基于CATIA的拖拉机驾驶室人机系统舒适性分析与评价

发表时间:2018-04-12 作者: 钟文杰*徐红梅*徐奥  来源: 互联网
关键字:驾驶室人机系统舒适性分析 CATIA 
本文以东方红LX854型拖拉机驾敦室为研究对象,并以第50百分位为例,对第5,50,95百分位驾敦员在驾敦室内进行了坐姿模拟、操级台可达性以及工作视野仿真分析与研究。

  拖拉机作为一种重要的实用机械动力模块,在农业作业上应用尤为广泛,以其为动力的整地、播种、植保、收获、运输等农业机械在当前及以后的现代化农业生产中不可或缺.然而在作业过程中由于机械化作业时,作业强度大、环境复杂恶劣使得驾驶员非常容易疲劳.随着用户和市场不断的发展,越来越多的设计和研究将人因工程与工业设计相结合,国内相关学者针对农机驾驶室进行了多样化的研究与改进。
 

  在日本、欧美等农业现代化程度较高的国家很早就将人机工程应用于农业机械的设计与评价,目前其研究重点侧重于驾驶室和座椅减振悬架的研究,相对于此我国的研究目前依然处于初级阶段.本研究拟以应用广泛的国产东方红LX854轮式拖拉机驾驶室为研究对象,首先采用CATIA软件建立驾驶室全尺寸模型和中国人体三维模型并组成人机工程系统,之后采用CATIA人机工程模块对不同体型驾驶员在拖拉机驾驶室内的坐姿、操纵台可达性以及工作视野等进行仿真分析与研究,并对驾驶室总体布局的合理性进行评价。
 

  1 人机系统的构建
 

  1.1 H点的确立
 

  丑点是指二维或三维人体模型中人体躯干和大腿的交接点,是与坐姿舒适性和操纵方便性密切相关的车内装置尺寸基准点.确定实际丑点的方法通常有两种:一种是SAE二维人体样版设计法,另一种是SAE推荐的适宜丑点位置线法。本研究主要采用SAE推荐的丑点适宜线法确定模型的丑点。鉴于拖拉机属于B类车范畴,其驾驶员男女比例一般介于90:10至95:5之间,因此可根据公式确定驾驶室中的H点与人体脚跟着地点(AHP)的水平距离X。
 

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  根据H点示意法,首先应估算出实际H点与确定的加速踏板踵点位置的垂直距离,即Z值,其值一般应取450?520mm之间.由于东方红LX854型拖拉机座椅表面距AHP的垂直距离为400mm,而人体正常坐姿下第5,50,95百分位人体模型大腿厚依次为112,130,151mm,根据经验分别选取Z95为490mm,Z50为470mm,Z5为450mm.代入式(1)得
 

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  结合GB/T6235—2004《农业拖拉机驾驶员座位装置尺寸》H点推荐取值范围即可确定不同百分位驾驶员实际H点的位置,从而实现三维人体模型在驾驶室中的定位.最终P5,P50,P95驾驶员模型实际H点在(X,Z)上的坐标分别为(550mm,450mm),(620mm,470mm),(680mm,490mm),Y方向上的位置与座椅纵向中心面的位置一致。由此即可确定不同百分位人体模型实际H点的空间位置。
 

  1.2 驾驶室模型的建立
 

  LX854拖拉机驾驶室内部总体布局如图1所示。根据GB/T6238—2004《农业拖拉机驾驶室门道、紧急出口与驾驶员的工作位置尺寸》与GB/T6235—2004《农业拖拉机驾驶员座位装置尺寸》,并结合LX854驾驶室实际布局和其设计要求,即可采用CATIA软件建立其驾驶室的三维实体模型,如图2所示。
 

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  图1 拖拉机驾驶室内部布局
 

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  图2 拖拉机整机三维模型
 

  1.3 人体模型建立
 

  考虑到CATIA软件无法提供中国内地成年人人体模型数据,因此需要根据GB10000—88《中国成年人人体尺寸》提供的数据建立中国人体尺寸的三维人体模型.鉴于采用CATIA软件建立人体模型需要65个尺寸变量,而GB10000—88仅能提供20个重要的人体参数变量,因此需要对亚洲人体数据进行合理选择。但由于模型重要尺寸主要基于相关国际标准,其准确性与可靠性并不会受到按经验选取的数据的影响。
 

  此外,为消除测量时穿衣单薄且不穿鞋子以及作业时身体变形的影响,应用国标数据时应引入“着装修正量”与“姿势修正量”2个参数对相关数据进行修正之后,即可采用软件人机工程模块将驾驶员三维人体模型按实际丑点的位置坐标在驾驶室中进行定位,建立人机系统的模型。图3所示即为导入人体模型后的拖拉机的人机系统模型。
 

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  图3 拖拉机的人机系统模型
 

  2 系统人机工程学分析与评价
 

  考虑到当前大部分拖拉机驾驶室舒适性研究均以第50百分位(中等体型)人体模型为对象以满足90%的适应性,文中拟以第50百分位为例,对第5,5及95百分位的驾驶员进行坐姿舒适性、操纵台可达性以及工作视野仿真分析与研究。
 

  2.1 坐姿舒适性评价
 

  根据试验中座椅、踏板、方向盘的空间布置以及正常驾驶状态下姿势参数的不断变化可以获得驾驶员的舒适区域.采用CATIA软件人机工程模块HPA(humanpostureanalysis)工具设定并调节人体模型的各种姿势以便进行分析。默认自由度上,根据生理情况和操纵舒适原则可将人体模型的眼、颈、胸、腰椎、上臂、下臂、大腿、小腿、手腕和脚腕等部位分别划分为5个区域,并结合舒适角度予以评分。最后,利用HPA模块设置驾驶员模型各部位的首选角度,并根据驾驶员当前姿态下各自由度所在位置及对应分值进行加权插值运算,获得评估结果,评分越高则表示舒适性越好。驾驶员的姿态分析报告如图4所示。
 

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  图4 驾驶员的姿态分析报告
 

  图4中红色表示95分以上,黄色表示90至95分,绿色表示80至90,灰色表示70至80,白色表示60到70。由图可见,人体大部分部位处于舒适状态,少数部位例如脚腕、颈部得分在80分以下,说明此部位在当前坐姿下不太舒适。
 

  2.2 操纵台可达性仿真
 

  利用人机工程模块中的ManikinTools工具条上的手伸及界面计算功能即可对正常驾驶状态下的操纵台可达性进行仿真分析,对左右手可达性进行模拟,结果如图5所示。
 

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  图5 人体模型可达区域仿真
 

  由图5可见,左、右手可达范围基本覆盖两侧所有操作装置,满足操作可达区域要求,说明该驾驶室适应性良好,对第5百分位的人体模型设计较为合理。
 

  当对第5百分位驾驶员模型进行仿真时,由于其臂长较短,左手可达性则稍差,但主要操纵元件仍在左手可达区域内,因此从总体来说,其可达性仍满足驾驶基本要求。第95百分位较50百分位高大,可达性仿真结果自然优于第5百分位人体模型。
 

  2.3 驾驶员工作视野仿真
 

  参照GB/T3871.7—2006《农业拖拉机试验规程》,并利用人机工程模块中的视野(vision)工具,即可对驾驶员的动态视野进行模拟与仿真.对于所建立的人体模型,其头部可依靠脖颈的扭动分别在上下、左右两个自由度方向上转动一定的角度,因而可进行全方位视野仿真操作。
 

  驾驶员工作视野仿真结果如图6所示。其中,白色部分为双眼可见区域,阴影部分为单眼可见区域,黑色部分代表驾驶员无法看见的区域.由图可见,第5百分位驾驶员前方路面、仪表以及加速踏板等均在可视范围之内,驾驶室左右两侧的外界区域也处于人体左右视野范围之内。
 

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  图6 驾驶员视野仿真
 

  3 结果分析与评价
 

  综上分析,LX854拖拉机驾驶室的适应性良好,但对于体型稍小的驾驶员舒适性体验较平均体型驾驶员略差,在操纵台可达性方面仍存在着一定的缺陷。对于体型较大的驾驶员来说,虽然其操纵台可达性满足驾驶需求,但是由于体型过大,在驾驶室内人座后会感觉拥挤.但是为满足所有体型驾驶员的舒适性需求,只能通过牺牲小部分体型驾驶员部分方面的静态舒适性以达到舒适性设计目标。
 

  此外,拖拉机驾驶室总体设计虽已达到舒适需求,但从3种不同百分位驾驶员的坐姿分析结果中可以看出,其颈部得分均在80分以下,明显低于其他部位得分,表明颈部不舒适问题已成为不同体型驾驶员的共性问题.为改善此问题,以第50百分位驾驶员人体模型为例,结合实际驾驶情况与生理学上的颈部舒适区域对该人体模型在正常驾驶状态下的颈部位置进行调整,调整前的颈部角度为0°,调整后的颈部角度为10°。调整后的坐姿分析报告显示,颈部和总体得分均得到一定的提高,但是此时平视的视野范围不能保证驾驶员能清楚地看见前方道路情况,因此驾驶员为保证驾驶安全必定会调整视线角度,经过试验仿真一般情况下视线抬高12°左右时视野范围才能满足驾驶要求.视线调整后人体模型的坐姿分析结果如表1所示,视野范围如图7所示。
 

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  图7 颈部角度调整后的视野范围
 

  表1 颈部和视线角度调整后的姿态分析报告
 

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  对比图4与表1发现,虽然驾驶员颈部的舒适性大幅提高,但视线的舒适评分却随之降低,而且总体舒适性得分也有所减少.由此说明,为实现整体最佳的目标,只能牺牲部分部位的舒适性。
 

  综上分析,拖拉机驾驶员的颈部不舒适问题在一定程度上是很难避免的,因此采取相应的办法来缓解颈部疲劳显得尤为重要。参考汽车座椅头枕的设计概念,可以在拖拉机座椅上添加类似结构,但是考虑到拖拉机与汽车的工作环境存在差异,类“头枕”结构与汽车头枕相比尺寸应尽量小一些,从而减小因该结构而导致拖拉机驾驶员后方视野情况变差的可能性。
 

  4 结论
 

  驾驶室的设计对驾驶员作业时的安全、舒适、疲劳性以及工作效率具有重要影响。本研究以东方红LX854型拖拉机驾驶室为研究对象,以CATIA软件平台为基础,通过创建驾驶室三维几何模型与大陆男性人体尺寸数据文件,计算人体实际点对人体模型进行定位,建立了拖拉机的人机系统模型,并以第50百分位驾驶员为例,分别对第5,50,95百分位人体进行了坐姿舒适性、操纵台可达性以及工作视野仿真分析与研究.结果表明,驾驶员坐姿与操纵台可达性均满足人体舒适性要求,驾驶员工作视野良好,拖拉机驾驶室整体布局合理。

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