喻少高（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某皮卡選換擋操縱裝置人機(jī)工程設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用

喻少高
（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章通過(guò)汽車(chē)人機(jī)工程理論與我公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的皮卡選換擋操縱座相結(jié)合闡述了選換擋操縱裝置設(shè)計(jì)在人機(jī)工程方面的應(yīng)用與實(shí)踐，以完善選換擋操縱裝置人機(jī)工程方面的設(shè)計(jì)思路。

選換擋操縱裝置；人機(jī)工程

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.014

CLC NO.: U463.8Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-35-05

引言

人機(jī)工程學(xué)是一門(mén)研究和應(yīng)用范圍都極為廣泛的綜合性邊緣學(xué)科，是技術(shù)科學(xué)、解剖學(xué)、心理學(xué)、人類(lèi)學(xué)等學(xué)科的交叉。國(guó)際人類(lèi)工效學(xué)學(xué)會(huì)(International Ergonomics Association，lEA)對(duì)它的定義是：人因工程學(xué)是研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的各種因素；研究人和機(jī)器及環(huán)境的相互作用；研究在工作、家庭生活中和休假是怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問(wèn)題的學(xué)科[1]。

人機(jī)工程學(xué)是以人——機(jī)——環(huán)境作為基本的研究對(duì)象，通過(guò)揭示人、機(jī)、環(huán)境之間相互關(guān)系的規(guī)律，已確保人——機(jī)——環(huán)境系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化的總體性能。

人機(jī)工程學(xué)的內(nèi)容具體包括幾個(gè)方面：

（1）研究?jī)?nèi)容

人體特性的研究研究的主要內(nèi)容包括人體形態(tài)特征參數(shù)、感知特性、反應(yīng)特性以及在勞動(dòng)中人的心理特征和人為差錯(cuò)等。

（2）人機(jī)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的就是為了使整個(gè)系統(tǒng)工作性能最優(yōu)化，這就必須解決機(jī)器與人體相適應(yīng)的問(wèn)題，即如何合理地分配人機(jī)功能，二者的配合以及有效地交流信息等。

（3）研究人與機(jī)器間信息傳遞裝置和工作場(chǎng)所的設(shè)計(jì)

人與機(jī)器之間的信息傳遞包括顯示器向人傳遞信息，控制器則接收人發(fā)出的信息兩個(gè)方面。其中，顯示器的研究包括視覺(jué)顯示器、聽(tīng)覺(jué)顯示器以及觸覺(jué)顯示器等各種類(lèi)型顯示器的設(shè)計(jì)，同時(shí)還要研究顯示器的布置和組合等問(wèn)題；控制器設(shè)計(jì)則要研究各種操作裝置的形狀、大小、位置以及作用力等在人體解剖學(xué)、生物力學(xué)和心理學(xué)方面的問(wèn)題。

（4）環(huán)境控制和人身安全裝置的設(shè)計(jì)

為了克服不利的環(huán)境因素，需要設(shè)計(jì)一系列環(huán)境控制裝置來(lái)保障人身安全。其中安全保障技術(shù)包括機(jī)器的安全本質(zhì)化、防護(hù)裝置、保險(xiǎn)裝置、防止人為失誤裝置、事故控制方法，救援方法等。

1、車(chē)輛人機(jī)工程學(xué)

人機(jī)工程學(xué)在車(chē)輛設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)已有專(zhuān)門(mén)的一門(mén)學(xué)科，車(chē)輛人機(jī)工程學(xué)，她就是將人機(jī)工程學(xué)的理論、方法應(yīng)用于車(chē)輛工程領(lǐng)域，通過(guò)“人—車(chē)—環(huán)境”系統(tǒng)的人機(jī)工程學(xué)研究，提高駕乘人員的舒適性、安全性和工作效率，使系統(tǒng)的總體性能達(dá)到最佳匹配狀態(tài)的學(xué)科。

車(chē)輛人機(jī)工程學(xué)的研究?jī)?nèi)容大致包括以下幾個(gè)方面：

（1）車(chē)輛駕駛操作系統(tǒng)人機(jī)界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。駕駛操縱系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)的是否合理，對(duì)駕乘人員在駕乘過(guò)程中的安全性、舒適性、身心健康以及工作效率等方面，都有著重大的影響。

（2）車(chē)輛乘員的安全保護(hù)技術(shù)研究。提高車(chē)輛的安全性能，降低安全事故的發(fā)生率，包括兩方面內(nèi)容：一方面通過(guò)研究各種預(yù)防報(bào)警系統(tǒng)，防止事故的發(fā)生，另一方面需要利用有效的車(chē)內(nèi)乘員保護(hù)技術(shù)來(lái)避免或減輕乘員可能遭受的傷害。

（3）車(chē)輛乘員的乘坐舒適性。乘坐舒適性主要取決于座椅與人體的人機(jī)界面能否為人提供舒適而穩(wěn)定的坐姿，駕駛員—座椅—車(chē)輛系統(tǒng)能否有效地隔離或衰減來(lái)自路面不平度的激勵(lì)而產(chǎn)生的振動(dòng)，駕駛員—座椅—駕駛室系統(tǒng)的幾何位置關(guān)系能否為駕駛員提供良好的視野和相對(duì)于各種操縱裝置與顯示裝置的舒適位置。

（4）車(chē)輛的噪聲控制。車(chē)輛噪聲控制的目的是要保證車(chē)內(nèi)駕乘人員的耳旁噪聲滿(mǎn)足人的聽(tīng)力保護(hù)允許標(biāo)準(zhǔn)，車(chē)外噪聲滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)環(huán)境噪聲允許標(biāo)準(zhǔn)。

（5）車(chē)輛內(nèi)部小氣候壞境的宜人化控制。對(duì)車(chē)內(nèi)小氣候環(huán)境的宜人化控制的具體要求標(biāo)準(zhǔn)因車(chē)輛的類(lèi)型，使用條件和運(yùn)行環(huán)境的不同而異，其科學(xué)依據(jù)是人的熱舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（6）車(chē)輛駕駛員的駕駛適宜性。所謂駕駛適宜性是指人具備圓滿(mǎn)、不出差錯(cuò)的完成駕駛工作的素質(zhì)。開(kāi)展駕駛適宜性研究并制訂科學(xué)的駕駛適宜性檢查方法，對(duì)于駕駛員的選拔和科學(xué)化管理具有重要的指導(dǎo)意義。

（7）車(chē)輛的道路交通適應(yīng)性。在設(shè)計(jì)車(chē)輛的性能時(shí)，既要充分考慮人的因素，又要充分考慮現(xiàn)在及將來(lái)的道路交通特性，如道路的等級(jí)、通行能力、管制等級(jí)等車(chē)—路關(guān)系的問(wèn)題，從駕駛員的角度出發(fā)評(píng)價(jià)車(chē)輛對(duì)道路交通條件的適應(yīng)性，使車(chē)輛的設(shè)計(jì)與交通設(shè)施的調(diào)整相互協(xié)調(diào)。

（8）人—車(chē)—路系統(tǒng)的綜合優(yōu)化。綜合運(yùn)用了人機(jī)工程學(xué)、汽車(chē)工程學(xué)、交通工程學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、圖形圖像技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的基本理論的“人—車(chē)—路一體化設(shè)計(jì)”概念將是未來(lái)幾年擺在各個(gè)領(lǐng)域的科技工作者面前的共同課題。

隨著車(chē)輛使用者群體特性的變化，車(chē)輛設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的進(jìn)步，道路交通環(huán)境的改善以及社會(huì)大環(huán)境的變化，車(chē)輛人機(jī)工程學(xué)面臨的研究課題必將不斷發(fā)生變化。

2、 選換擋操縱座的人機(jī)工程設(shè)計(jì)

選換擋操縱座的人機(jī)工程設(shè)計(jì)主要考慮車(chē)輛駕駛操作系統(tǒng)人機(jī)界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)、車(chē)輛乘員的乘坐舒適性、車(chē)輛駕駛員的駕駛適宜性。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，主要從三個(gè)方面設(shè)計(jì)，一是手把外形，即手握部分的形狀和尺寸；二是其操縱行程，包括操縱的角度和位移；三是操縱桿的位置布置。

首先我們通過(guò)一個(gè) CATIA的模擬模型做一個(gè)選換擋操縱座與人體配合的總體感受。如圖1所示。

圖1　選換擋操縱座與人體的配合模擬模型

2.1手柄的外形設(shè)計(jì)

依據(jù)手的生理特點(diǎn)來(lái)分析和設(shè)計(jì)操縱桿外形。圖 2為手的生理結(jié)構(gòu)，由圖可知，就手掌的生理結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，掌心部位的肌肉最少，指骨間肌和手指部分是神經(jīng)末梢滿(mǎn)布的部位，指球肌、大魚(yú)際肌和小魚(yú)際肌是肌肉豐富的部位，是手部的天然減震器。因此在設(shè)計(jì)這類(lèi)手柄時(shí)，要防止手柄形狀和振動(dòng)力方向不能集中于掌心和指骨間肌。如果掌心長(zhǎng)期受壓受振，可能會(huì)引起難以治愈的痙攣，至少易引起疲勞和操作不準(zhǔn)確。因此，操作者握住手柄時(shí)最好使掌心處略有空隙，使受力減少。

圖2　手的生理結(jié)構(gòu)

如圖 3，常見(jiàn)操縱桿手柄有圓柱形、錠子形、球形、錐形、梨形等形狀。而圖3中(b)、(d)、(f)的手柄形狀，在執(zhí)握時(shí)，掌心與手柄的貼合面太大，操縱效果不好，只適合作為瞬間和受力不大的操縱手柄。因此優(yōu)先考慮(a)、(c)、(e)所示的形狀。

圖3　常見(jiàn)操作手柄的形狀

具體設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，為了減少對(duì)掌心部位的壓迫可以將操縱桿的端部設(shè)計(jì)成平面或弧面，這樣能使它與掌心留有一定的間隙。又因?yàn)椴倏v桿在操縱過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)多是前后或左右進(jìn)行，手握部分可以設(shè)計(jì)成上部徑圍稍大于下部徑圍，這樣可以防止操作過(guò)程中駕駛員手的滑脫。此外，手握部分不能設(shè)計(jì)的太光滑，以免操作過(guò)程中手的滑動(dòng)，設(shè)計(jì)要有一定的紋理，這樣可以產(chǎn)生摩擦力，從而防止手滑動(dòng)。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，我公司設(shè)計(jì)了下圖4所示的選換擋手柄，目前應(yīng)用于皮卡等車(chē)型，手柄前方類(lèi)似于梨形，后方及側(cè)面類(lèi)似于圖 3中(C)所示的直桿結(jié)構(gòu)，主體部分采用PW130617-Z=主皮紋（10°，130μ）的皮紋處理，背部蓋板光滑透明。在左右選擋過(guò)程中，手掌的大魚(yú)際肌和小魚(yú)際肌作用在手球側(cè)面部位，在向前換 1、3、5、R四個(gè)擋位時(shí)，手掌的大魚(yú)際肌和小魚(yú)際肌作用在手球后方及側(cè)面部位，在向后換2、4、6擋時(shí)，手指的肌接觸梨形下方，拉動(dòng)球頭。可見(jiàn)，此球頭在使用過(guò)程中均能夠合理利用手部肌肉完成選換擋，一定的紋理處理也防止了手的滑動(dòng)。

圖4　某皮卡選換擋球頭形狀

操縱桿的長(zhǎng)度取決于杠桿比要求和操作頻率要求。為了克服大阻力而需要大杠桿比時(shí)，操縱桿只能加長(zhǎng)。需要高操作頻率時(shí)，操縱桿只能縮短。操縱桿的粗細(xì)一般為 22～32mm，把握手柄的直徑一般設(shè)計(jì)為 32mm，太小會(huì)引起肌肉緊張，長(zhǎng)期操作產(chǎn)生痙攣和疲勞。

2.2選換擋行程設(shè)計(jì)

在選換擋操縱座設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了要考慮手柄的形狀外，還要考慮它的選換擋操縱桿的行程，即操縱角度和操縱位移量。操縱桿的操縱角度和位移量不宜太大，如果太大的話(huà)，不僅占用較大的操作空間，而且在進(jìn)行操作時(shí)由于運(yùn)動(dòng)消耗量大會(huì)使操作者加快疲勞感。所以，操縱桿的操縱角度和位移量應(yīng)在一個(gè)適宜的范圍內(nèi)。操縱桿的操縱角度以30°～60°為宜，一般不超過(guò) 90°。操縱桿的位移量隨操縱桿的運(yùn)動(dòng)方向不同而不同。當(dāng)操縱桿前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，最大為 350mm；左右運(yùn)動(dòng)時(shí)，最大為 150mm。角度和位移大小如圖5所示。

圖5　操縱桿的角度及位移

皮卡車(chē)型設(shè)計(jì)角度如圖6所示，換擋方向極限角度39°，選擋方向極限角度28.5°。換擋行程目標(biāo)值如表1，換擋的前后行程最大極限160mm，左右選擋最大極限125mm。

圖6　皮卡操縱座操縱角度（換擋39°，選擋28.5°）

表1　皮卡選換擋行程設(shè)計(jì)目標(biāo)及實(shí)測(cè)值

圖7　選換擋行程測(cè)試實(shí)例

圖8　選換擋靜態(tài)間隙及實(shí)際行程實(shí)例及示意

通過(guò)換擋性能測(cè)試，實(shí)際換擋前后最大值 126，左右選擋最大值69，理論和實(shí)際均滿(mǎn)足人際工程要求。

2.3選換擋操縱座布置位置選擇

2.3.1手伸及界面介紹

駕駛員的手伸及界面是指駕駛員以正常駕駛姿勢(shì)坐在座椅上，身系安全帶，右腳置于加速踏板上，一只手握住轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)另一只手所能伸及的最大空間界面。此界面所提供的空間范圍，為駕駛員的操縱范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，駕駛員的手伸及界面是一形如橢球的封閉曲面，因此也稱(chēng)為手伸橢球。不同身材的男女駕駛員的手伸能力不同，對(duì)應(yīng)有不同百分位的手伸及界面。

駕駛室內(nèi)各種操作鈕件的合理布置，是駕駛室設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要方面。為了保證駕駛員注意力集中，操作方便、快捷、準(zhǔn)確，儀表板及其周?chē)目刂瓢粹o、手柄及開(kāi)關(guān)的位置、空間分布以及儀表和指示、警告燈的辨認(rèn)識(shí)別等都應(yīng)符合人機(jī)工程學(xué)的基本要求，必須布置在駕駛員的手伸及界面以?xún)?nèi)。這樣駕駛員才能在不必大幅度改變正常駕駛姿態(tài)的情況下方便的操縱這些鈕件。這是保證駕乘舒適和行駛安全不可缺少的條件[2]。

2.3.2操縱桿的布置

操縱桿位置的合適與否直接影響駕駛員的操作效率及舒適性。按人機(jī)工程學(xué)要求，操縱桿應(yīng)布置在駕駛員只移動(dòng)手臂而不移動(dòng)身軀就可操作的范圍內(nèi)。通過(guò)CATIA等設(shè)計(jì)軟件我們可以模擬駕駛員手伸空間的模擬，用于確定操縱桿在駕駛員手伸及范圍內(nèi)充分考慮人機(jī)工程學(xué)原理，使駕駛員在駕駛過(guò)程中最低限度的減少操作錯(cuò)誤頻率，而達(dá)到安全駕駛的目的。校核示意如圖9、圖10所示。

圖9　

圖10　

為使駕駛員能有一個(gè)較為舒適的控制過(guò)程，應(yīng)盡可能的將操縱桿設(shè)置在人能夠有較大施力的位置，且便于施力,坐姿狀態(tài)下手握點(diǎn)應(yīng)與肘同高?？紤]到駕駛員能在小臂正常放置而上臂處于自然懸垂?fàn)钕率孢m地操作，可根據(jù)人體手臂的尺寸及駕駛員的舒適作業(yè)空間來(lái)布置操縱桿。并且上臂與前臂夾角的舒適范圍角度為80～165°，操縱桿距H的X方向距離定為：Hx=280mm；操縱桿距H點(diǎn)的Y方向距離定為：Hy=330mm。Hx 和Hy 代表的意義如圖11 所示。

圖11　操縱桿的布置

在皮卡操縱座設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于操縱范圍的設(shè)計(jì)要求，綜合國(guó)內(nèi)外汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提出機(jī)械式變速桿在任意位置時(shí)，均應(yīng)位于R點(diǎn)在Z平面上的投影，距R點(diǎn)距離≤600mm的區(qū)域范圍內(nèi)；變速操縱手柄球頭與儀表板最小間隙大于50mm。如圖10所示，皮卡操縱座操縱范圍有一個(gè)半手柄在600mm范圍之外，因出于左右置駕駛通用性的考慮，讓步接收此設(shè)計(jì)方案。操縱座最前端與儀表板距離50.8滿(mǎn)足要求。

圖12　皮卡操縱座位置校核

對(duì)于操縱者手柄彎曲角度，參考德國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)（VDA）推薦最舒適駕駛員姿態(tài)各夾角值，如表2所示。手大臂與豎直夾角約40°，手大臂與小臂夾角約120°基本滿(mǎn)足要求。

圖13　皮卡駕駛室操縱模擬

表2　德國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)（VDA）推薦最舒適駕駛員姿態(tài)各夾角值

2.3.3操作舒適性模擬與評(píng)估

根據(jù)圖14人體舒適坐姿模型以及表3人體各關(guān)節(jié)舒適角度 的數(shù)據(jù)，我們可以在CATIA中將人體模型按照這些角度調(diào)整，并產(chǎn)生如圖15所示的人體舒適狀態(tài)下的坐姿模型。

圖14　人體舒適坐姿模型

表3　人體各關(guān)節(jié)舒適角度

圖15　人體舒適狀態(tài)下的坐姿模型

對(duì)于操縱舒適性的評(píng)估，我們通過(guò)人體姿態(tài)評(píng)估功能模塊來(lái)分析。通過(guò)人體姿態(tài)評(píng)估得到評(píng)估報(bào)告，從而對(duì)人體模型各部位的姿態(tài)進(jìn)行定量的分析，從而得到關(guān)于操縱舒適性的評(píng)估報(bào)告。

在進(jìn)行姿態(tài)評(píng)估前，我們首先要確定人體模型重要部位的首先角度。在 DOF1 方向上，根據(jù)坐姿舒適角范圍建立人體模型的各個(gè)部位的首選角度，先為編輯活動(dòng)范圍劃分區(qū)域，再為這些區(qū)域設(shè)立分值，利用人體模型姿態(tài)評(píng)估工具快速給出人體模型舒適度的評(píng)估結(jié)果。

以小臂的首選角度建立為例，簡(jiǎn)單敘述操縱步驟。

首先，由表 3 人體各關(guān)節(jié)舒適角度 可知小臂和大臂的夾角舒適性角度在 80～120°范圍，因此小腿的首選角度為60～100°，如圖16（a）中藍(lán)色區(qū)域。再將藍(lán)色區(qū)域劃分為3個(gè)區(qū)域，因?yàn)閰^(qū)域越多，得到的分析結(jié)果越精確。其劃分結(jié)果如圖如圖16（b）所示。

圖16　首選角度設(shè)計(jì)

然后對(duì)各個(gè)角度區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)值，各分?jǐn)?shù)值如下所示：

0～60設(shè)計(jì)分值為50分 ；60～70設(shè)計(jì)分值為 80 分；

70～80設(shè)計(jì)分值為90分 ；80～100 設(shè)計(jì)分值為80分；

100～140設(shè)計(jì)分值為50分。

最后得出輸出結(jié)果，其評(píng)價(jià)結(jié)果如圖17所示。由圖可知，該項(xiàng)評(píng)分值為94.4 ，符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖17　姿態(tài)評(píng)估分析結(jié)果圖

用同樣的方法對(duì)人體模型的左上臂、左小腿、左大腿的首選角度進(jìn)行設(shè)定，如圖 16所示，右側(cè)部位的首選角度由左側(cè)角度鏡像得到。

圖18　左上臂、左大腿、左小腿的首選角度設(shè)定

在設(shè)計(jì)好首選角度以后，就可以進(jìn)入姿態(tài)的分析階段，通過(guò)人體姿態(tài)評(píng)估分析工具生成分析報(bào)告。圖 19 就是在上述首選角度的設(shè)計(jì)下輸出的分析報(bào)告。

在皮卡操縱座的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們?nèi)鄙佘浖M的過(guò)程，主要采用主觀(guān)評(píng)價(jià)進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估要求如表4所示。

3、總結(jié)

本文通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式，對(duì)選換擋操縱裝置所涉及的人機(jī)工程理論及皮卡操縱裝置設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐進(jìn)行了分析及闡述。深化了選換擋操縱裝置人機(jī)工程設(shè)計(jì)的理論的同時(shí)，也找出了我們現(xiàn)在在選換擋操縱裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中人機(jī)工程設(shè)計(jì)考慮的不足之處，具體如下：

（1）駕駛員手伸空間模擬在選換擋操縱座設(shè)計(jì)中應(yīng)用不足，設(shè)計(jì)之初應(yīng)全面考慮手伸空間對(duì)駕駛的影響；

（2）駕駛員手大臂與豎直面夾角，手大臂與手小臂夾角在設(shè)計(jì)完成后校核不充分；

（3）人機(jī)工程評(píng)價(jià)措施以主觀(guān)評(píng)價(jià)為主，因人而異，設(shè)計(jì)指標(biāo)不可控，應(yīng)研究增加客觀(guān)評(píng)價(jià)措施。

[1] 呂杰鋒,陳建新,徐進(jìn)波.人機(jī)工程學(xué)（高等學(xué)校工業(yè)設(shè)計(jì)叢書(shū)）[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[2] 任金東.汽車(chē)人機(jī)工程學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2010.

A pickup optional shift control theory of the man-machine engineering design and application

Yu Shaogao
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

This paper describes the application and practice of the ergonomicsof the shift controls design in the pikupand the design idea of the ergonomics of the shift controls is developed.

the Shift controls; ergonomics

U463.8

A

1671-7988（2015）12-35-05

喻少高，就職于安徽江淮汽車(chē)股份有限公司。