汽車方向盤設計與人機工程學

周鶴 張陽 魯輝 黃太強

摘 要：汽車方向盤是車輛駕駛人在駕駛過程中手部接觸最為頻繁的部件，它的重要性不言而喻。本文簡述了汽車方向盤設計中與人機工程學相關的設計因素，涵蓋了方向盤的尺寸設計、造型設計、方向盤上舒適的操作區域、方向盤多功能按鍵設計（按鍵的大小、操作力和按鍵的背光顏色）、方向盤上裝飾件的設計，希望通過本文的闡述能給方向盤設計人員提供一定的設計參考。

關鍵詞：方向盤；人機工程

中圖分類號：U461.99 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）05-0067-06

Abstract： The steering wheel of a vehicle is the most frequently contacted part of the hand in the driving process， and its importance is self-evident. In this paper， the design factors related to ergonomics in the design of automobile steering wheel are briefly described， including the size design， modeling design， comfortable operating area on the steering wheel， multi-function key design of the steering wheel （the size of the keys）. The operation force and the backlight color of the key， the design of the decoration on the steering wheel， hope to provide a certain design reference to the designer of the steering wheel through the elaboration of this article.

Key Words： steering wheel； ergonomics

1 方向盤工程設計中的人機工程學

1.1 方向盤設計尺寸

在SAE J1100 汽車尺寸中對方向盤尺寸有以下內容，如圖1所示。

對于A*級車：方向盤直徑<450mm

對于B*級車：450mm<方向盤直徑<560mm

（A*級車包含：乘用車、多用途汽車Multi-Purpose Vehicle、運貨車（帶有后部或兩側的門和側窗的，尤其用來運載人的封閉廂式汽車）；B*級車包含：中重卡、公交車）

我們對市面的各級別車型的方向盤尺寸進行測量或搜索相關素材，分析整理出以下尺寸規律，如表1所示：

1.2 方向盤局部造型特點

從表1可以看出，級別高的車型，內部空間也相應寬敞，故方向盤直徑也可以設計的相應大些。對于方向盤局部形狀，還有以下特征：輪緣斷面的形狀并非圓形，實際從我們測量的結果顯示，大部分斷面放大后如圖2所示：

通常的駕駛姿態，一般手握在方向盤9點和3點方向，拇指搭在輪緣上部，其他手指握住輪緣下部，如上圖所示?？紤]到增加接觸面積，進而方便施加操作力，同時增加操作手感，故手指接觸部位輪緣的弧度較小。

輪緣處的造型還有如下一個特點：在方向盤大約9點和3點的位置分別有一處突起的造型，該造型在增大摩擦面積的同時，也為拇指提供一個休息的平臺，增加操作舒適性，請看下面圖3不同車系的示例（圖中圓圈處）：

圖4是利用軟件模擬的情形，此處造型的設計要考慮到組合儀表的可視性，避免造成不必要的遮擋。

為增加方向盤人機操作的舒適度及手感，輪緣下部還有以下局部細節特征，如圖5所示：

從圖5清晰可見輪緣下部有類似波浪式的高低造型特征，模擬了手指握住輪緣時自然形成的形狀而進行的細節設計。

1.3 方向盤舒適操作區域

前面兩個小節中研究了方向盤的設計尺寸及局部的造型細節特征，本節主要研究方向盤舒適操作的區域，即方向盤上開關按鍵等功能件的布置區域，此類功能件的操作一般情況下是大拇指第一指關節進行。目前正在執行的人體尺寸標準（GB 10000、ISO 3411），并沒有對拇指關節的尺寸進行說明，我們搜集一些外文資料，其中《THE MEASURE OF MAN & WOWAN——HUMAN FACTORS IN DESIGN》中有類似的說明，我們通過尺寸的轉化，得到以下尺寸關系，如圖6所示：

模擬在方向盤上的位置關系，通過換算得出L的尺寸（根據人體尺寸的不同，有5%，50%，95%三個百分位尺寸，根據性別不同，有男女兩種，共有6組尺寸）如圖7所示：

從上表中的男女尺寸推算結果來看：最大值48mm，最小值32mm，故開關、按鍵的布置位置和方向盤輪緣中心線的距離如圖8所示：

由于正常駕駛過程中手握方向盤的位置不同，故開關、按鍵的布置位置還要考慮其在方向盤上的角度區域。如果把方向盤看成一個鐘表，手抓握方向盤位置好比不同的時間點，那么比較常見的抓握位置有（見下圖紅色字體）：10點→2點、9點→3點（或9點15分）、8點→4點、7點→5點，這些位置會隨著駕駛時間、駕駛習慣、駕駛路況的不同而交替出現。其中10點→2點這種抓握方式長時間駕駛會產生疲勞，且當發生事故，氣囊彈出不會造成二次傷害車禍氣囊彈出時，力量是非常大的，駕駛員的手很容易被氣囊彈到駕駛者的臉部，而造成二次損傷），此抓握的優點是緊急連續轉彎的情況下便于操作，反應迅速。當手的抓握位置低于9點→3點時，相對于10點→2點優勢在于發生事故氣囊彈出時雙手會被分向身體兩側，臉部受到手的傷害幾乎沒有，但9點→3點和8點→4點同樣存在長時間駕駛疲勞問題，因為手臂不是自然下垂的姿態。長時間駕駛最為舒適的是7點→5點的抓握，因此時雙手自然彎曲，雙臂自然下垂，但在急速連續轉彎情況下不如10點→2點實用。

綜合以上兩圖，考慮開關、按鍵與方向盤輪緣的中心位置及手抓握位置，我們得出方向盤上按鍵布置的推薦位置，如圖9所示。

2 方向盤多功能按鍵及人機工程學

2.1 方向盤多功能按鍵介紹

多功能方向盤是指在方向盤兩側或者下方設置一些功能鍵，駕駛員可以直接在方向盤上操控車內很多的電子設備，不需要在控臺上去尋找各類按鈕，可以更專心的注視前方，大大提高行車的安全性。多功能方向盤包括音響控制、空調調節、車載電話、定速巡航鍵等等，這些功能鍵的布置要考慮誤操作的情況，即便被誤操作也不會對行車安全帶來大的影響。

2.2 方向盤多功能按鍵操作力

上面介紹了方向盤上的多功能按鍵，對于按鍵的操作力，因是手指單獨操作，通過對競品分析及人體生理特性的研究，多功能按鍵推薦為2N～5N之間。

2.3 方向盤多功能按鍵字符大小

2.4 方向盤多功能按鍵背光顏色

首先要考慮到色覺原理進行顏色的搭配，不同顏色的搭配時的配色效果如表2所示，對于按鍵的背光的顏色，從表2可見，夜間背景為黑色，故按鍵的背光多以白色和黃色為主。

3 方向盤造型設計中的人機工程學

目前方向盤的形狀大致可分為三種：圓形、方形、異形。其中圓形方向盤是目前使用最為普遍的造型，因為圓形的方向盤駕駛人在進行操作時可保證動作的連續性，自然方便的操作模式使駕駛人對其有較高的接受度，如圖10所示：

某些運動車型為了使駕駛人獲得較好的腿部側向支撐力，即良好的座椅包覆感，而將座椅兩側設計的較大，此時方向盤下緣為平直的形狀，即可獲得較好的腿部空間，同時方便駕駛人進出座椅。這種下緣平直的方向盤依然屬于圓形方向盤，如圖11所示。

方形方向盤多在F1賽車中出現，因在駕駛賽車時，賽車手雙手無需離開方向盤，只需左右各轉動半圈就可以完成從左死點到右死點的完整轉向，因此方形方向盤不會影響操作的延續性；賽車空間狹小，方形的方向盤相對于圓形能節省部分空間，也可方便賽車手進出駕駛室，如圖12所示：

除了普通乘用車的圓形方向盤與賽車出現的方形方向盤外，很多概念車上出現了異形方向盤，甚至采用模擬飛機操作桿等其他方式來實現對行駛方向的控制。很多概念車的控制方式和體驗感受與標準乘用車方向盤都有很大的不同，而考慮到汽車行業的法規政策與人們的駕駛習慣，在短時間內很難見到其在量產車上推廣的可能性，如下圖13所示：

4 方向盤裝飾與人機工程學

隨著私家車的普及，消費者對車輛的個性化、內飾的裝飾性也越加關注，方向盤上的裝飾性也被各主機廠給予重視。圖14是某款合資品牌方向盤喇叭蓋上配備了氛圍燈，這些氛圍燈的顏色注重把握內飾整體搭配，講究協調、淡雅、富有親切感，盡量以不張揚的色系為主。

有的車型在方向盤輪輻或者喇叭蓋周邊采用亮飾裝飾，不管采用的是那種工藝，此處的亮飾裝飾均建議進行消光處理，因為外界的光線照射到這些裝飾件后產生反射，如果這些反射線進入人眼，會對安全駕駛產生隱患，即便不會產生眩目現象，過多的高光裝飾會分散駕駛員的注意力，同樣會產生安全隱患，如圖15所示：

理論校核方向盤上的裝飾件是否會眩目，我們采用99%眼橢圓，利用光學入射、反射原理，當外界的光線照射在方向盤裝飾件上，經過其產生的反射線與99%眼橢圓的眼橢圓間距至少要達到50mm，這樣是較為安全的校核值，如圖16所示：

參考文獻：

[1]毛恩榮，張紅，宋正河。車輛人機工程學，北京理工大學出版社，2007.2.

[2]譚浩，譚征宇。汽車人機交互界面設計，電子工業出版社，2015.1.

[3]Vivek D. Bhise著，李惠彬，劉亞茹等譯。汽車設計中的人機工程學，機械工業出版社，2013.12.

[4]Jay Anning and Rebecca Wellers。THE MEASURE OF MAN & WOWAN——HUMAN FACTORS IN DESIGN，by John Wiley & Sons，New York.

[5]王愛紅。人機工程學，兵器工業出版社，2011.8.