基于人机工程学的工程车辆操作台优化设计研究

杨宏民

摘要：在工程车辆中，操作驾驶室是与驾驶人员活动联系最为密切的一部分，是人—机—环境关系的集中体现。工程车辆操作室设计应满足各种体形驾驶人员的操作舒适性与视野要求。人际工程学作为一门新兴学科，将其引入工程车辆操作室设计，能够有效改善工程车辆操作条件，提升驾驶人员的操作舒适性，满足驾驶人员的视野要求。基于此，本文在分析人机工程学在工程车辆操作室设计中的应用优势的基础上，对基于人机工程学的工程车辆操作室优化设计展开积极研究，以期通过优化工程车辆操作室设计，构建驾驶人员与工程车辆之间的和谐关系，为工程车辆设计提供新的思路与发展方向。

关键词：人际工程学;工程车辆操作室;优化设计

0  引言

操作室是人在工程车辆中的主要活动区域。在基于人机工程学的工程车辆操作室设计中，车辆驾驶人员的需求是设计研究的核心对象。车辆驾驶人员的主要职责在于：用手或脚进行车辆或机具的驾驶、操纵、控制;在车辆作业过程中，观察车辆的运行情况、监控其技术状态;有序、高效地完成各项作业任务等。因此，基于人机工程学的工程车辆操作室优化设计可分为以下几方面：

1  根据作业姿势，优化车辆操作室设计

在工程车辆的操作过程中，车辆驾驶人员的基本姿势可分为立姿和坐姿两种。

1.1 立姿  像摊铺机、铣刨机等体量较大、操作室空间较大的大型工程车辆，需要驾驶人员在操作机械的同时，密切观察外部施工情况，需要较大的行为活动空间，因此，这类大型工程车辆往往需要驾驶人员保持站立姿势进行操作。因此，在操作室内部设计方面，应为驾驶人员留出足够的站立、操作空间，并将常用操纵装置设计于驾驶人员操作位置较近的区域，以避免重复操作，降低劳动强度。在此类大型工程车辆中，同样需要设计座椅，以方便驾驶人员在施工间歇时得以短暂休息，但是座椅的位置应保证不会妨碍立姿活动。

1.2 坐姿  在一些装卸、运输类的工程车辆的作业过程中，驾驶人员多采取坐姿操作。因此，对于此类车辆来说，座椅的设计是非常重要的，需要设计人员从多方面进行考虑，如在坐姿的状态下，应保证驾驶人员的视线处于最佳位置，确保视野开阔，驾驶人员的手、脚能够灵活自如地操纵方向盘、刹车、变速杆、离合等装置;同时还要留出充足顶部空间，以免由于作业现场过于颠簸而发生头部碰撞顶篷的问题;座椅的设计应保证其可以进行上下、前后灵活调节，并设定上限值与下限值两个调节范围限值。基于人机工程学理论，工程车辆的座椅高低和前后调节通常取坐姿眼高的95百分位尺寸数据以及坐姿臀膝距的95百分位尺寸作为座椅调节范围的上、下限值依据（如表1所示）。

部件的设计还应充分考虑车辆驾驶人员可及范围内的工作频率的需求。驾驶人员坐姿时上肢的高频工作区域、低频工作区域以及非工作区域空间分布如图1所示。在工程车辆操作室设计时，应将高频、精细的工作分布于深红色区域，如关键操作控制、信息交互等操作。红色区域越浅，则表示距离高效工作区域越远，可将部分次要或无需持续关注的工作设备分布于此。如图1所示。

2  基于人机工程学的工程车辆驾驶员座椅设计

在工程车辆设计中，驾驶人员的座椅设计是决定操作室人机性能的重要因素。SAE、GB、ISO在驾驶员座椅设计方面，都制定了严格标准。具备良好人机性能的座椅，能够有效减轻驾驶人员的疲劳程度，保障车辆的安全运行。基于人机工程学的座椅设计应从以下几点入手：①座椅高H1。座椅高度应与驾驶人员小腿自然放置时，大腿接近水平，以确保其脚掌将能够与车内地板或踏板自然贴合，从而方便下肢灵活、舒适地操纵踏板。我国成年男性坐姿小腿加足高大致在383-448mm之间，故可将座椅高度设计为400mm。②坐垫宽度W1。坐垫宽度设计应参考人体模型中最大腿部宽度。我国成年女性第95百分位臀宽为368mm，男性臀宽为295-355mm，因此，坐垫宽度设计应大于368mm，此外，为了帮助驾驶人员在转弯或颠簸时保持坐姿稳定，我们通常会在坐垫两侧进行凸起设计。基于此，应将坐垫宽度设计为450mm。③座椅深L1。座椅深度设计应保证靠背能够为腰椎部位与臀部提供支撑，并为小腿和椅面前缘留出充分空间。我国成年男性第5百分位大腿长为421mm，因此，可将工程车辆驾驶人员座深设计为410mm。④坐垫倾角α1。合理的坐垫倾角设计能够有效预防车辆紧急制动时发生前倾，同时还可有效避免驾驶员整体重心后移，给予背部充分的支撑。在坐姿状态下，驾驶人员大腿中心线与水平面夹角的舒适角度范围在2-12°之间，坐垫倾角参数设计也应以此为参照，但考虑到坐垫倾角过大会影响到驾驶人员的驾驶视野，因此，工程车辆座椅坐垫倾角可设计为2-5°之间。至此，驾驶员座椅的关键尺寸已大致确定，具体设计如图2所示。

3  基于人机工程学的工程车辆的踏板设计

踏板设计与踏板使用场合密切相关。若对工程车辆的工作效率、工作量要求较高，则踏板的设计应缩短与上身的距离，符合较小的蹬力要求。但是这种坐姿肢体夹角过小，会影响驾驶舒适度，容易让驾驶人员产生疲劳感。而如果对工程车辆工作效率、工作量要求较低，则可将踏板设置与距离人体较远的位置，以增加驾驶舒适性。踏板样式如图3所示。在运动形式方面，踏板运动可分为直动、摆动两种。直动式踏板的操作力在90N以下，属于较小的操作力;而摆动式踏板的操纵力在90-180N之间。如图4所示，a、b分别为直动式踏板与摆动式踏板。此外，踏板表面应设计防滑纹理，以提升驾驶人员操作的准确性。踏板大小设计应参考人体脚底尺寸。以工程车辆最为常见的脚掌踏板为例，其长度应设计为75-300mm;行程应设计为60-100mm;厚度应设计为25-90mm。

4  基于人机工程学的工程车辆显示装置设计

工程车辆显示装置主要分为模拟式、屏幕式以及数字式三种显示方式，其功能主要在于通过数值、文字、图形、标志、声音以及其它刺激信号，动态化、可视化地呈现传递车辆运行的状态信息。首先，显示装置大小设计。显示装置大小将直接影响相关操作人员读数的准确性。显示装置过大，会拉长操作人员的扫描距离，而影响视线定位的准确性，同时还会导致操作人员的视觉疲劳;而显示装置过小，数值、字符也会变小，影响读书准确性。显示装置读数视线夹角应该在3°到5°之间。显示装置与操作人员眼睛的距离应在710mm左右为最佳，这时读数的准确性最高，也不会造成眼部疲劳。如图2所示，高效认读的边界范围在视线中心向上10°和向下45°之间。显示装置的倾角也会影响到不同部位的光线差和字符的透视变形，倾角过大会下降辨认读书的准确性。合适的显示装置安装倾角应设置在30°以下，以25°到30°之间为最佳。在整个工程车辆操作室设计中，显示装置的设计是至关重要的。重要的显示装置应设计在驾驶人员视线中心上下的3°以内，次要显示装置则不能超过视线中心40°，而不太重要的显示装置，应设计于视线中心的60°以内。

5  基于人机工程学的工程车辆安全性设计

工程车辆驾驶室安全性能主要受物理因素与人为因素两方面的影响。例如，受工程机械自身功能、控制器与显示器不匹配等因素影响，容易导致工程机械存在安全隐患或发生设备故障;工程车辆作业环境的复杂程度也会在一定程度上影响工程车辆的安全性能;此外，施工方能夠科学、合理管理、安排安全法规、技术监督条例也是影响工程车辆安全性能的一个重要原因。调查数据显示，90%以上的施工安全事故都是由人为原因导致的，包括人的心理、生理、个体等多方面因素。因此，为了进一步提升工程车辆施工作业的安全性，在工程车辆设计时，需要全面考虑驾驶人员的生理、心理需求，及时排除工程车辆存在的安全隐患，完善车辆安全装置设置，并配备安全信息传输、反馈装置，增设安全劲爆、故障保险等装置，以最大限度提升工程车辆设计的安全性能，减少安全事故的发生。

6  结语

总之，为进一步满足工程车辆的使用需求，改善工程车辆驾驶人员的操作体验，优化工程车辆的产品结构。工程车辆设计人员应进一步加强对人机工程学相关理论的学习与研究，提升对人机工程学的重视程度，积极借鉴其他国家在工程车辆设计领域的先进技术，推动我国工程车辆设计向着更加人性化、科技化方向发展。

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