汽車后頂棚扶手的人機(jī)設(shè)計(jì)

竇惠敏 黃超俊 王超

摘? 要：文章從人機(jī)工程角度出發(fā)，利用人體尺寸、Ramsis軟件分析、主觀評(píng)價(jià)等方法對(duì)車內(nèi)后頂棚扶手操作件在布置時(shí)與人體的位置關(guān)系、抓握空間、手接觸型面等因素進(jìn)行分析驗(yàn)證，得到后頂棚扶手在后排乘員使用舒適狀態(tài)下，扶手的布置區(qū)域，手伸入空間、扶手截面尺寸等人機(jī)要求。提升了后排乘員在車輛轉(zhuǎn)彎、顛簸、急加速等狀態(tài)下使用車內(nèi)頂棚扶手時(shí)的舒適性。

關(guān)鍵詞：人機(jī)工程;頂棚扶手;舒適性;操作空間;主觀評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：U461.99? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：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

隨著生活品質(zhì)的提高，汽車越來越注重動(dòng)力性、操控性、個(gè)性化及人性化方面的設(shè)計(jì)。例如，動(dòng)力性好的汽車在迅速加速過程中往往致使乘員的不安全感增加;注重操控感的汽車在快速來回拐彎時(shí)容易使乘員左右搖晃，容易使乘員和門板發(fā)生觸碰;頂棚拉手能夠快速給乘員提供一個(gè)穩(wěn)定的抓握空間，保證乘員在各種非常規(guī)路況下穩(wěn)定身體，防止身體搖晃造成傷害，是汽車乘坐舒適性和安全性的重要零部件。

文章主要從影響頂棚扶手人機(jī)設(shè)計(jì)的三個(gè)因素：扶手位置、操作空間和接觸型面三方面進(jìn)行研究分析。提升用戶在使用過程中的舒適性。

1? ?頂棚扶手人機(jī)設(shè)計(jì)分析

1.1? 扶手位置分析

頂棚扶手布置在頂棚上，通過兩個(gè)卡扣固定在頂棚邊梁上，其固定點(diǎn)兩端緊壓頂棚飾面，一般情況下在安裝扶手區(qū)域的頂棚作凹陷處理，讓出扶手的安裝和操作空間，如圖1所示：

從上述安裝要求可以看到，扶手在Y向上受門的密封結(jié)構(gòu)及上邊梁空腔結(jié)構(gòu)影響大，如果有側(cè)安全氣簾結(jié)構(gòu)，Y向調(diào)整空間更小;扶手在Z向上受頂棚位置約束，調(diào)整范圍有限;扶手在X向上頂棚扶手受結(jié)構(gòu)約束少，故分析扶手位置時(shí)，重點(diǎn)考慮X方向和Z方向。

1.1.1胳膊舒適角度分析

第二排乘員使用頂棚扶手，當(dāng)扶手離人體較遠(yuǎn)時(shí)，乘員不易夠著，胳膊一直處于拉伸繃緊狀態(tài)，肘關(guān)節(jié)角度大，容易產(chǎn)生疲勞感，操作不舒適，如圖2中的情況1;當(dāng)扶手離人體較近時(shí)，乘員需靠后觸及，胳膊一直處于壓縮繃緊狀態(tài)，肘關(guān)節(jié)角度小，也容易產(chǎn)生疲勞感，如圖2中的情況2;故扶手需布置在離人體適中位置，避免肘關(guān)節(jié)角度過大或過小，如圖2中的情況3，讓乘員容易夠著的同時(shí)保證操作的舒適性。

通過Ramsis軟件模擬分析可知，當(dāng)肘關(guān)節(jié)角度大于137度時(shí)，胳膊不舒適得分4.1分，不滿足低于4分的舒適度可接受范圍，且肘關(guān)節(jié)角度越大時(shí)不舒適得分越高;當(dāng)肘關(guān)節(jié)角度小于105度時(shí)，胳膊不舒適得分4.2分，不滿足低于4分的舒適度可接受范圍，同樣，肘關(guān)節(jié)角度越小時(shí)不舒適得分越高;在此基礎(chǔ)上，模擬分析肘關(guān)節(jié)在105度至137度范圍內(nèi)，胳膊不舒適得分都在4分以內(nèi)，操作舒適，所以，在操作扶手時(shí)，肘關(guān)節(jié)建議在105度至137度范圍內(nèi)。

1.1.2 扶手舒適位置分析

在上章節(jié)已經(jīng)提到，影響扶手位置的主要是扶手X方向和Z方向位置，假設(shè)扶手Z方向不變，調(diào)整不同X位置的扶手，運(yùn)用Ramsis軟件分析乘員使用不舒適度，通過軟件分析可知，扶手相對(duì)于人體SgRP點(diǎn)后80mm至前180mm處右胳膊不舒適得分都在4分以內(nèi)，屬于舒適度可接受范圍，如圖3：

由上，重點(diǎn)分析扶手X方向相對(duì)于人體SgRP點(diǎn)后80mm至前180mm處扶手隨高度變化右胳膊不舒適得分情況，根據(jù)市場(chǎng)車型調(diào)查發(fā)現(xiàn)，扶手相對(duì)于人體SgRP點(diǎn)Z方向高度一般在690mm至910mm之間，定義扶手X方向相對(duì)于人體SgRP點(diǎn)向后為負(fù)，向前為正，Z方向相對(duì)于人體SgRP點(diǎn)向上為正，分析扶手X方向相對(duì)于人體SgRP點(diǎn)從-80mm到300mm及Z方向扶手相對(duì)于人體SgRP點(diǎn)向上從690mm到910mm右胳膊不舒適得分情況，分析結(jié)果如下圖4，其中，3分及以下為推薦位置;3-4分為可接受位置;4-5分為需調(diào)整位置;5-8分為嚴(yán)重設(shè)計(jì)缺陷，可得到：

1、扶手中心與SgRP點(diǎn)的X方向位置差為L(zhǎng)，扶手中心與SgRP點(diǎn)Z方向高度差H，則L與H成反比關(guān)系，即扶手離人體SGRP點(diǎn)遠(yuǎn)時(shí)扶手高度需降低，扶手離人體SgRP點(diǎn)近時(shí)扶手高度需提高。

2、扶手高度很大程度由車高決定，不論是SUV還是轎車，扶手X位置均應(yīng)隨扶手高度增高而靠近SgRP點(diǎn)。

3、扶手距離SgRP點(diǎn)高度不宜過高或過遠(yuǎn)，高度大于910mm和X方向大于260mm都不被接受。

4、胳膊舒適區(qū)域可總結(jié)為扶手距離人體 SgRP點(diǎn)X方向在-20mm 至 200mm內(nèi)，扶手距離人體 SGRP 點(diǎn)Z方向在690mm至810mm內(nèi)。

將表1中分析結(jié)果在數(shù)據(jù)中擬合，可得到后排頂棚扶手的舒適區(qū)域，如圖4中綠色線條內(nèi)區(qū)域，扶手在此區(qū)域內(nèi)布置時(shí)，其操作舒適性是可以滿足的。

進(jìn)一步將扶手舒適區(qū)域進(jìn)行參數(shù)化，可得到扶手必須在由 A、B、C、D、E、F 六點(diǎn)連線組成的區(qū)域內(nèi)，如圖 5 所示，此六點(diǎn)相對(duì)于 SgRP 點(diǎn) 的坐標(biāo)差值如表 2 所示：

綜上，在布置頂棚扶手時(shí)，應(yīng)考慮扶手操作的舒適性，其位置應(yīng)布置在上述 舒適區(qū)域內(nèi)。

2? ? 操作空間分析

和汽車上其他操作件一樣，首先，考慮頂棚扶手操作的載體是人體的手，設(shè)計(jì)過程中需結(jié)合手的尺寸進(jìn)行人機(jī)分析，其次，扶手分閉合和打開兩個(gè)狀態(tài)，此兩狀態(tài)下的操作空間需根據(jù)不同的手部尺寸進(jìn)行分析，當(dāng)閉合狀態(tài)時(shí)，需要手指前端部分拉開扶手，在逐漸打開的狀態(tài)下，手掌整體握住扶手，至扶手完全打開狀態(tài)時(shí)，手部完全緊握扶手，此時(shí)需關(guān)注手指關(guān)節(jié)到頂棚的間隙是否足夠，避免碰手情況。

2.1? 手尺寸分析

參考GB10000-88《中國(guó)成年人人體尺寸》，對(duì)手部尺寸進(jìn)行樣本統(tǒng)計(jì)，結(jié)合頂棚扶手操作的過程，涉及的手部尺寸如圖6所示，人體樣本主要考慮95%男性人體和5%的女性人體，樣本尺寸統(tǒng)計(jì)如表3所示：

2.2? 扶手操作空間分析

頂棚扶手操作空間包括三大尺寸，閉合狀態(tài)下扶手到頂棚的間隙L1，扶手抓握尺寸A和打開狀態(tài)下扶手到頂棚的間隙L2，如圖7。

閉合狀態(tài)下扶手到頂棚的間隙L1需滿足手指方便進(jìn)入，根據(jù)樣本統(tǒng)計(jì)，95%男性人體手指厚18.1mm，設(shè)計(jì)中預(yù)留1-2mm運(yùn)動(dòng)間隙，故L1不能少于20mm。

扶手抓握尺寸A需滿足手掌整體的把握舒適性，根據(jù)樣本統(tǒng)計(jì)，95%男性人體手掌寬96.2mm，設(shè)計(jì)中預(yù)留前后3-5mm活動(dòng)空間，故A不能少于100mm。

打開狀態(tài)下扶手到頂棚的間隙L2需滿足手抓握時(shí)手關(guān)節(jié)不能與頂棚發(fā)生磕碰，根據(jù)樣本統(tǒng)計(jì)，95%男性人體手指關(guān)節(jié)厚32.3mm，另外由于使用扶手時(shí)容易晃動(dòng)，設(shè)計(jì)中至少預(yù)留5-8mm空間，故L2不能少于40mm。

3? ?接觸型面分析

接觸型面主要指頂棚扶手橫截面的握感，扶手型面不能有毛刺或者明顯的分模線，表面細(xì)膩，有質(zhì)感，而且扶手阻尼設(shè)計(jì)適中，避免操作力過大或者過小。

在扶手的人機(jī)設(shè)計(jì)過程中，還需注意扶手截面尺寸的關(guān)系，如圖8，扶手的寬度W和厚度H都不宜過大過小，過大導(dǎo)致扶手抓握不夠，過小影響抓握安全質(zhì)量，通過標(biāo)桿調(diào)查及主觀評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，扶手的寬度W在25mm至30mm間，扶手的厚度H在17mm至25mm間時(shí)，扶手操作性好。

最后，扶手的倒角及弧度應(yīng)迎合手操作的方向，盡量和手的作用型面接合在一起，提高操作的舒適性。

4? ?主觀評(píng)價(jià)驗(yàn)證

上節(jié)從頂棚扶手的位置和操作空間明確了扶手的人機(jī)工程設(shè)計(jì)要求，下面就上述設(shè)計(jì)要求進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，抽取以下四輛SUV車型進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

從表4可以看到，Tiguan、Ix35、BX3的頂棚扶手都在舒適區(qū)內(nèi)，BX8高度太高，存在操作不便風(fēng)險(xiǎn)，頂棚扶手位置如圖4-1所示;同樣，Tiguan、Ix35、BX8打開狀態(tài)扶手到頂棚間隙L2都接近40mm的人機(jī)要求，BX3的L2只有32mm，存在操作時(shí)頂棚磕碰手指關(guān)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)。扶手到頂棚間隙L1和扶手可操作尺寸A尺寸大，風(fēng)險(xiǎn)小。

確定主觀評(píng)價(jià)車輛以后，繼而進(jìn)行評(píng)價(jià)內(nèi)容編制，評(píng)價(jià)團(tuán)隊(duì)組織，評(píng)價(jià)過程討論，評(píng)價(jià)得分分析，結(jié)果輸出五大步驟。

需要特別說明的是，主觀評(píng)價(jià)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表5所示，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)評(píng)分非常好和非常差的項(xiàng)目需要具體說明原因，同時(shí)在評(píng)價(jià)打分結(jié)束后評(píng)價(jià)小組共同討論，方便后期評(píng)價(jià)結(jié)果輸出，另外，參與本次主觀評(píng)價(jià)的團(tuán)隊(duì)除了人機(jī)工程師外還有其他專業(yè)系統(tǒng)工程師，采用不同身高不同百分位的人體，讓評(píng)價(jià)更加接近消費(fèi)者的感受評(píng)估，具體評(píng)價(jià)過程在此不贅述。

從評(píng)價(jià)結(jié)果可以看到，評(píng)價(jià)項(xiàng)目第一條，扶手位置的舒適程度，只有BX8存在顧客抱怨的情況，十二名評(píng)價(jià)者中有五名評(píng)價(jià)者評(píng)價(jià)低于5分，總體平均分5.67分也未達(dá)到大于6分的可接受水平，評(píng)價(jià)結(jié)果為不滿意。評(píng)價(jià)者在原因說明處都反饋扶手位置靠前靠上，特別是小百分位的人體，認(rèn)為手臂伸及角度大，操作不舒服。此評(píng)價(jià)結(jié)果和理論分析吻合，Tiguan、ix35、BX3的頂棚扶手在舒適位置內(nèi)，評(píng)價(jià)得分都大于7分，評(píng)價(jià)結(jié)果滿意;BX8后頂棚扶手在舒適位置外，評(píng)價(jià)得分5.67分，評(píng)價(jià)結(jié)果不滿意，這也驗(yàn)證了后頂棚扶手舒適區(qū)域的合理性。

評(píng)價(jià)項(xiàng)目第二條，扶手開啟空間是否充足，四車型整體評(píng)分差異不大，評(píng)價(jià)得分都在7分附近，評(píng)價(jià)結(jié)果滿意評(píng)價(jià)項(xiàng)目第三條，扶手抓握長(zhǎng)度的感受，四車型整體得分最好的一項(xiàng)，這是因?yàn)榉鍪挚刹僮鞒叽鏏都做到了100mm以上，手部抓握空間充足。

評(píng)價(jià)項(xiàng)目第四條，使用扶手時(shí)手背是否有磕碰，Tiguan、ix35、BX8三車型評(píng)價(jià)得分基本滿意，在使用過程中未發(fā)現(xiàn)磕碰現(xiàn)象，滿足人體操作要求，不過BX3出現(xiàn)了明顯的磕碰現(xiàn)象，十二名評(píng)價(jià)者中有五名評(píng)價(jià)者出現(xiàn)了磕碰情況，評(píng)價(jià)得分低于5分，總體平均分5.75分未達(dá)到大于6分的可接受水平。從低分分布可以看到主要是大百分位人體存在上述不良情況，這是因?yàn)榉鍪值巾斉镩g隙L2尺寸Tiguan、ix35、BX8三車型都接近40mm水平，而BX3只有32mm，出現(xiàn)了磕碰情況。

評(píng)價(jià)項(xiàng)目第五條，扶手的抓握舒適性評(píng)價(jià)，四車型評(píng)價(jià)得分差異小，得分在6.9至7.2之間，評(píng)價(jià)結(jié)果滿意。

5? ? 結(jié)? ? 論

后頂棚扶手為后排乘員提供有效的著力點(diǎn)，避免汽車在加速、過彎和顛簸路段時(shí)乘員晃動(dòng)造成的傷害，是汽車的重要操作零部件。扶手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)有三方面：舒適位置、操作空間和接觸型面。

對(duì)于后頂棚扶手，其舒適位置在一個(gè)特定的位置范圍內(nèi)，該位置手臂肘關(guān)節(jié)一般在105度至137度的舒適范圍內(nèi)，通過模擬分析，舒適區(qū)域?yàn)榉鍪志嚯x人體 SgRP點(diǎn)X方向在-20mm至200mm內(nèi)，Z方向在690mm至810mm內(nèi)，另外，扶手相對(duì)于人體SgRP點(diǎn)的高度位置和前后位置成反比關(guān)系，也就是說，扶手位置高即要靠近人體，扶手位置低即要遠(yuǎn)離人體，

頂棚扶手的操作空間從以下三方面控制，閉合狀態(tài)下扶手到頂棚的間隙L1、扶手抓握尺寸A和打開狀態(tài)下扶手到頂棚的間隙L2，為保證扶手的人機(jī)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合手部樣本尺寸調(diào)查和標(biāo)桿車調(diào)查分析，L1推薦大于20mm，A推薦大于100mm，L2推薦大于40mm。

頂棚扶手的接觸型面盡量和手的作用型面接合，扶手的寬度W和厚度H匹配設(shè)計(jì)，扶手的寬度W推薦在25mm至30mm間，扶手的厚度H推薦在17mm至25mm間。

針對(duì)上述人機(jī)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了Tiguan、Ix35、BX3和BX8的主觀評(píng)價(jià)驗(yàn)證，主觀評(píng)價(jià)結(jié)果和設(shè)計(jì)要求吻合，論證了后頂棚扶手人機(jī)設(shè)計(jì)要求的合理性。

汽車的人機(jī)工程設(shè)計(jì)思路和后頂棚扶手的人機(jī)工程設(shè)計(jì)思路一致，都是從“人”的角度出發(fā)，考慮“人”的需求，進(jìn)行人體操作模擬分析，尋找影響因素，推導(dǎo)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行標(biāo)桿分析，最后實(shí)施評(píng)價(jià)驗(yàn)證，總結(jié)設(shè)計(jì)要求的過程。

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