公路铁路两用电动运输车司机室人机工程分析

姜 涛,黄秋霞,舒 培,张 渊,姬连峰

(1.中车四方车辆有限公司 产品开发部,山东 青岛 266000; 2.兰州交通大学 铁道车辆热工教育部重点实验室,兰州 730070)

公路铁路两用车(以下简称“公铁车”)作为跨界产品,相对于传统的铁路机车车辆有着节能环保、轻巧便捷、自由灵活等诸多优点,受到铁路行业的广泛关注,蕴含着广阔的市场前景.公铁车的生产制造方式目前主要分为两种:① 加装改造,即对现有公路用汽车或工程机械车辆底盘进行改装,在保留其公路行驶能力的同时增加铁路行驶系统及公路铁路转换系统,这种方式商品化程度较高,但因被改装底盘设计之初并未考虑此种改装,因此,在改装时往往会受很多因素的掣肘;② 整车定制,即根据市场需求,针对性地进行设计制造,这种方式能很好地契合客户需求,但受周期、成本、批量,尤其是设计制造水平的限制,导致车辆质量水平参差不齐.

司机室作为公铁车的主要功能单元为工作人员提供驾乘空间,司机室内环境设计有着严格的人机工程学要求.依据人机工程学对司机室内环境进行科学设计和布置,可以大幅提升产品的安全性、舒适性、合理性,保障驾乘人员优良的驾乘体验,实现科学合理的工作模式.

本文基于应用广泛的计算机辅助设计分析软件CATIA,在直观地介绍了公铁车司机室内环境设计和布置的基础上进行了科学有效的人机工程学分析.

1 司机室内环境设计及布置

公铁两用电动运输车是中车四方车辆有限公司为香港地铁公司设计制造的主要用于地铁线路消防救援的专用车辆,由牵引车(Back-up Access Vehicle)及拖车组成,其中牵引车采用蓄电池供电,直交电传动,包含公路和铁路两种运行模式,且均为后桥胶轮驱动;拖车为非动力轨道车辆.常规运用模式为牵引车和拖车连挂.公铁两用电动运输车外形如图1所示,其主要参数如表1所示.

图1 公铁两用电动运输车外形Fig.1 Outside view of rail-road electric transport vehicle

参数数值适应轨距/mm1 435最大运行速度/(km·h-1)22最大轨道坡度/%4最大公路坡度/%20干线最小曲线半径/m225(轨道)站段最小曲线半径/m 140(轨道)公路最大转弯半径/mm≤4 100司机操作 右舵司机室成员数/人3

公铁两用电动运输车司机室采用全封闭型可拆卸结构,外覆模压钢板蒙皮,内部架设焊接钢质骨架,蒙皮与骨架焊接至一体,司机室底部与车体底架采用螺栓固定.

司机室顶部前端设2个卤素光源工作灯、1个电喇叭、1个红色LED警闪灯(集成蜂鸣器),司机室前端挡风玻璃下部两侧各设置1个卤素光源多功能组合灯,灯光颜色包括浅红色、红色、白色和黄色,室内顶部设1个带有夜光开关的照明灯.

司机室前部挡风玻璃下方设有带喷淋功能的电动雨刮器,包含两只同步工作的刮臂.雨刮器设有高速、低速、间歇、停止(复位)4个挡位,停止功能带有自动复位功能,雨刮器水箱注水口设于司机室前部车外侧.

司机室前部挡风玻璃采用结构组成为4 mm钢化安全玻璃+0.76 mm PVB膜+4 mm钢化安全玻璃的夹层玻璃,通过黏接方式固定至车体钢制罩壳上.司机室后部设滑动窗,包含铝合金型材及2块6 mm钢化安全玻璃,每块玻璃均可滑动,内外侧玻璃之间设固定式密封挡条,每块玻璃的室内侧设拉手锁,可从室内手动开启或锁闭滑动窗,窗框底部设通向车外侧的排水孔.后部滑动窗采用螺钉固定于车体钢罩壳骨架上.

司机室左、右两侧各设一扇向外开启的钢制模压侧门,采用隐藏式门铰链及限位拉杆,最大开启角度90°,侧门关闭时铰链及限位拉杆均不可见,侧门与车体蒙皮之间设双层密封胶条.每个侧门外侧均设可用钥匙锁闭开启的按压式把手锁,司机室内侧设门把手和开锁拨片,外侧设门把手和钥匙孔,侧门上部带有手动开启的滑动玻璃窗,结构形式与后部滑动窗相同.

司机室内部设由铝合金台体及复合材料台面组成的操纵台,台面分为屏幕显示区、按钮操作区以及物品临时放置区,其中屏幕显示区及按钮操作区围绕方向盘进行布置.操纵台底部地板上设电子油门和制动踏板.

操纵台与司机座椅之间设可调整前、后角度的圆形方向盘,集成雨刮器、前组合灯、转向灯、喇叭控制开关,在司机座椅左侧及乘客座椅右侧区域设配有接触传感器的手动拉杆棘轮式驻车制动器.

司机室内部共设3个席位,前进方向右侧设司机座椅,左侧设2个乘员座椅.所有座椅椅面及椅背采用穿孔不锈钢材料,适合高温潮湿环境,所有座椅设安全带.司机座椅可手动上、下及前、后调节.

司机室内设2个2 kg容量的手提式磷酸铵盐干粉灭火器,放置在配套支架中,固定于座椅与侧墙之间的地板上,每侧1个,司机室内部两侧侧墙上靠近椅背位置各设一个安全锤.司机室内部侧门两侧设不锈钢圆杆长扶手.司机室内部地板采用高强度铝合金防滑花纹板.

司机室外部两侧设外置式后视镜,每侧外后视镜包含2个镜面,上部为主后视镜,下部为辅助后视镜,镜面及镜壳与车体间的夹角均可手动调节,司机室内部设倒车镜.车外后视镜安装于侧门外侧,滑动窗前部,每侧1个,车内后视镜安装于司机室内前端顶部.室内主要设备布置如图2所示.司机室三维模型如图3所示.

图2 公铁两用电动运输车司机室内环境Fig.2 Inside view of rail-road electric transportvehicle’ cab

图3 公铁两用电动运输车三维模型Fig.3 Three-dimensional model of rail-road transportvehicle’s cab

2 人机工程学分析

在对公铁两用电动运输车司机室进行人机工程学分析时,首先依据人体尺寸国家标准,选定适当百分位人体尺寸,在CATIA V5R21软件中建立人体模型,然后确定该模型在司机室三维模型中的位置.从视野可见度、手伸及界面、舒适度、进出空间等方面进行分析,对比各个关键设计尺寸参数与国内外标准要求尺寸参数,进行人机工程学综合评价.

2.1 分析依据

2.1.1 人体百分位

人机工程学中用百分位数来表达不同年龄和性别人群人体各部位尺寸,百分位数表示具有某一项人体尺寸和小于该尺寸的人占统计对象总人数的百分比,可用于设计过程中人体生理尺寸的参考范围.最常用的是第5th、第50th、95th百分位数.一般将95th百分位、5th百分位对应的人体生理尺寸的数值分别作为进行人机工程分析时参考上、下限值,此范围内的设计尺寸理论上适用于90%的人群.通过对比相应的国际标准ISO 3411—1985和ISO 3411—2007中的内容,对GB 10000—1988中的人体尺寸进行了更新[1-3].

2.1.2 人体模型

本车设计分析借助CATIA V5R21中的Human Builder模块建立人体模型,如图4所示.

图4 5th百分位和95th百分位男性人体模型Fig.4 5th & 95th percentile male human model

2.1.3H点的确定

H点也叫胯点(Hip Point),可以理解为人体躯干与大腿的理想状态铰接点.在本车分析中,根据座椅参考点(Seat Reference Point,SRP)来确定H点的位置[4],将对应百分位的人体模型放置在司机室三维模型中的座椅上,调整至正常坐姿驾驶姿态作为分析的基础,如图5所示.

图5 坐姿驾驶姿态模拟Fig.5 Simulation of driving posture inseated position

2.2 设计分析

2.2.1 视野分析

视野可见度是眼睛可以观察到的视觉范围的总称,即正常驾驶状态下,驾驶员直接获得的视野范围以及通过车辆所设置的辅助设备间接获得的视野范围的总称[4].驾驶员视野可见度是司机室内环境设计及整车布置必须考虑的一个关键指标,公铁两用电动运输车视野范围直接关系到驾乘人员的舒适性和安全性.

根据行业及客户要求,司机室驾驶视野可见度的计算方法和结果验证须执行标准UIC 651—2002《机车、动车、动车组和驾驶拖车的司机室设计》[5]的相关规定,因本车无站立驾驶状态,故仅需对坐姿状态下的驾驶视野进行分析,根据标准UIC 651—2002要求,“以坐姿驾车时,允许降低高处信号的可见度;参照表面内的每一点处必须持续可见距缓冲饼前部平面15 m或15 m以外的线路中央右侧或左侧的低处信号、运行平面内的低处信号和线路上方高达1.75 m的低处信号”.根据UIC 651—2002标准中3.3.1高处信号(高度降低至2.5 m)和3.3.2 低处信号的可见度进行校核,通过对图2和图3中的司机室进行视野分析可知,公铁两用电动运输车驾驶员视野可见度满足标准UIC 651—2002中3.3低处信号可见度要求.

驾驶员视野可见度眼点参照位置和验证结果如图6和图7所示.

图6 眼点参照位置Fig.6 Reference position of eye points

图7 垂直、水平视野分析Fig.7 Analysis of the vertical and horizontal vision

2.2.2 手伸及界面的分析

驾驶员的手伸及界面是设计、布置手动操纵装置的重要依据,即驾驶员处于正常坐姿驾驶状态下,身体各部分的活动范围正常合理时,一只手握住方向盘的同时另一只手所能接触到最大空间轮廓面[4].为保证驾驶员在正常驾驶过程中无须大幅度改变身体姿态便可以完成对车辆的操作性控制,驾驶过程中有操作需求的所有装置、开关均应布置在驾驶员的手伸及界面以内.

本车基于CATIA V5R21软件Human Activity Analysis模块中computes a reach envelope功能进行手伸及界面的仿真分析,分析结论如图8所示.

图8 5th百分位和95th百分位男性可触及界面Fig.8 The reach envelop of 5th & 95th percentilemale human

从图8可以看出：95th百分位的男性人体模型在正常驾驶姿态下,无须大幅度调整身体姿态,即可以完成所有的驾驶操作需求.同时,通过移动躯干、司机座椅的水平及高度调节功能,可以使5th百分位的男性通过调节座椅行程、高度等方法达到触及按钮进行操作的目的.

2.2.3 舒适性分析

驾驶时的舒适度对驾驶员的驾驶体验和操作安全有着重要的影响,因此，需要通过舒适度分析对司机室内环境设计及布置的合理性进行评价.人体驾驶姿态的舒适度与驾驶姿态对人体各关节所处的角度有直接关系,所以一般以某姿态下各关节的角度来衡量该姿势下的舒适度,如图9所示.表2给出了驾驶员较舒适姿态所对应的人体生理角度范围[4].

在CATIA软件Human Posture Analysis模块中,先打开首选角度编辑器,设置合适的人体部位

图9 驾驶坐姿各关节的角度示意Fig.9 The joint’s angles of driving posture inseated position

项目范围α13°～20°α29°～100°α395°～135°α478°～105°α50°～50°α680°～170°α7170°～190°α840°～70°α92°～12°

活动范围;然后参照驾驶员较舒适姿态所对应的人体生理角度范围,多次添加新的划分区域,并对各区域的舒适度进行评分[6],分别对上臂、前臂、大腿,小腿等舒适度进行评分,如图10所示.

图10 各关节舒适活动范围区域Fig.10 Comfortable range of joints

根据驾驶员当前姿态下各自由度所在位置以及其对应分值，进行加权插值计算,得出评估结论,最终人体姿态分析得分79.5,如图11所示,驾驶员当前姿态下处于较为舒适状态.

图11 姿态评估报告Fig.11 Assessment report for positions

2.2.4 司机进出座椅空间分析

在司机室内环境设计及布置过程中,为了满足视野和手伸及界面要求,司机座椅离操纵台距离较近,需对司机就座和进出座椅的空间进行校核.UIC 651—2002中5.1.4.1规定“必须有宽度最小为500 mm的凹进处供工作人员放脚和腿”[5],4.2.1规定“司机台的形状和尺寸必须允许司机易于接近其座椅,并且腿和膝盖活动起来有足够的自由度”[5].

根据模型中的测量结果,操纵台凹进处设计宽度达到900 mm,满足UIC 651—2002《机车、动车、动车组和驾驶拖车的司机室设计》中5.1.4.1规定标准要求.将95th百分位中国男性模型导入司机模型后,测试得到可以顺利进入和离开座椅,如图12所示.

图12 体型位于95th男性司机进入座椅空间分析Fig.12 Space analysis of 95th percentile male driversentering seats

3 结语

公铁两用电动运输车司机室的视野可见度、手伸及界面、舒适度、进出空间均符合相关标准要求,设计合理,且人机工程学程度较高,在实际使用中可为驾乘人员提供舒适的工作环境,实现健康、高效的工作方式.