王啟超,秦增志,張文杰,徐 正,徐紅梅*
(1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,武漢 430070;2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430070)
拖拉機(jī)作為最主要農(nóng)業(yè)動(dòng)力機(jī)械,其發(fā)展水平體現(xiàn)著一個(gè)國家的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度和農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展水平[1]。我國拖拉機(jī)擁有量從2004 年的1 579.59萬臺增加到2016 年2 317.03 萬臺,且總體需求仍呈增長態(tài)勢[2]。盡管我國拖拉機(jī)擁有量持續(xù)上升,但研發(fā)起步較晚,在質(zhì)量性能方面與發(fā)達(dá)國家仍存在差距,且拖拉機(jī)作業(yè)任務(wù)重、工況復(fù)雜、環(huán)境惡劣,使得駕駛員在正常作業(yè)時(shí)工作強(qiáng)度大。
駕駛室作為拖拉機(jī)整機(jī)構(gòu)造的重要組成部分,是人機(jī)系統(tǒng)的交互載體平臺。20 世紀(jì)初,美國工業(yè)設(shè)計(jì)師開始“以人為中心”研究拖拉機(jī)駕駛室外觀造型設(shè)計(jì)[3],目前該領(lǐng)域側(cè)重結(jié)合生物力學(xué)與人體解剖學(xué)對拖拉機(jī)駕駛室人機(jī)交互裝置、聲環(huán)境及微氣候進(jìn)行人因工程優(yōu)化設(shè)計(jì)[4-6]。國內(nèi)對于拖拉機(jī)的研究重心集中在如何提高整機(jī)工作性能,對駕駛室的人因工程學(xué)研究已具有一定的應(yīng)用基礎(chǔ)[7-9]。
基于此,本研究以自主設(shè)計(jì)拖拉機(jī)駕駛室為研究對象,采用DELMIA 軟件人因工程仿真分析模塊,首先對中國人體尺寸進(jìn)行修正并根據(jù)修正后的人體尺寸建立第5、50 和95 百分位駕駛員模型,并與駕駛室模型耦合構(gòu)建人機(jī)系統(tǒng),最后對人機(jī)系統(tǒng)的駕駛員視野、上肢伸展域、坐姿舒適度以及換擋舒適性等靜態(tài)舒適性進(jìn)行分析與評價(jià),并根據(jù)分析結(jié)果校核駕駛室內(nèi)部布局的合理性。
以人因工程學(xué)與駕駛室設(shè)計(jì)相關(guān)理論為基礎(chǔ),結(jié)合《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)駕駛室門道、緊急出口與駕駛員的工作位置尺寸GB/T 6238—2004》[10]、《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)駕駛員座位裝置尺寸GB/T 6235—2004》[11]、《機(jī)車司機(jī)室前窗、側(cè)窗和其他窗的配置GB/T 5914.2—2000》[12]駕駛室設(shè)計(jì)國家標(biāo)準(zhǔn),并根據(jù)某型號拖拉機(jī)整機(jī)基本參數(shù)對拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)部主要裝置、整體布局以及外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并建立三維模型。拖拉機(jī)駕駛室設(shè)計(jì)基本尺寸如圖1 及表1 所示,設(shè)計(jì)內(nèi)部空間容積約為3 m3,所建立的駕駛室應(yīng)用于大型拖拉機(jī),駕駛室三維模型如圖2 所示。
表1 駕駛室設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Parameters of cab design
圖1 駕駛室尺寸設(shè)計(jì)Figure 1 The dimension design of cab
圖2 駕駛室三維模型Figure 2 Three-dimensional model of the cab
《中國成年人人體尺寸GB 10000—1988》[13]統(tǒng)計(jì)了我國成年人人體尺寸的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),可為人體建模提供數(shù)據(jù)支持[14]。但由于該標(biāo)準(zhǔn)頒布較早,已與當(dāng)前我國成年人體尺寸數(shù)據(jù)存在一定偏差。為保證設(shè)計(jì)合理性,本研究參照1982 年與2007 年頒布的兩版國際標(biāo)準(zhǔn)《ISO 3411 土方機(jī)械—操作人員的實(shí)際尺寸和最小操作人員空間范圍》[15-16]中男性駕駛員人體各部位尺寸變化率,對《中國成年人人體尺寸GB 10000—1988》[13]中18 ~ 60 歲男性人體尺寸做出修正,并將修正后人體尺寸作為駕駛員建模的數(shù)據(jù)支撐。其中,第5 百分位(小身材)人體各部位尺寸的變化率較小予以忽略,修正后的人體尺寸數(shù)據(jù)如表2 所示。
由表2 分析可知,修正后人體尺寸與舊版人體尺寸相比,第50 百分位人體在最大肩寬、坐姿眼高、坐姿膝寬尺寸顯著增長,第95 百分位人體在最大肩寬、臀膝間距、立姿跨高、坐姿臀寬尺寸顯著增長。人體尺寸發(fā)生變化將影響駕駛舒適性及操縱裝置空間位置變化,尤其是坐姿眼高影響駕駛員視野,坐姿膝寬和臀寬影響座椅人性化設(shè)計(jì),最大肩寬及臀膝間距影響方向盤及操縱桿空間位置進(jìn)而影響操縱舒適性。自主設(shè)計(jì)駕駛室能充分考慮人體尺寸變化對駕駛操縱舒適性帶來的影響,通過優(yōu)化駕駛室尺寸及內(nèi)部操縱裝置空間尺寸布局,能有效提升各不同體型駕駛員駕駛操縱舒適性。
表2 人體尺寸增長率與修正后的人體尺寸Table 2 Human body size growth rate and revised body size
H 點(diǎn)指駕駛員軀干與大腿處的鉸接點(diǎn),是人因工程學(xué)中車輛駕駛室尺寸設(shè)計(jì)與室內(nèi)各裝置布局的基準(zhǔn)點(diǎn)[17]。本研究用不同百分位人體H 點(diǎn)的位置對人機(jī)系統(tǒng)中駕駛員模型進(jìn)行定位。SAE 對商用車和拖拉機(jī)等B 類車各百分位駕駛員H 點(diǎn)的位置范圍進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,當(dāng)駕駛員群體男女比例等于或超過90∶10 時(shí),H 點(diǎn)與踏點(diǎn)之間的水平距離與H 點(diǎn)的預(yù)設(shè)高度近似成線性關(guān)系,具體如式(1) :
式(1)中:X5、X50、X95分別為第5、第50 和第95百分位駕駛員群體H 點(diǎn)到踵點(diǎn)水平距離;Z為各體型駕駛員H 點(diǎn)到踵點(diǎn)的垂直距離,《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)駕駛員座位裝置尺寸GB/T 6235—2004》[11]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Z值一般取450 ~ 520 mm,根據(jù)各百分位人體坐姿高度,Z5、Z50和Z95分別取455、470 和495 mm。由式(1)可確定第5、第50 和第95 百分位駕駛員人體模型H 點(diǎn)在水平和垂直方向上(X,Z)距離分別為(541 mm、445 mm),(616 mm、470 mm),(678 mm、495 mm),座椅的水平調(diào)節(jié)量為137 mm。根據(jù)計(jì)算的各百分位H 點(diǎn)位置對人體模型進(jìn)行定位,并對模型頸、胸、腰、四肢等部位進(jìn)行自由度的調(diào)節(jié),設(shè)置人體模型與方向盤、座椅、踏板等內(nèi)部裝置的接觸約束,建立的人機(jī)系統(tǒng)如圖3 所示。
圖3 駕駛員-駕駛室人機(jī)系統(tǒng)Figure 3 Driver-cab human-machine system
本研究對所設(shè)計(jì)駕駛室駕駛員靜態(tài)舒適性仿真分析從視野、上肢伸展域、坐姿舒適度及換擋舒適性四方面進(jìn)行;對于設(shè)計(jì)駕駛室的靜態(tài)舒適性仿真分析以第5、第50 和第95 百分位駕駛員模型為研究對象,開展不同體型的駕駛員舒適性仿真分析。
視野是影響駕駛員安全與舒適的重要因素。在駕駛拖拉機(jī)作業(yè)時(shí),要求駕駛員對駕駛室內(nèi)部空間裝置及室外作業(yè)環(huán)境擁有充足的可視性。因此,本研究采用DELMIA 對拖拉機(jī)駕駛員駕駛坐姿時(shí)的平視視野、頭部左右轉(zhuǎn)動(dòng)35°視野及頭部左右轉(zhuǎn)動(dòng)最大幅度75°視野分別進(jìn)行仿真分析以評估駕駛室設(shè)計(jì)的合理性。
2.1.1 第50 百分位駕駛員視野仿真分析 深紅色部分為視野盲區(qū),淺紅色部分為左眼或右眼觀察到的區(qū)域,內(nèi)部無陰影部分為左右眼皆可觀察的區(qū)域,為最佳視覺區(qū)。圖4—圖6 為第50 百分位駕駛員視野仿真結(jié)果。分析可知,平視視野開闊,最佳視覺區(qū)集中于前擋風(fēng)玻璃中部與方向盤上部,可保證駕駛室前方環(huán)境狀況清晰可見。頭部轉(zhuǎn)動(dòng)35 °時(shí),最佳視覺區(qū)集中于后視鏡、扶手以及前擋風(fēng)玻璃左邊部分,操縱臺角落也位于最佳視覺區(qū)范圍內(nèi),符合駕駛室視野設(shè)計(jì)人因工程學(xué)要求[18]。頭部轉(zhuǎn)動(dòng)75 °時(shí)最佳視覺區(qū)集中于門玻璃與后視鏡,對駕駛室左右兩側(cè)的環(huán)境具有足夠的可視性??傮w而言,第50百分位駕駛員視野未受內(nèi)部裝置布局的遮擋,整體情況良好,駕駛室設(shè)計(jì)可滿足中等身材駕駛員需求。
圖4 第50 百分位駕駛員平視視野Figure 4 The 50th percentile driver's head-up field of vision
圖5 第50 百分位駕駛員頭部轉(zhuǎn)動(dòng)35 °視野Figure 5 The 50th percentile driver's head rotation 35 ° field of view
圖6 第50 百分位駕駛員頭部轉(zhuǎn)動(dòng)75 °視野Figure 6 The 50th percentile driver's head rotation 75 ° field of view
2.1.2 第5 百分位駕駛員視野仿真分析 圖7—圖9 為第5 百分位駕駛員視野仿真結(jié)果。與第50 百分位駕駛員視野相比,第5 百分位的駕駛員視野范圍略小,尤其是平視視野,這主要是由于第5 百分位的駕駛員體型較小,坐的位置更靠前,駕駛室整體視野范圍更小。總體而言,第5 百分位駕駛員視野未受到內(nèi)部裝置的影響,在平視和轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí),最佳視覺區(qū)集中于前擋風(fēng)玻璃、后視鏡、扶手及大部分的門玻璃,整體視野開闊,駕駛室設(shè)計(jì)滿足第5 百分位(小身材)駕駛員作業(yè)需求。
圖7 第5 百分位駕駛員平視視野Figure 7 The 5th percentile driver's head-up field of vision
圖8 第5 百分位駕駛員35 °視野Figure 8 The 5th percentile of the driver's head rotation 35 °field of view
圖9 第5 百分位駕駛員75 °視野Figure 9 The 5th percentile driver's head rotation 75 ° field of view
2.1.3 第95 百分位駕駛員視野仿真分析 圖10—圖12 為第95 百分位駕駛員視野仿真結(jié)果。與第5、第50 百分位駕駛員視野相比,第95 百分位駕駛員視野范圍更開闊,這是由于第95 百分位駕駛員身材較高大,駕駛坐姿眼高更高,同時(shí)在駕駛室內(nèi)坐的位置較靠后,與前擋風(fēng)玻璃距離較遠(yuǎn);總體而言,駕駛坐姿下第95 百分位駕駛員平視和頭部轉(zhuǎn)動(dòng)35 °及75 °時(shí),最佳視覺區(qū)集中于前擋風(fēng)玻璃、后視鏡、前圍立柱及部分門玻璃,整體視野更開闊,駕駛室設(shè)計(jì)滿足第95 百分位(大體型)駕駛員的視野需求。
圖10 第95 百分位駕駛員平視視野Figure 10 The 95th percentile driver's head-up field of view
圖11 第95 百分位駕駛員頭部轉(zhuǎn)動(dòng)35°視野Figure 11 The 95th percentile of the driver's head rotation 35 °field of view
圖12 第95 百分位駕駛員頭部轉(zhuǎn)動(dòng)75°視野Figure 12 The 95th percentile driver's head rotation 75 ° field of view
上肢伸展域指駕駛員在某一固定姿態(tài)下上肢伸展能夠達(dá)到的空間范圍,本研究應(yīng)用DELMIA 上肢伸展域模塊對第5、第50 和第95 百分位駕駛員進(jìn)行駕駛坐姿上肢伸展域仿真分析。
2.2.1 第50 百分位駕駛員上肢伸展域仿真 如圖13 和圖14 所示,第50 百分位駕駛員左右手伸展域分別以綠色和藍(lán)色陰影表示。左右手伸展域范圍涵蓋了包括換擋桿、動(dòng)力輸出操縱桿、方向盤等主要操縱裝置,可達(dá)范圍可及左右門道區(qū)域,滿足作業(yè)人員駕駛室內(nèi)可達(dá)區(qū)域要求,作業(yè)人員操縱的便捷性與舒適性良好。
圖13 第50 百分位駕駛員左手伸展域Figure 13 The 50th percentile driver's left hand stretch area
圖14 第50 百分位駕駛員右手伸展域Figure 14 The 50th percentile driver's right hand stretch area
2.2.2 第5 百分位駕駛員上肢伸展域仿真 圖15、16 中陰影部分為第5 百分位駕駛員上肢伸展域,與第50 百分位上肢伸展域相比,第5 百分位上肢伸展域范圍較小,且伸展域整體高度偏低,這主要受制于第5 百分位駕駛員的身材比例,特別是上肢尺寸偏小,但總體伸展域涵蓋了方向盤、操縱桿等主要操縱部件。小身材駕駛員對該設(shè)計(jì)拖拉機(jī)駕駛室可達(dá)性滿足駕駛基本要求。
圖15 第5 百分位駕駛員左手伸展域Figure 15 The 5th percentile driver's left hand stretch area
圖16 第5 百分位駕駛員右手伸展域Figure 16 The 5th percentile driver's right hand stretch area
2.2.3 第95 百分位駕駛員上肢伸展域仿真 圖17和圖18 中陰影部分為第95 百分位駕駛員上肢伸展域,與第5、第50 百分位上肢伸展域相比,第95百分位上肢伸展域范圍明顯更大,左右手伸展域范圍均涵蓋了左右兩部分的操縱裝置,最遠(yuǎn)可達(dá)范圍觸及左右門道區(qū)域,滿足作業(yè)人員駕駛室內(nèi)可達(dá)區(qū)域要求,駕駛適應(yīng)性良好。因此,本設(shè)計(jì)駕駛室滿足大體型駕駛員可達(dá)性要求。
圖17 第95 百分位駕駛員左手伸展域Figure 17 The 95th percentile driver's left hand stretch area
圖18 第95 百分位駕駛員右手伸展域Figure 18 The 95th percentile driver's right hand stretch area
不合理駕駛室內(nèi)部布局易導(dǎo)致駕駛坐姿時(shí)腰、頸等部位疲勞與損傷,對駕駛員舒適性和安全性造成損害。駕駛坐姿靜態(tài)舒適性通常以人體各部位關(guān)節(jié)角度為評價(jià)指標(biāo)[19],本研究用DELMIA 的Human Posture Analysis 對人體模型姿勢進(jìn)行設(shè)定與調(diào)節(jié),劃分不同關(guān)節(jié)區(qū)域,并根據(jù)各關(guān)節(jié)舒適角度給各區(qū)域賦予評分[20],對設(shè)計(jì)駕駛室進(jìn)行坐姿舒適度仿真分析。如表3 所示,評分越高代表關(guān)節(jié)舒適性越好。在評分體系基礎(chǔ)上,DELMIA 可設(shè)置人體模型各關(guān)節(jié)舒適性最佳角度,并根據(jù)駕駛員坐姿對各關(guān)節(jié)評分進(jìn)行加權(quán)插值運(yùn)算,得出駕駛員坐姿綜合評分。
表3 人體各部位駕駛坐姿舒適性評分Table 3 Scoring for sitting comfort of various parts of the human body
如圖19 為第50 百分位駕駛員模型的大腿與上臂處舒適性角度劃分區(qū)域結(jié)果,不同顏色區(qū)域代表不同舒適性評分。設(shè)定98 分及以上以綠色表示,為舒適性最佳區(qū)域;90 ~ 98 分以青色表示,為次舒適區(qū)域;80 ~ 90 分與70 ~ 80 分以紫色和藍(lán)色表示;70 分以下用紅色表示,為不舒適區(qū)域。其他身體部位的舒適性角度編輯過程與大腿與上臂處類似。在完成駕駛員模型人體各部位舒適性角度劃分后,輸出各部位評分和最終評分,進(jìn)而完成人機(jī)系統(tǒng)坐姿舒適度仿真分析。
圖19 舒適性角度劃分區(qū)域Figure 19 Comfort angle division area
為更直觀獲取坐姿舒適性評分結(jié)果,評分結(jié)果以條形圖形式輸出(圖20)。根據(jù)圖20 分析可知,第50 百分位駕駛員舒適性總分為92.2 分,表明總體舒適性較好;從各部位的分值來看,眼睛視線處評分最高,可達(dá)100 分,胸椎處評分最低,低至81.7分;大部分部位舒適性評分都在90 分以上,其中,大腿、小腿、手部等評分在95 分以上,舒適性較好;而左右前臂處、胸椎、腰部等評分90 分以下,表明這些部位與其他部位相比舒適性略差。
圖20 駕駛員駕駛坐姿仿真結(jié)果Figure 20 Driver's driving posture simulation results
第5 百分位駕駛員舒適性總評分為91.3 分,總體舒適性較好;從各部位評分明細(xì)可知,眼睛視線處評分最高,可達(dá)100 分,腰部評分最低,低至76分;大部分人體部位評分高于90 分,說明大部分部位舒適性較好,而少數(shù)部位如腰部、腳腕、前臂評分不及90 分,表明這些部位舒適性略差;此外,與第50 百分位駕駛員舒適性評分相比,第5 百分位駕駛員的腰部、前臂、腳腕處得分低于第50 百分位駕駛員,表明這些部位舒適性不及第50 百分位駕駛員。綜上分析,第5 百分位駕駛員舒適性比第50百分位駕駛員略差,但總體上設(shè)計(jì)的駕駛室可滿足第5 百分位駕駛員舒適性需求。
第95 百分位駕駛員舒適性總評分為92 分,稍低于第50 百分位駕駛員評分,舒適性略差于第50 百分位駕駛員。舒適性評分偏低的部位如腰部、胸椎、前臂等,評分均不及90 分,這與第50 百分位駕駛員各部位評分類似,說明這些部位與其他部位如頸部、大腿、上臂等相比,舒適性略差??傮w看來,大部分人體部位評分都在90 分以上,舒適性良好,表明本設(shè)計(jì)駕駛室可滿足第95 百分位駕駛員的舒適性需求。
在操縱拖拉機(jī)實(shí)際作業(yè)過程中,換擋操縱是最頻繁的操縱動(dòng)作之一,該動(dòng)作主要依靠上肢進(jìn)行操作?;诖耍肈ELMIA 上肢分析模塊對駕駛員換擋姿態(tài)進(jìn)行仿真分析。在進(jìn)行各百分位駕駛員定位時(shí),以各自H 點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)調(diào)整坐姿,將左腳踏點(diǎn)約束于離合踏板平面,右手與左手分別以抓握姿態(tài)約束于操縱桿和方向盤上,圖21 為第50 百分位駕駛員模型換擋姿態(tài)示意圖。
圖21 第50 百分位駕駛員模型換擋姿態(tài)Figure 21 Shift posture of the 50th percentile driver model
上肢分析模塊的仿真結(jié)果以不同的色塊和評分等級共同體現(xiàn)。綠色代表舒適性最好,黃色表示舒適性欠佳,橙色以及紅色則表示舒適性差與不舒適。評分等級與舒適性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,評分最低為0 分,代表舒適性最佳。例圖22 位第50 百分位駕駛員上肢舒適性分析結(jié)果圖。由于不同身體部位耐受度差異,要結(jié)合色塊和評分對結(jié)果進(jìn)行綜合分析。
圖22 第50 百分位駕駛員上肢舒適性分析結(jié)果Figure 22 The 50th percentile driver’s upper limb comfort analysis
人體主要部位評分如表4 所示??傮w可看出,第50 百分位左右手臂的總評分值都是2 分,且色塊都為綠色,表明左右手臂在換擋操作時(shí)舒適性較好。對比上肢各部位評分明細(xì)可得:右前臂處評分色塊為黃色,表示此處舒適性欠佳,可見右前臂操縱換擋桿時(shí)對其舒適性有一定影響??傮w而言,第50百分位駕駛員在進(jìn)行換擋姿勢下舒適性較好,表明駕駛室設(shè)計(jì)較為合理。
表4 駕駛員換擋舒適性等級Table 4 Driver's gear shift comfort level
根據(jù)第5 百分位駕駛員仿真結(jié)果,對比上肢各部位評分明細(xì)可得:右前臂與手腕處舒適性略差,其他部位與第50 百分位類似,舒適性較好。總的看來,第5 百分位駕駛員設(shè)計(jì)的駕駛室在進(jìn)行換擋姿勢較為舒適,駕駛室的設(shè)計(jì)達(dá)到小身材駕駛員的換擋舒適性的要求。
根據(jù)第95 百分位駕駛員仿真結(jié)果,右臂總體評分為3 分,說明舒適性欠佳,尤其是右臂手腕、前臂及頸部等部位舒適性略差??傮w而言,本設(shè)計(jì)駕駛室對大體型駕駛員(第95 百分位)換擋操縱舒適性較中小體型駕駛員(第5、50 百分位)稍差,但依然達(dá)到舒適性的要求,可滿足大體型駕駛員換擋操縱舒適性需求。
綜合第5、50 和95 百分位駕駛員換擋姿態(tài)舒適性分析結(jié)果,可知在進(jìn)行換擋操作時(shí),操縱換擋桿的右臂舒適性不如左臂,尤其是右臂的前臂、手腕處舒適性相對較差,這與實(shí)際換擋情況基本相符。此外,本設(shè)計(jì)駕駛室第95 百分位駕駛員換擋姿態(tài)舒適性稍差,但本研究基于適應(yīng)大部分駕駛員體型(中等體型)的換擋舒適性需求來考慮,保留現(xiàn)有設(shè)計(jì),以提高駕駛室對所有用戶的適應(yīng)性。
本研究以自主設(shè)計(jì)拖拉機(jī)駕駛室為研究對象,采用DELMIA 軟件人因工程仿真分析模塊,構(gòu)建第5、第50 和第95 百分位駕駛員人機(jī)系統(tǒng),對駕駛員視野、上肢伸展域、坐姿舒適度及換擋舒適性進(jìn)行分析,指出了不同百分位駕駛員駕駛舒適性的相同點(diǎn)和不同點(diǎn),分析了駕駛室總體布局的合理性及對不同體型駕駛員的人機(jī)匹配性。結(jié)果表明,各體型駕駛員在駕駛室內(nèi)視野開闊,上肢可達(dá)性良好;第50 百分位駕駛員駕駛坐姿舒適性略優(yōu)于第5 和95百分位駕駛員;第5 和第50 百分位駕駛員換擋姿勢舒適性優(yōu)于第95 百分位的駕駛員。該駕駛環(huán)境可滿足各體型駕駛員舒適性需求,本設(shè)計(jì)駕駛室整體布局合理。
安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2022年3期