基于人機工程學的汽車駕駛艙設計研究

鄧莉萍

【關鍵詞】人機工程學;汽車;駕駛艙;設計

【中圖分類號】U463.8 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）07-0061-03

0 引言

近年來，汽車行業快速發展，汽車品牌不斷增加，購買汽車的成本不斷降低，伴隨著人們收入水平的不斷提高，對汽車駕駛舒適性的要求也越來越高 [1]。因此，汽車廠家在設計汽車駕駛艙時，對駕駛艙的舒適性也更加關注。在人們駕駛汽車的過程中，越來越多的人意識到汽車駕駛舒適性的重要性。汽車駕駛艙的舒適性與人體結構之間的關系十分密切，設計人員設計汽車駕駛艙時，逐漸加強了對人機工程學的重視，期盼能夠通過應用人機工程學進行汽車駕駛艙設計，以改善駕駛的舒適性 [2]。

人機工程學突破了人體科學、醫學、社會科學等之間的界限，重點對人的生理、心理等因素變化進行研究;研究人與機器、環境互動時，如何降低人的能力消耗、減輕疲勞，改善人的工作狀態，提高人的舒適感，降低事故發生的概率。在傳統的汽車駕駛艙設計方法中，主要依靠設計師積累的經驗設計 [3]。隨著計算機與人機工程學理論的不斷發展，為利用計算機輔助技術及人機工程學原理設計汽車駕駛艙奠定了基礎條件。設計師進行汽車駕駛艙設計時，能夠與人體的具體特征相結合，使汽車駕駛艙的空間大小、造型與具體結構等與駕駛員的身體特征更加匹配。在人-機系統中，設計師要關注人的健康，以提高人的工作效能為目標 [4]。人機工程學應用于汽車駕駛艙設計時，重點關注人-汽車-駕駛環境幾個要素之間的關系。通過合理分配人與汽車的功能，確保人-機融合的系統在整體上能夠實現最佳功能。

1 駕駛室人機工程設計理論

在現代人機工程中，人-機-環境被視為統一的整體設計系統，一切設計活動都在該系統中進行。人機工程學對人的生理、心理等因素在某種環境中的變化進行研究，研究人與機器、環境之間的相互作用，其研究內容涉及與人相關的各個方面，人機工程學研究人-機-環境的相互作用關系是研究重點，并利用這些相互作用的關系，在機械設計工作中進行科學的應用 [5]。人機工程學的研究內容示意圖如圖1所示。

在汽車設計中引入人機工程學，形成汽車人機工程學。汽車人機工程學以汽車設計視角為基本著眼點，對人駕駛汽的心理及其變化進行研究，并且對人-車-環境因素的相互作用進行研究，對汽車及其零部件的設計進行指導，從而使設計成果能夠滿足人們對安全性和舒適性方面的要求 [6]。汽車人機工程學的研究內容可以劃分為人體特性、汽車環境及人機關系、汽車操縱與人機研究。

傳統的人機工程學設計方式存在較多的問題：設計周期較長，并且需要花費較多的時間與精力成本構建實體模型;構建實體模型后，發現設計存在問題，需要花費較長時間對模型進行修改。因此，需要在設計初期引入人機工程設計系統，提高各個方面的設計優勢。

通過分析人機工程學的研究內容，與汽車駕駛艙的設計需求相結合，圍繞人-機-環境系統設計的主要目標，探究人機工效參數設計、操縱與視覺功效、感性工學設計;由汽車駕駛艙及環境、人共同構成汽車駕駛艙的人機工程學研究內容 [7]。汽車駕駛艙人機工程學的研究內容如圖2所示。

2 汽車駕駛艙座椅設計分析

汽車駕乘人員的乘坐與駕駛舒適性受駕駛艙座椅設計與布置的影響，同時駕駛艙內其他相關設施的布置也會受到影響 [8]。設計駕駛艙座椅時，做到合理規劃與設計，能夠使人與駕駛艙座椅之間的關系得到有效改善，從而為駕駛員營造舒適且安全的駕駛環境。

在駕駛汽車過程中，振動是不可避免的。在制造座椅時，需要利用各種緩沖材料使它更好地吸收振動;由于駕駛艙座椅在壓力下產生彈性變形，所以座椅的最終狀態是駕駛員乘坐的安定姿態 [9]。駕駛員乘坐的安定姿態直接由駕駛艙座椅的支撐特性和表面形狀特性決定，而最終的安定姿態設計與人體的正常曲腰弧線適應程度，直接關系到駕駛員的舒適度。

汽車駕駛艙座椅受到人體非均勻的壓力，當肩部和臀部共同支撐身體時，屬于舒適的坐姿。為了避免身體部位產生不適感，需要提前對其承受的壓力合理分布。由于駕駛員坐姿的輕松活動范圍對汽車駕駛艙設計具有重要的參考依據，所以在確定駕駛姿勢時，需要充分考慮人肢體的活動范圍 [10]。

在振動環境中，會加速人體的疲勞過程，振動特性對汽車駕駛艙座椅的動態舒適性產生影響。在對汽車駕駛艙座椅設計時，需要最大限度地把人體敏感的振動隔離。

3 基于人機工程學的汽車駕駛艙仿真設計方法

經過較長時間的積累，汽車設計已形成固定流程，不但包含設計模型，還包括前期市場調研、需求分析、工程及產品投放后的反饋。需要對各種因素進行綜合考慮并不斷完善產品，最終獲得良好的用戶體驗。

根據汽車駕駛艙草圖，準備駕駛艙設計參數，構建數字化人體模型，局部設計汽車駕駛艙，對汽車駕駛艙中的一些參數點進行初步設計;在所構建的汽車駕駛艙模型與數字人體模型之間進行交互時，共同構成人-機-環境系統，對數字化人體模型的駕駛姿勢進行模擬，獲得肢體關節角度;對數字人體模型姿勢進行預測，評估視覺的可視域和舒適性，操縱的可達域及操縱舒適性;分析視覺與操縱工效，綜合評估駕駛姿勢的舒適性，根據評價結果，對所設計的汽車駕駛艙參數模型進一步優化，最終完成參數設計目標?；谌藱C工程學的汽車駕駛艙仿真設計方法與傳統方法有較大差異?；谌藱C工程學的汽車駕駛艙仿真設計方法，對數字化人體模型進行詳細的構建。在前期設計汽車駕駛艙時候，需要充分考慮人-機-環境之間的相互關系，一方面對各個模塊進行設計，另一方面同步進行參數優化，使設計效率得到提高。汽車駕駛艙的仿真設計流程如圖3所示。

基于人機工程學的汽車駕駛艙仿真設計方法的關鍵技術包括數字化人體模型和人-機-環境虛擬設計系統兩個方面的內容。

數字人體模型能夠直觀反映視覺與操縱工效特性，從而實現對汽車駕駛艙的優化設計。對汽車駕駛艙中可視性、可操作性及舒適性進行分析，將優化設計的目標具體化、設計出詳細的量化考察標準，對功效進行量化，劃分為詳細的指標，對各個量化指標進行評價打分。布置汽車駕駛艙內部的參考點，構建數字人體模型，從而搭建駕駛室硬點設計與分析的虛擬環境。我國用戶在體型、力量與感覺方面與其他國家具有一定差異，如果采用軟件默認的人體模型開展設計與評價工作，最終設計的結果與實際的用戶需求之間存在一定差異。

人機環境系統設計能夠優化汽車駕駛艙參數化模型。根據人體身高、臂長等具體尺寸數據，構建數字人體模型，對人體駕駛姿態全方位模擬，對參數模型操縱，實現對駕駛員姿勢角度的預測;分析視覺與操縱工效，實現對功效的優化設計，綜合評價人機工效，最終優化設計汽車駕駛艙參數模型。

4 結語

文章從汽車人機工程學設計、數字人體建模、駕駛舒適性等方面分析當前汽車駕駛艙設計狀況。論述了人機工程學與汽車人機工程學相關理論，并詳細分析了汽車駕駛艙人機工程學研究的內容與方法。針對汽車駕駛艙人機工效設計問題，提出了基于人機工程學的汽車駕駛艙仿真設計方法。汽車駕駛艙設計內容涉及領域與多學科的研究，而且汽車駕駛艙設計是不斷設計與優化的過程。受時間限制，本文沒有對具體的汽車駕駛艙構建模型和進行仿真分析，在后續的研究中，將進一步加深對這方面的研究工作。

參 考 文 獻

[1]王吉.基于人機工程學的工程機械駕駛室優化設計[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2016.

[2]喬明星.基于人機工程學的汽車駕駛室座椅設計研究[J].環球市場信息導報，2017（39）：115.

[3]張修乾.基于人機工程學的汽車駕駛室內儀表板的數字化參數優化設計[J].科學技術與工程，2018（12）：229-

234.

[4]陳震寰.基于人性化的重型卡車駕駛室優化設計研究[D].成都：西南交通大學，2018.

[5]閻文利.基于人機工程學的汽車駕駛室設計[D].西安：西安工程大學，2017.

[6]徐向陽.基于人機工程學的工業車輛駕駛室設計研究[D].南京：南京航空航天大學，2012.

[7]閆慧炯.基于人機工程學的消防車駕駛室設計與研究[D].太原：太原理工大學，2011.

[8]張帥，張艷欣.汽車駕駛室的人機工程學分析[J].技術與市場，2020，27（1）：155，157.

[9]周毅.試論人機工程學在汽車造型設計中的應用[J].時代汽車，2020（18）：120-121.

[10]袁澤文.基于安全人機工程學的挖掘機駕駛室設計分析[J].科技經濟導刊，2020，28（36）：112-113.