輪式拖拉機(jī)駕駛室人機(jī)工程研究與設(shè)計(jì)

錢筱琳 宋仕鳳 劉金玲

摘 要：以拖拉機(jī)人機(jī)工程學(xué)為理論基礎(chǔ)，以輪式拖拉機(jī)駕駛室為研究對(duì)象，根據(jù)拖拉機(jī)駕駛室基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，從拖拉機(jī)駕駛員的作業(yè)行為出發(fā)，構(gòu)建駕駛員任務(wù)模型。從駕駛室整體尺寸和視野分析兩個(gè)角度，對(duì)拖拉機(jī)駕駛室的空間尺寸進(jìn)行規(guī)劃，完成輪式拖拉機(jī)駕駛室的造型設(shè)計(jì)，為拖拉機(jī)駕駛室設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：拖拉機(jī)駕駛室;人機(jī)工程學(xué);駕駛室空間設(shè)計(jì);用戶任務(wù)模型

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家對(duì)“三農(nóng)問(wèn)題”越來(lái)越重視，對(duì)農(nóng)業(yè)的投入不斷增加，選擇機(jī)械化種植的農(nóng)民越來(lái)越多。[1]但我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)水平與起步較早的國(guó)家相比，還存在一定差距，尤其是拖拉機(jī)的品牌形象、外觀造型以及舒適性等方面與一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍然有較大改進(jìn)空間。[2]在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)環(huán)境下，好的駕駛室設(shè)計(jì)將會(huì)成為提高整體拖拉機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的有力手段。本課題擬以人機(jī)工程學(xué)為理論基礎(chǔ)，以大馬力輪式拖拉機(jī)為研究對(duì)象，綜合考慮了駕駛室基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與駕駛員作業(yè)行為，構(gòu)建了駕駛員任務(wù)模型，從駕駛室整體尺寸和視野分析兩個(gè)角度對(duì)拖拉機(jī)駕駛室的空間尺寸進(jìn)行了規(guī)劃，完成了輪式拖拉機(jī)駕駛室的造型設(shè)計(jì)，提高了拖拉機(jī)的舒適性和安全性，為拖拉機(jī)駕駛室設(shè)計(jì)研究提供了參考。

1 輪式拖拉機(jī)駕駛室結(jié)構(gòu)分析

輪式拖拉機(jī)主要由車底盤、車身和駕駛室三部分組成，另外還包括配重鐵、車輪、通氣管等零部件。其中，駕駛室由線型框架、擋風(fēng)玻璃、各類車燈以及各種操作部件組成，如圖1所示。

2 拖拉機(jī)駕駛員作業(yè)分析與用戶模型研究

2.1 駕駛員作業(yè)過(guò)程分析

拖拉機(jī)駕駛員作業(yè)過(guò)程主要分成啟動(dòng)前、啟動(dòng)、起步、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、停車、熄火等7個(gè)操作階段。[3]其中，啟動(dòng)前首先按照保養(yǎng)條例檢查各部件;其次把變速桿、液壓泵離合手柄、動(dòng)力輸出操縱手柄及分動(dòng)箱滑動(dòng)齒輪操縱桿置于空擋位置，手動(dòng)上下?lián)鍎?dòng)輸油泵，仔細(xì)檢查拖拉機(jī)和懸掛的農(nóng)機(jī)具是否連接正確;最后，檢查電氣系統(tǒng)的照明、喇叭是否正常，檢測(cè)胎壓，未充盈則進(jìn)行充氣處理。啟動(dòng)時(shí)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)預(yù)熱啟動(dòng)開(kāi)關(guān)手柄，預(yù)熱發(fā)動(dòng)機(jī)，待發(fā)動(dòng)機(jī)水溫上升到50℃后，才能正式使用拖拉機(jī)。起步操作主要包括松開(kāi)鎖爪，按喇叭，松開(kāi)離合器踏板，并緩慢增加油門，使拖拉機(jī)平緩上路。轉(zhuǎn)向操作包括按轉(zhuǎn)向燈，轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤。制動(dòng)操作包括減油門，降低速度，踏下制動(dòng)器踏板。停車操作時(shí)首先減油門，降低速度，接著踩下離合、制動(dòng)踏板，掛空擋，松開(kāi)踏板，怠速空轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，最后踏制動(dòng)踏板停車。熄火操作包括發(fā)動(dòng)機(jī)卸載后，空負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)3～5分鐘，等待至各部件溫度逐漸下降，扳動(dòng)油門手柄至熄火。

通過(guò)駕駛員作業(yè)過(guò)程的詳細(xì)分解可以發(fā)現(xiàn)，在拖拉機(jī)駕駛室設(shè)計(jì)過(guò)程中，要特別注意操縱桿和踏板等操縱器的尺寸大小，位置排布及靈活度的設(shè)計(jì)，另外車門把手和腳踏的位置關(guān)系也是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

2.2 駕駛員任務(wù)模型的建立與分析

結(jié)合拖拉機(jī)駕駛員作業(yè)過(guò)程，建立用戶任務(wù)模型捕捉用戶潛在需求，尋找設(shè)計(jì)點(diǎn)。[4]為尋找駕駛員從打開(kāi)車門到進(jìn)入駕駛室這一過(guò)程中所需考慮的設(shè)計(jì)點(diǎn)繪制情景模擬圖，如圖2所示。經(jīng)分析可知駕駛員開(kāi)車門操作，涉及鑰匙孔的尺寸及位置;踩腳踏進(jìn)入駕駛室，涉及腳踏距地面高度、腳踏間距和每階腳踏的長(zhǎng)寬高尺寸;踩腳踏的過(guò)程中需要抓住扶手，這就涉及扶手的尺寸及位置;進(jìn)入駕駛室時(shí)，涉及車門的高度和寬度等，這些都是設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

通過(guò)建立用戶思維模型分析駕駛員在作業(yè)時(shí)的知覺(jué)和認(rèn)知特性，為駕駛室的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。通過(guò)分析駕駛員的心理活動(dòng)規(guī)律，總結(jié)出對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)點(diǎn)，如圖3所示。

3 拖拉機(jī)駕駛室空間設(shè)計(jì)與人機(jī)工程分析

3.1 駕駛室整體空間尺寸設(shè)計(jì)分析

在一定的條件下，駕駛室的室內(nèi)空間應(yīng)盡量充裕，以便滿足駕駛?cè)藛T作業(yè)及出入的要求。同時(shí)，為了方便駕駛員的駕駛操作，駕駛室還應(yīng)該為駕駛員的肘部和雙腳提供足夠的作業(yè)空間。因此，駕駛室內(nèi)頂棚距地面的距離應(yīng)滿足95%的男駕駛員直立時(shí)不會(huì)碰到頭的要求。同時(shí)，還應(yīng)保證駕駛?cè)藛T的頭部在座椅調(diào)節(jié)到最高處時(shí)與駕駛室頂棚之間仍保持一定的距離。駕駛室的側(cè)門和腳踏的尺寸以及其相關(guān)位置也應(yīng)保證駕駛員出入駕駛室時(shí)的安全和方便。

3.2 駕駛室視野分析與研究

拖拉機(jī)駕駛室設(shè)計(jì)過(guò)程中，良好視野也是重要設(shè)計(jì)因素之一。利用CREO軟件中Mainikin模塊對(duì)拖拉機(jī)視野優(yōu)劣進(jìn)行分析。[5]建立拖拉機(jī)駕駛室三維模型，在人體模型庫(kù)中選取第5百分位和第95百分位的中國(guó)男性人體模型，[6]將人體模型導(dǎo)入CREO中，構(gòu)建視野評(píng)價(jià)平臺(tái)，分別進(jìn)行前方視野、內(nèi)后視野以及側(cè)方視野的分析驗(yàn)證。如圖4所示，當(dāng)駕駛員觀看正前方時(shí)，因?yàn)榱⒅拇嬖谏闪讼鄳?yīng)區(qū)域段的盲區(qū)。由于在駕駛員的視線內(nèi)，一般不能避免左右兩側(cè)立柱形成的盲區(qū)，在設(shè)計(jì)駕駛室時(shí)只是將原本的空氣清潔器和消音器設(shè)計(jì)成一體式的排氣管，并安裝在左右兩側(cè)前立柱造成的盲區(qū)之內(nèi)，以規(guī)避再次形成多余的盲區(qū)。當(dāng)駕駛員觀察拖拉機(jī)后方及左右兩側(cè)時(shí)，后懸掛農(nóng)具作業(yè)區(qū)域和前方倒車鏡均左右處于駕駛員人體模型的視野范圍之內(nèi)。

4 拖拉機(jī)駕駛室設(shè)計(jì)與分析

以拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，綜合駕駛員作業(yè)過(guò)程與人機(jī)分析結(jié)果，并參照中國(guó)男性人體模型尺寸，確定拖拉機(jī)駕駛室具體尺寸。拖拉機(jī)駕駛室設(shè)計(jì)方案采用一體化設(shè)計(jì)，腳踏與后擋泥板連車一體，倒車鏡與車燈結(jié)合，前擋風(fēng)玻璃也采用整塊玻璃的形式，如圖5所示。

5 結(jié)語(yǔ)

從人機(jī)工程學(xué)角度對(duì)輪式拖拉機(jī)駕駛室進(jìn)行造型設(shè)計(jì)與研究，有利于提高拖拉機(jī)舒適性和安全性，能有效提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，為同類農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。本課題以拖拉機(jī)人機(jī)工程學(xué)為理論基礎(chǔ)，根據(jù)拖拉機(jī)駕駛室基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，從拖拉機(jī)駕駛員的作業(yè)行為出發(fā)，構(gòu)建駕駛員任務(wù)模型，從用戶角度總結(jié)并提出駕駛室設(shè)計(jì)的切入點(diǎn)。從駕駛室整體尺寸和視野分析兩個(gè)角度對(duì)拖拉機(jī)駕駛室的空間尺寸進(jìn)行了規(guī)劃，完成了輪式拖拉機(jī)駕駛室的造型設(shè)計(jì)，為后期拖拉機(jī)駕駛室設(shè)計(jì)研究提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉玉科.拖拉機(jī)造型及造型設(shè)計(jì)方法研究[D].河南科技大學(xué)，2010.

[2] 孫文濤.機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的造型學(xué)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2011.

[3] 余真華，李澤，股品綺.拖拉機(jī)操縱桿件的合理布置的初步探討[J].吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1990.

[4] 吳志軍，張映琪，唐超.用戶行為導(dǎo)向的數(shù)控裝備造型設(shè)計(jì)過(guò)程模型[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2017.

[5] 錢筱琳，宋仕鳳，楊飛，楊琴.基于Pro/E Manikin 的旋耕施肥播種一體機(jī)人機(jī)評(píng)價(jià)與造型設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2018.

[6] 楊飛，史慶春，萬(wàn)小玲，等.基于Pro/E Manikin的拖拉機(jī)駕駛室人機(jī)工程評(píng)價(jià)方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013.