基于人機工程學的工程車輛操作臺優化設計研究

楊宏民

摘要：在工程車輛中，操作駕駛室是與駕駛人員活動聯系最為密切的一部分，是人—機—環境關系的集中體現。工程車輛操作室設計應滿足各種體形駕駛人員的操作舒適性與視野要求。人際工程學作為一門新興學科，將其引入工程車輛操作室設計，能夠有效改善工程車輛操作條件，提升駕駛人員的操作舒適性，滿足駕駛人員的視野要求。基于此，本文在分析人機工程學在工程車輛操作室設計中的應用優勢的基礎上，對基于人機工程學的工程車輛操作室優化設計展開積極研究，以期通過優化工程車輛操作室設計，構建駕駛人員與工程車輛之間的和諧關系，為工程車輛設計提供新的思路與發展方向。

關鍵詞：人際工程學;工程車輛操作室;優化設計

0? 引言

操作室是人在工程車輛中的主要活動區域。在基于人機工程學的工程車輛操作室設計中，車輛駕駛人員的需求是設計研究的核心對象。車輛駕駛人員的主要職責在于：用手或腳進行車輛或機具的駕駛、操縱、控制;在車輛作業過程中，觀察車輛的運行情況、監控其技術狀態;有序、高效地完成各項作業任務等。因此，基于人機工程學的工程車輛操作室優化設計可分為以下幾方面：

1? 根據作業姿勢，優化車輛操作室設計

在工程車輛的操作過程中，車輛駕駛人員的基本姿勢可分為立姿和坐姿兩種。

1.1 立姿? 像攤鋪機、銑刨機等體量較大、操作室空間較大的大型工程車輛，需要駕駛人員在操作機械的同時，密切觀察外部施工情況，需要較大的行為活動空間，因此，這類大型工程車輛往往需要駕駛人員保持站立姿勢進行操作。因此，在操作室內部設計方面，應為駕駛人員留出足夠的站立、操作空間，并將常用操縱裝置設計于駕駛人員操作位置較近的區域，以避免重復操作，降低勞動強度。在此類大型工程車輛中，同樣需要設計座椅，以方便駕駛人員在施工間歇時得以短暫休息，但是座椅的位置應保證不會妨礙立姿活動。

1.2 坐姿? 在一些裝卸、運輸類的工程車輛的作業過程中，駕駛人員多采取坐姿操作。因此，對于此類車輛來說，座椅的設計是非常重要的，需要設計人員從多方面進行考慮，如在坐姿的狀態下，應保證駕駛人員的視線處于最佳位置，確保視野開闊，駕駛人員的手、腳能夠靈活自如地操縱方向盤、剎車、變速桿、離合等裝置;同時還要留出充足頂部空間，以免由于作業現場過于顛簸而發生頭部碰撞頂篷的問題;座椅的設計應保證其可以進行上下、前后靈活調節，并設定上限值與下限值兩個調節范圍限值。基于人機工程學理論，工程車輛的座椅高低和前后調節通常取坐姿眼高的95百分位尺寸數據以及坐姿臀膝距的95百分位尺寸作為座椅調節范圍的上、下限值依據（如表1所示）。

部件的設計還應充分考慮車輛駕駛人員可及范圍內的工作頻率的需求。駕駛人員坐姿時上肢的高頻工作區域、低頻工作區域以及非工作區域空間分布如圖1所示。在工程車輛操作室設計時，應將高頻、精細的工作分布于深紅色區域，如關鍵操作控制、信息交互等操作。紅色區域越淺，則表示距離高效工作區域越遠，可將部分次要或無需持續關注的工作設備分布于此。如圖1所示。

2? 基于人機工程學的工程車輛駕駛員座椅設計

在工程車輛設計中，駕駛人員的座椅設計是決定操作室人機性能的重要因素。SAE、GB、ISO在駕駛員座椅設計方面，都制定了嚴格標準。具備良好人機性能的座椅，能夠有效減輕駕駛人員的疲勞程度，保障車輛的安全運行。基于人機工程學的座椅設計應從以下幾點入手：①座椅高H1。座椅高度應與駕駛人員小腿自然放置時，大腿接近水平，以確保其腳掌將能夠與車內地板或踏板自然貼合，從而方便下肢靈活、舒適地操縱踏板。我國成年男性坐姿小腿加足高大致在383-448mm之間，故可將座椅高度設計為400mm。②坐墊寬度W1。坐墊寬度設計應參考人體模型中最大腿部寬度。我國成年女性第95百分位臀寬為368mm，男性臀寬為295-355mm，因此，坐墊寬度設計應大于368mm，此外，為了幫助駕駛人員在轉彎或顛簸時保持坐姿穩定，我們通常會在坐墊兩側進行凸起設計。基于此，應將坐墊寬度設計為450mm。③座椅深L1。座椅深度設計應保證靠背能夠為腰椎部位與臀部提供支撐，并為小腿和椅面前緣留出充分空間。我國成年男性第5百分位大腿長為421mm，因此，可將工程車輛駕駛人員座深設計為410mm。④坐墊傾角α1。合理的坐墊傾角設計能夠有效預防車輛緊急制動時發生前傾，同時還可有效避免駕駛員整體重心后移，給予背部充分的支撐。在坐姿狀態下，駕駛人員大腿中心線與水平面夾角的舒適角度范圍在2-12°之間，坐墊傾角參數設計也應以此為參照，但考慮到坐墊傾角過大會影響到駕駛人員的駕駛視野，因此，工程車輛座椅坐墊傾角可設計為2-5°之間。至此，駕駛員座椅的關鍵尺寸已大致確定，具體設計如圖2所示。

3? 基于人機工程學的工程車輛的踏板設計

踏板設計與踏板使用場合密切相關。若對工程車輛的工作效率、工作量要求較高，則踏板的設計應縮短與上身的距離，符合較小的蹬力要求。但是這種坐姿肢體夾角過小，會影響駕駛舒適度，容易讓駕駛人員產生疲勞感。而如果對工程車輛工作效率、工作量要求較低，則可將踏板設置與距離人體較遠的位置，以增加駕駛舒適性。踏板樣式如圖3所示。在運動形式方面，踏板運動可分為直動、擺動兩種。直動式踏板的操作力在90N以下，屬于較小的操作力;而擺動式踏板的操縱力在90-180N之間。如圖4所示，a、b分別為直動式踏板與擺動式踏板。此外，踏板表面應設計防滑紋理，以提升駕駛人員操作的準確性。踏板大小設計應參考人體腳底尺寸。以工程車輛最為常見的腳掌踏板為例，其長度應設計為75-300mm;行程應設計為60-100mm;厚度應設計為25-90mm。

4? 基于人機工程學的工程車輛顯示裝置設計

工程車輛顯示裝置主要分為模擬式、屏幕式以及數字式三種顯示方式，其功能主要在于通過數值、文字、圖形、標志、聲音以及其它刺激信號，動態化、可視化地呈現傳遞車輛運行的狀態信息。首先，顯示裝置大小設計。顯示裝置大小將直接影響相關操作人員讀數的準確性。顯示裝置過大，會拉長操作人員的掃描距離，而影響視線定位的準確性，同時還會導致操作人員的視覺疲勞;而顯示裝置過小，數值、字符也會變小，影響讀書準確性。顯示裝置讀數視線夾角應該在3°到5°之間。顯示裝置與操作人員眼睛的距離應在710mm左右為最佳，這時讀數的準確性最高，也不會造成眼部疲勞。如圖2所示，高效認讀的邊界范圍在視線中心向上10°和向下45°之間。顯示裝置的傾角也會影響到不同部位的光線差和字符的透視變形，傾角過大會下降辨認讀書的準確性。合適的顯示裝置安裝傾角應設置在30°以下，以25°到30°之間為最佳。在整個工程車輛操作室設計中，顯示裝置的設計是至關重要的。重要的顯示裝置應設計在駕駛人員視線中心上下的3°以內，次要顯示裝置則不能超過視線中心40°，而不太重要的顯示裝置，應設計于視線中心的60°以內。

5? 基于人機工程學的工程車輛安全性設計

工程車輛駕駛室安全性能主要受物理因素與人為因素兩方面的影響。例如，受工程機械自身功能、控制器與顯示器不匹配等因素影響，容易導致工程機械存在安全隱患或發生設備故障;工程車輛作業環境的復雜程度也會在一定程度上影響工程車輛的安全性能;此外，施工方能夠科學、合理管理、安排安全法規、技術監督條例也是影響工程車輛安全性能的一個重要原因。調查數據顯示，90%以上的施工安全事故都是由人為原因導致的，包括人的心理、生理、個體等多方面因素。因此，為了進一步提升工程車輛施工作業的安全性，在工程車輛設計時，需要全面考慮駕駛人員的生理、心理需求，及時排除工程車輛存在的安全隱患，完善車輛安全裝置設置，并配備安全信息傳輸、反饋裝置，增設安全勁爆、故障保險等裝置，以最大限度提升工程車輛設計的安全性能，減少安全事故的發生。

6? 結語

總之，為進一步滿足工程車輛的使用需求，改善工程車輛駕駛人員的操作體驗，優化工程車輛的產品結構。工程車輛設計人員應進一步加強對人機工程學相關理論的學習與研究，提升對人機工程學的重視程度，積極借鑒其他國家在工程車輛設計領域的先進技術，推動我國工程車輛設計向著更加人性化、科技化方向發展。

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