人機工程學在重卡駕駛室設計中的應用

馬玉金，李欣，李海濱，秦康，李榮義，曹天津

（1.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200；2.陜西萬方汽車零部件有限公司，陜西 西安 710200）

引言

隨著物流行業的快速發展，物流運輸用車上升趨勢明顯，由于車輛需要長時間高速運行，用戶對車輛的安全性、舒適性、輕量化等方面的要求越來越高；駕駛員需要在駕駛室內進行工作、娛樂和休息，駕駛室的設計既要滿足人員駕駛、休息和娛樂的功能要求，又要滿足駕駛舒適性、安全性和操作方便性的需求，本文重點從重卡駕駛室的人機界面布置、視野分析和操作空間進行研究。

1 重卡駕駛室操縱界面設計

重卡駕駛室的操縱界面包括駕駛員在車輛行駛過程中對車輛進行各種操作裝置，駕駛員要在界面內進行轉向、制動、加速以及各類開關動作，同時還要觀察駕駛室內的儀表、屏幕和駕駛室外的運行環境；主駕駛側的操縱裝置運行需要充分考慮人的身體構造特點和心理因素，確保車輛運行過程中的操作和休息時安全、舒適和方便，不能因此而產生疲勞，車輛的設計應盡量滿足相關要求。

人機工程學給出了人體關節舒適角度，以便設計車輛的踏板、方向盤、變速器操縱等結構過程中參考，確保車輛的操縱界面滿足人體舒適性和安全性的要求，我們根據對標車型和設計經驗給出了一些人體坐姿參數的推薦值，作為車輛設計的參考，相關具體參數見圖1 和表1。

圖1 人體坐姿及關節舒適角度

表1 人體坐姿參數推薦值

1.1 踏板設計

重卡駕駛室踏板的作用主要是對車輛進行加速、制動、離合操作，其與地板的角度應滿足人腳踝關節的舒適性要求；另外車輛還要求踏板周邊的空間能夠滿足操作的要求，已避免限制駕駛員腳操作，影響操作舒適性和安全性。

如圖2 所示，是一幅腳踏板、腳平面以及腳相互接觸的側面圖，圖中選取腳平面與小腿呈90°的位置，因為這個角度范圍在80°～100°是人體較為舒適的，通過圖示的幾何關系可以計算得出：腳踏板的長度h =55.75 ～ 297mm，腳踏板的寬度m =53 ～ 83.5mm，θ=8°～75°。

圖2 腳踏板側面圖

1.2 操縱桿設計

重卡變速器操縱桿也被稱為換擋桿，換擋操作時手柄的位置應滿足人手臂長度和關節舒適的角度范圍，同時考慮駕駛室內空間有限且換擋操作頻率較高，擋手柄必須處于一個較小的范圍內；另外換擋手柄的大小、形狀還會影響人的手感，因此設計換擋桿時應充分考慮手柄位置、形狀、檔桿長度、粗細、布置角度以及換擋的行程和換擋力，以保證設計的合理性。

（1）換擋桿的尺寸和形狀：建議擋桿設計直徑22m～ 32mm，換擋球頭直徑為32mm，換擋桿長度應根據人機分析結果確定。

（2）換擋桿的行程和角度：換擋桿操作時人體手臂應處于舒適角度，且不需要移動身體。重卡換擋桿設計行程在300mm～350mm 之間，轉角在10°～ 15°范圍內。通常操縱桿的動作角度為30～ 60°，不超過90°。

（3）重卡換擋桿的操縱力：最小為30N，最大130N；一般建議控制在30N～ 50N 之間。

（4）換擋桿球頭位置：當駕駛員處于正常工作且人體姿態處于較舒適位置時，換擋手柄高度基本與人肘高度持平。

1.3 方向盤設計

重卡駕駛室方向盤周邊需要有足夠的空間供駕駛員進行轉向操作，駕駛員的手臂應避免與門板、儀表板、座椅扶手等裝置有接觸，另外駕駛室發生碰撞后方向盤與人體之間需要有足夠的安全距離；另外為了保證較小的轉向力和操作的舒適性，要求安全盤有合適的尺寸和位置。

重卡方向盤的外徑一般為400mm～ 550mm 之間，手握部分的直徑為 20mm～50mm，方向盤高度一般在 800mm～ 850mm，設計角度在±20°～±30°，調節角度在±5°～±10°之間。

2 重卡駕駛室視覺界面設計

2.1 儀表板設計

重卡駕駛室的儀表臺多被布置在駕駛員的正前下方，以便能夠精準、快速和清晰的讀取儀表上的數據，同時保證駕駛員的坐姿處于一個舒適的位置，保證不影響駕駛員進行其他的操作。

圖3 是儀表臺距離人眼的最佳距離的空間位置圖，一般距離在700mm 左右最優，同時人眼向下45°是較為合理的視野角度，因此儀表布置位置應滿足上述要求；考慮駕駛員在坐姿時頭部會前傾，且人眼與儀表的屏幕成60°～90°為較合理的角度，所以儀表板在布置時與豎直面成一定的前傾角度較為合理，一般控制在25°～30°。

圖3 儀表板的空間位置

駕駛員在讀取儀表、屏幕上顯示的內容時會受到方向盤或者其他裝置的影響，為了能夠快速讀取相關數據，需要把儀表布置在不被方向盤輪緣、輪轂和輪輻遮擋的投影區域內。

根據人體的眼橢圓、視覺理論以及方向盤結構，一般將儀表板的設計成矩形或者“腰果”狀，另外儀表板上各種裝置的布局應該符合其重要性和功能性的有限順序；重要、常用的儀表一般會布置在視野中心位置附近，如：行駛速度、發動機轉速等；在20°～40°視野區域內布置的為重要性一般儀表，如：油耗、行駛里程等；40°～60°視野范圍內只允許安排不重要的儀表。

2.2 視野設計

車輛行駛時駕駛員需要時刻關注車內外的運行環境，以確保車輛運行安全以及周邊車輛和行人的安全，需要獲得車輛前方、側方和后方的視野情況，因此重卡駕駛員的視野校核內容包含三部分：前方視野、后方視野和側方視野。

2.2.1 前方視野

駕駛員在重卡駕駛室內進行作業時，需要通過風窗或者其他視野裝置觀察前方的路況。法規對重卡的前方視野做了明確要求，如圖4 所示。

圖4 車輛的前方視野要求

根據設計經驗，給出了前方視野的一般評價標準，見表2。

表2

A 柱盲區對重卡駕駛室前方視野的影響至關重要。在滿足A 柱剛度的同時，對A 柱視野的遮擋要盡量的小。在SAE J1050-2009 中對A 柱障礙角都有明確的做法。

2.2.2 側、后視野設計

圖5 主后視鏡的側、后方視野范圍

圖6 前下視鏡視野范圍

重卡駕駛室側方和后方視野主要通過后視鏡獲得，視鏡類型包括主后視鏡、廣角后視鏡、前下視鏡和補盲鏡，國標和ECE 法規中對各視鏡的視野都作出了相應的要求。在重卡駕駛員的視野校核中，一般會重點關注后視鏡視野和前下視野，相關視野范圍要求如圖5、6。

3 重卡駕駛室空間設計

重卡駕駛室設計選用第95 百分位人體模型，通過H 點的確定來確定人體坐姿，這樣駕駛員的活動空間也可以得到確認，就可以更好的布置駕駛室的內部空間，確保駕駛員操作時更加方便、安全。

在確定駕駛員坐姿時，應利用簡化的人體模型，定義主要的軀干和關節尺寸，如圖7。

圖7 簡化人體數學模型

人機工程學中給出了相應的人體尺寸參數，利用這些參數可以初步得到駕駛室內各種裝置的布置區域。為了進一步得到駕駛員操作的最佳位置，通過人體關節點位置和手臂長度，可以計算出人的作業范圍，作業范圍可以分為舒適作業區域和最大作業區域，垂直方向的舒適作業范圍約350mm左右，最大極限位置為700mm。水平方向的舒適作業范圍在300mm，最大極限位置為600mm 左右。

重卡駕駛室座椅的幾個關鍵尺寸參數直接決定了座椅的舒適性好壞，包括：H 點高度、座墊寬度、座墊深度、靠背尺寸、頭枕尺寸、座墊傾角、靠背傾角等，如圖8。

結合產品最佳尺寸計算公式以及人體尺寸參數，可以分別得出第5 和95 百分位人體模型下座椅的尺寸范圍，作為座椅設計的理論依據。

圖8 駕駛員座椅主要尺寸參數

4 重卡駕駛室人機分析及評價

4.1 座椅舒適性分析

利用CATIA 人機工程學設計與分析中的Human Activity Analysis 模塊對人體姿態的舒適程度進行評價，根據人體理論中人體模型的角度參數，軟件會生成評價報告，判定駕駛員坐姿是否舒適。

首先我們需要建立人體模型的首選角度，主要是小臂和大臂、大臂與軀干、小腿與大腿、大腿與軀干、腳掌與小腿之間的夾角，然后對人體模型中各關節的角度進行調節。

完成重卡駕駛室人體模型的首選角度確認后，可以通過CATIA 的生成人體姿態評價報告，如圖9 所示。

圖9 人體姿態評分報告

4.2 駕駛員視野分析

儀表臺的視野校核是通過人眼點和方向盤輪緣、輪轂和輪輻行程可透視區域做視野的分析，方向盤的結構形式和造型會影響儀表臺的布置區域以及外觀，一般來說儀表板設計成半圓形狀會有利于儀表視野和儀表的布置，如圖10 所示，另外還需根據相關法規要求校核駕駛員的前方視野，后方視野和側方視野，確保滿足法規及用戶特殊要求。

圖10 第95 百分位人體模型的視野區域

4.3 伸及界面校核

駕駛員的手伸及界面校核主要是校核人在坐立的姿態 下，人體手臂能夠方便且舒適的進行轉向、換擋、加速、制動等操作，從而評價人機界面的各種裝置的布置是否合理。

在CATIA 的人機分析模塊中，通過Computes a Reach Envelop 工具來生成駕駛員人體模型的手伸及區域，如圖11所示。

圖11 駕駛員手伸及界面

另外，我們還可以通過CATIA 軟件對踏板和操縱桿進行人機校核分析及評價。

5 結束語

人機工程學在重卡駕駛室設計用已被廣泛應用并深入研究，隨著未來汽車駕駛模式的變革， 車輛人機工程學的應用范圍和內容將會發生變化，可能將不再局限于駕駛室內部的操縱界面布置、視野設計和空間設計。