人机工程学在汽车驾驶室设计中的应用

-1-人机工程学在汽车驾驶室设计中的应用【文章摘要】简述人机工程学的概念及其别名，进而阐述此学科的特点和研究方向。举例说明人驾驶汽车在道路上驾驶建立了一个“人一机器一环境”系统，并加以解释说明，从而引出哪些方面涉及到人机工程学在汽车驾驶室设计中的应用，然后加以详细论述（运用人机工程学的具体方面）：一、驾驶室显示仪表的设计原则；二、驾驶室内操纵器的设计原则；三、座椅设计；四、驾驶室作业空间设计；五、驾驶室作业环境设计。并对第五条分震动、噪音、温热条件进行详细讨论、解释说明，最后总结，文章结束【关键词】人机工程汽车驾驶室人机工程学(Man–MachineEngineering)是本世纪五十年代迅速发展起来的一门新兴科学，它主要研究人、机械及其工作环境之间相互作用的学科。因此，又称人类工程学（HumanEngineering）、人的因素工程学(HumanFactorsEngineering)、人类工效学（Ergonomics）等。人机工程研究的最大特点是，把人看成是系统中的一个组成元素，以人为主体来详细分析人与机器之间的相互协凋的工作，使整个系统工作达到最优化。这就要求机器和环境的设计要考虑人的因素，即要适宜于人体尺寸，生理和心理特性，适-2-宜于人的使用和操作，给人创造一个舒适、安全可靠的工作环境，保证高效率工作。也就是说，人机工程所要研究的任务是把人一机器一环境系统作为一个统一的整体来研究，以创造最适合于人操作的机械设备和作业环境，使人一机器一环境系统相协调，从而获得系统的最高综合效能。典型的人一机器一环境系统，如人驾驶汽车在道路上行驶对所建立的人一汽车一道路系统。在该系统中，当驾驶员通过操纵器(启动机等)向汽车输人信号，汽车启动，汽车的各种仪表显示汽车工作状况及道路状况，而后人的感觉器官(眼、耳等)接受这些信息，再经过人脑的分析、判断并作出决策。如果需要变动操纵，就用运动器官(手和脚)的肌肉力操纵汽车的操纵机构，以变动操纵，汽车又按照新输入的信号进行工作。如此不断地循环下去，就能保证人一汽车系统协调的工作。在人驾驶汽车的过程中，人的感官器官和显示仪表之间发生了关系，人操纵方向盘，加速踏板等的肌肉力和操纵机构发生了关系，改善这两个关系，就是改善人一汽车关系的关键。另外，还要考虑驾驶员与作业空间、作业环境的关系，以给驾驶员创造一个舒适安垒的工作环境。这就是人机工程在汽车设计中的应用。一、驾驶室内显示仪表的设计原则为使人一汽车系统能稳定而高效地工作，人与汽车之间的信息传递必须充分。因此，设计或选用显示仪表时，必须考虑人的视觉特征、人的生理和心理特征，确保驾驶员观察迅速、准确而不易疲劳，以防误视读，误操作。首先，视角、视距及显示的太小应适当．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-3-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）。另外，采用了一些辅助开关，以防止发生危险。为了提高行车安全性，必须提高汽车的视野性能。汽车的后视野与后视镜的布置、尺度、可调角度及镜面光学特性有关，还与人眼的视觉规律、人体测量的统计尺寸及驾驶员的眼椭圆等有关，设计时必须考虑这些因素。二、驾驶室内操纵器的设计原则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-4-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。对于方向盘，可以单手，也可以双手操作，又可以自由连续旋转，因此，无需明确定位。方向盘的轮廓直径，最小限定为180mm，最大为520mm；手握部位的尺寸最小限定为20mm，最大为50mm；对于施加在方向盘上的力，单手操作时，最小限定为20N，最大为130N，双手操作时，最大限定为250N；驾驶员坐姿时，方向盘设置在距离座椅基准点前400～475mm为宜，该距离能保证驾驶员驾驶时有较大的空间。方向盘的倾斜角对驾驶员施加到方向盘上的力有很大影响，实践证明，方向盘的安装角度越平缓，驾驶员可能施加的力越大。方向盘安装角度通常选在便于活动的15°～70°，不准选在水平和铅垂两个位置，因这两个位置都不能满足人手工作的条件。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。操纵器的布置和排列也应适合于人的使用习惯，即按照操作次数，次序及逻辑关系排列。当操纵器较多时，应按功能分组，进行位置、形状编码等。操纵器的布置还应考虑人的反应时间，不要超过人可能的反应速度。据试验，-5-驾驶员从感知信息到开始操作制动器的反应时间最低为0．4s，制动操作需0．3s，再加上制动滞后时间，那么，从感知到信息到产生制动作用总共约需2．5s。三、座椅设计座椅对舒适性影响很大，座椅设计越来越受到人们的重视。座椅的尺寸应适合于人体的尺寸，保证人体有良好的作业姿势和休息姿势。座椅的高度应设计成使人体压分布合理，即人体坐骨关节部位为压力中心，体压最大，向外与体位相适应地由大变小，且避免在大腿后分布压力，以防该部位血液循环不畅而产生脚浮肿。靠背倾斜角一般为110°左右，驾驶员舒适的坐姿所形成的角度，另外，座垫上表面应有一定的倾斜度，避免大腿产生滑落曲趋势。为使座椅能适应不同身材的驾驶员，座椅可制成高度、倾斜度及纵向位置可调式。座椅的结构应能保证发生撞车事故时人体的惯性力传到车厢上，使惯性力减少到安全程度，最好设有安全带，头枕等保护装置。四、驾驶室作业空间设计驾驶室作为工作和生活的场所，都希望它具有足够的生活空涧和较高的方便性。从运输货物(或人)出发，为保证高装载效率，不希望驾驶室占据过大的空间，因此，驾驶室应设计成具有能满足人体活动且不失去舒适性所必要的空间。驾驶室作业空间指人体的动作范围、布置设备等所需空间的总和。设计驾驶室时，必须保证其作业空间满足驾驶员手、脚操作时所需要的空间，座椅和操作器等布置空间，并且操作器应布置在驾驶员手、脚方便达到的空间范围。-6-随着长途运输量的增多，重型载货汽车运行时间逐渐延长，驾驶员的舒适作业空间越发显得重要。目前已有将驾驶室设计成具有驾驶员空间、助手空间、辅助移动空间及寝室空间形式的，这种驾驶室除具有操作机能外，还具有包括睡眠在内的休息机能和移动机能等。五、驾驶室作业环境设计驾驶室作业环境主要指驾驶室内的振动，噪声、温热条件、照明等。它对驾驶员的工作效率、身心健康及安全等影响较大。1,震动振动指汽车行驶中因道路的凹凸不平而引起车辆的随机振动和车辆本身的机械振动等。振动通过驾驶室底板、座椅及人的脚、臀部、后背传递到人体而产生全身性振动。人体是一个复杂的弹性系统，有它自己的固有频率，当汽车的振动频率与人体固有频率相同时，将产生共振，使人感到很不舒服。为减轻驾驶员承受的振动，可采取如下措施：(1)减小座椅共振频率，以降低对人体最有影响的高频区(6Hz附近)；(2)降低共振时的振动传递率，以减少低频区施加于人体的振动能量；(3)降低10Hz附近的振动传递效率，以减轻弹簧以下的共振的影响和减少来自座椅靠背的高频振动，另外，座椅采用减震弹簧或空气弹簧效果也很好；(4)降低整车振动，如降低发动机等振动源的振动，隔绝振动的传播(发动机采用橡胶支撑、驾驶室采用弹簧悬置等及改善整车振动性能等。2．噪声噪声不但影响人们的工作和休息，使人烦躁、讨厌，而且如果长期在噪声环境下，还会引起头晕、头痛、消化不良，甚至导致高血压等心血管病。因此，-7-须采取措施，把噪声降低到容许限度之内。汽车的噪声随发动机转速和汽车车速的增大而直线升高，降低噪声的措施如下：(1)控制噪声源，如采用消声器，隔声罩等；(2)隔振，如采用减振器、减振及隔振材料，隔断振动的传播，也起消声作用；(3)采用吸声材料或阻尼材料，如在驾驶室的四壁和顶棚的薄钢板上喷涂或粘贴一层阻尼涂料或阻尼浆，夹层为阻尼材料的双层结构钢板以及毛、棉和化学纤锥等多孔性吸声材料。3．温热条件温热条件包括温度、湿度、气流及热辐射等条件，它影响人的生理、心理状态，也影响作业效率。为了提高舒适性和工作效率，必须使车内温热条件适宜。一般舒适温度可分为主观上感到舒适的温度和人体生理上的适宜温度两种。经过人机工程学的多方面考虑，我们创造一个明快、舒适的环境，给驾驶员简便、安全的操作空间。正是由于人机工程的存在使得我们得到了全方位的享受。人机工程本身的发展也随着科学技术的发展有一个新的突破，它在我们的日常生活中扮演着不可或缺的重要角色，因而也就会得到更多的关注，所以人机工程的发展前景也会是史无前例、空前绝后的，这就需要更多的设计人才参与到其中，作为学习工业设计的我们就需要有更多的信心，学好自己的专业知识，提高自己的专业技能，有着过硬的专业本领，相信不远的将来，在日益激烈的社会中也定会有我们的一席之地！英雄总会有用武之地的，相信天道酬勤！！！！！【参考文献】丁玉兰主编﹒人机工程学（修订版）﹒北京：北京理工大学出版社，2000张成忠编﹒设计心理学﹒北京：北京大学出版社，2007王继成编﹒产品设计中的人机工程学［M］﹒北京：化学工业出版社，2004-8-章利国编﹒现代设计美学［M］﹒郑州：河南美术出版社，1999陈震邦编﹒机械造型美学﹒北京：机械工业出版社，1986高敏编﹒机电产品艺术造型基础﹒成都：四川科学技术出版社，1994Internet