基于H 點(diǎn)的大型工程車輛駕駛室操作裝置的布局設(shè)計(jì)

陳青陽(yáng)，吳志軍，那成愛(ài)

（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(guò)程中的一個(gè)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(shí)簡(jiǎn)便、省力和高效是駕駛室設(shè)計(jì)中面臨的重要問(wèn)題。在大型工程車的操縱工作及行駛時(shí)，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(gè)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(guò)程中，一般都是以固定坐姿的方式進(jìn)行，在這一過(guò)程中，H 點(diǎn)具有相對(duì)穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，以H 點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，通過(guò)駕駛員操作動(dòng)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(lái)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(huì)因?qū)嶋H使用環(huán)境及具體設(shè)計(jì)問(wèn)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(shí)，會(huì)出現(xiàn)左右兩個(gè)H 點(diǎn)在人體模型上。實(shí)際的H 點(diǎn)是指左右兩個(gè)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(dòng)態(tài)變化，同時(shí)，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(shí)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(shí)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(kāi)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(shí)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(dòng)不頻繁時(shí)，可以考慮給座椅添加一個(gè)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(lái)，從而減少操作時(shí)臀部和腰部

的負(fù)擔(dān)。相反，如果上肢活動(dòng)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(dòng)。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(gè)相對(duì)處于震動(dòng)的環(huán)境中來(lái)進(jìn)行操作作業(yè)的。因此，可以通過(guò)優(yōu)化座椅的設(shè)計(jì)來(lái)減少震動(dòng)感帶來(lái)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(shí)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(duì)方向盤的種種設(shè)計(jì)都沒(méi)有一個(gè)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(gè)較為舒適的范圍，然后將方向盤安置在這個(gè)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(shí)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(shì)下，駕駛員坐在座椅上并手握方向盤時(shí)，方向盤的中心位置與H 點(diǎn)之間的相對(duì)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(shí)的舒適性。

同樣，駕駛員在操作時(shí)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(dòng)均為滿足于人體的舒適性，則可把這個(gè)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(shí)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(shí)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(gè)位置，這兩個(gè)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(shì)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(shí)所需的力也就越大，一般來(lái)說(shuō)，在方向盤設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)，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(huì)形成一個(gè)夾角，這個(gè)角影響著駕駛員操作時(shí)控制腳踏板的運(yùn)用能力。然后這個(gè)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(gè)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(lái)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(dòng)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(shí)，腳的踏力規(guī)律如圖6 所示［7］。各方向的踏力可以通過(guò)外圍線觀察出來(lái)，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(duì)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(duì)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(gè)方面，對(duì)大型工程車輛駕駛室的座椅、方向盤、腳踏板等三個(gè)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］.