基于人機(jī)工程學(xué)的中重型卡車變速操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張榮瑾

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于人機(jī)工程學(xué)的中重型卡車變速操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張榮瑾

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

本文闡述了中重型卡車變速操縱系統(tǒng)人機(jī)工程運(yùn)用的重要性，并對(duì)系統(tǒng)從人機(jī)工程學(xué)的布置、設(shè)計(jì)計(jì)算及影響因素、力傳動(dòng)比、靜態(tài)換擋力及測(cè)算方法、力傳遞的機(jī)械效率等進(jìn)行分析，介紹了變速系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題，并對(duì)系統(tǒng)的人機(jī)工程方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，以提高整車的操控方便性和操縱輕便性。

中重型卡車；人機(jī)工程；變速操縱；設(shè)計(jì)

CLC NO.:U463.22Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)06-24-06

1、概述

我國(guó)的中重型卡車技術(shù)堅(jiān)持技術(shù)引進(jìn)和自主開發(fā)相結(jié)合的方針發(fā)展到今天，已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。隨著中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，特別是近幾年物流、房地產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)重型卡車的操控性、舒適性和安全性等方面提出了更高的要求，變速操縱的舒適性和可靠性已成為人們對(duì)卡車評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)。

中重型卡車將會(huì)圍繞創(chuàng)新、節(jié)能以及市場(chǎng)需求，加大對(duì)節(jié)能減排、輕量化產(chǎn)品的研發(fā)，在產(chǎn)品人性化設(shè)計(jì)方面，充分運(yùn)用人體工程學(xué)理論指導(dǎo)產(chǎn)品開發(fā)，駕駛室空間更大、內(nèi)飾設(shè)計(jì)更符合人體工程學(xué)，使長(zhǎng)途駕駛者和旅行者感覺很舒適，加之80后、90后新生代用戶逐漸成為商用車用戶的主體，而這一批用戶對(duì)新生事物的接收程度要遠(yuǎn)高于前輩，并且對(duì)產(chǎn)品的外觀、品牌、時(shí)尚等相關(guān)性質(zhì)更加重視，這些需求將更為國(guó)內(nèi)各家商用車產(chǎn)品的開發(fā)所重視。

在中重型載貨、牽引和工程車上，由于搭載的是機(jī)械式變速器，在車輛行駛過程中，選換擋頻繁，因此選換擋的舒適性顯得很重要，主要通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)來改善變速操縱系統(tǒng)。

2、變速操縱系統(tǒng)在人機(jī)工程學(xué)的布置

2.1 布置要素

在選換擋操作中，駕駛員直接用手接觸的是手柄球，因此，對(duì)駕駛員來說變速操縱的舒適性影響方面主要有：

1) 選換擋操縱力。手的力直接作用于手柄球，所謂整車的選換擋力其實(shí)就是直接作用于手柄球上的力，這個(gè)力的大小對(duì)駕駛員疲勞程度有著至關(guān)重要的影響。

2) 手柄球的布置位置。手柄球的位置決定駕駛員操作過程中上肢的伸展程度，伸展程度太短，上肢伸展不開；伸展程度過長(zhǎng)，容易造成疲勞。

3) 選換擋行程。選換擋行程是在進(jìn)行選換擋過程中手柄球的擺動(dòng)量。

4) 換擋擋位數(shù)順序。中重型卡車主要有6擋、8擋、10擋、12擋等多種變速器，換擋手柄上的擋位順序也不相同。為了適應(yīng)駕駛習(xí)慣和統(tǒng)一性，就要求擋位指示按照國(guó)際擋位指示，以使駕駛員在操作過程中得心應(yīng)手。

改善整車變速操縱系統(tǒng)，需著重從以上4個(gè)方面著手。

2.2 變速操縱桿的布置

根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的要求，變速操縱桿布置在以座椅中心線離靠背100 mm處為圓心（R點(diǎn)）、以600 mm為半徑所畫圓的范圍內(nèi)，并要求變速手柄球所有工作位置應(yīng)位于方向盤下面和駕駛員座椅右邊，不低于坐墊表面(圖1)，距靠背表面的距離不小于100 mm，變速操縱桿和駐車制動(dòng)的手柄在任意位置時(shí)，距駕駛室內(nèi)其他零件或操縱桿的距離不得小于50 mm 。如圖1所示。

3、變速操縱系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計(jì)算

3.1 操縱力的計(jì)算

以重卡工程車匹配機(jī)械式10擋變速器為例，對(duì)操縱力進(jìn)行計(jì)算。

1) 手柄球操縱力。換擋手柄操縱力影響駕駛員的手感，最優(yōu)的操縱力使駕駛員在選擋及換擋時(shí)能明顯感覺到擋位，同時(shí)操縱輕便。一般變速桿的最優(yōu)操縱力為20N～140N ，由于重型車的負(fù)載比較大，最優(yōu)操縱力應(yīng)確定在70N～90 N。

2) 靜態(tài)換擋力。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，中型車變速器的靜態(tài)換擋力≤500 N、重型車≤620 N。靜態(tài)換擋力、力傳動(dòng)比與手柄操縱力有如下關(guān)系：

3) 力傳動(dòng)比。根據(jù)換擋力和變速器的靜態(tài)換擋力，由上式就可以確定力傳動(dòng)比。η效是力在傳動(dòng)過程中的機(jī)械效率，在變速操縱中，駕駛員作用于手柄的力，并沒有全部用于克服變速器的換擋力，存在部分甚至大部分通過物件的變形、熱量、聲音、摩擦等能量形式被白白地耗散掉的問題，即駕駛員作用于手柄的力， 除去用于克服變速器的換擋力后所剩余的力，也就是常說的耗散力或力在傳遞過程中造成的機(jī)械效率損失。一般在計(jì)算過程中可以按80%進(jìn)行計(jì)算，并且此力也可以通過試驗(yàn)方法測(cè)得。

4) 實(shí)例計(jì)算。人手在換擋過程中所克服的是兩個(gè)力：一個(gè)為變速器的換擋力，一個(gè)為選擋力。擬定換擋力為80N，機(jī)械效率為=80%，由變速器換擋試驗(yàn)得到靜態(tài)換擋力范圍379～394N，取其中間值386，則可以確定換擋傳動(dòng)比為=386／(80×80 %)=6.03。擬定選擋力為40 N，機(jī)械效率為 =80%，由變速器選擋試驗(yàn)得到靜態(tài)選擋力范圍90～120N，取其中間值105 N，可以確定選擋傳動(dòng)比 =105／(40×80%)=3.28。

5) 機(jī)械效率損失力的估算方法。除去變速器上換擋機(jī)構(gòu)引起的效率損失，可以在換擋手柄處與換擋拉線尾部，也就是與變速器連接的部位分別放上測(cè)力器進(jìn)行測(cè)量，可以確定部分損失的力。換擋拉線尾部必須模擬安裝在變速器上的方式進(jìn)行，否則測(cè)量結(jié)果與實(shí)際可能相差很大。

6) 變速器靜態(tài)換擋力的測(cè)量方法。將變速器安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，于輸入軸處連接相應(yīng)的離合器從動(dòng)盤總成或相當(dāng)?shù)膽T量盤；變速器內(nèi)加入規(guī)定的油品油量。在輸入軸轉(zhuǎn)速相應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速50%的工況下進(jìn)行100次掛擋磨合；選用適當(dāng)量程之測(cè)力計(jì)并使測(cè)力方向與掛擋力作用方向一致，在變速器輸入軸與輸出軸均靜止的狀態(tài)下各擋位反復(fù)掛擋3次；取3次掛擋時(shí)測(cè)出的力的計(jì)算平均值為該擋靜態(tài)掛擋力 ，下表為12擋變速箱所測(cè)的靜態(tài)換擋力數(shù)據(jù)。

表1 12擋變速器手柄球端靜態(tài)換擋力

3.2 操縱行程的計(jì)算

變速器換擋操縱有兩個(gè)動(dòng)作，即選擋(左右橫向操縱)和掛擋(前后縱向操縱)。它們的行程應(yīng)控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。變速器操縱系統(tǒng)如圖2所示。

3.2.1 選擋行程計(jì)算

選擋路線：變速箱選擋搖臂--選換擋軟軸固定支架--變速箱選擋軟軸總成--換擋器---操縱桿---手柄球

經(jīng)上述計(jì)算，純軟軸換擋器的選擋杠桿比為

i1=3.5

選擋搖臂的旋轉(zhuǎn)半徑為R1=80mm

根據(jù)擋位指示，操縱桿處于倒擋時(shí)，選擋搖臂最大旋轉(zhuǎn)角度為α=7.5°

選擋搖臂的最大行程L1=2×80×sin3.75° =10.47mm

操縱桿預(yù)選閥的選擋最大行程L=i1×L1=3.5× 10.47=36.7mm

考慮到軟軸傳遞效率η1=80%、換擋器效率η2=90%、軟軸布置效率η3=95%，

計(jì)算得出選擋最大行程Lˊ=L/(η1×η2×η3)=53.7mm

3.2.2 換擋行程計(jì)算

換擋路線：

變速箱換擋搖臂--選換擋軟軸固定支架--變速箱換擋軟軸總成--換擋器---操縱桿---手柄球

經(jīng)上述計(jì)算，純軟軸換擋器的換擋杠桿比為i2=5.05

換擋搖臂的旋轉(zhuǎn)半徑為R2=100mm。

換擋搖臂的最大旋轉(zhuǎn)角度為β=10.4°

換擋搖臂的最大行程L2=2×100×sin5.2° =18.13mm

操縱桿預(yù)選閥的換擋最大行程L=i2×L2=5.05× 18.13=91.6mm

考慮到軟軸傳遞效率η1=80%、換擋器效率η2=90%、軟軸布置效率η3=95%，

計(jì)算得出換擋最大行程Lˊ=L/(η1×η2×η3) =133.9mm

4、設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

4.1 降低機(jī)械效率損失

在變速操縱系統(tǒng)中，駕駛員作用于手柄的力并沒有全部用于克服變速器的選換擋力，而是部分甚至大部分通過物件的變形、熱量、聲音、摩擦等能量形式被白白地耗散掉，也就是說，存在機(jī)械效率損失。這個(gè)損失通常表現(xiàn)在桿件與支承的摩擦、支承及桿件的變形、防塵套的變形、傳遞中角度損失、軟軸與軸套的摩擦等，屬于有害阻力。

改善變速操縱機(jī)構(gòu)除按以上需用合適的傳動(dòng)比和變速器外，還應(yīng)考慮提高機(jī)械傳遞效率，降低耗散力。選換擋拉索也就是軟軸應(yīng)盡量采用直線形式，避免拐彎，即使需要采取拐彎形式時(shí)也要采用盡可能大的圓弧走向，避免打死彎。另外，換擋器、軟軸等產(chǎn)品內(nèi)一般都有內(nèi)潤(rùn)滑，在選用時(shí)盡量采用質(zhì)量較好、能保持相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間潤(rùn)滑性能的產(chǎn)品。4.2 變速操縱系統(tǒng)的輕便性優(yōu)化

根據(jù)計(jì)算公式可知，在不改變變速操縱機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，力和行程大小與軟軸效率η1、換擋器總成效率η2 、軟軸布置效率η3強(qiáng)相關(guān)，所以要提高換擋輕便性，要從提高軟軸效率、換擋器總成效率、軟軸布置以及優(yōu)化軟軸固定支架設(shè)計(jì)入手。

1）對(duì)換擋器總成的選擋搖臂增加5mm，選擋杠桿比由3.5減小為3.27，相應(yīng)的手柄球端的最大選擋行程由104.8mm減小到97.8mm，避免手柄球與方向盤干涉；另?yè)Q擋器總關(guān)節(jié)軸承成采用自潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，降低在選換擋過程中的阻力，使系統(tǒng)選換擋操縱輕便；優(yōu)化表面處理工藝，采用達(dá)克羅處理，增強(qiáng)耐腐蝕性；同時(shí)對(duì)軟軸固定座的開孔進(jìn)行擴(kuò)大，減輕了總成的重量；通過優(yōu)化鎖緊螺栓裝配工藝，提高強(qiáng)度，可靠性臺(tái)架試驗(yàn)前進(jìn)擋循環(huán)次數(shù)可達(dá)40萬次；

2）選換擋軟軸是機(jī)構(gòu)中操縱力和行程的傳遞介質(zhì)，軟軸由扁絲結(jié)構(gòu)優(yōu)化為尼龍花鍵潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，花鍵型表面有溝槽，可以存留更多的潤(rùn)滑脂，使選換擋阻力小，行程效率由80%提高到85%，負(fù)載效率由80%提高到84%；對(duì)軟軸球頭總成進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，由半包式改為全包式，避免球頭內(nèi)進(jìn)入雜質(zhì)引起的功能失效和性能減退；軟軸的工作極限溫度范圍是-40℃至120℃，在通過增壓器下端時(shí)，軟軸隔熱護(hù)套的材料進(jìn)行優(yōu)化（鋁箔和玻璃纖維覆合而成），并將其長(zhǎng)度由500mm增加至1000mm，有效避開地避開增壓器熱源；

3）軟軸布置方面，優(yōu)化前軟軸從駕駛室翻轉(zhuǎn)軸前面繞過，彎曲半徑約為290mm，優(yōu)化后軟軸從駕駛室翻轉(zhuǎn)軸后面布置，彎曲半徑約為310mm，并且可以縮短軟軸長(zhǎng)度40mm；

4）優(yōu)化軟軸固定支架結(jié)構(gòu)（拼焊件改為鑄件），CAE分析結(jié)果如圖8和圖9所示。選換擋軟軸固定支架的材料由Q235改為ZGD270-500，加載情況：換擋加載推力為800N，選擋加載拉力為700N，從圖中可以看出，整改后應(yīng)力值由315Mpa降為212Mpa，位移值由1.4mm降為1.1mm。

經(jīng)過以上優(yōu)化處理，所有力和行程指標(biāo)均已達(dá)標(biāo)，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，安全系數(shù)高。

4.3 評(píng)價(jià)方法

評(píng)價(jià)變速操縱系統(tǒng)的輕便性現(xiàn)在尚未定量化，人員主觀意識(shí)比較強(qiáng)。因此，評(píng)價(jià)變速操縱系統(tǒng)時(shí)，需要選取較多的人進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取有豐富評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)的適中、偏高、偏矮、偏胖、偏瘦的人員參加，對(duì)整車在各種工況下進(jìn)行實(shí)際操作，并要求他們對(duì)此車的變速操縱系統(tǒng)提出各自的看法，形成記錄。在評(píng)價(jià)過程中，可能會(huì)眾口難調(diào)，可以針對(duì)大多數(shù)人反映都比較強(qiáng)烈的問題進(jìn)行優(yōu)化整合，以使變速操縱系統(tǒng)達(dá)到更合理的設(shè)計(jì)。針對(duì)人機(jī)工程方面主要的評(píng)價(jià)點(diǎn)如下：

4.2.1 選擋及換擋極限位置是否與副儀表板，茶杯支架，駐車制動(dòng)閥、坐椅等干涉或距離太近易擱手；

4.2.2 感覺換擋手柄各極限位置高低遠(yuǎn)近是否很不合適；

4.2.3 反復(fù)操縱后感受球頭握感是否良好，不產(chǎn)生疲勞以及不舒服感。

5、結(jié)束語

本文通過對(duì)影響因素的探討，在不增加成本或增加小部分成本的基礎(chǔ)上，可以通過以下措施改善變速操縱系統(tǒng)的輕便性：

5.1 在設(shè)計(jì)之初就必須考慮人機(jī)工程學(xué)的原理，使各部件方便駕駛員操作，體現(xiàn)布局人性化；

5.2 選擇性價(jià)比好的產(chǎn)品，降低操縱力在傳遞過程中的機(jī)械損失；

5.3 合理布局軟軸等各部件，避免在系統(tǒng)中產(chǎn)生死彎或彎太多的現(xiàn)象；

5.4 對(duì)于桿式傳動(dòng)，則要避免出現(xiàn)大角度的傳動(dòng)，否則會(huì)產(chǎn)生較大比例的無用分力；

5.5 在許可的情況下，盡量加大換擋器的傳動(dòng)比，如通過加長(zhǎng)操縱桿的長(zhǎng)度增大傳動(dòng)比等；

5.6 選擇變速器時(shí)，一要看級(jí)差是否太大，二是要看靜態(tài)換擋、選擋力的大小；

5.7 設(shè)計(jì)過程中也要考慮結(jié)構(gòu)上容易保養(yǎng)維護(hù)，空間上容易拆裝、調(diào)整。

[1] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[3] 周一鳴，毛恩榮．車輛人機(jī)工程學(xué)【M】．北京：北京理工大學(xué)出版社，1999．

三星推出概念智能自行車 帶攝像頭能連W i-Fi

Samsung introduced the concept of intelligent bike w ith a camera can be connected to W i-Fi

三星現(xiàn)在除了涉足智能可穿戴設(shè)備、智能家電和智能燈泡領(lǐng)域之外，現(xiàn)在又推出了新的智能產(chǎn)品。在上周的米蘭設(shè)計(jì)展上，三星展出了可與智能手機(jī)“互動(dòng)”的智能自行車。這款自行車的設(shè)計(jì)者，是由來自意大利的GiovanniPelizzoli(車架設(shè)計(jì)專家)和AliceBiotti(學(xué)生)設(shè)計(jì)。這款產(chǎn)品通過SamsungMaestrosAcademy這個(gè)線上平臺(tái)，而新人Boitti通過這個(gè)平臺(tái)得到了行業(yè)大師Pelizzoli的幫助。

這輛智能自行車的鋁制車架采用曲管，以便吸收在顛簸路上騎行時(shí)產(chǎn)生的一些震動(dòng)。坐墊的后面是一個(gè)車尾攝像頭，可以將視頻流實(shí)時(shí)傳送到安裝在車把手上的三星智能手機(jī)。車架還集成了4個(gè)激光發(fā)射器，當(dāng)用戶騎行時(shí)，它們能夠在自行車的兩旁投射出自行車道。它們還會(huì)在環(huán)境光減弱時(shí)(通過智能手機(jī)檢測(cè))自動(dòng)開啟，以便提醒前后方來車。。此外，手機(jī)上的應(yīng)用使用GPS標(biāo)記騎自行車者通常走的路線。應(yīng)用可以把這些路線提交給城市官員，建議城市官員增加官方指定的自行車道。

Design on Gear-shift Operation System for heavy truck based on Hum an Engineering

Zhang Rongjin
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601）

This paper presents the mechanism and advantage of human engineering in heavy truck，analyze some factors affecting the gear-shift operation system such as human engineering layout，design and calculation，force transmission ratio，static shifting force，machine eficiency etc.This paper detailedly introduces trouble to system，and evaluating human engineering of system ，to increasing operation convenience and manage lightly of heavy truck.

heavy truck；human engineering；gear-shift operation；design

U463.22

A

1671-7988(2014)06-24-06

張榮瑾，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。