人机工程学在汽车设计中的应用

人机工程学在汽车设计中的应用

【文章摘要】随着人们生活水平的不断提高，生活节奏的不断加快，我们不得不承认汽车正在悄然改变着我们的生活方式。私人汽车在我们的日常生活中已经

变得非常普遍，汽车也与我们的日常生活变得越来越密切。但是，随着一起起交

通事故的发生，致使我们不得不关注这种既给我们的生活带来便利，同时又给我

们的生命带来危险的交通工具——汽车。本文着重从人体测量与数据应用)坐

姿

生物力学)作业空间的布置)视觉机能)视觉信息显示)操纵装置)人与声环

境)人与光环境)用户)汽车色彩以及汽车安全性等方面来着手分析人机工程

学在汽车设计中的应用。

With the continuous improvement of living standards, accelerating

the pace of life, we have to admit that cars are quietly changing our way of life. Private cars in our daily life has become very common, cars and our daily lives become more and more closer. However, as with the occurrence of traffic accidents, leading to concerns that we have not only brought convenience to our life, and gave our lives at risk of transport - cars. This article focuses on measurement and data applications from the human body biomechanical sitting position ,visual layout of the operating room visual information

display function ,control device and the acoustic environment of people with light environment ,

human user,automotive colors and other aspects of vehicle safety proceed with an analysis of ergonomics in the automotive design.

【序言】人体测量学是一门新兴学科，它是通过测量人体各部分尺寸来确定个体之间和群体之间在人体尺寸上的差别，用以研究人的形态特征，从而为各种工

业设计和工程设计提供人体测量数据。人机工程学范围内的人体形态测量数据主

要有两类，即人体构造尺寸和功能尺寸的测量数据。人体构造上的尺寸是指静态

尺寸;人体功能上的尺寸是指动态尺寸，包括人在工作姿势下或在某种操作活动

状态下测量的尺寸。本文着重从坐姿状态下人体尺寸测量数据在汽车驾驶室设计

中的应用分析。

人体测量与数据、作业空间布置以及坐姿生物力学的应用

人在驾驶车辆时几乎所有的动作都是在坐姿状态下完驾驶室的分析

成的，因此驾驶室是坐姿活动空间。坐姿活动空间的人体尺寸见图-1(a)为正视

图，零点在正中央矢状面上。图-1(b)为侧视图，零点在经过臀点的垂直线上，

并以该垂线与脚底平面的交点作为零点。

图-1

在汽车的坐姿活动空间设计时，放松坐高是确定驾驶室高度的主要参考依据，但在设计时要综合考虑座椅的倾斜、座椅垫的弹性、衣服的厚度以及人坐下和站起来的活动等重要因素。驾驶室的视线设计是设计问题的一个重点，只有在一个很好的视觉条件下才能保证人机的安全。因此，坐姿眼高是确定视线和最佳视区时所需要考虑的重要因素。臀部宽度和臀部至腿弯长度的综合考虑来确定座椅面尺寸。肘部平方高度和大腿厚度是方向盘设计的一个依据，而容膝空间的设计则离不开膝盖高度和腿弯高度尺寸。

以上简单介绍了空间尺寸的设计，而空间的舒适度和美感则从坐姿生物力学和作业面的空间布置来探讨。

汽车座椅分析脊椎骨依靠其附近的肌肉和腱连接，椎骨的定位正是借助与肌腱的作用力。一旦脊椎偏离自然状态，肌腱组织就会受到相互压力(拉或压)的作用，使肌肉活动度增加，导致疲劳酸痛。肌腱组织受力时，产生一种活动电势。根据肌电图记录结果可知，在挺直坐姿下，腰椎部位肌肉活动度高，因为腰椎前向拉直使肌肉组织紧张受力。在提供靠背支撑腰椎后，活动力则明显减小;当躯干前倾时，背上方和肩部肌肉活动度高。因此在汽车设计时，汽车座椅的靠背缓解了肌腱组织之间的压或拉力，使人处于一种低能耗状态。

在汽车的坐垫设计时，通常采用压力不均匀的原则。这是因为人体坐骨粗壮，与其周围的肌肉相比，能承受更大的压力。而大腿的底部有大量的血管和神经系

统，压力过大会影响血液循环和神经传导而感到不适。所以坐垫上的压力应按照臀部不同的部位承受不同的压力原则来设计，即在坐骨处压力最大，向四周逐渐减小，之大腿部位时压力降为最低值。

如图-2(a)所示，人体结构在骨盆下面有两块圆骨，称为坐骨结节。坐姿时

图-2

这两块面积很小的坐骨结节能承受上身的大部分重量。坐骨结节下面的座面呈近似水平时，可以使两坐骨结节外侧的股骨处于正常的位置而不受过分的压迫，故而人体感到舒服。如图-2(b)所示，当坐面呈斗形时，会使股骨向上转动，见图中箭头指向。这种状态除了使股骨处于压迫位置而承受载荷外，还造成髋部肌肉承受反常压迫，并使肘部和肩部受力，从而引起不舒适感。因此，在汽车座椅设计时，避免斗形坐面设计，提高座椅的舒适感。

当坐姿腰弧曲线正常时，椎间盘上受的压力均匀而轻微，几乎无推力作用于韧带，韧带不拉伸，腰部无不舒适感，见图-3(a)。

图-3

但是，当人体处于前弯坐姿时，椎骨之间的间距发生变化，相邻两椎骨前端间隙缩小，后端间隙增大，见图-3(b)。椎间盘在间隙缩小的前端受推挤和摩擦，迫

使它向韧带作用以推力，从而引起腰部不适感，长期积累作用，可造成椎间盘病变。

综合来看，从坐姿生理学角度，应保证腰弧曲线正常;从坐姿生物力学角度，应保证肢体免受异常力作用，依据两方面的要求，研究了人体作业的舒适坐姿。如图-3(c)是汽车驾驶员舒适驾驶姿势，因此，在汽车设计时汽车座椅应满足驾驶员的各种生理需求。

作业空间的布置是指在限定的作业空间驾驶室仪表空间布置分析

内，设定合适的作业面后，显示器与控制器(或其他作业设备，元件)的定位与安排。作业空间或设施的设计对人的行为，舒适感与心理满足感有相当大的影响，而其设计的重要方面之一就是各组成元素在人们使用的空间或设施中的布置问题。任何元件都有可能有其最佳位置，这取决于人的感受特征，人体测量学与生物力学特性以及作业的性质。对于汽车里的显示器而言，因为显示器众多，不可能使每一个元件都处于其本身理想的位置，这时就需要一定原则来安排。通常情况下，为了方便认读，减少误读和操作认读效率，驾驶室仪表面板上的仪表位置应按照下述原则进行设计。

(1)按仪表重要程度排列常用的主要显示仪器应尽可能的排列在视野中心3?范围内;一般性显示仪器课安排在20?,40?视野范围内;次要的显示仪表可布置在40?,60?视野范围内;对于80?以外的视野范围，因其视觉认读效率低，一般不宜放置显示仪表。比如汽车驾驶室最大的仪表显示器使汽车速度显示器，它就放在人的视域的正中央，而且表盘的设置足够大，能够避免汽车在颤动状态下使用时误读。其他的都排列在其周围，但都不超过80?的视野范围。

显示仪表的排列顺序应与仪表的操作过程中的使用顺(2)按使用顺序排列

序一致，同时，排列顺序还应注意仪表之间在逻辑上的联系。彼此有联系的仪表应尽量靠近，以提高认读效率和降低误读率。

(3)按最佳零点方位排列由于标量显示器在系统中处于正常状态下，其指针位置基本保持不变，仅在异常状态下，指针才发生变化。因此，在多个标量显示器的设计时，应使其在正常工作状态下指针全部指向同一方向，这样便于发现异常情况和提高认读速度。

(4)按视觉特性排列由于人眼的水平运动比垂直运动的速度快而幅度宽。

因而仪表排列的水平范围大于垂直范围。自左至右)自上而下和顺时针方向圆周运动扫视，这是人的视觉习惯，仪表的排列顺序和方向也应遵循这一视觉特性。此外，排列尽量紧凑，以缩小搜索视野范围，降低视觉疲劳速度。

汽车安全性、使用环境、驾驶者以及汽车色彩的应用

汽车安全性驾驶分析高速路上令人难以置信的事故高发率和一桩桩惨不忍睹的交通事故，以及给人们带来的财产和生命损失，是驾驶安全成为一个国家的重要问题。人是大部分事故的参与者，而且绝大部分事故可归结于人误，从而将这个问题直接引入了人机工程学。

驾驶通常包含各种各样的驾驶和非驾驶任务，我们可以把主要的任务定义为车道的保持和道路危险的监控，两者都主要依赖信息加工过程中的主要视觉注意带，见图-4中为阴影部分，指的是从车前几米延伸到几百米的区域。

图-4

图-5

图-5显示了这一区域的侧视、前视和俯视图。驾驶安全最关注的是任何视觉注意离开主要的视觉注意突出部分区域的任务。图-4显示了策略驾驶任务(如对路边

出口情况的扫视)也可以使视觉注意离开主要视觉区域;同样，在车内看地图也会和视觉注意产生竞争;其他任务，如收音机调台、换CD碟与乘客说话或吃东西，也都具有视觉成分，会与视觉注意产生竞争。视觉通道是驾驶者最重要的通道，但与调整控制、打电话以及拉伸有关的次要车内活动也是重要的，它们会和有效手动驾驶资源产生竞争。任何同时发生的任务(听觉、认识、运动)都会使监控、加工和主要视觉注意区域的视觉信息产生一些冲突，进而干扰驾驶者的判断而引发事故。

几乎所有导致伤亡的车祸都有两种来源之一产生:失去控制和高速离开道路或者与道路的危险碰撞。后者会由于没有发现危险或对接触路障或交叉点的时间的错误判断而产生。据调查显示，追尾是频率最高的碰撞，占所有碰撞的30,;偏离道路的碰撞会引起最大数量的伤亡，占与驾驶有关的死亡人数的40,以上。超速行驶也给驾驶安全带来了重大的威胁，每年有35,的车祸与超速有关。同样重要的因素还有驾驶员的危险行为，这些危险行为大都有驾驶者的认识偏差造成的。比如导致超速行驶，过分自信产生了对风险的低估，也就是说大多数驾驶者没有经历过碰撞，所以在他们关于外界的心理模型中将这描绘成不可能的或多半“不发生的”。例如，一般驾驶者在遇到前车突然刹车或者在前方有一辆静止

的车时，都会感到不悦或者失去耐心而超车。另外，问题驾驶员也是产生车祸的另一大罪魁祸首。疲劳驾驶、酒后驾车、老龄驾驶者等一些问题驾驶员往往在这种非正常的状态下，对汽车的性能的判断，以及他们的对危险的认识、判断和反应能力都有所下降。

针对上述情况，在汽车设计时，应该尽量的减少争夺视觉注意的视觉设计。针对车辆行驶时偏移，在汽车上安装一些监控系统，当行驶过程中发生偏移时，系统产生警报，并产生“虚拟震动”的形式振动座椅，引起驾驶员的注意。对于追尾事件，在改进汽车本身的色彩(还要考虑使用环境)和尾灯设计(比如在减小油门的时候，尾灯同时亮起，这样跟随的车可以预期前面的车会出现紧急刹车)等视觉因素

的同时，可以在车上安装传感器和报警可以加强驾驶者对前面车辆的知觉。比如，当行驶到某一速度的汽车靠近前面的汽车一定位置(可能发生碰撞的危险位置)时，后面的车发出警报或者自动降速，以避免可能的追尾。

车内环境也是影响视觉注意的一个重要因素，从车辆安全的观点，减少由于“眼睛注视”时间带来分心的危险的最好方法，是运用本文在驾驶室仪表空间布置中描述的一些重要原则，创造最简单，最友好用户的内部显示和控制设计。在设计师，显示器需要高对比度，可理解且易读。控制器的放置位置要一致，要有足够的距离并且和与它们相关的显示器相容。也就是说，车辆的操纵应设计得足够简单，这样的设计原则能够帮助减少对视觉注意的要求。

一种减少眼睛注视时间的重要方式是使任何文本显示或标志足够大(还要考虑汽车颤动状态下的情况)，这样会容易阅读。

使用环境的分析在汽车设计时，也要综合考虑汽车的环境因素，不同

汽车的使用安全性也有影的环境不仅对人的心理和生理产生一定的影响，而且对

响。比如，阴天或雨天和晴天相比，夜间和白天相比，驾驶者的视域和可见度以及对别的车辆的识别能力都有所下降;在路况较差的道路上行驶，会产生振动，人在振动的状态下会对仪表产生误读，会对车前面的车辆或行人产生错误的判断。这样就会产生本文前面所讨论的问题(安全性设计)。

汽车后备箱日常生活中我们常常面临这样的问题，当我们在夜间打开后备箱放或者取东西时，会因后备箱里看不见而感到烦恼。建议设计时在后备箱中安装一个小灯，采用联锁装置设计，后备箱的门和小灯的开关是互锁的。当使用者打开门时，电源自动接通，小灯亮起;当关上门时，小灯与电源断开，小灯熄灭，这样既方便又节省。

随着经济的高速发展和国际市场的竞争，现代人对工程机械已不再仅仅满足于能用能开就行，而是要得到使用的舒适性和舒心性，工程机械的设计必须能“打动”消费者的心灵需求。因此，人机工程学越来越引起人们的重视，人机工程学也越来越应用于更多的领域，与人们的生活更加密切相关。

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