基于人機(jī)工程的挖掘機(jī)扶手箱設(shè)計(jì)

摘 要：首先對(duì)扶手箱在挖掘機(jī)中的作用進(jìn)行了闡述，隨后分析了傳統(tǒng)扶手箱存在的問題和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。最后，從人機(jī)工程學(xué)考慮，運(yùn)用CAD/CAE/CAPP等計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)和仿真技術(shù)對(duì)挖掘機(jī)扶手箱進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)。對(duì)今后扶手箱的設(shè)計(jì)有良好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：挖掘機(jī) 扶手箱 分體式 金屬卡扣 人機(jī)工程。

中圖分類號(hào)：TH-39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）05（b）-0019-01

近十年來(lái)，我國(guó)挖掘機(jī)市場(chǎng)平均年增長(zhǎng)率達(dá)到30%，“十一五”期間挖掘機(jī)行業(yè)得到前所未有的高速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)危機(jī)后，國(guó)家“四萬(wàn)億”投資更加帶動(dòng)了挖掘機(jī)制造企業(yè)投資擴(kuò)產(chǎn)的熱情，一部分從未涉足挖掘機(jī)行業(yè)的企業(yè)甚至非制造企業(yè)也紛紛進(jìn)入市場(chǎng)。自2011年以來(lái)挖掘機(jī)制造企業(yè)新增產(chǎn)能近15萬(wàn)臺(tái)，我國(guó)已經(jīng)成為世界挖掘機(jī)用量最大的市場(chǎng)之一，不僅市場(chǎng)銷量最大，而且產(chǎn)量也最大，儼然成為世界挖掘機(jī)行業(yè)制造中心。

挖掘機(jī)駕駛室不同與其他工程機(jī)械，內(nèi)部無(wú)儀表臺(tái)及傳統(tǒng)方向盤控制的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，幾乎所用控制部分都放在座椅兩側(cè)的扶手箱上，挖機(jī)的回轉(zhuǎn)、挖掘、裝卸動(dòng)作都要靠控制扶手箱前側(cè)的先導(dǎo)手柄完成，扶手箱質(zhì)量的高低直接關(guān)系到操縱人員的舒適度及挖機(jī)的整體性能。隨著挖機(jī)的升級(jí)換代，傳統(tǒng)挖機(jī)扶手箱裝配困難，不易維修的弊端也顯現(xiàn)出來(lái)。

該文主要從人機(jī)工程學(xué)的角度出發(fā)，充分考慮挖機(jī)扶手箱的易維修的基礎(chǔ)上，運(yùn)用CAD/CAE/CAPP等計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對(duì)挖掘機(jī)扶手箱進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)。通過扶手箱下殼體采用分體式結(jié)構(gòu)及卡扣的運(yùn)用，有效的解決了扶手箱殼體更換困難的問題，并實(shí)現(xiàn)殼體的多色搭配，提升了挖掘機(jī)的檔次。

1 扶手箱構(gòu)成、作用及存在問題

扶手箱總成是挖掘機(jī)內(nèi)飾件設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)和制造工藝最復(fù)雜的組件之一，車上的點(diǎn)火開關(guān)、控制開關(guān)、娛樂系統(tǒng)、空調(diào)面板通常都安裝在其上面，更重要的是操縱挖機(jī)回轉(zhuǎn)、挖掘、裝卸的先導(dǎo)手柄也布置在扶手箱上。而且，打開車門首先看到的就是扶手箱，其舒適性、造型、質(zhì)感決定了駕乘人員對(duì)內(nèi)飾的評(píng)價(jià)程度，因此它是內(nèi)飾開發(fā)的核心部件。

扶手箱總成包含很多零件，維修及更換元器件頻率相對(duì)較高，我們可以看出，扶手箱外殼由為上下兩部分組成，上下外殼固定在內(nèi)部骨架上。這種簡(jiǎn)單的上下結(jié)構(gòu)給維修造成很多不便，特別是當(dāng)下殼出現(xiàn)損壞時(shí)，更換更加麻煩，必須將先導(dǎo)操縱手柄油管全部拆下，骨架固定螺栓卸掉，才能將下殼拆下更換。并且從色彩上來(lái)看，上下殼顏色搭配也顯得比較單調(diào)。

2 人機(jī)關(guān)系及設(shè)計(jì)過程

2.1 人機(jī)交互關(guān)系

按照與駕乘人員的人機(jī)交互關(guān)系扶手箱零部件可分為以下2類。（1）視角交互：娛樂系統(tǒng)（收音機(jī)）、指示燈、時(shí)鐘等；（2）觸覺交互界面：空調(diào)控制面板、油門旋鈕、點(diǎn)火開關(guān)、翹板開關(guān)、雜物盒、先導(dǎo)切斷開關(guān)、先導(dǎo)手柄等。

2.2 扶手箱布置過程

駕駛員需要密切關(guān)注挖機(jī)工作情況，所以指示燈的觀察都是在瞬間完成的。這就需要視覺交互界面放置在駕駛員視線最易觀察的地方，扶手箱總成除視覺交互界面之外，絕大部分屬于觸覺交互界面，它們的放置位置與駕駛員的手伸及能力有關(guān)，需要確保駕駛員在不必大動(dòng)軀干的情況下就能方便操縱。根據(jù)挖機(jī)扶手箱的結(jié)構(gòu)和人際交互關(guān)系并結(jié)合大多數(shù)人的操作習(xí)慣，將油門旋鈕、點(diǎn)火開關(guān)、翹板開關(guān)、空調(diào)控制面板放置在右扶手箱上，將收音機(jī)、備用電源、點(diǎn)煙器、指示燈、雜物盒、先導(dǎo)切斷開關(guān)放置在左扶手箱上。然后按照操作使用頻次的高低及占用空間的大小綜合考慮進(jìn)行位置確定。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

扶手箱下殼體拆卸問題是當(dāng)前扶手箱需要解決的首要問題，也是本文主要探討的主要問題。在這里我們采用分體式設(shè)計(jì)，將下殼分為前、后、左、右四部分組合，這樣就可以解決檢修及下殼更換困難的問題。同時(shí)也可以將四部分做成不同顏色，實(shí)現(xiàn)多彩搭配。同時(shí)本設(shè)計(jì)借用轎車內(nèi)飾中用到的金屬卡扣連接方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)外殼與骨架的連接，即解決了因螺釘外露的美觀問題，也易于拆卸。因殼體的分體式設(shè)計(jì)的應(yīng)用，就要求模具制作時(shí)更加精確，隨著我國(guó)注塑工藝近幾年快速發(fā)展，大多數(shù)注塑廠家都可以制作出滿足要求的產(chǎn)品。

先導(dǎo)手柄控制挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)及裝卸動(dòng)作，是挖掘機(jī)的核心部件，使用最為頻繁，使駕駛員以最舒適的方式來(lái)控制先導(dǎo)手柄，可以大大減少駕駛員的疲勞感。因此，先導(dǎo)手柄的位置是衡量扶手箱優(yōu)劣的重要因素。

現(xiàn)在，隨著3D工具的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，特別是CAE技術(shù)，可以在提高產(chǎn)品質(zhì)量和建立產(chǎn)品開發(fā)能力方面，給我們提供極大幫助。本文以中等身高的人為模型，進(jìn)行實(shí)體建模。首先，對(duì)于上臂來(lái)說(shuō)，它的自然形態(tài)應(yīng)該是使尺骨和橈骨接近平行的狀態(tài)。這種形態(tài)下，上臂的主要肌肉和血管不會(huì)發(fā)生扭曲，所以即便長(zhǎng)時(shí)間保持這個(gè)姿勢(shì)，也不會(huì)出現(xiàn)肌肉疲勞和缺氧情況，根據(jù)人體的生理機(jī)構(gòu)來(lái)確定先導(dǎo)手柄的位置，從而確定扶手箱的高度、角度等。再根據(jù)整車造型風(fēng)格最終確定扶手箱整體造型。

3 結(jié)語(yǔ)

扶手箱設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜而細(xì)致的工作，也是挖掘機(jī)設(shè)計(jì)的重要組成部分。設(shè)計(jì)人員必須在設(shè)計(jì)過程中權(quán)衡利弊，精心布局，使其既充分考慮到駕駛員的各種操縱習(xí)慣，符合人機(jī)舒適性，又與整車造型風(fēng)格協(xié)調(diào)一致；既方便加工裝配，又對(duì)乘員安全起到輔助保護(hù)作用。

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