新型平地机操纵台开发

摘要：近年来随着我国平地机技术的不断进步，人们对其美观及舒适性越来越注重，因此对平地机操纵台进行升级和创新非常有必要。基于此，阐述了平地机操纵台的设计开发原则，分别从材料选择、整体布局参数、摆动机构、锁定机构受力和人机工程校核等方面内容进行了设计与分析，可为后续平地机操纵台设计提供一些参考和借鉴。

关键词：操纵台；摆动机构；可调气弹簧；人机工程学

0 " 引言

平地机发源于19世纪欧美国家，是一种主要用于地面平整和整形的工程机械，由于它作业灵活高效，被广泛应用于道路建设领域。操纵台是平地机的重要组成部件之一，它是整个平地机的指挥中心，各种刮土动作都是通过它的指挥完成的。当前平地机操纵台在舒适性和外观结构等方面已逐渐无法满足新时代司机的需求。因此对平地机操纵台进行升级和创新，有利于提升产品的综合竞争力。

本文依托新一代平地机操纵台开发，阐述了操纵台的结构设计特点与人机工程学方面的应用，注重提升操纵台的可靠性、操作便利性及外观美学等，为后续平地机操纵台设计提供一些参考。

1 " 操纵台设计原则

1.1 " 可及性操作原则

通常要求使用频率最高、重要的部件，要布置在最舒适位置上。操纵台最大活动范围为手臂尽量伸直的作业空间，一般活动范围为手臂自然弯曲的作业空间。在布置操纵台部件时，对于一些常用的部件应布置在一般活动范围内，如方向盘、操作手柄等。

1.2 " 防误操作布局原则

相似作用的按钮、手柄布置在统一区域内，以实现功能分区。平地机操纵台左侧为整机所有左侧液压缸控制手柄，操纵台右侧为整机所有右侧液压缸控制手柄，操纵台中间放置仪表方向盘等。

1.3 " 可视角度原则

为了保证司机舒适地查看机器运行信息，仪表一般与垂直面夹角20～40°。操纵台高度不能遮挡司机前方视野，以保证司机安全地操作机器。

2 " 操纵台设计及校核

2.1 " 材料选择

操纵台各零件材料选择关系到产品竞争力。由于工程机械竞争日趋激烈，用户对于产品价格也是十分敏感，材料的选择原则要满足性能的同时要具备一定的成本优势。

综合材料成本性能考虑，结构件骨架材料采用钢板。相比铝合金等，钢板在受力方面、价格更有优势，劣势在于质量大，但平地机没有轻量化设计要求，选用钢板能有效控制成本，作为主结构件结实耐用且性价比高。

覆盖件材料使用ABS，相比PP等材料，ABS材料生产的零件尺寸精度高、更美观、耐候性更好、制品不易老化，劣势在于价格稍高，但该项目只有操纵台上部的护罩少量使用，用量不大成本在可接受范围。常用材料参数特点见表1。

2.2 " 确定操纵台部件位置参数

根据《机械设计手册》中操作姿态下的有利工作区域与方向指导图，可以初步确定各主要操纵台部件位置参数。操作姿态下的有利工作区域与方向指导图如1所示。

操纵台手柄与座椅SIP点水平距离取600mm；操纵台方向盘中心与平台高度取850mm；成年男子坐着眼睛高度为1185mm，以不遮挡视线的前提下，操纵台最大高度取950mm；操纵台摆动角度取25°，即手柄在舒适B区域移动的夹角。画图计算得到前下视野角为14°，满足汽车行业重型商用车一般应保证前下视野角大于6°的要求。

2.3 " 操作台结构设计

2.3.1 " 仪表布置

操纵台的仪表放置方案有2种：一种是随手柄方向盘等一起摆动；另一种是固定位置不动。经过分析，认为固定不动方案比较好，原因在于如果仪表随操纵台方向盘摆动的话，在靠近司机的位置比较低时，司机看仪表就要刻意低头看，会造成一定程度上的作业不便。操纵台轮廓外形示意图如图2所示。操纵台总体布局如图3所示。

2.3.2 " 摆动机构

摆动机构主体为四边形铰接机构，该结构相比其他形式有摆动角度大、易于固定的优势，进而扩大操纵台上部件的移动范围，满足不同身高的司机操作。

四边形铰接机构特点如下：凹字形两个零件作为四边形铰接机构的中间的两条斜边，底座及安装座作为四边形铰接机构的上下两条边。上部铰接放置手柄安装轴及方向机安装座，内部安装可调气弹簧作为操纵台锁定机构。

2.3.3 " 方向机护罩

方向机护罩采用块拼接装配方式，固定螺栓隐藏在底部或内部，上部使用卡扣方式连接，以提高护罩整体外观平顺性。在方向盘下部预留大灯闪光灯等开关位置，以便充分利用操纵台的舒适空间。

2.4 " 人机工程校核

完成操纵台的各部件详细设计后，即可开展人机工程校核，以便确定操纵台参数是否达到使用要求和节约后期反复修改的时间。

在三维设计软件中，选择人体模型参数：性别男、国籍中国、百分位50、身高1.68m，对操纵台各部件进行模拟操作校核。进行模拟校核，结果表明当前设计的操纵台各部件位置尺寸，满足视野及操作舒适性等要求。人机工程校核如图4所示。

3 " 锁定机构设计及计算

3.1 " 锁定机构结构

操纵台摆动锁定机构是由可调气弹簧、安装座、踏板等组成，通过脚踩踏板解锁气弹簧，拉动或者推动方向盘，使气弹簧行程压缩或者伸出，实现操纵台摆动角度的调整。锁定机构图如图5所示。

3.2 " 锁定机构功能

锁定机构实现过程如下：踩下踏板1，通过转换压板压缩可调气弹簧3的顶针，从而打开气弹簧的锁定状态，保持踩下踏板状态。拉动或者推动方向盘，摆动机构移动过程中，安装在四边形铰接机构对边的下安装座2和上安装座6相对距离发生变化，使气弹簧行程压缩或者伸出。当操纵台到达所要的调整位置后松开踏板1，可调气弹簧锁定长度不变，构成稳定三角形结构，从而完成操纵台摆动角度的调整。

3.3 " 锁定机构受力分析

根据锁定机构的设计尺寸，通过建立操纵台受力模型，用于判断气弹簧选型是否满足要求或者初始测试提供依据。分析操纵台各个角度受力情况，当操纵台处于最大摆动角度时，气弹簧受到的压力最大。气弹簧受力简图如图6所示。

3.3.1 " 气弹簧最大压缩力

通过测量计算，得到操纵台重心G为270N（包含方向盘、方向盘支架、方向机、方向机护罩等质量）。气弹簧最大压缩力F4计算公式如下：

（1）

式中：G为重力，单位为N；l为重心距离，mm；o为温度系数；b为力臂，单位为mm；i为气弹簧数量。重力G为270N，重心距离l为613mm，o为1.1，力臂b为143mm，气弹簧数量i为1。

将上述参数代入式（1）计算，即可得到气弹簧最大压缩力F4为1052N。

3.3.2 " 气弹簧最小伸展力

气弹簧最小伸展力F1计算公式如下：

（2）

式中：F4为最大压缩力，单位为N；Fr为动态摩擦

力，单位为N；α为弹力比率。最大压缩力F4为1052N，根据《弹簧设计计算》表B.2，Fr取150N，弹力比率α取1.2。

将上述参数代入式（2）计算，即可得到气弹簧最小伸展力F1为602N。

3.3.3 " 气弹簧行程

气弹簧行程S计算公式如下：

S=S1+S2=50mm " " " " " " " （3）

式中：S1为工作行程，单位为mm；S2为安全行程，单位为mm。

通过模拟最大和最小操纵台摆动角度，测量出气弹簧工作行程S1为46mm和伸展长度L为320mm。按气弹簧设计要求，安全行程S1≥2mm，本方案中的气弹簧设定安全行程S1为4mm。

将上述参数代入（3）计算，即可得到气弹簧行程S为50mm。综上所述，气弹簧主要参数为：设计行程S≥50mm，最小伸展力F1≥602N，伸展长度L为（320±

1.0）8mm。

4 " 结束语

针对新型平地机操纵台的开发需求，本文设计了一款符合人机工程学的外形美观、调整力小、竞争力大的操纵台。操纵台设计是综合性很强的工作，需要应用结构学、材料学、人机工程学等不同专业的知识。运用人机工程学分析设计，可以大大缩短操纵台的开发周期，预见性的发现很多不同问题。这对项目整体进度有重大推进作用，让产品在激烈的的市场竞争中取得了先机。

参考文献

[1] 成大先.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社.2004.

[2] GB/T39433-2020，气弹簧设计计算[S].