìn)而方便施加操作力，同時(shí)增加操作手感，故手指接觸部位輪緣的弧度較小。

輪緣處的造型還有如下一個(gè)特點(diǎn)：在方向盤大約9點(diǎn)和3點(diǎn)的位置分別有一處突起的造型，該造型在增大摩擦面積的同時(shí)，也為拇指提供一個(gè)休息的平臺(tái)，增加操作舒適性，請(qǐng)看下面圖3不同車系的示例（圖中圓圈處）：

圖4是利用軟件模擬的情形，此處造型的設(shè)計(jì)要考慮到組合儀表的可視性，避免造成不必要的遮擋。

為增加方向盤人機(jī)操作的舒適度及手感，輪緣下部還有以下局部細(xì)節(jié)特征，如圖5所示：

從圖5清晰可見輪緣下部有類似波浪式的高低造型特征，模擬了手指握住輪緣時(shí)自然形成的形狀而進(jìn)行的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。

1.3 方向盤舒適操作區(qū)域

前面兩個(gè)小節(jié)中研究了方向盤的設(shè)計(jì)尺寸及局部的造型細(xì)節(jié)特征，本節(jié)主要研究方向盤舒適操作的區(qū)域，即方向盤上開關(guān)按鍵等功能件的布置區(qū)域，此類功能件的操作一般情況下是大拇指第一指關(guān)節(jié)進(jìn)行。目前正在執(zhí)行的人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)（GB 10000、ISO 3411），并沒有對(duì)拇指關(guān)節(jié)的尺寸進(jìn)行說明，我們搜集一些外文資料，其中《THE MEASURE OF MAN & WOWAN——HUMAN FACTORS IN DESIGN》中有類似的說明，我們通過尺寸的轉(zhuǎn)化，得到以下尺寸關(guān)系，如圖6所示：

模擬在方向盤上的位置關(guān)系，通過換算得出L的尺寸（根據(jù)人體尺寸的不同，有5%，50%，95%三個(gè)百分位尺寸，根據(jù)性別不同，有男女兩種，共有6組尺寸）如圖7所示：

從上表中的男女尺寸推算結(jié)果來看：最大值48mm，最小值32mm，故開關(guān)、按鍵的布置位置和方向盤輪緣中心線的距離如圖8所示：

由于正常駕駛過程中手握方向盤的位置不同，故開關(guān)、按鍵的布置位置還要考慮其在方向盤上的角度區(qū)域。如果把方向盤看成一個(gè)鐘表，手抓握方向盤位置好比不同的時(shí)間點(diǎn)，那么比較常見的抓握位置有（見下圖紅色字體）：10點(diǎn)→2點(diǎn)、9點(diǎn)→3點(diǎn)（或9點(diǎn)15分）、8點(diǎn)→4點(diǎn)、7點(diǎn)→5點(diǎn)，這些位置會(huì)隨著駕駛時(shí)間、駕駛習(xí)慣、駕駛路況的不同而交替出現(xiàn)。其中10點(diǎn)→2點(diǎn)這種抓握方式長(zhǎng)時(shí)間駕駛會(huì)產(chǎn)生疲勞，且當(dāng)發(fā)生事故，氣囊彈出不會(huì)造成二次傷害車禍氣囊彈出時(shí)，力量是非常大的，駕駛員的手很容易被氣囊彈到駕駛者的臉部，而造成二次損傷），此抓握的優(yōu)點(diǎn)是緊急連續(xù)轉(zhuǎn)彎的情況下便于操作，反應(yīng)迅速。當(dāng)手的抓握位置低于9點(diǎn)→3點(diǎn)時(shí)，相對(duì)于10點(diǎn)→2點(diǎn)優(yōu)勢(shì)在于發(fā)生事故氣囊彈出時(shí)雙手會(huì)被分向身體兩側(cè)，臉部受到手的傷害幾乎沒有，但9點(diǎn)→3點(diǎn)和8點(diǎn)→4點(diǎn)同樣存在長(zhǎng)時(shí)間駕駛疲勞問題，因?yàn)槭直鄄皇亲匀幌麓沟淖藨B(tài)。長(zhǎng)時(shí)間駕駛最為舒適的是7點(diǎn)→5點(diǎn)的抓握，因此時(shí)雙手自然彎曲，雙臂自然下垂，但在急速連續(xù)轉(zhuǎn)彎情況下不如10點(diǎn)→2點(diǎn)實(shí)用。

綜合以上兩圖，考慮開關(guān)、按鍵與方向盤輪緣的中心位置及手抓握位置，我們得出方向盤上按鍵布置的推薦位置，如圖9所示。

2 方向盤多功能按鍵及人機(jī)工程學(xué)

2.1 方向盤多功能按鍵介紹

多功能方向盤是指在方向盤兩側(cè)或者下方設(shè)置一些功能鍵，駕駛員可以直接在方向盤上操控車內(nèi)很多的電子設(shè)備，不需要在控臺(tái)上去尋找各類按鈕，可以更專心的注視前方，大大提高行車的安全性。多功能方向盤包括音響控制、空調(diào)調(diào)節(jié)、車載電話、定速巡航鍵等等，這些功能鍵的布置要考慮誤操作的情況，即便被誤操作也不會(huì)對(duì)行車安全帶來大的影響。

2.2 方向盤多功能按鍵操作力

上面介紹了方向盤上的多功能按鍵，對(duì)于按鍵的操作力，因是手指單獨(dú)操作，通過對(duì)競(jìng)品分析及人體生理特性的研究，多功能按鍵推薦為2N～5N之間。

2.3 方向盤多功能按鍵字符大小

2.4 方向盤多功能按鍵背光顏色

首先要考慮到色覺原理進(jìn)行顏色的搭配，不同顏色的搭配時(shí)的配色效果如表2所示，對(duì)于按鍵的背光的顏色，從表2可見，夜間背景為黑色，故按鍵的背光多以白色和黃色為主。

3 方向盤造型設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)

目前方向盤的形狀大致可分為三種：圓形、方形、異形。其中圓形方向盤是目前使用最為普遍的造型，因?yàn)閳A形的方向盤駕駛?cè)嗽谶M(jìn)行操作時(shí)可保證動(dòng)作的連續(xù)性，自然方便的操作模式使駕駛?cè)藢?duì)其有較高的接受度，如圖10所示：

某些運(yùn)動(dòng)車型為了使駕駛?cè)双@得較好的腿部側(cè)向支撐力，即良好的座椅包覆感，而將座椅兩側(cè)設(shè)計(jì)的較大，此時(shí)方向盤下緣為平直的形狀，即可獲得較好的腿部空間，同時(shí)方便駕駛?cè)诉M(jìn)出座椅。這種下緣平直的方向盤依然屬于圓形方向盤，如圖11所示。

方形方向盤多在F1賽車中出現(xiàn)，因在駕駛賽車時(shí)，賽車手雙手無需離開方向盤，只需左右各轉(zhuǎn)動(dòng)半圈就可以完成從左死點(diǎn)到右死點(diǎn)的完整轉(zhuǎn)向，因此方形方向盤不會(huì)影響操作的延續(xù)性；賽車空間狹小，方形的方向盤相對(duì)于圓形能節(jié)省部分空間，也可方便賽車手進(jìn)出駕駛室，如圖12所示：

除了普通乘用車的圓形方向盤與賽車出現(xiàn)的方形方向盤外，很多概念車上出現(xiàn)了異形方向盤，甚至采用模擬飛機(jī)操作桿等其他方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)行駛方向的控制。很多概念車的控制方式和體驗(yàn)感受與標(biāo)準(zhǔn)乘用車方向盤都有很大的不同，而考慮到汽車行業(yè)的法規(guī)政策與人們的駕駛習(xí)慣，在短時(shí)間內(nèi)很難見到其在量產(chǎn)車上推廣的可能性，如下圖13所示：

4 方向盤裝飾與人機(jī)工程學(xué)

隨著私家車的普及，消費(fèi)者對(duì)車輛的個(gè)性化、內(nèi)飾的裝飾性也越加關(guān)注，方向盤上的裝飾性也被各主機(jī)廠給予重視。圖14是某款合資品牌方向盤喇叭蓋上配備了氛圍燈，這些氛圍燈的顏色注重把握內(nèi)飾整體搭配，講究協(xié)調(diào)、淡雅、富有親切感，盡量以不張揚(yáng)的色系為主。

有的車型在方向盤輪輻或者喇叭蓋周邊采用亮飾裝飾，不管采用的是那種工藝，此處的亮飾裝飾均建議進(jìn)行消光處理，因?yàn)橥饨绲墓饩€照射到這些裝飾件后產(chǎn)生反射，如果這些反射線進(jìn)入人眼，會(huì)對(duì)安全駕駛產(chǎn)生隱患，即便不會(huì)產(chǎn)生眩目現(xiàn)象，過多的高光裝飾會(huì)分散駕駛員的注意力，同樣會(huì)產(chǎn)生安全隱患，如圖15所示：

理論校核方向盤上的裝飾件是否會(huì)眩目，我們采用99%眼橢圓，利用光學(xué)入射、反射原理，當(dāng)外界的光線照射在方向盤裝飾件上，經(jīng)過其產(chǎn)生的反射線與99%眼橢圓的眼橢圓間距至少要達(dá)到50mm，這樣是較為安全的校核值，如圖16所示：

參考文獻(xiàn)：

[1]毛恩榮，張紅，宋正河。車輛人機(jī)工程學(xué)，北京理工大學(xué)出版社，2007.2.

[2]譚浩，譚征宇。汽車人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，電子工業(yè)出版社，2015.1.

[3]Vivek D. Bhise著，李惠彬，劉亞茹等譯。汽車設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社，2013.12.

[4]Jay Anning and Rebecca Wellers。THE MEASURE OF MAN & WOWAN——HUMAN FACTORS IN DESIGN，by John Wiley & Sons，New York.

[5]王愛紅。人機(jī)工程學(xué)，兵器工業(yè)出版社，2011.8.