基于人体工程学的节能车作业区研究

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摘要：本文以节能竞技车为设计制作对象，针对该车的操控作业区的舒适性、高效性等元素进行整改。在节能竞技车的开发设计中，通过人体尺寸与车身比例的结合，对节能车的驾驶操控作业区与整车设计进行合理的布置，优化人机工程设计让操控变得更有效率。通过人体尺寸和生理构造制作人体模型确定H点、SgRP点的坐标位置设定，驾驶员座椅和操控作

业区以及节能车外观造型的。

关键词：节能车 人机工程作业区 人体尺寸

目前，很多设计者在设计产品时只考虑物理原理而忽视操作者的心理和生理因素，以“Honda节能车竞技大赛”为例，很多参赛车队在开发节能车的过程中仅限于关注节能车的外观造型与车架结构，开发人员没有从驾驶员的身体尺寸与车身比例出发进行规划与开发，最终设计出以技术为主导的节能车难以控制与驾驶。节能车的设计开发，必须围绕以人为主体的前提展开，分析人一机器一环境之间的相互协调关系，开发出使操作者感到操控方便、效率高、乘坐舒适的节能车产品。本文根据驾驶员的人体尺寸参数和身体构造，对高效的操作方式、合理的控制设备、最优的驾驶坐姿进行设计布置。

1 人―车―环境系统

汽车的开发设计基于以人为中心的思想展开，因此汽车人机工程设计旨在开发使驾驶员操作方便、高效、安全的汽车产品。“人―机―环境”系统是节能车内部操控区总布置的核心思想，其目的是优化整个系统的总体性能，旨在人与车、服务与系统之间创建一系列对话。在“人―车―环境”系统中，“人”是指在所研究的系统中参与系统过程的人，这里指操控人员；“车”对应的是操控人员所控制的对象，例如方向盘、制动手柄以及按键等；“环境”指的是操作与控制行为的节能车室内空间与室外因素。节能车人机工程设计主要研究“人―车―环境”系统中的驾驶员、驾驶员操作控制的对象、内外环境三要素之间的相互作用和相互关系。将人、节能车和环境之间根据工作关系建立了有机的联系，以人的需求和感官为设计的根据，以人体的生理心理层面为出发点，为节能车的操作空间设计提供了依据，并且提高工作效率、改变操作质量，同时进行整车设计时，提高了车身车架的协调性和优化性。

2 节能车作业区设计

作业区是指人在操控机器时所需的区域及机器、设备和作对象所占用区域的总和。作业空间的设计是根据操作控制的要求，对机器、设备、工具、作对象等进行合理的布局与安排。作业空间设计以人为出发点，在充分考虑操作人员生理和心理需求的基础上，为操作者创造安全、舒适、高效的作业空间。

2.1 节能车的整车结构

汽车整车布置是结合车身造型的设计，对车辆的动力系统、转向系统、车身主要参数、车内操作空间及部件位置等进行空间布置。设计过程需要不断地进行比对和改良，以确保设计出最优的汽车方案。

根据节能竞技大赛的比赛规则，参赛车辆必须为3轮以上，其结构要求无论停止还是行驶时都能自行站立。出于节能的考虑，四轮驱动与地面接触面积大，在转向时承担两个轮子的摩擦，提高了车辆在行驶过程中的行驶阻力，并且四轮车在构造方面更为复杂，会影响到整车的质量。综合结构的利弊分析，我们采取了应用最为广泛的前两轮后一轮的布置方式，其优点是在较小的行驶阻力的前提条件下，将前面的两个车轮用于转向则提高了转向的稳定性，以保证它的安全性，后轮单轮传动去除了差数装置，制作过程更为简单。在车身的设计中，配合人体工程学有关知识制定合理的长度、宽度、高度、驾驶座的空间大小，车身主体和底面拥有更顺畅的气体流动环境，融合曲面和平面的结合达到降低空气阻力节油的目的。（插图1）

2.2 节能车工作区域设计

节能车的工作区域设计是指座椅、显示装置、操作装置等的布局与安排，驾驶节能车主要操作方式为手。人机工程学范围内的数据主要包括功能尺寸即操作尺寸和人体结构尺寸两类数据。人体操作尺寸是指动态尺寸即人在工作姿势下或在某种操作活动状态下测量的尺寸；人体构造上的尺寸是指静态尺寸。

2.2.1 操作机构

在工作区域设计过程中，首要考虑的是优化转向系统使它更符合驾驶员操控的高效性和方便性。通过驾驶员的坐姿确定方向盘的位置和操作方式，为保证驾驶人员能够更高效轻松的操作节能车，同时考虑制动和节气门的控制方式，这里使用摩托车的横向方向盘。直拉杆方向盘的位置参考坐姿状态下手臂的活动区间，它的长度取决于节能车的宽度和驾驶空间的大小，它与驾驶座椅位置的距离关系到驾驶员大臂与小臂形成的角度。方向盘对转向轮的操控是通过转向直拉杆来实现的，转向摆臂和转向轴线的装配是以转向支臂为支撑，设计为主销后倾以及轮胎的外倾，来保证车辆有良好的自动回正力和操稳性。

驾驶员在操控节能车行驶时，尤其是竞赛过程中神经处于高度紧张的状态，必须保证驾驶员在下肢部位不动的情况下能方便的操纵转向盘及各种按钮，所以在整车设计中需要将车内空间和车身形态相联系。驾驶员的上肢作业域是指驾驶员为正常坐姿，手握住横向方向盘并能使用操作按钮伸及的最大空间范围。作业空间内的手操作钮件、开关等的位置均应在驾驶员手伸及界面之内，这是作业空间设计的一条重要原则。

2.2.2 人体模型

人体的主要尺寸包括身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长共六项。人体的坐姿尺寸主要包括坐高、坐姿肩高、坐姿眼高、坐深、坐姿膝高。由于各种因素的影响，每个个体之间的人体尺寸多样性和变化性，促使设计中需要一个群体的平均尺寸。

人体模型是通过人体尺寸参数建立的，是分析、研究、实验、评估人机系统中重要的辅助工具，是证明人体力学和形态特征的有效工具。因大赛的规则制约，节能车的长宽高分别界定于2.9m、0.8m、0.8m之内。为达到降低油耗目的，以减少车本身重量和选择体重较轻身高娇小的驾驶员，根据驾驶员身材的标准尺寸制作1：1的人体模板。将人体模板放置于节能车作业空间内确定对应的座椅位置、方向盘水平位置等参数。驾驶员模型清楚地看到作业间内驾驶员各关节肢体之间的角度、位置关系，便于研究驾驶员操作的舒适性，以及室内空间中各个操作部件的关系。由于竞技车底盘低、相应的高度低，驾驶人员需要以半躺的方式倚靠在车架的座椅上，因此节能车内部的作业空间尺寸以驾驶者半躺、腿微弯的坐姿，座椅靠背与人体背部、臀部以及腿部的形状相吻合。

2.2.3 作业空间布置

内部作业空间布置与外形设计、车架设计交替进行，是车辆设计的重要组成部分。节能车工作空间的布置包括节能车内部所有的操作装置、按钮以及座椅的布置，在设计过程中要考虑到以下几点：

1 作业空间内的座椅布置是否符合驾驶员乘坐的舒适性；

2 确保驾驶员的上肢能在作业空间内快捷、准确地操作方向盘和各按钮，能满足腿部空间的舒适性和安全性；

3 能保证驾驶员在参加竞技大赛中及时获得驾驶信息，能够满足驾驶员的视野要求，使其具有最佳视觉效果。（插图2）

在节能车操控间布置过程中，首先满足驾驶员的生理结构，结合环境客观条件，完善对操作状态的评估；然后确定座椅参考点SgRP空间位置，通过SgRP点来确定乘坐位置H点（髋关节位置）的空间坐标位置，是确定整车布置方案和设计尺寸的根据。人体H点与座椅参考点SgRP点重合，建立第95百分位人体模型；结合节能驾驶空间范围确定车身的内部宽度，评估节能车驾驶室的空间利用，确保驾驶员的操作灵活性；基于SgRP点位置确定驾驶员眼椭圆对操作空间视野的影响；利用人体模型及座椅尺寸对方向杆进行空间定位；利用人体模型对下肢活动区域进行布置。

3 总结

本文基于汽车人机工程学原理，针对驾驶员操作的便捷性、高效性和舒适性等问题对节能车作业区的设计布置进行了研究和分析。结合存在的问题进行了理论分析和数据优化，并应用人体模型对节能车作业空间进行设计与布置。汽车作业区的布置设计是一个不断优化的过程，人机工程学注重以“人―车―环境”系统为主要思想，创造出更适合于人类使用的汽车。

参考文献

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