汽车驾驶室设计与人机工程学

汽车驾驶室设计与人机工程学我国对车辆人机界面的设计也非常重视，在我国汽车标准体系中，强制性执行的前几项标准基本都属于人机界面设计的范畴。目前，我国的人机界面设计还仅限于测试技术的应用与研究，也就是按国家标准对汽车显控性能进行测试试验，并对关键测试技术进行实验研究。第二章人体数据在汽车驾驶室中的应用为了使驾驶室设计能符合人的生理特征，让人在使用时处于舒适的状态和适宜的环境中，就必须在设计中充分考虑人体的各种尺度。人体测量是人机工程学的主要组成部分，它是通过测量人体各部位尺寸来确定个体之间和群体之间在人体上的差别，用以研究人的形态特征从而为人一机一环境系统设计提供人体测量数据。在认识人体数据在汽车驾驶室中的应用前，要先对人体测量有一定的了解。2.1人体测量的分类人机工程学范围内的人体形态测量数据主要有两类，即人体结构尺寸和功能尺寸的测量数据。人体结构上的尺寸是指静态尺寸;人体功能上的尺寸是指动态尺寸。（1）静态人体测量尺寸:指被测者静止地站着或是坐着进行的一种测量方法。静态测量的人体尺寸用以设计工作空间的大小、家具、产品界面元件以及一些工作设施等的设计依据。（2）动态人体尺寸测量:指被测者处于动作状态下所进行的人体尺寸测量。动态人体尺寸测量的重点是测量人在执行某种动作时的身体动态特征，特点是在任何一种活动中身体各部位的动作不是独立完成的，而是协调一致的，具有连贯性和活动性。其中，人体结构尺寸分为人体主要尺寸、立姿人体尺寸、坐姿人体尺寸、人体水平尺寸。而驾驶室的设计则主要应用了人体主要尺寸和坐姿人体尺寸。人体主要尺寸包括身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长共六项数据。坐姿人体尺寸包括坐高、坐姿颈锥点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢长共十一项。而人体功能尺寸则包括立姿、坐姿、跪姿、俯仰、爬姿等作业姿势的尺寸。而驾驶室的设计则主要应用了坐姿人体功能尺寸。表2-1我国人体主要尺寸测量项目男性女性均值标准差均值标准差身高167859.93157052.12体重596.66526.06上臂长31314.5528413.33前臂长23712.7321312.12大腿长46522.4243821.82小腿长36918.7934418.79坐高90830.3085527.88坐姿眼高79839.7073926.67坐姿肩高59824.8555623.03坐姿肘高26321.2125121.82坐姿大腿厚13010.9113010.30坐姿膝高49322.4245820.61小腿加足高41318.1838224.24坐深45721.8243319.39臀膝距55423.6452920.61坐姿下肢长99243.0391236.97胸宽28016.3626013.36胸厚21215.7519917.58肩宽37518.7935118.29臀宽30614.5531716.36坐姿臀宽32115.7634420.61坐姿两肘间宽42230.9140433.94头围56014.5554615.77头全高22310.302169.702.2测量数据统计方法人群中个体与个体之间存在着差异，某一个或几个人的人体测量数据不能作为产品设计的依据。任何产品都必须适合一定范围的人群使用，产品设计中需要的是一个群体的人体测量数据。通常的做法是通过对测量群体采取抽样调查，再进行统计处理而获得所需的群体的人体测量数据。对一定数量的个体样本进行人体测量所得到的测量值，是离散的随机变量，可以跟据概率论与数理统计理论对测量数据进行统计分析，求得所需群体的人体测量数据的统计规律和特征参数。常用的统计特征参数有均值、方差、标准差、百分位数等。人体测量的数据常以百分位数来表示人体尺寸的等级，分位数是一种位置指标，一个界值，以符号凡表示。一个百分位数将总体或样本的全部测量值分为两部分，有K%的测量值等于或小于此数，有(100-K)%的测量值大于此数。最常用的是第5,50,95三个百分位数，分别记作只、凡。、凡。。其中只代表“小”身材的人群，指的是有5%的人群身材尺小于此值，而有95%的人群身材尺寸大于此值;凡。代表“中”身材的人群，指的是有50%的人群身材尺寸小于此值，而有SO%的人群身材尺寸大于此值;凡s代表“大”身材的人群，指的是有95%的人群身材尺寸小于此值，而有5%的人群身材尺寸大于此值。驾驶室尺寸往往要满足95%以上人群的需要，以适应大部分人的使用要求。显然，单一固定的尺寸很难满足要求，所以驾驶室中座椅、安全带等都是可调的。第三章人体感应与信息处理3.1人在人机系统中的功能（1）传感功能。通过人体感觉器官的看、听、摸等感知外界环境的刺激信息，如物体、事件、机器、显示器、环境或工作过程等，将这些刺激信息作为输入传递给人的中枢神经。（2）信息处理功能。大脑对感知的信息进行检索、加工、判断、评价，然后做出决策。（3）操纵功能。将信息处理的结果作为指令，指挥人的行动，即人对外界的刺激作出反应，如操纵控制器、使用工具、处理材料等，最后达到人的预期目的，如机器被开动运转、零件被加工成形、机器的故障已被排除、缺陷零件已被修复或者更换等。而具体到汽车驾驶室，人的作用主要是从仪表盘、路上的信号灯和标志等获取信息，经过神经系统处理，操作方向盘、踏板等操纵设备，完成驾驶操作。3.2听觉人体听觉器官的功能是分辨声音的强弱和高低，以及环境中声源的方向和远近。声波是因空气分子前后振动而形成的。可听声主要取决于声音的频率，一般人的最佳可听频率是20-20000Hz。驾驶室隔音就是主要根据人的听觉来设计的。车内噪声不外乎来自发动机、底盘、风噪声以及车身共鸣等。目前国内流行的汽车隔音技术都是根据这几个噪声源进行防治，以达到隔绝噪声进入车厢，营造一个安静的车内空间。防噪声的方法主要是在车顶、两侧车门和车厢内中央底盘等位置加上隔音材料。目前常用的隔音材料有毛毡纤维棉、棉毯和毛毡等材料。另外，车上的提示音也可以算是对人的听觉的利用。例如启动车后，如果没有扣好安全带，就会听到烦人的提示音，直到驾驶员扣好安全带。还有转向时的听到的提示音。3.3视觉据估计，人脑获得的全部信息中，有95%以上来自视觉输入。因此，在驾驶室设计中应该保证驾驶员具有良好的视野。视野是指人眼和头部在正常的活动状态下，眼睛所能看到的空间区域。驾驶员在驾驶汽车时，实际获得的视野范围是通过转动眼睛、头部和人眼的主视野综合作用的效果。汽车驾驶员眼椭圆是指不同身材的驾驶员按自己的意愿将座椅调整到适意位置、并以正常的驾驶姿势入座后，他们眼睛位置在车内坐标系中的统计分布图形，由十图形呈椭圆状，因此被称为驾驶员眼椭圆。驾驶员眼椭圆的确立为研究汽车视野性能提供了科学的视野原点基准。在汽车行驶时，80%以上的交通信息是通过驾驶员的视觉得到的，驾驶员的视觉通道是最重要的信息通道。由于驾驶员眼椭圆代表了一定群体的驾驶员在正常驾驶位置时眼睛在车身坐标系中的分布。因此，在汽车设计时可以用眼椭圆来衡量和评价驾驶员视野性的好坏。另外仪表盘的设计也是主要根据人的视觉。一般人的正常视距为46～71cm，视觉效率高的视角为40°左右，在视野中心30°的范围内影像最清楚，因此，应把最重要的、使用额次最高的仪表布置在此范围内，一般的仪表布置在60°范围内。其次，仪表的排列应适宜于人的视觉特性。人的眼睛习惯于从左向右，从上向下运动和顺时针方向转动，仪表的排列应符台这一习惯。当仪表很多时，应按功能分区排列，并且仪表刻度线的粗细，长短及间距都应便于视读。仪表盘上还应装有足够的开关和照明装置，以减轻驾驶员的视觉疲劳等。可以考虑仪表盘用黑色不透明材料制造，刻度盘也采用黑色，以吸收使驾驶员眼睛产生疲劳的内部照明反射光。全部开关都沉装在控制板内，标志醒目，容易分辨。还设有能产生各种颜色的微型光学信号仪表，用以检查各零部件的工作状况（机油压力、蓄电池充电状况、差速器锁止状况等）。汽车仪表离合器、刹车和油门踏板（从左往右）3.4触觉人体触觉是非常准确的，在人机系统的操纵装置设计中，可利用人的触觉特性，设计具有各种不同触感的操纵装置，使操纵者能依靠触觉准确地控制各种不同功能的操纵装置。一般而言，简单的形状比复杂的形状更易被准确辨别;外形相差较大者比外形轮廓类似者更易被准确辨别。例如：变速器操纵杆和手刹操纵杆的形状不同，离合器、刹车和油门踏板的大小不一。第四章人的心理与行为特征心理现象是研究人的心理现象及其活动规律的科学。心理是人的感觉、知觉注意记忆思维、情感、意志、性格、意识倾向等心理现象的总称。人的心理活动是很复杂的，主要应用在驾驶室的仪表上，表现为各种提示灯的颜色，如机油灯、燃油灯和安全带灯等涉及驾驶安全和车辆状况的灯，一般采用红色。因为红色在人的潜意识中代表危险和警告的意思，采用红色容易引起驾驶员的注意。手刹操纵杆变速器操纵杆第五章人体生物力学与施力特征人体的生物力学特性主要是针对人体运动系统而言。人体运动系统由骨、关节和肌肉组成。骨是人体运动的杠杆，关节是运动的枢纽，肌肉是动力。在生产劳动中，为达到操作效果，操作者身体有关部位所施出的一定量的力称为操纵力。人体所能发挥的操纵力大小除取决于人体肌肉的生理特性外，还取决于人的操作姿势，施力部位、施力方向、持续时间等。骨与骨之间除了由关节相连外，还由肌肉和韧带联结在一起。因韧带除了有联结两骨、增加关节的稳固性的作用外，它还有限制关节运动的作用。因此，人体各关节的活动有一定的限度，超过限度，将会造成损伤。另外，人体处于各种舒适姿势时，关节必然处在一定的舒适调节范围内。下表为人体各关节活动角度范围。表5-1关节活动角度（度）运动部分平均值标准差肩屈18812肩伸6114肩外展13417肩内收489肩向内旋转9722肩向内旋转3413肘屈14210臀部屈11313臀部外展5312臀部内收3112膝屈12510踝屈3812踝展357操纵器是驾驶员将信号传递给汽车的工具。操纵器的设计应适宜于人体尺寸要求和人肢体的用力范围，以便于人的操纵，操纵速度不得超造人可能的反应速度，操作力求简单、省力，以减轻驾驶疲劳；操纵器的外形应美观大方、手感好等。设计时充分考虑这些因素，有利于提高操作的准确性和可靠性。汽车的操纵器一般分手控和脚控两种。手操纵器通常指方向盘、变速杆等，由于手的动作灵敏、准确，因此，多希望用手控制操纵器。设计手操纵器时，应考虑到手的运动特点、功能及在不同操作条件下的用力状况。一般人坐姿以手臂操纵杆或手轮的用力规律是：右手的力量大于左手，向下的力量略大干向上的力量，向内用力大干向外用力。依据上述特点设计操纵杆时，操作角度一般小于90°，通常为30°～60°对于操作幅度，前后方向最大位移一般为350mm，左右方向最大位移950mm，操纵杆的长度有操作角度、位移及操作力来确定；当操纵杆的端部装有球形手柄时，球体的直径一般为12.5～25mm；当操纵杆的直径小于7.5mm时会引起肌肉紧张而容易疲劳；操纵器操作时最好存在一定阻力，使驾驶员有操作感，以便于连续操作；一般单手操作时最小力约为10N，对于最大力，前后方向130N，左右方向90N。当操纵力超过50N～150N，或者用手操作不方便，或者需要连续操作时，往往使用脚控操纵器，如加速踏板、制动踏板等。人脚发出力的大小与人的姿势、脚的位置和方向等有关。通常踏板的高度应设置在脚能发出最大力的位置，即脚踏板与座椅座垫上表面齐平或脚踏板稍低一些。踏板力随座垫上表面高度的升高而减小，是由于靠背的反作用力改变的缘故。踏板相对于座垫上表面的最佳位置范围是高度大约100～300mm。为了减轻驾驶员的疲劳，应力求减小驾驶员需要施加在方向盘和踏板上的力。对驾驶室内的操纵器的评价方法包括主观评价和客观评价，评价指标体系的建立主要从以下几方面考虑:(1)人是否舒适地进行作业;(2)机器各元件的分布是否按重要性原则合理布置;(3)手脚负荷分配是否合理;(4)手操纵时，手的动作距离和顺序是否合理;(5)操作范围的尺度按人体百分位设计;(6)从人体生理特征出发考虑各元件的设