汽車后頂棚扶手的人機設計

竇惠敏 黃超俊 王超

摘? 要：文章從人機工程角度出發(fā)，利用人體尺寸、Ramsis軟件分析、主觀評價等方法對車內后頂棚扶手操作件在布置時與人體的位置關系、抓握空間、手接觸型面等因素進行分析驗證，得到后頂棚扶手在后排乘員使用舒適狀態(tài)下，扶手的布置區(qū)域，手伸入空間、扶手截面尺寸等人機要求。提升了后排乘員在車輛轉彎、顛簸、急加速等狀態(tài)下使用車內頂棚扶手時的舒適性。

關鍵詞：人機工程;頂棚扶手;舒適性;操作空間;主觀評價

中圖分類號：U461.99? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：1005-2550（2020）01-0011-07

Ergonomic Design of Automobile Rear Roof Armrest

DOU Hui-min， HANG Chao-jun， WANG Chao

（ Borgward Automotive Co.， Ltd.， Beijing 102206， China ）

Abstract： From the point of view of ergonomics， this paper uses the methods of human body size， Ramsis software analysis and subjective evaluation to analyze and verify the position relationship， grasping space and hand contact surface between the rear roof handrail and human body in the layout. It is concluded that under the comfortable condition of the rear roof handrail， the layout area of the handrail， the space of the handrail and the cross-section ruler of the handrail are reached. Man-machine requirements such as inch. It improves the comfort of the rear passengers when using the roof armrest in the vehicle under the conditions of turning， bumping and accelerating.

引言

隨著生活品質的提高，汽車越來越注重動力性、操控性、個性化及人性化方面的設計。例如，動力性好的汽車在迅速加速過程中往往致使乘員的不安全感增加;注重操控感的汽車在快速來回拐彎時容易使乘員左右搖晃，容易使乘員和門板發(fā)生觸碰;頂棚拉手能夠快速給乘員提供一個穩(wěn)定的抓握空間，保證乘員在各種非常規(guī)路況下穩(wěn)定身體，防止身體搖晃造成傷害，是汽車乘坐舒適性和安全性的重要零部件。

文章主要從影響頂棚扶手人機設計的三個因素：扶手位置、操作空間和接觸型面三方面進行研究分析。提升用戶在使用過程中的舒適性。

1? ?頂棚扶手人機設計分析

1.1? 扶手位置分析

頂棚扶手布置在頂棚上，通過兩個卡扣固定在頂棚邊梁上，其固定點兩端緊壓頂棚飾面，一般情況下在安裝扶手區(qū)域的頂棚作凹陷處理，讓出扶手的安裝和操作空間，如圖1所示：

從上述安裝要求可以看到，扶手在Y向上受門的密封結構及上邊梁空腔結構影響大，如果有側安全氣簾結構，Y向調整空間更小;扶手在Z向上受頂棚位置約束，調整范圍有限;扶手在X向上頂棚扶手受結構約束少，故分析扶手位置時，重點考慮X方向和Z方向。

1.1.1胳膊舒適角度分析

第二排乘員使用頂棚扶手，當扶手離人體較遠時，乘員不易夠著，胳膊一直處于拉伸繃緊狀態(tài)，肘關節(jié)角度大，容易產生疲勞感，操作不舒適，如圖2中的情況1;當扶手離人體較近時，乘員需靠后觸及，胳膊一直處于壓縮繃緊狀態(tài)，肘關節(jié)角度小，也容易產生疲勞感，如圖2中的情況2;故扶手需布置在離人體適中位置，避免肘關節(jié)角度過大或過小，如圖2中的情況3，讓乘員容易夠著的同時保證操作的舒適性。

通過Ramsis軟件模擬分析可知，當肘關節(jié)角度大于137度時，胳膊不舒適得分4.1分，不滿足低于4分的舒適度可接受范圍，且肘關節(jié)角度越大時不舒適得分越高;當肘關節(jié)角度小于105度時，胳膊不舒適得分4.2分，不滿足低于4分的舒適度可接受范圍，同樣，肘關節(jié)角度越小時不舒適得分越高;在此基礎上，模擬分析肘關節(jié)在105度至137度范圍內，胳膊不舒適得分都在4分以內，操作舒適，所以，在操作扶手時，肘關節(jié)建議在105度至137度范圍內。

1.1.2 扶手舒適位置分析

在上章節(jié)已經提到，影響扶手位置的主要是扶手X方向和Z方向位置，假設扶手Z方向不變，調整不同X位置的扶手，運用Ramsis軟件分析乘員使用不舒適度，通過軟件分析可知，扶手相對于人體SgRP點后80mm至前180mm處右胳膊不舒適得分都在4分以內，屬于舒適度可接受范圍，如圖3：

由上，重點分析扶手X方向相對于人體SgRP點后80mm至前180mm處扶手隨高度變化右胳膊不舒適得分情況，根據市場車型調查發(fā)現(xiàn)，扶手相對于人體SgRP點Z方向高度一般在690mm至910mm之間，定義扶手X方向相對于人體SgRP點向后為負，向前為正，Z方向相對于人體SgRP點向上為正，分析扶手X方向相對于人體SgRP點從-80mm到300mm及Z方向扶手相對于人體SgRP點向上從690mm到910mm右胳膊不舒適得分情況，分析結果如下圖4，其中，3分及以下為推薦位置;3-4分為可接受位置;4-5分為需調整位置;5-8分為嚴重設計缺陷，可得到：

1、扶手中心與SgRP點的X方向位置差為L，扶手中心與SgRP點Z方向高度差H，則L與H成反比關系，即扶手離人體SGRP點遠時扶手高度需降低，扶手離人體SgRP點近時扶手高度需提高。

2、扶手高度很大程度由車高決定，不論是SUV還是轎車，扶手X位置均應隨扶手高度增高而靠近SgRP點。

3、扶手距離SgRP點高度不宜過高或過遠，高度大于910mm和X方向大于260mm都不被接受。

4、胳膊舒適區(qū)域可總結為扶手距離人體 SgRP點X方向在-20mm 至 200mm內，扶手距離人體 SGRP 點Z方向在690mm至810mm內。

將表1中分析結果在數據中擬合，可得到后排頂棚扶手的舒適區(qū)域，如圖4中綠色線條內區(qū)域，扶手在此區(qū)域內布置時，其操作舒適性是可以滿足的。

進一步將扶手舒適區(qū)域進行參數化，可得到扶手必須在由 A、B、C、D、E、F 六點連線組成的區(qū)域內，如圖 5 所示，此六點相對于 SgRP 點 的坐標差值如表 2 所示：

綜上，在布置頂棚扶手時，應考慮扶手操作的舒適性，其位置應布置在上述 舒適區(qū)域內。

2? ? 操作空間分析

和汽車上其他操作件一樣，首先，考慮頂棚扶手操作的載體是人體的手，設計過程中需結合手的尺寸進行人機分析，其次，扶手分閉合和打開兩個狀態(tài)，此兩狀態(tài)下的操作空間需根據不同的手部尺寸進行分析，當閉合狀態(tài)時，需要手指前端部分拉開扶手，在逐漸打開的狀態(tài)下，手掌整體握住扶手，至扶手完全打開狀態(tài)時，手部完全緊握扶手，此時需關注手指關節(jié)到頂棚的間隙是否足夠，避免碰手情況。

2.1? 手尺寸分析

參考GB10000-88《中國成年人人體尺寸》，對手部尺寸進行樣本統(tǒng)計，結合頂棚扶手操作的過程，涉及的手部尺寸如圖6所示，人體樣本主要考慮95%男性人體和5%的女性人體，樣本尺寸統(tǒng)計如表3所示：

2.2? 扶手操作空間分析

頂棚扶手操作空間包括三大尺寸，閉合狀態(tài)下扶手到頂棚的間隙L1，扶手抓握尺寸A和打開狀態(tài)下扶手到頂棚的間隙L2，如圖7。

閉合狀態(tài)下扶手到頂棚的間隙L1需滿足手指方便進入，根據樣本統(tǒng)計，95%男性人體手指厚18.1mm，設計中預留1-2mm運動間隙，故L1不能少于20mm。

扶手抓握尺寸A需滿足手掌整體的把握舒適性，根據樣本統(tǒng)計，95%男性人體手掌寬96.2mm，設計中預留前后3-5mm活動空間，故A不能少于100mm。

打開狀態(tài)下扶手到頂棚的間隙L2需滿足手抓握時手關節(jié)不能與頂棚發(fā)生磕碰，根據樣本統(tǒng)計，95%男性人體手指關節(jié)厚32.3mm，另外由于使用扶手時容易晃動，設計中至少預留5-8mm空間，故L2不能少于40mm。

3? ?接觸型面分析

接觸型面主要指頂棚扶手橫截面的握感，扶手型面不能有毛刺或者明顯的分模線，表面細膩，有質感，而且扶手阻尼設計適中，避免操作力過大或者過小。

在扶手的人機設計過程中，還需注意扶手截面尺寸的關系，如圖8，扶手的寬度W和厚度H都不宜過大過小，過大導致扶手抓握不夠，過小影響抓握安全質量，通過標桿調查及主觀評價發(fā)現(xiàn)，扶手的寬度W在25mm至30mm間，扶手的厚度H在17mm至25mm間時，扶手操作性好。

最后，扶手的倒角及弧度應迎合手操作的方向，盡量和手的作用型面接合在一起，提高操作的舒適性。

4? ?主觀評價驗證

上節(jié)從頂棚扶手的位置和操作空間明確了扶手的人機工程設計要求，下面就上述設計要求進行主觀評價設計驗證，抽取以下四輛SUV車型進行評價分析。

從表4可以看到，Tiguan、Ix35、BX3的頂棚扶手都在舒適區(qū)內，BX8高度太高，存在操作不便風險，頂棚扶手位置如圖4-1所示;同樣，Tiguan、Ix35、BX8打開狀態(tài)扶手到頂棚間隙L2都接近40mm的人機要求，BX3的L2只有32mm，存在操作時頂棚磕碰手指關節(jié)的風險。扶手到頂棚間隙L1和扶手可操作尺寸A尺寸大，風險小。

確定主觀評價車輛以后，繼而進行評價內容編制，評價團隊組織，評價過程討論，評價得分分析，結果輸出五大步驟。

需要特別說明的是，主觀評價評分標準如表5所示，標準強調評分非常好和非常差的項目需要具體說明原因，同時在評價打分結束后評價小組共同討論，方便后期評價結果輸出，另外，參與本次主觀評價的團隊除了人機工程師外還有其他專業(yè)系統(tǒng)工程師，采用不同身高不同百分位的人體，讓評價更加接近消費者的感受評估，具體評價過程在此不贅述。

從評價結果可以看到，評價項目第一條，扶手位置的舒適程度，只有BX8存在顧客抱怨的情況，十二名評價者中有五名評價者評價低于5分，總體平均分5.67分也未達到大于6分的可接受水平，評價結果為不滿意。評價者在原因說明處都反饋扶手位置靠前靠上，特別是小百分位的人體，認為手臂伸及角度大，操作不舒服。此評價結果和理論分析吻合，Tiguan、ix35、BX3的頂棚扶手在舒適位置內，評價得分都大于7分，評價結果滿意;BX8后頂棚扶手在舒適位置外，評價得分5.67分，評價結果不滿意，這也驗證了后頂棚扶手舒適區(qū)域的合理性。

評價項目第二條，扶手開啟空間是否充足，四車型整體評分差異不大，評價得分都在7分附近，評價結果滿意評價項目第三條，扶手抓握長度的感受，四車型整體得分最好的一項，這是因為扶手可操作尺寸A都做到了100mm以上，手部抓握空間充足。

評價項目第四條，使用扶手時手背是否有磕碰，Tiguan、ix35、BX8三車型評價得分基本滿意，在使用過程中未發(fā)現(xiàn)磕碰現(xiàn)象，滿足人體操作要求，不過BX3出現(xiàn)了明顯的磕碰現(xiàn)象，十二名評價者中有五名評價者出現(xiàn)了磕碰情況，評價得分低于5分，總體平均分5.75分未達到大于6分的可接受水平。從低分分布可以看到主要是大百分位人體存在上述不良情況，這是因為扶手到頂棚間隙L2尺寸Tiguan、ix35、BX8三車型都接近40mm水平，而BX3只有32mm，出現(xiàn)了磕碰情況。

評價項目第五條，扶手的抓握舒適性評價，四車型評價得分差異小，得分在6.9至7.2之間，評價結果滿意。

5? ? 結? ? 論

后頂棚扶手為后排乘員提供有效的著力點，避免汽車在加速、過彎和顛簸路段時乘員晃動造成的傷害，是汽車的重要操作零部件。扶手設計的關鍵參數指標有三方面：舒適位置、操作空間和接觸型面。

對于后頂棚扶手，其舒適位置在一個特定的位置范圍內，該位置手臂肘關節(jié)一般在105度至137度的舒適范圍內，通過模擬分析，舒適區(qū)域為扶手距離人體 SgRP點X方向在-20mm至200mm內，Z方向在690mm至810mm內，另外，扶手相對于人體SgRP點的高度位置和前后位置成反比關系，也就是說，扶手位置高即要靠近人體，扶手位置低即要遠離人體，

頂棚扶手的操作空間從以下三方面控制，閉合狀態(tài)下扶手到頂棚的間隙L1、扶手抓握尺寸A和打開狀態(tài)下扶手到頂棚的間隙L2，為保證扶手的人機工程優(yōu)化設計，結合手部樣本尺寸調查和標桿車調查分析，L1推薦大于20mm，A推薦大于100mm，L2推薦大于40mm。

頂棚扶手的接觸型面盡量和手的作用型面接合，扶手的寬度W和厚度H匹配設計，扶手的寬度W推薦在25mm至30mm間，扶手的厚度H推薦在17mm至25mm間。

針對上述人機設計要求進行了Tiguan、Ix35、BX3和BX8的主觀評價驗證，主觀評價結果和設計要求吻合，論證了后頂棚扶手人機設計要求的合理性。

汽車的人機工程設計思路和后頂棚扶手的人機工程設計思路一致，都是從“人”的角度出發(fā)，考慮“人”的需求，進行人體操作模擬分析，尋找影響因素，推導設計要求，進行標桿分析，最后實施評價驗證，總結設計要求的過程。

參考文獻：

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