人机工程学在汽车主动安全设计中的应用*

2017-08-20郝亮

汽车工程师 2017年9期

郝亮

（辽宁工业大学）

汽车的安全性能是汽车技术永恒的焦点，人们对汽车安全性能的要求越来越高，在被动安全迅猛发展的同时，汽车主动安全性越来越受到人们的关注[1]。国外对人机工程学的研究比较早，在应用人机工程学原理进行汽车设计方面已进行了长期而卓有成效的工作，在20世纪50年代，美、欧及日先后制定了FMVSS，ECE及保安基准法等各种安全法规[2]，美国还提出试验安全车（ESV）计划，通过大量碰撞试验改善车身构造，提高汽车安全性。因此，文章充分考虑人的因素，采用人机工程学理论对汽车主动安全装置进行设计，使设计的汽车主动安全装置更加符合人的特性，从而使汽车行驶更加安全。

1 人机工程学理论

人机工程学起源于20世纪50年代，经历了50多年发展历史，它是从人的生理和心理特点出发，研究人、机及环境的相互关系和相互作用的规律，以优化人-机-环境系统的一门交叉性和边缘性学科[3]。人机工程学理论可以应用于日常生活的各个领域。

1.1 人体测量学

人体测量数据是人机系统设计时所遵循的重要基础数据。人群中个体与个体间存在着差异，同时对一定数量的个体样本得到的测量值可以根据概率论与数理统计对测量数据进行统计分析，求得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、标准差及百分位数等。

人体测量的数据通常是以百分位数（PK）来表示人体的尺寸等级，PK是一种位置指标，一个界值。一个PK将总体或样本的全部测量值分为两部分，其中有K%的测量值小于等于此数，有（100-K）%的测量值大于此数。最常用的是第 5，50 及 95PK，分别记作 P5，P50及 P95。GB 10000-88《中国成年人人体尺寸》提供了我国成年人人体尺寸的基础数据，同时研究人员根据GB 10000-88提供的人体基础数据进行分析研究，在此基础上推导出人体的功能尺寸，为我国人机系统设计提供了基础数据。

以人体参数为基础建立的人体模型，应用时必须根据设计对象的结构特点和设计参数来选用适当的PK人体模型，因此在进行汽车主动安全系统设计时，可以在设计中选用相应的PK人体模型，如汽车H点（指人体身躯与大腿的铰接点，即跨点）三维人体模型。

1.2 人的感知响应特性

人的信息90%以上来自视觉通道，因此在汽车主动安全设计中一定要应用人机工程学的原理对驾驶室的仪表板、内外信号灯及前后方的视野等进行良好设计。可采用信息传递理论进行驾驶室显示装置的设计，充分考虑人体生物力学特性，如操纵力、人体动作的灵活性及准确性进行操纵装置设计。通过以上设计可以保证驾驶员高效、舒适、不易疲劳及高效地进行驾驶，更有效地提高汽车主动安全性。

2 人机工程学在汽车主动安全设计中的应用

汽车的主动安全性涉及到汽车转向系统、制动系统、视觉系统及驾驶员视野等方面[4]，因此可以应用人机工程学知识对转向和制动操纵装置、仪表显示与照明装置及驾驶员视野进行设计，从而可以保证汽车良好的主动安全性[5]。

2.1 汽车操纵装置人机工程学设计

汽车中涉及到主动安全最主要的操纵装置分别是转向盘和脚踏板。

2.1.1 汽车转向盘的设计

1）汽车转向盘是驾驶室的重要功能部件，它的转动方向应该与汽车行驶方向相协调。2）它的安装位置是由人体生物力学特性和不同车型驾驶员的位置决定的，转向盘应该布置在驾驶座椅前方最优区域内，即人手活动最灵敏、视野最好、操作最准确及最舒适的区域[6]。3）为了保证操纵舒适和握持牢靠，常在轮缘的下部加工出适合指形的波纹，横截面应为椭圆形或圆形。4）汽车转向盘直径和倾斜角度是由人体的施力舒适性限度与不同车型驾驶员位置所确定的，对于卡车及公共汽车，为了使驾驶员位置舒适，转向盘倾角为15～30°，直径取400 mm左右；对于大型载重汽车需要较大的操纵力，转向盘倾角为0°，直径取450～500 mm；对于小轿车和小卡车因座椅较低，转向盘操纵力矩也较小，转向盘倾角为45～60°，直径取350～400 mm，握把的直径通常在20～50 mm间选取。5）操纵力以人体生物力学为依据，选择大多数人操作的中/下限能力数据，根据不同操作要求转向盘操纵力取45～100 N。

2.1.2 汽车制动脚踏板的设计

1）汽车制动脚踏板应该设计在驾驶员最易施力且易触碰的位置，踏板设计应该依据人体下肢尺寸和力学参数为基础，汽车制动踏板通常为脚悬空踏板的形式，形状采用矩形或者椭圆形平面板，制动踏板尺寸相对加速踏板小，为了保证制动踏板踩踏时不容易滑脱，踏板表面有增大摩擦力的花纹；2）制动脚踏板前后位置应设计在“小”身材人群P5模型能及的范围内，左右位置应设计在人体中线两侧各10～15°的范围内，这样保证腿和脚能形成一个统一的易施力单元，以满足操纵力大、速度快及准确性高的操作要求；3）踏板与地面最优倾角为30～40°，操作时脚掌与小腿的舒适夹角为87～95°，大小腿间夹角应在 105～135°为宜，以 120°为最优；4）制动脚踏板适宜的操纵力为45～600 N，为了防止脚踏板被无意碰移而发生事故，脚踏板应有一定起动阻力，该起动阻力一般为18～32 N；5）制动踏板与加速踏板处于邻近位置，为了避免在紧急制动情况下不触碰到加速踏板，它们间应该采用合理的位置编码方式区分，加速踏板与制动踏板的间距以100～150mm为宜。

2.2 汽车视觉装置的设计

2.2.1 汽车仪表板的设计

汽车仪表板是各种仪表、信号灯及控制开关的总成，驾驶员对汽车运行状态的90%信息都是通过仪表板上的仪表和信号灯来获取的，因此仪表板设计的好坏在汽车主动安全中占有很重要的位置。

1）为了保证较高的工作效率和减轻人体视觉疲劳，仪表板的空间位置应保证驾驶员不需要较大幅度地运动头部和眼睛，更不需要移动身体位置就能看清全部的仪表；另外因仪表板空间位置的好坏也将影响行车的安全性，因此，仪表板应该布置在操作者的正前方，而且仪表板的位置不得妨碍操作者对周围环境的观察。图1示出仪表板的空间位置设计方案。仪表板离人眼的距离最好是710 mm，其高度最好与眼平齐，仪表板上边缘的视线与水平视线夹角不大于10°，下边缘的视线与水平视线夹角不大于45°，仪表板与操作者的视线宜成直角，至少不应小于60°，当人在正常坐姿下操作时，头部一般自然前倾，所以布置仪表板时应使板面相应前倾，仪表板与垂直面的夹角为25～30°；当仪表板很大时，可采用弧形或者弯折形板面以提高观察效率。

图1 仪表板空间位置设计方案示意图

2）通常仪表板上的仪表采用指针式仪表形式，因为它更适合人的心理和生理特点，并且认读速度和准确度都非常高，能减轻使用人员的疲劳和紧张程度。同时对于指针式仪表刻度盘的形状、大小，指针、图形标志、文字符号、照明条件及颜色匹配等进行周密的人机工程学设计，可进一步提高观察效率和准确率。

3）通常所说的仪表板都是呈左右方向的长方形，符合人的视觉运动规律，板面上仪表的排列顺序最好与它们认读顺序一致；功能相同及关联度高的仪表应当靠近布置，甚至放在同一个区域内，以与其它仪表形成明显区别，方便观察。试验证明，24°是最优认读范围的极限，对于重要仪表及信号灯最好是安排在最优认读范围内，一般性仪表及信号灯允许安排在20～40°视野范围内，次要仪表和信号灯安排在40～60°视野范围内，同时应该兼顾仪表和信号灯与操纵装置的协调性。

2.2.2 汽车外部视觉装置设计

照明系统是保证驾驶员在夜间行车时获得良好视野的重要保障，但照明问题往往是夜间行车时引起交通事故的主要原因，因此必须对其进行合理设计。

1）通常夜间行车遇到雾和雨雪天时，在前照灯配光镜上的水珠会削弱灯光照度，因此可在轿车前照灯透光面上设计清洗器清洁水珠，以保证良好照明；2）夜间两车会车时，为了不使对面来车的驾驶员眩目，可以设置前照灯基准轴的远距离调节结构，由驾驶员在驾驶室内进行操纵，适时转动前照灯位置；3）汽车在转弯时，前照灯光束仍向行驶路线切向照射，不能全部照射在前方弯路上，这样就降低了驾驶员观察前方弯路的视认性，为了保证转弯行驶安全性，可使前照灯与转向系统同步转动，使前照灯的光束始终照射在汽车前方道路上；4）为了避免后车前照灯远光光束照射到前车后视镜上，产生反射光线引起驾驶员眩目，可设置一套能根据本车与前车的距离将本车前照灯的远近光自动切换的装置；5）应增加能增强视认性的辅助信号灯，以便每辆车都能被其他车辆驾驶员或其他人员迅速准确地辨认出来。从而进一步提高行车的主动安全性。

2.3 汽车驾驶视野的设计

为了保证驾驶员及时准确地接收到外界的信息以保证汽车行驶的安全性，因此汽车视野设计的宜人化程度也非常重要。美国汽车工程师协会（SAE）车身工程委员会人体模型分会通过对美国各州、欧洲、亚洲及其它国家的2 300多名男女驾驶员进行试验测定和统计分析后，得出汽车驾驶员眼睛位置在纵向垂直面和水平面上的分布范围都呈眼椭圆的结论。SAE将驾驶员的眼椭圆分为第90，第95及第99百分位等若干种投影图形，分别表示某个百分位人群的眼椭圆分布规律。汽车驾驶员的眼椭圆为研究汽车视野性能提供了重要的科学依据。

在汽车车身设计中，常将各种百分位的眼椭圆事先制作成样板，以便设计或校核用，眼椭圆样板在汽车车身主俯视图中位置，如图2所示。