基于H 点的大型工程车辆驾驶室操作装置的布局设计

2014-07-08陈青阳吴志军那成爱

机械工程师 2014年10期

陈青阳，吴志军，那成爱

（湖南科技大学湖南省中小型机电产品工业设计中心，湖南湘潭 411201）

0 引言

操作的舒适性是大型工程车操作过程中的一个重要性能指标，它决定着驾驶员在工作中的身心疲劳程度、工作效率、舒心及愉悦程度。因此，使驾驶员在操作工程车辆时简便、省力和高效是驾驶室设计中面临的重要问题。在大型工程车的操纵工作及行驶时，如果要使驾驶员能舒适方便地进行方向盘和其他设备机构的操作，则需要驾驶员能保持在一个上半身放松且不用刻意往前倾的前提状态下。驾驶室内驾驶员在操作过程中，一般都是以固定坐姿的方式进行，在这一过程中，H 点具有相对稳定性。在设计过程中，以H 点为基准点，通过驾驶员操作动作的分析，确定座椅、方向盘、脚踏板、手操纵杆等操作装置的位置、角度和布置范围，以支持符合人机关系的驾驶室设计。

1 H 点的基本概念与内涵

图1 H 点的位置

在人体模型二维或三维的样板中，能够连接大腿中心线与人体躯干线的点，称之为胯点（Hip Point），即H 点（如图1 所示）。H 点经常在人机关系设计中作为定位的基准点，在驾驶室的设计中，通常应用H 点来辅助确定方向盘、脚踏板、手操纵杆等的位置和方向。然而H 点的定义，会因实际使用环境及具体设计问题的状态不同而有所偏差。

根据H 点的定义，将H 点人体三维模型置于实际的车辆座椅中模拟实验时，会出现左右两个H 点在人体模型上。实际的H 点是指左右两个H 点连接线段的中点。在驾驶室的整体布置设计中，考虑到座椅位置可以前后调节，动态变化，同时，又考虑到实际驾驶者身高的不同，因此，设计中H 点的取值原则将根据人机工程学的要求进行，即：将第95 百分位的男子人体模型在最后位置时的胯点为最后位置设计H 点；将第5 百分位的女子人体模型在最前位置时的胯点为最前设计H 点［1］。

2 基于H 点的操作装置设计

人体的H 点决定了工程车驾驶室布置的设计，驾驶员的坐姿舒适度、操纵方便度及工作安全度都与H 点的位置息息相关。H 点位置直接影响到座椅、方向盘、脚踏板、手柄等的布置与设计。

2.1 座椅设计

能满足于各人体的坐姿尺寸、人体骨骼形态、人体受力的特征及要求，是座椅设计的基本原则。由于支撑受力小的区域的形成，使得脊椎受力和臀部受力的特点与座椅的开背面和椅面的形状是相统一的。人体舒适坐姿的各部分的尺寸及角度是设计座椅尺寸时必须考虑的因素。

在座椅的辅助设计中，可以根据驾驶员上肢的使用状态进行分析，如果上肢活动不频繁时，可以考虑给座椅添加一个扶手。扶手具有支撑的作用，能够将上肢和部分上身躯干的重量支撑起来，从而减少操作时臀部和腰部

的负担。相反，如果上肢活动频繁，则不适合添加扶手，以免限制操作者在工作空间内的自由活动。便于收纳和调节是扶手设计应该注意的地方［2］。驾驶员是在一个相对处于震动的环境中来进行操作作业的。因此，可以通过优化座椅的设计来减少震动感带来的不适应性。

2.2 方向盘设计

图2 上肢与H 点的关系示意图

在驾驶室中，方向盘的位置将影响驾驶员驾驶时的操作便捷性与舒适性，但是在现有的分析理论与设计标准中，对方向盘的种种设计都没有一个明确的相关规定，只是在上肢的操作区域内大致规划了一个较为舒适的范围，然后将方向盘安置在这个区域范围之内。驾驶员在自然的坐姿下，即H 点已确定的情况下，手、胳膊的位置及作业时的角度和方向盘倾斜的角度、位置及直径大小的关系示意图如图2 所示。

从图2 可知，在正常驾驶姿势下，驾驶员坐在座椅上并手握方向盘时，方向盘的中心位置与H 点之间的相对位置需要满足一定的几何关系，才能满足人体上肢在操作时的舒适性。

同样，驾驶员在操作时需要保证上肢在一定舒适的范围内，处于这一范围内的上肢活动均为满足于人体的舒适性，则可把这个范围称作为上肢舒适性的H 域。参考人机工程学理论和数据［3］，驾驶员在坐姿状态下，上肢作业时的理想角度及其与H 点之间的关系范围如图3 所示。即手与前臂之间的腕关节所形成的角度应在170°～190°之间，前臂与大臂之间的肘关节所形成的角度应在80°～170°之间，大臂与上体之间的肩关节所形成的角度应在0°～50°之间。

图3 基于H 点的上肢作业时理想角度

驾驶员施加到方向盘上的力度与方向盘的倾斜角之间有很大的关系，经资料显示［4］，方向盘的安装角度α 越平缓，驾驶员可能施加的力越大，方向盘的安装角通常选在15°～70°，如图4 所示。不宜选在水平和垂直两个位置，这两个位置都不能满足人的操作。由工程车工作的特点、坐姿的舒适性，选取安装角为70°较为适宜。

能否改善驾驶员操作方向盘的姿势和降低操纵力的大小，从而使驾驶员的疲劳程度降低，这与是否选择了适合的方向盘直径有着密切的关系。方向盘的直径越大，操作作业时所需的力也就越大，一般来说，在方向盘设计时直径的取值范围在140～630 mm 之间。大型工程车需要有较大的操纵力，在现有的方向盘直径取值范围内取420 mm 就能满足其操作的需求。再根据人机工程学的要求［5］，轮缘的直径取25 mm左右。

图4 随方向盘倾斜角度变化的曲线示意图

2.3 脚踏板设计

在驾驶操作时，为了尽可能地使驾驶员容易发力，从而减少腿部和脚的疲劳程度，应该仔细考虑车辆的脚踏板位置、倾斜角度的设计，分析脚的踏力规律。

在脚踏板设计中，地面与脚踏板会形成一个夹角，这个角影响着驾驶员操作时控制脚踏板的运用能力。然后这个角度应该需要符合驾驶员的关节舒适性的要求及用力的特点，才能算是一个成功的踏板设计。然而脚踏板倾斜角度是根据H 点的确定来确定范围的，依据人机工程学理论表明［6］，如图5 所示，在H 点确定之后，根据人体的特征不同，脚踏板有一定的活动角度范围。即脚踏板与地面之间所形成的角度应在40°～70°之间，脚踏板与小腿之间所形成的角度应在78°～105°之间，小腿与大腿之间所形成的角度应在95°～135°之间，大腿与H 点之间所形成的角度应在12°～25°之间。

坐姿在自然作业时，脚的踏力规律如图6 所示［7］。各方向的踏力可以通过外围线观察出来，由此图可以得出最省力的方向夹角为70°的位置。然而踏力角度和脚踏板的位置布局有着密切的关系。在踏板位置为人体中心线左右两侧各15°角的范围之内，则需要相对较大的踏力。

图5 脚踏板倾角范围示意图

3 结论

基于H 点的位置，对大型工程车驾驶室的操作装置的布局设计进行了有益的探究。在“以人为本”的思想前提下，把实现安全、高效、便捷、舒适的操作方式作为设计目标。在揭示H 点内涵的基础上，从位置、角度、大小三个方面，对大型工程车辆驾驶室的座椅、方向盘、脚踏板等三个主要操作装置的布局设计规律和与H 点的关系进行了系统探讨。研究结论为工程车辆驾驶室的人性化设计提供了有效的参考。