陳青陽，吳志軍，那成愛

（湖南科技大學(xué) 湖南省中小型機(jī)電產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)中心，湖南 湘潭 411201）

0 引 言

操作的舒適性是大型工程車操作過程中的一個重要性能指標(biāo)，它決定著駕駛員在工作中的身心疲勞程度、工作效率、舒心及愉悅程度。因此，使駕駛員在操作工程車輛時簡便、省力和高效是駕駛室設(shè)計(jì)中面臨的重要問題。在大型工程車的操縱工作及行駛時，如果要使駕駛員能舒適方便地進(jìn)行方向盤和其他設(shè)備機(jī)構(gòu)的操作，則需要駕駛員能保持在一個上半身放松且不用刻意往前傾的前提狀態(tài)下。駕駛室內(nèi)駕駛員在操作過程中，一般都是以固定坐姿的方式進(jìn)行，在這一過程中，H 點(diǎn)具有相對穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)過程中，以H 點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，通過駕駛員操作動作的分析，確定座椅、方向盤、腳踏板、手操縱桿等操作裝置的位置、角度和布置范圍，以支持符合人機(jī)關(guān)系的駕駛室設(shè)計(jì)。

1 H 點(diǎn)的基本概念與內(nèi)涵

圖1 H 點(diǎn)的位置

在人體模型二維或三維的樣板中，能夠連接大腿中心線與人體軀干線的點(diǎn)，稱之為胯點(diǎn)（Hip Point），即H 點(diǎn)（如圖1 所示）。H 點(diǎn)經(jīng)常在人機(jī)關(guān)系設(shè)計(jì)中作為定位的基準(zhǔn)點(diǎn)，在駕駛室的設(shè)計(jì)中，通常應(yīng)用H 點(diǎn)來輔助確定方向盤、腳踏板、手操縱桿等的位置和方向。然而H 點(diǎn)的定義，會因?qū)嶋H使用環(huán)境及具體設(shè)計(jì)問題的狀態(tài)不同而有所偏差。

根據(jù)H 點(diǎn)的定義，將H 點(diǎn)人體三維模型置于實(shí)際的車輛座椅中模擬實(shí)驗(yàn)時，會出現(xiàn)左右兩個H 點(diǎn)在人體模型上。實(shí)際的H 點(diǎn)是指左右兩個H 點(diǎn)連接線段的中點(diǎn)。在駕駛室的整體布置設(shè)計(jì)中，考慮到座椅位置可以前后調(diào)節(jié)，動態(tài)變化，同時，又考慮到實(shí)際駕駛者身高的不同，因此，設(shè)計(jì)中H 點(diǎn)的取值原則將根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的要求進(jìn)行，即：將第95 百分位的男子人體模型在最后位置時的胯點(diǎn)為最后位置設(shè)計(jì)H 點(diǎn)；將第5 百分位的女子人體模型在最前位置時的胯點(diǎn)為最前設(shè)計(jì)H 點(diǎn)［1］。

2 基于H 點(diǎn)的操作裝置設(shè)計(jì)

人體的H 點(diǎn)決定了工程車駕駛室布置的設(shè)計(jì)，駕駛員的坐姿舒適度、操縱方便度及工作安全度都與H 點(diǎn)的位置息息相關(guān)。H 點(diǎn)位置直接影響到座椅、方向盤、腳踏板、手柄等的布置與設(shè)計(jì)。

2.1 座椅設(shè)計(jì)

能滿足于各人體的坐姿尺寸、人體骨骼形態(tài)、人體受力的特征及要求，是座椅設(shè)計(jì)的基本原則。由于支撐受力小的區(qū)域的形成，使得脊椎受力和臀部受力的特點(diǎn)與座椅的開背面和椅面的形狀是相統(tǒng)一的。人體舒適坐姿的各部分的尺寸及角度是設(shè)計(jì)座椅尺寸時必須考慮的因素。

在座椅的輔助設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)駕駛員上肢的使用狀態(tài)進(jìn)行分析，如果上肢活動不頻繁時，可以考慮給座椅添加一個扶手。扶手具有支撐的作用，能夠?qū)⑸现筒糠稚仙碥|干的重量支撐起來，從而減少操作時臀部和腰部

的負(fù)擔(dān)。相反，如果上肢活動頻繁，則不適合添加扶手，以免限制操作者在工作空間內(nèi)的自由活動。便于收納和調(diào)節(jié)是扶手設(shè)計(jì)應(yīng)該注意的地方［2］。駕駛員是在一個相對處于震動的環(huán)境中來進(jìn)行操作作業(yè)的。因此，可以通過優(yōu)化座椅的設(shè)計(jì)來減少震動感帶來的不適應(yīng)性。

2.2 方向盤設(shè)計(jì)

圖2 上肢與H 點(diǎn)的關(guān)系示意圖

在駕駛室中，方向盤的位置將影響駕駛員駕駛時的操作便捷性與舒適性，但是在現(xiàn)有的分析理論與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，對方向盤的種種設(shè)計(jì)都沒有一個明確的相關(guān)規(guī)定，只是在上肢的操作區(qū)域內(nèi)大致規(guī)劃了一個較為舒適的范圍，然后將方向盤安置在這個區(qū)域范圍之內(nèi)。駕駛員在自然的坐姿下，即H 點(diǎn)已確定的情況下，手、胳膊的位置及作業(yè)時的角度和方向盤傾斜的角度、位置及直徑大小的關(guān)系示意圖如圖2 所示。

從圖2 可知，在正常駕駛姿勢下，駕駛員坐在座椅上并手握方向盤時，方向盤的中心位置與H 點(diǎn)之間的相對位置需要滿足一定的幾何關(guān)系，才能滿足人體上肢在操作時的舒適性。

同樣，駕駛員在操作時需要保證上肢在一定舒適的范圍內(nèi)，處于這一范圍內(nèi)的上肢活動均為滿足于人體的舒適性，則可把這個范圍稱作為上肢舒適性的H 域。參考人機(jī)工程學(xué)理論和數(shù)據(jù)［3］，駕駛員在坐姿狀態(tài)下，上肢作業(yè)時的理想角度及其與H 點(diǎn)之間的關(guān)系范圍如圖3 所示。即手與前臂之間的腕關(guān)節(jié)所形成的角度應(yīng)在170°～190°之間，前臂與大臂之間的肘關(guān)節(jié)所形成的角度應(yīng)在80°～170°之間，大臂與上體之間的肩關(guān)節(jié)所形成的角度應(yīng)在0°～50°之間。

圖3 基于H 點(diǎn)的上肢作業(yè)時理想角度

駕駛員施加到方向盤上的力度與方向盤的傾斜角之間有很大的關(guān)系，經(jīng)資料顯示［4］，方向盤的安裝角度α 越平緩，駕駛員可能施加的力越大，方向盤的安裝角通常選在15°～70°，如圖4 所示。不宜選在水平和垂直兩個位置，這兩個位置都不能滿足人的操作。由工程車工作的特點(diǎn)、坐姿的舒適性，選取安裝角為70°較為適宜。

能否改善駕駛員操作方向盤的姿勢和降低操縱力的大小，從而使駕駛員的疲勞程度降低，這與是否選擇了適合的方向盤直徑有著密切的關(guān)系。方向盤的直徑越大，操作作業(yè)時所需的力也就越大，一般來說，在方向盤設(shè)計(jì)時直徑的取值范圍在140～630 mm 之間。大型工程車需要有較大的操縱力，在現(xiàn)有的方向盤直徑取值范圍內(nèi)取420 mm 就能滿足其操作的需求。再根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的要求［5］，輪緣的直徑取25 mm左右。

圖4 隨方向盤傾斜角度變化的曲線示意圖

2.3 腳踏板設(shè)計(jì)

在駕駛操作時，為了盡可能地使駕駛員容易發(fā)力，從而減少腿部和腳的疲勞程度，應(yīng)該仔細(xì)考慮車輛的腳踏板位置、傾斜角度的設(shè)計(jì)，分析腳的踏力規(guī)律。

在腳踏板設(shè)計(jì)中，地面與腳踏板會形成一個夾角，這個角影響著駕駛員操作時控制腳踏板的運(yùn)用能力。然后這個角度應(yīng)該需要符合駕駛員的關(guān)節(jié)舒適性的要求及用力的特點(diǎn)，才能算是一個成功的踏板設(shè)計(jì)。然而腳踏板傾斜角度是根據(jù)H 點(diǎn)的確定來確定范圍的，依據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論表明［6］，如圖5 所示，在H 點(diǎn)確定之后，根據(jù)人體的特征不同，腳踏板有一定的活動角度范圍。即腳踏板與地面之間所形成的角度應(yīng)在40°～70°之間，腳踏板與小腿之間所形成的角度應(yīng)在78°～105°之間，小腿與大腿之間所形成的角度應(yīng)在95°～135°之間，大腿與H 點(diǎn)之間所形成的角度應(yīng)在12°～25°之間。

坐姿在自然作業(yè)時，腳的踏力規(guī)律如圖6 所示［7］。各方向的踏力可以通過外圍線觀察出來，由此圖可以得出最省力的方向夾角為70°的位置。然而踏力角度和腳踏板的位置布局有著密切的關(guān)系。在踏板位置為人體中心線左右兩側(cè)各15°角的范圍之內(nèi)，則需要相對較大的踏力。

圖5 腳踏板傾角范圍示意圖

3 結(jié) 論

基于H 點(diǎn)的位置，對大型工程車駕駛室的操作裝置的布局設(shè)計(jì)進(jìn)行了有益的探究。在“以人為本”的思想前提下，把實(shí)現(xiàn)安全、高效、便捷、舒適的操作方式作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。在揭示H 點(diǎn)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，從位置、角度、大小三個方面，對大型工程車輛駕駛室的座椅、方向盤、腳踏板等三個主要操作裝置的布局設(shè)計(jì)規(guī)律和與H 點(diǎn)的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)探討。研究結(jié)論為工程車輛駕駛室的人性化設(shè)計(jì)提供了有效的參考。

圖6 踏力分布圖

［1］ SAE J826-2002 H-Point Machine and Design Tool Procedures and Specifications［S］.

［2］ 衛(wèi)良保，素蕊.叉車座椅舒適性實(shí)驗(yàn)分析［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，1996（9）：11-15.

［3］ 呂志強(qiáng).人機(jī)工程學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［4］ 朱燕輝.裝載機(jī)駕駛室人機(jī)界面設(shè)計(jì)研究［D］.福州：福州大學(xué)，2006.

［5］ 劉金秋.人機(jī)工程在汽車駕駛室設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［J］.汽車技術(shù)，1989（2）：4-10.

［6］ 丁玉蘭.人機(jī)工程學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

［7］ JBT 10902-2008 工程機(jī)械司機(jī)室［S］.