汽车组合仪表人机工程设计研究

陈 创，龙 震

（东风柳州汽车有限公司PV技术中心，广西 柳州545000）

汽车组合仪表是汽车各类信息集中显示的重要部件，驾驶员通过组合仪表获取汽车运行时灯光、油量、里程、故障等运行参数，对驾驶员安全、经济地驾驶汽车有着重要的作用。在汽车行驶的过程中，驾驶员、汽车、仪表显示等组成了人机系统，故组合仪表合理人机工程设计，是组合仪表布置的重要设计原则。本文拟通过对组合仪表可视性、易读性、反光、成像四个方面人机工程设计要求，提出合理的组合仪表布置方案，为后续组合仪表的布置提供参考。

1　人机工程学介绍

人机工程学是20世纪70年代初迅速发展起来的一门新兴学科，是一门涉及人体的多领域科学，包括心理学、人体测量学、生物力学、生理学和心理物理学等。它涉及研究人的特性、能力和局限性，然后应用这些信息来设计和评估人们使用的设备和系统。人机工程学的基本目标是设计出尽可能满足用户（驾驶人）和设备（车辆）之间的匹配，从而改进用户的安全（提供不受伤害和损失的自由空间）、舒适、方便、性能和效率（工作效率或不断增加的输出/输入之比）的产品[1]。它从人的生理和心理出发，研究人—机—环境相互关系和相互作用的规律，并使人—机系统工作效能达到最佳。在汽车设计中应用人体工程学，就是以人（驾驶员、乘客）为中心，研究汽车设计（包括布置和设备等）如何适应人的需要，创造一个舒适的、操纵轻便的、可靠的驾驶环境和乘坐环境，即设计一个最佳的人—车—环境系统。

在人—车—环境系统中，人机工程的视觉优化必须以驾驶员的眼睛作为定位基础。由于驾驶员的身体、坐姿及驾驶习惯等方面的差异，所有汽车驾驶员的眼睛位置不可能是某同一固定点，而是呈某种形态的曲线。通过对数以千计的男女驾驶员进行实测与统计分析，得出汽车驾驶员的眼睛位置分布范围呈椭圆形的结论，即称为驾驶员眼椭圆(见图1)。眼椭圆可分为第90、95、99百分位等若干图形，分别代表一定百分比的驾驶员眼睛位置[2]。眼椭圆代表了汽车驾驶员眼睛位置的范围，利用眼椭圆可以较为满意地设计出驾驶员的眼睛位置，从而对组合仪表的布置位置进行合理设计，满足组合仪表可视性、易读性、反光、成像四个方面人机工程设计要求。

图1　眼椭圆示意图

2　某车型组合仪表人机工程设计实例

2.1　组合仪表可视性设计

组合仪表可视性设计校核见图2，透过方向盘观察组合仪表时，组合仪表信息显示区域位置：

1）处于单目盲区外：在驾驶员视野中央区域即可观察到全部显示信息；

2）处于单目、双目盲区之间：在驾驶员视野周边区域才可观察到全部显示信息；

3）处于双目盲区外：驾驶员需调整头部位置才可观察到全部显示信息。

图2　组合仪表可视性设计校核示意图

可视性设计校核要求：

1）组合仪表信息显示区域位置应处于单目盲区外；

2）组合仪表信息显示区域位置如处于单目、双目盲区之间，应把不重要的信息布置在仪表盘显示区域周边，便于观察；

3）为保证安全行驶，组合仪表信息显示区域位置不应处于双目盲区之外。

设计校核方法：透过方向盘的视野盲区可用UG软件总布置设计工具包模块（见图3）进行绘制。使用“眼椭圆”功能，根据该车型SAE 95%2D人体参数（见图4）制作出眼椭圆后，接着使用“仪表板可见性”功能，选取方向盘边界，可自动绘制出视野盲区（见图2），再根据可视性设计校核对组合仪表信息显示区域进行布置校核。

图3　总布置设计工具包模块

图4　SAE 95%2D人体参数

2.2　组合仪表易读性设计校核

组合仪表易读性设计校核见图5，合理的仪表与驾驶员距离、仪表角度，驾驶员可以更容易地对仪表显示信息进行读取，让驾驶员更舒适地驾驶车辆。

图5　组合仪表可视性设计校核示意图

易读性设计校核要求：

1）眼椭圆中心点到组合仪表显示面的距离L应小于750 mm；

2）眼椭圆中心点与组合仪表显示面中心的连线与水平面的角度A1应在20°～30°之间；

3）眼椭圆中心点与组合仪表显示面中心的连线与仪表显示面的角度A2应在85°～95°之间。

设计校核方法：如本文的第2.1部分制作出眼椭圆后，根据易读性设计校核要求进行组合仪表布置校核。

2.3　组合仪表反光设计校核

组合仪表反光设计校核见图6，从车外照入到车内的光线经组合仪表反射后，不应射入驾驶员眼睛，否则会造成驾驶员刺眼情况，严重影响行车安全。

图6　组合仪表反光设计校核示意图

反光设计校核要求：

1）从前风窗射入的光线经组合仪表反射后，不应射入95%驾驶员眼椭圆内；

2）从天窗射入的光线经组合仪表反射后，不应射入95%驾驶员眼椭圆内。

设计校核方法：如图6所示，以前挡黑边或天窗边界作为入射光线源，以组合仪表罩为镜子绘制出反射光线，反射光线不应射入驾驶员眼椭圆内。

2.4　组合仪表成像设计校核

组合仪表成像设计校核见图7，夜间行驶时组合仪表点亮后，在前风窗、前车窗的成像区域，不应影响驾驶员的正常行驶视野。

图7　组合仪表成像设计校核示意图

GB11555规定的B区域（见图8）为驾驶员前方视野主要范围，其由下述4个平面所围成的风窗外表面的面积，且距风窗玻璃透明部分面积边缘向内至少25 mm，以较小面积为准。

1）通过V1点，与X轴成7°仰角且与Y轴平行的平面一；

2）通过V2点，与X轴成5°俯角且与Y轴平行的平面二；

3）通过V1和V2点，与X轴的左侧与X轴成17°角的铅锤平面三；

4）以汽车纵向中心平面为基准面，其与平面三对称的平面四。

其中V1、V2点相对驾驶员H点位置，由三维坐标系的X、Y、Z坐标确定，见表1和表2.表1给出的是设计靠背角25°时的基本坐标，若设计靠背角不是25°时，则按表2对X、Z坐标进行修正。

表1　设计靠背角25°时V1、V2点基本坐标（单位：mm）

表2　设计靠背角不是25°时V1、V2点基本坐标（单位：mm）

成像设计校核要求：

1）组合仪表发出光线在前风窗的成像区域，不应该在B区域内；

2）组合仪表发出光线在前车窗的成像区域，与驾驶员看外后视镜时通过前车窗的视野区域重叠量应小于10%.

设计校核方法：可用UG软件总布置设计工具包中“反射数据”功能，根据软件提示要求选择眼点、仪表信息显示区域为要反射的曲线、反射对象为前风窗或前车窗，可自动绘制出仪表信息显示区域在前风窗或前车窗的成像，接着根据成像设计校核要求进行组合仪表进行布置校核。

图8　B区域示意图

3　结束语

本文通过对组合仪表可视性、易读性、反光、成像四个方面人机工程设计校核研究，是在保证组合仪表功能的前提下，提出合理的组合仪表布置方案，以达到人机工程的一般原理要求。设计一个最佳的驾驶员—仪表—环境系统，防止组合仪表对驾驶员的视觉干扰，从而提高汽车的主动安全行驶。

参考文献：

[1]毕 斯.汽车设计中的人机工程学[M]．北京：机械工业出版社，2014.

[2]羊拯民，高玉华.汽车车身设计[M]．北京：机械工业出版社，2008.