享受舒適（一）

工程機械的舒適化，歸根結底是人機工學、人機界面交互、設計幾何學、力學、數字建模等多門學科的綜合應用，是操控執行的舒適化，也是人體感知的舒適性。而真正意義上的舒適性，不僅僅是狹義的舒服，還包含了安全、便捷、高效的性能要求，同時更應具備易快速量產的經濟化效益。

在歐美市場上，工程機械的舒適性設計已經非常成熟，如JCB挖掘裝載機、魏德明（Weidemann）靜液壓裝載機、卡特彼勒輪式裝載機、山貓滑移裝載機等產品，其整機的舒適性設計都已經非常完善，并成為整個行業的領導者甚至是某些行業準則的制定者。而在國內市場上，舒適性的整體水平則處于逐步完善的階段。目前，在成本允許的范圍內，無論是用戶還是生產廠商，均對舒適化投入了大量的關注和實踐性改善。

其實，我們通常所說的工程機械的舒適性，既有操控意義上的舒適性也有感知范圍內的舒適性，主要體現在操控舒適性、維修舒適性、工作環境舒適性、內飾舒適化以及噪聲和振動的控制等5個方面。本刊將以連載的形式，從5個方面出發，一起探討工程機械舒適性技術策略。

本期，讓我們一起去探索和體驗最佳的操控舒適性。

工程機械操控舒適化，主要是指駕駛員或者維修人員在進行工程機械的駕駛或維修，即人機交互時，能夠舒適、便捷、高效地完成既定工作。在工程機械行業，與操控舒適性比較密切相關的3個要素分別是：操控裝置的舒適性、顯示裝置的舒適性以及作業空間的舒適性。

實際設計中，大多設計人員均會參考人機工學參考尺寸、機加工工藝以及現場實際生產能力來確保整機的協調性、舒適性設計。借助于成熟的三維建模以及模塊化技術，工程師在設計之初即可對操控的舒適性進行詳細的模型校核，參照人機工學的相關尺寸對人機交互點進行尺寸分析、校核，并根據校核結論對數據模型進行修正。之后在實際生產中，會再根據實際量產的生產情況，就材料以及加工工藝等方面對操控的舒適性做進一步的調整。

舒適點一：操縱裝置

操縱裝置是指通過駕駛員的直接動作或間接動作，實現機械的啟動、駐車、行走狀態的改變以及工作狀態改變的裝置。操縱裝置的設計，需要從人體的體形、尺度、生理特點、運動特征和心理特性，以及人的體能限度多個方面綜合考慮，達到舒適化的目標。

設計過程中需要從操縱裝置的空間布置、操縱裝置的易操作性、操縱裝置的可靠性等3方面來考慮操縱裝置舒適性的可實施性。

空間布置

操縱元件包括手操縱元件和腳操縱元件，如腳制動器、腳油門、操縱手柄、手制動器、緊急制動器、轉向盤、翹板開關等，根據使用的頻率以及約定俗成的一些習慣進行最合適的安排。

以輪式裝載機的操控裝置為例，操控裝置主要集中在駕駛室的前部，部分裝載機座椅的左右也有布置。不同的機種，會根據工作原理和工作環境的不同對操控裝置做不同的布置。

JB 3683-2001-T中關于最佳操縱區域的大概范圍為：腳操縱舒適區域，以座椅的標定點（SIP點）為原點，左右280mm，高度為-140～-490mm的立體區域，可及范圍擴展到左右340mm，高度-70mm的立體區域內；手部操縱區域，以座椅SIP點為原點，左右500mm，高度為-110-420mm的立體區域，可及范圍擴展到身體寬度再加上左右肩關節旋轉的半徑為600mm的球狀立體區域。

以廈丁MACKS227型靜液壓裝載機為例（如圖2），該產品是專門針對歐洲市場設計的，用于農場的輕載荷工作，其基本布置是左右腳控、右手液壓先導操縱手柄、左手制動器，中間前部分為組合儀表的顯示裝置以及翹板開關等小型操控裝置。具體而言，方向柱、組合儀表面盤及組合儀表上的翹板開關、啟動開關、先導操縱手柄等都在手控的最佳舒適區域內，屬于比較合理的布置。而制動器踏板和油門踏板最原始的設計是豎直的，并沒有做一個傾角處理，布置位置基本在可及區域的外緣。后期量產過程中，結合歐洲市場的反饋情況以及多次的人工校核，對制動器踏板和油門踏板的布置做了15°的傾角布置更改，這樣就把腳與踏板的接觸點向舒適區靠近了一些。盡管如此，腳部可及范圍仍然是在腳操縱舒適區域的邊緣，依舊存在改進空間。

易操作性

對操縱元件進行操縱時，駕駛員需要施加的力氣、時間等都需要進行校核和計算，即操控裝置的易操作性。

在詳細方案設計過程中，完成基本的三維建模之后，需要根據部件的運動情況和功能要求，對部件進行結構分析和處理，如運動部件的助力處理、工作裝置的點位校核等。

以廈工MACKS450型靜液壓裝載機駕駛室后窗的助力分析為例介紹操控裝置的易操作性校核。設計要求為后窗后翻90°，對后窗的助力氣彈簧參數做出計算分析。首先需要通過三維模型分析，確定后窗的重心點位、質量以及運動軌跡（如圖3）。

氣彈簧的點位和力量計算，首先需根據后窗的整體質量以及重心位置和翻轉角度來大致假設氣彈簧的基本點位，然后通過力矩平衡原理來計算對點位和力量進行校核，并根據校核結果對假設的點位進行修正。

圖5簡化示意圖中的O點是運動軸心，A點位是氣彈簧的上點位，即后窗在基體上的固定點位；B點是后窗處于初始狀態時候后窗的重心位置；C點位是是后窗處于初始狀態時候氣彈簧的下點位；B’點是后窗處于終點狀態時候后窗的重心位置；C’點位是后窗處于終始狀態時候氣彈簧的下點位。后窗質量m=20kg，初始狀態氣彈簧壓力為F1，終點狀態氣彈簧壓力為F2，其余尺寸如圖5中標示。

初始狀態的力矩平衡：m×g×80=F1×33

F1=（m×g×80）/33=485N

終點狀態的力矩平衡：

m×g×227=F2×54

Fz=（m×g×227）÷54=840N

F2>F1，由于運動全程中，氣彈簧要始終保持能支撐住后窗的狀態，所以選擇F2做氣彈簧的壓力。

在終點狀態，力矩平衡，即在關閉后窗的時候，手基本不需要施加給后窗拉力，僅依靠后窗的重力就可以關閉后窗。這在實際操作的時候，是非常舒適的。

實際運動全程中，氣彈簧的壓力產生的力矩始終都應該大于重力產生的力矩，以便保持氣彈簧對后窗的支撐狀態。所以，取氣彈簧的壓力為900N。

為了后窗能夠順暢平穩開啟，設計為雙氣彈簧，在后窗上左右對稱分布。所以，單根氣彈簧的壓力F為450N。

根據氣彈簧的位置和壓力情況，選擇氣彈簧的接頭形式為B-B（球頭）。

如果在終點狀態，F1>F2，且F1-F2>100N，那么則需要對點位重新校核，一直到合適為止。

以上計算方式是最原始的計算方式。對于復雜的運動和校核，可以通過運動仿真、借助ANSYS等軟件進行分析。在數據模型準確的情況下，可以基本模擬出實際的受力分析和運動情況（由于材料和制造工藝的差別，實際結果會有所偏差）。在得到分析情況之后，可以根據結果進一步對結構和力量進行調整，直至符合所需。

舒適點二：顯示裝置

根據顯示裝置信息傳遞通道的不同，可以把顯示裝置分為視覺傳遞顯示裝置、聽覺傳遞顯示裝置以及觸覺傳遞顯示裝置，如顯示車速和油溫的儀表為視覺顯示裝置，水溫報警器則是聽覺顯示裝置，而汽車中的轉向指示燈則同時具有提示聲（聽覺顯示）和綠色燈的閃動（視覺顯示）。在工程機械行業中，最常用的就是視覺顯示裝置和聽覺顯示裝置。

工程機械的顯示裝置通過可視化的數值、文字、符號、標志、可聽的聲波以及其他人體可感知的刺激信號向人傳遞設備的各種運行信息，使操作人員及時、合理的操縱機器，從而使設備完成預定的工作。因此，顯示裝置的舒適性主要涉及顯示裝置的位置布置、色彩處理等，也包含了視野所及范圍內燈光所達成的效果，以及視線在工作狀態或者行使狀態所及范圍。

與顯示裝置相關的部分，以駕駛室為分割，可以分為駕駛室的內環境和駕駛室外的外環境，包括在工作過程中各種需要隨時核看的刻度表、警示表等元件的布置，即內環境，也包括外環境中諸如車外后視鏡的布置、視野所及范圍內的燈光效果等等。

位置分布

顯示裝置的位置分布主要包括控制設備與顯示設備在視野范圍內的分布情況。本文主要研究內環境的顯示裝置，即駕駛室內部的前工作臺的布置（俗稱組合儀表）。

設計工程機械顯示裝置時，需要考慮以下2點，一是滿足整機的功能，二是規格尺寸與整機尺寸想匹配。

從空間分布看，根據人機工學的研究經驗，以雙眼對稱點為視覺的原點，左右15°為最佳視線范圍，左右35°為有效視野范圍，左右近90°為最大固定視野范圍，而左右95°為擴展視野范圍（頭部左右扭轉至最大后方）。所以，駕駛室前部的組合儀表的顯示裝置在最佳視野范圍內，屬于合理布置（如圖4）。

從角度上分析，主要顯示區域需要在以水平視線為分界的-30°～10°范圍內排布，組合儀表的主要顯示區域在視線的25°～33°角度范圍內（如圖5）。

色彩處理

色彩心理學中提到，悅目的色彩，可以使人保持朝氣蓬勃的精神狀態，反之則會損傷人的健康。高明度而鮮艷的暖色，易引起疲勞，明度低、柔和的冷色，則會使人穩重而寧靜；暖色系可以激發人的情緒而冷色系則會壓制人的情緒，白色與純色配合給人以明朗活潑感，黑色則產生憂郁感，灰色則不會給人明顯的情緒感。

許多汽車生產企業和工程機械企業均會選用中性的灰色做內飾和前儀表臺作為色彩基體，就是為了避免給人以強烈的情緒暗示。

而在儀表標志的顏色方面，一般選用紅、黃、藍、綠4種顏色。其中紅色對人的視覺和心理刺激最為強烈，表示禁止類警告提示，如油溫報警區；藍色多用于指示油溫的正常顯示區；黃色則表示警示性危險提示；綠色給人以舒適寧靜感，用于表達安全的信息，如轉向指示燈的顏色（如圖6）。

在信息表達的文字信息里，最清晰的配色是黑底黃字，最模糊的配色是黑底藍字，經常采用的是黑底白字或白底黑字。總之，要用醒目色表達出關鍵的信息，使操作者能在視覺的瞬間就能捕捉到關鍵信息并完成操縱。

舒適點三：作業空間

除操控裝置的處理、顯示裝置的處理，操控舒適性還包合了作業空間的舒適化設計，主要有駕駛員的操控位置、操控空間和通道裝置。

操控空間

CE標準中的EN 474-1、EN 474-3以及ISO體系中的ISO 3411、ISO 2867都對駕駛室的內部操控空間進行了明確的規定，具體參數如下（尺寸標示參考圖7）。

R1：SIP至駕駛室頂部距離，駕駛員戴頭盔R1≥1050mm，駕駛員不戴頭盔R1≥1000mm；EN474修正要求緊湊型裝載機（操作質量≤4500kg）R1≥920mm；其他設備R1≥1000mm（以上要求同樣適用于前窗或者后窗可收回的狀態）。

R2：駕駛室內壁接點的倒圓半徑，R2≤250mm。

h1：SIP和側壁的最低端距離，h2≤150mm。

W：容納雙腿的空間寬度，W≥560mm。

R3：SIP到后壁的距離，R3≥b+400（b為座椅水平調整行程的一半）。

L1：SIP到駕駛室內壁的水平距離（用以維持R1的要求）。

C1：駕駛員前臂/手在駕駛室的容納空間C1≥500mm。

C2：腳踏板和駕駛室內壁之間的間隙C2≥30mm，踏板在任意位置。

此外，對于駕駛室入口和逃生口規定，若進出駕駛室的主入口位于駕駛室前面（如滑移裝載機），入口的高度不應小于875mm，入口的寬度不應小于550mm。駕駛室逃生口（緊急出口）的尺寸（依據EN和ISO 2867規定）：長方形形狀的出口尺寸不應小于380mm×550mm。

尺寸分析

整機的通道裝置，包含了駕駛員出入口尺寸、扶手尺寸和腳踏尺寸，仍然以廈工靜液壓裝載機為例進行說明。

腳踏尺寸

參照人機工學中的腳踏相關尺寸以及CE認證的設計標準，對MACK8450型靜液壓裝載機中腳踏的尺寸做如下設計（如圖8）。

A=335<700mm，人體膝部高度最大值為640mm，所以人腿的上提跨度在700mm以下，結合整機的情況，第一梯跨度設計為335mm。

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C=254>160mm。這個腳踏的寬度是根據人體的腳的寬度來考慮的。同標數據中，駕駛員的鞋子寬度最大值為140mm，在CE中規定了腳踏的最小值為160mm，以便人腳能夠有足夠的支撐面積。

F2=279>150mm。腳踏的深度，是根據要支撐住人體鎖需要的最少腳部支撐而來決定的。CE中規定了最小尺寸為150mm。

腳踏第一梯和第二梯的各個尺寸適宜駕駛員踩踏的要求，滿足人機工學的各項要求，達到人性化和舒適化的要求。

基本出入口尺寸

工程機械出入口主要是指駕駛室側門的高和寬。在人機工學中，要求基本出入口的寬度應大于550mm，門檻以上的出入口高度應大于875mm。

結合整機的造型設計配比設計并參照上述標準，確定MACKS450型裝載機的駕駛室側門寬度尺寸A=967>450mm，高度尺寸B=1354>1300mm，滿足基本尺寸要求，符合基本出入口要求。

扶手尺寸

在MACKS450中，牽涉到扶手尺寸主要是駕駛員進入駕駛室時、用于攀扶的扶手，以及機罩打開時候需要觸控的手柄（如圖9）。

D=1094<1700mm，便于手臂抓扶時，手臂能夠在比較舒適的高度，握住扶手。

A=25，A<80mm且A>15mm，便于手臂在抓扶時，手握住的扶手能夠有效支撐。

C=96>50mm，滿足了人群中95%的手臂能夠握到扶手，且握緊的手掌不會與駕駛室骨架發生干涉碰撞，不至于造成傷害。

以上尺寸分析，涵蓋了歐洲95%的身高范圍，MACKS450的扶手尺寸滿足歐洲人身高，使人能夠舒適、有效地利用扶手，完成相關的操作動作。

綜上所述，操控的舒適性是一個比較復雜的布置和實現過程，需要綜合考慮操縱人員的體征特點以及工程機械本身的工作特點，甚至是外工作環境的特點。設計師必須充分考慮人體的體型、生理特點、運動特征、心理特性以及人的體力限度，使操作者能夠安全、快捷、舒適的的持續操縱而不過早產生疲憊感，使操縱裝置地性能達到高度的舒適性，進而幫助客戶實現經濟效益。

就工程機械自身的工作特點而言，不同的機型種類工作特點不同，甚至相同機種不同的載重量其工作特點也會有所不同，所對應的工程機械的自身布置要求也會不同。鑒于此，設計之初就應根據所設計機型的特點和工作環境的特點以及功能要求，充分考慮人和機的各個要素，結合人機工學、人機界面等學科的理論知識，以及國家標準，甚至是針對歐盟市場的EN-ISO標準等，進行多方位的校核，各個部件之間進行協調配合，進而完成各個操控裝置的布置。

只有這樣經過認真設計的整機，才能保證操控裝置的布置合理性，真正體現操控的舒適性。