基于人因工程的工程车辆驾驶室布置和仿真研究

1.毕业设计的原始数据：

调查一些工程机械的驾驶室的具体尺寸，并运用人因工程知识作一些分析。 2.毕业设计(论文)的内容和要求(包括技术要求、图表要求以及工作要求等)：

了解工程车辆驾驶室布局,运用工业工程专业知识和工具进行分析研究，借助三维设计软件（CATIA）进行驾驶室的建模，并用CATIA的人机工程模块对设计方案进行仿真。所用术语、图表、图形符合标准及规范。

3.毕业设计应完成的技术文件：

（1） 开题报告（按学校的具体要求格式、内容完成；中文3000字以上） （2） 查阅和阅读相关的中外文文献10篇左右，英文2篇 （3） 英文翻译（完成不少于3000汉字的译文） （4） 要求相关三维造型和人体动作分析

注：论文答辩合格并按答辩要求修改后，所有毕业设计成果用光盘刻录留存

4.主要参考文献：

1. 北京兆迪科技有限公司编著.CATIA V5R20实例宝典. 北京:机械工业出版

社,2012

2. 郑午等编著.人因工程设计.北京:化学工业出版社,2006 3. 郑午,王智明编著.三维工厂设计.北京:化学工业出版社 2005 4. 靳同红,王胜春主编.工程机械构造与设计.北京:化学工业出版社,2009 5. 张青,宋世军,张瑞军等编著.工程机械概论.北京:化学工业出版社,2009 6. 颜声远编著.人因工程与设计.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2012 7. CATIA V5R21机械产品设计授课笔记. 北京:电子工业出版社,2012 8. 马如宏编.人因工程.北京:北京大学出版社,2011

5.毕业设计(论文)进度计划(以周为单位)：

起 止 日 期 工 作 内 容 熟悉课题，了解设计所用工具，查阅资料。 任务布置及熟悉 熟悉课题，查阅、收集资料，进行实地调查、确定工作思路，翻译资料，学习CATIA软件。 审核收集的资料 调研，查阅资料，写出开题报告初稿。 检查开题报告初稿 学习CATIA软件。初步了解、调查工程机械车辆驶室。 分析调查材料，运用工业工程、人因工程、设施规划等方面的专业知识进行分析与设计 学习并运用CATIA软件实体建模 检查所建模型 运用CATIA软件实体建模 检查所建模型 运用CATIA软件实体建模 运用CATIA软件人机工程模块进行仿真与优化设计 检查所建模型及仿真 运用CATIA软件人机工程模块进行仿真与优化设计 检查所建模型及仿真 分析仿真与优化设计结果，并进行改进设计 检查优化方案 分析仿真与优化设计结果，并进行改进设计 总体完善整个毕业设计内容，撰写毕业设计论文初稿 检查论文初稿 改进撰写的毕业设计论文初稿，完成毕业设计论文， 修改论文 完成毕业设计论文，准备答辩 指导答辩 备 注 第1周 第2周 第3周 第4周 第5周 第6周 第7周 第8周 第9周 第10周 第11周 第12周 第13周 第14周 第15周 教研室审查意见： 撰写毕业设计论文初稿。 院部审查意见： 室主任 教学院长 年 月 日 年 月 日

毕业设计说明书（论文）中文摘要

随着我国经济的迅速发展，国内工程车辆的市场日益繁荣。然而随着经济全球化的扩张，工程车辆的市场竞争日益激烈，仅仅满足基本的使用功能已经不能满足用户的需求。安全、舒适、方便已经是现在工程车辆的设计目标。作为工程车辆的重要组成部分的驾驶室，人们越来越对她的操作舒适性提出更高的要求。 本文将人因工程学的理论应用于工程车辆驾驶室的研究设计中，从而设计出更高舒适性的驾驶室。并应用CATIA仿真软件对所设计的驾驶室进行仿真和评估。 【关键字】 人因工程学 工程车辆 驾驶室 CATIA

毕业设计说明书（论文）外文摘要

Title Research of Human Factors Engineering for Engineering Vehicle Cab Design Abstract With the rapid development of economy in our country, the domestic construction vehicle market growing prosperity . But with the expansion of economic globalization, engineering vehicles market competition is increasingly fierce,meet basic use function is not only meet the needs of users.Safe comfortable and convenience is now construction vehicle design goal.As an important component of the engineering vehicle，people put more and more higher request to the comfortable operation of the cab. To design a higher comfort cab, the theory of human factors engineering is applied to the design in this article. And use the CATIA to simulate and estimate the design. KEY WORDS : Human factor engineering , Engineering vehicle , Cab ,CATIA

目录

前 言 ............................................................................................................................................. 1 第一章 绪论 ................................................................................................................................. 2

1.1 研究目的和意义 .............................................................................................................. 2

1.1.1 研究目的 ................................................................................................................. 2 1.1.2 研究意义 ................................................................................................................. 2 1.2 国内外研究现状 .............................................................................................................. 3

1.2.1 国内关于人因工程理论在驾驶室中的研究状况 ................................................. 3 1.2.2国外关于人因工程理论在驾驶室中的研究状况 .................................................. 4 1.2.3 国内的驾驶室现状 ................................................................................................. 4 1.2.4 国外的驾驶室现状 ................................................................................................. 5

第二章 人因工程学相关理论 ....................................................................................................... 7

2.1 人因工程学概述 .............................................................................................................. 7

2.1.1 人因工程学的含义 ................................................................................................. 7 2.1.2人因工程学的研究内容 .......................................................................................... 7 2.2 工程车辆人因工程学的研究内容 .................................................................................. 8 第三章 驾驶室内部装置的人因工程设计 ................................................................................. 10

3.1 座椅的人因工程设计 .................................................................................................... 10

3.1.1 驾驶室座椅设计应满足的要求 ........................................................................... 10 3.1.2 工程车辆驾驶室座椅的外形设计 ....................................................................... 13 3.1.3 CATIA中座椅的模型展示 ................................................................................... 15 3.2 方向盘的人因工程设计 ................................................................................................ 17

3.2.1 操纵装置的设计原则 ........................................................................................... 17 3.2.2 方向盘的大小设计 ............................................................................................... 17 3.2.3 方向盘的角度设计 ............................................................................................... 18 3.2.4 方向盘的构造 ....................................................................................................... 19 3.2.5 CATIA中方向盘的模型展示 ............................................................................... 19 3.3 操纵杆的人因工程设计 ................................................................................................ 21

3.3.1操纵杆的外形设计 ................................................................................................ 21 3.3.2 操作杆的操作行程设计 ..................................................................................... 22 3.3.3 CATIA中操纵杆的模型展示 ............................................................................... 23

第三章 驾驶室内装置的布置研究 ............................................................................................. 25

4.1 驾驶室的内部布置工具 ................................................................................................ 25

4.1.1 最佳H点的分析与应用 ...................................................................................... 25 4.1.2 驾驶员手伸及界面的含义与意义 ....................................................................... 26 4.2 方向盘的布置 ................................................................................................................ 26 4.3 操纵杆的布置 ................................................................................................................ 27 第五章 驾驶室的人因工程学仿真 ............................................................................................. 29

5.1 CATIA 软件简介 ............................................................................................................ 29

5.2 CATIA 中人机工程学设计模块简介 ..................................................................... 30 5.3 操作舒适性模拟与评估 ................................................................................................ 31 5.4 手伸及界面模拟分析 .................................................................................................... 35

5.5 驾驶室整体模型展示 .............................................................................................. 37

第六章 总论 ................................................................................................................................. 40 致 谢 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。 参考文献 ....................................................................................................................................... 41

前 言

在改革开放不断深化，在中国经济迅猛发展的今天，一方面工程车辆行业得到了迅猛的发展，另一方面人们对工程车辆的舒适性要求提出来更高的要求。随着对工程车辆需求的快速增长，更多的企业加入这个行业，直接的结果就是这个行业的利润因为打价格战而变的很低。与国外的相比，我国的工程车辆在舒适性操纵方便性以及安全性方面都相对落后很多。

为了增强我国工程车辆在国际市场上的竞争力，也为更好的发展我国的经济，我们将工程车辆的设计结合人因工程学的理论从而设计出高舒适性高安全性的工程车辆。现在人因工程理论越来越成熟也越来越多的被社会所接受，我们要进一步将这些理论应用于实际生活中，从而为社会的建设做出我们应尽的义务。

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第一章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.1.1 研究目的

毫无疑问工程车辆是我国工程机械的重要组成部分，在我国进行现代化的进程中，工程车辆发挥了不可替代的作用。随着改革开放的进一步深化，随着经济进一步的迅猛发展，我们对工程车辆的需求也进一步扩张，除了对数量的强大需求之外，更重要的是对操作舒适性的高要求。我国虽然能够生产出满足基本操作需求的各种工程车辆，但是和国外高舒适性的工程车辆相比，我国在舒适性方面的设计就远远不足了。这篇论文的研究方向不是如何生产更多的工程车辆，而是结合人因工程学理论设计制造更高舒适性的工程车辆驾驶室。

要提高驾驶室的舒适性，我们必须借用一个工具——人因工程学。人因工程学研究的中心问题是人-机器-环境的相互关系，并且在产品设计活动一直把“以人为本”作为各种设计的根本出发点和落脚点，从而为机器设计提供一种新的理论依据和方法。通过这样的一种工具，我们可以朝着设计出更加以人为本更多考虑人的因素的机器设备出发，从而设计出更加舒适的工程车辆驾驶室。

但是，就从我国机械制造业的发展历程以及人因工程学在我国的发展历程来看，我国的机械制造业对人因工程学的认识不足，还停留在比较肤浅的程度上。也正是因为对人因工程理论的研究与应用的不加重视已经成为今天中国工程机械制造业走向国际化的瓶颈，严重制约了行业的健康发展。因此选择该课题有以下目的。

分析和解决 工程车辆驾驶室内部设计和布置中存在的人因工程学问题，使设计出来的产品能满足视野宽敞性、坐姿舒适性和操纵轻便性的目的。

1.1.2 研究意义

纵观我国的经济发展，就机械行业而言，长期以来我们一直都在推行粗放型发展模式，将主要精力放在产品的更新换代、功能的增加、质量的提高以及成本的降低等方面，极少有意识地系统地将人因工程学应用于该领域。现在随着改革开放的进一步深化和科学发展观进一步深入人心，“以人为本”的思想得以广泛流传，人们在设计设备时会从人的生理和心理特点来设计制造工程机械。但是，由于人因

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工程思想观念还没有能够广泛的传播到各个角落，人们对它的认识也不足，因此对该课题以人因工程学在工程车辆驾驶室中的应用为基本出发点，谈一谈人因工程理论在实际中是如何应用的，从而有以下几点研究意义。

（1）从提高产业竞争力来说，通过借鉴国外先进的研究成果缩小与发达国家的差距，从而使国内的工程车辆在国内外市场更具竞争力；

（2）从提高社会效益来说，通过设计出更加舒适更加适合驾驶员操纵的工程车辆驾驶室来提高操作人员的舒适性和工作效率、降低劳动强度和疲劳度、降低腰间盘突出、肩周炎、颈椎病等职业病的发病率、降低安全事故的发生率，从而为社会的和谐稳定出一把力；

（3）从学术发展来说，通过将人因工程学的理论和方法应用于工程车辆驾驶室内部的设计，从而推动我国人因工程学的发展，特别是在实际中是发展与应用。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内关于人因工程理论在驾驶室中的研究状况

改革开放以来，虽然我国经济有了突破式的发展，在汽车行业也有了很大的发展。但是由于条件的限制,不得不说我国在人因工程方面的研究与国外也存在较大的差距。由于在这方面的研究起步较晚,20世纪80年代才由汽车学术界正式提出汽车人体工程学的内容,开始学习国外制订的一些标准法规。就传统而言，我国在设计一些参数时，一般凭个人经验来确定。通常是在整车性能参数选定之后,参考设计较为成功的同类车型的数据,在其基础上进行修改,并进一步和其他参数进行反复协调后,确定相关参数,可以认为这种设计带有模糊人因工程学的思想,此方法获得的最终结果,虽然也是可以接受的,但可能不是真正符合人体需求的结果。

但是，近年来国内的一些大学和研究所作了一些研究和探索工作,一些新的汽车内环境人机设计研究方法和成果也相继出现,如吉林大学汽车学院`黄金陵主持开发的KBE车身布置系统,将人机工程学的知识专家系统集成到AUTOCAD和CATIA等设计软件中;哈尔滨工业大学宋宝玉也开展在现有软件平台上研究车身布置;中国农业大学毛恩荣研究的初步立体人体模型;江苏理工大学刘军研究的计算机辅助车辆人机工程设计系统;武汉理工大学刘春荣在UGH软件环境下开发了三维Sinoman的汽车车身CAD软件;北京航空航天大学魏斌等通过组合人体棒状模型与曲面建立了三维人体的曲面模型;此外,四川联合大学林大全还研制了具有形态仿真、化学

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仿真、结构仿真的“中国虚拟人”等。但据调研结果显示,上述研究成果较多集中于轿车的人机设计,人因工程学在工程车辆上的应用与发展远落后于轿车行业。

[1]

1.2.2国外关于人因工程理论在驾驶室中的研究状况

相比国内而言，有关驾驶室方面的研究国外要早得多。应该早在1967年就开始致力于控制面板布置了，后来在英国国家科学和工程研究委员会的资助下,英国的人因工程理论得到进一步发展,并且补充了生理和心理特性,能进行工作范围测试、干涉检查、视域检查、姿态评估和平衡计算等工效分析,可用于工作空间和工作进程的设计。美国密歇根大学进行的研究比较深入,他们在汽车驾驶员舒适位置方面,在汽车驾驶员眼椭圆方面都取得了很大的成果,并且被美国SAE接受,并制定了相应的标准。美国SAE标准中的眼椭圆、头廓包络线、驾驶员手伸及界面等已被国际标准组织(ISO)所采纳

总的来说，国外在人因工程学领域的研究比我国开始的更早并且运用的更加广泛，这也是我们能够加以学习研究的原因。我们应该看到他们在这一方面的成就，并且加以学习模仿和创新。

【2】【3】

。

1.2.3 国内的驾驶室现状

不得不说，近年来我国工程机械行业得到了迅速发展。由于国家经济的强劲发展，对于工程车辆的需求也突飞猛进，所以我国的工程车辆行业得以迅速发展。但是，另一方面，由于生产企业多，也就是竞争激烈，各个厂商为了获得更大的市场份额相互打价格战，从而使得在工程车辆这个行业中企业的利润所剩无几。在这种情况下，企业为了提高利润必须尽可能降低自己的成本，于是生产出与国外商品相比非常廉价的车辆。与此同时，为了增加产品的竞争力，各企业不遗余力的开发新产品。新产品注重了外观造型设计的新颖别致，并采用当今先进的生产技术，使得操作变的轻便，性能更加安全可靠。然而，新产品在外观和驾驶室舒适性方面虽然有所提高，但与国外产品相比仍有很大差距。如图1-1 所示为国内某工程车辆的驾驶室。

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图 1-1 国内某工程车辆驾驶室

1.2.4 国外的驾驶室现状

国外工程机械发展总的趋势是：发展快、水平高。如国外工程机械产品在集成电路、微处理器、微型计算机及电子监控技术方面都有广泛应用，一些节能技术得到推广，可靠性、安全性、舒适性和环保性得到了高度重视，并向大型化和微型化发展

【4】

。

国外各工程机械生产厂家基于人机工程学原理，应用计算机辅助设计方法使驾驶室具有舒适、安全、低振动、低噪音等特点。以美国的卡特彼勒(Caterpillar)公司、日本的小松（Komatus）公司、瑞典的沃尔沃（Volvo）和韩国现代（Hyundai）等工程机械生产厂家的驾驶室具有代表性。图1-2 为980G 系列驾驶室 。

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图1-2 CAT 980G 系列驾驶室

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第二章 人因工程学相关理论

对于驾驶室的设计，为了满足舒适性的要求，我们要引进人因工程学的相关基础知识。首先了解人因工程学的含义、她的发展、她的研究内容，然后介绍与工程车辆驾驶室设计相关的人因工程学专门知识点。

2.1 人因工程学概述

2.1.1 人因工程学的含义

人因工程学是一门研究和应用范围都极为广泛的综合性边缘学科，是技术科学、解 剖学、心理学、人类学等学科的交叉。国际人类工效学学会(International Ergonomics Association，lEA)对它的定义是：人因工程学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；研究人和机器及环境的相互作用；研究在工作、家庭生活中和休假是怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科【5】。

2.1.2人因工程学的研究内容

人因工程学是以人——机——环境作为基本的研究对象，通过揭示人、机、环境之间相互关系的规律，已确保人——机——环境系统达到最优化的总体性能。

人因工程学的内容具体包括几个方面【6】：

1. 人体特性的研究研究的主要内容包括人体形态特征参数、感知特性、反应特性以及在劳动中人的心理特征和人为差错等。

2. 人机系统的整体设计

人机系统设计的目的就是为了使整个系统工作性能最优化，这就必须解决机器与人体相适应的问题，即如何合理地分配人机功能，二者的配合以及有效地交流信息等。

3. 研究人与机器间信息传递装置和工作场所的设计

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人与机器之间的信息传递包括显示器向人传递信息，控制器则接收人发出的信息两个方面。其中，显示器的研究包括视觉显示器、听觉显示器以及触觉显示器等各种类型显示器的设计，同时还要研究显示器的布置和组合等问题；控制器设计则要研究各种操作装置的形状、大小、位置以及作用力等在人体解剖学、生物力学和心理学方面的问题。

4. 环境控制和人身安全装置的设计

为了克服不利的环境因素，需要设计一系列环境控制装置来保障人身安全。其中安全保障技术包括机器的安全本质化、防护装置、保险装置、防止人为失误装置、事故控制方法、救援方法等。

2.2 工程车辆人因工程学的研究内容

介绍了人因工程学的一些基本知识点后，我们想知道这些理论在工程车辆驾驶室的设计中到底是怎么应用的。现在有专门的一门学科，车辆人因工程学，她就是将人因工程学的理论、方法应用于车辆工程领域，通过“人—车—环境”系统的人因工程学研究，提高驾乘人员的舒适性、安全性和工作效率，使系统的总体性能达到最佳匹配状态的学科【9】。 车辆人因工程学的研究内容大致包括以下几个方面：

（1）车辆驾驶操作系统人机界面的优化设计。驾驶操纵系统人机界面设计的是否合理，对驾乘人员在驾乘过程中的安全性、舒适性、身心健康以及工作效率等方面，都有着重大的影响。

（2）车辆乘员的安全保护技术研究。提高车辆的安全性能，降低安全事故的发生率，包括两方面内容：一方面通过研究各种预防报警系统，防止事故的发生，另一方面需要利用有效的车内乘员保护技术来避免或减轻乘员可能遭受的伤害。

（3）车辆乘员的乘坐舒适性。乘坐舒适性主要取决于座椅与人体的人机界面能否为人提供舒适而稳定的坐姿，驾驶员—座椅—车辆系统能否有效地隔离或衰减来自路面不平度的激励而产生的振动，驾驶员—座椅—驾驶室系统的几何位置关系能否为驾驶员提供良好的视野和相对于各种操纵装置与显示装置的舒适位置。

（4）车辆的噪声控制。车辆噪声控制的目的是要保证车内驾乘人员的耳旁噪声满足人的听力保护允许标准，车外噪声满足动态环境噪声允许标准。

（5）车辆内部小气候坏境的宜人化控制。对车内小气候环境的宜人化控制的具体要求

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标准因车辆的类型，使用条件和运行环境的不同而异，其科学依据是人的热舒适性评价标准。

（6）车辆驾驶员的驾驶适宜性。所谓驾驶适宜性是指人具备圆满、不出差错的完成驾驶工作的素质。开展驾驶适宜性研究并制订科学的驾驶适宜性检查方法，对于驾驶员的选拔和科学化管理具有重要的指导意义。

（7）车辆的道路交通适应性。在设计车辆的性能时，既要充分考虑人的因素，又要充分考虑现在及将来的道路交通特性，如道路的等级、通行能力、管制等级等车—路关系的问题，从驾驶员的角度出发评价车辆对道路交通条件的适应性，使车辆的设计与交通设施的调整相互协调。

（8）人—车—路系统的综合优化。综合运用了人因工程学、汽车工程学、交通工程学、计算机仿真技术、图形图像技术和数据库技术的基本理论的“人—车—路一体化设计”概念将是未来几年摆在各个领域的科技工作者面前的共同课题。

随着车辆使用者群体特性的变化，车辆设计与制造技术的进步，道路交通环境的改善以及社会大环境的变化，车辆人因工程学面临的研究课题必将不断发生变化【10】。

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第三章 驾驶室内部装置的人因工程设计

这一章根据第二章所述的人因工程学的相关理论，提炼出工程车辆驾驶室设计的原则。然后结合这些设计原则并根据中国人体尺寸，得出驾驶室的设计尺寸。

3.1 座椅的人因工程设计

座椅设计是任何驾驶室设计的关键部分，因为座椅的设计是与驾驶室舒适性关系最为密切的装置之一。座椅作为驾驶室内部装置是重要一部分，其主要功能有以下几点：①在静态时，提供舒适的坐姿环境，能使驾驶员坐着舒服。 ②在操纵机器时，能缓解震动和冲击，减少操纵疲劳。在本论文中，主要考虑完成静态舒适性目标。为达到静态舒适目标，在设计座椅时，既要考虑人体的坐姿生理学又要考虑人体的坐姿生物力学。并依据人体的基本尺寸，基于人因工程的原理选择座椅的基本尺寸参数。

3.1.1 驾驶室座椅设计应满足的要求

我们分别从坐姿生理学和坐姿生物力学两个方面来讨论座椅的设计要求。 1. 坐姿生理学

坐姿生理学是从人体生理学的角度来分析各种坐姿的舒适度，为座椅设计的舒适性提供理论依据。要达到如下两点要求。

1. 脊柱的正常生理弯曲

人处于坐姿时，支撑人体的是脊柱、盆骨、腿和脚等。脊柱位于人体背部中间位置由 33 块短圆柱状椎骨组成，包括 7 块颈椎、12 块胸椎、5 块腰椎和下方的 5 块骶骨及 4 块尾骨【11】，如图3-1 。

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图3-1 人体脊柱图形

从人体的脊柱分部来看，人体上部的重量主要靠背部的脊柱支撑，越往下承担的重量越大，腰椎部分承受的重量最大，而且腰椎还要承受因弯腰等活动时的腰曲变形所引起的拉伸变形与韧带受压，造成腰酸等不适的感觉。从这些特征分析可得，人体的最舒适的坐姿应该是这样的【12、13】：

臀部离开靠背稍向前移，使肩部向后倾斜，使人体的重量主要集中于臀部的结节点，同时因上身略向后倾，将体重分移一部分到靠背，形成以腰椎为基准点的体压分布接触面，并且座高略低于小腿高，使大腿略向上倾斜，否则会造成腰部酸痛、疲劳等不适的感觉。 2. 保证腰曲弧线的合适形状

图3-2 为各种不同姿势下产生的腰曲弧线。其中曲线B是人体侧卧时的曲线，这是人体的正常状态下的腰曲弧线；曲线F是人体躯干挺直时的坐姿；曲线G是人体前弯曲时的腰弧曲线；F和G曲线都会给脊柱带来极大的压力，欲使坐姿能形成几乎正常的腰曲弧线，就应该像曲线C所示:躯干与大腿之间必须有大于 90°的角度，且在腰部有所支承。由此可见，保证腰曲弧线的正常形状是获得舒适坐姿的关键。

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图3-2 不同姿势下的人体腰曲弧线

（2）坐姿生物力学

坐姿生物力学主要分析人体的体压分布。因此座椅的设计应该满足合理的体压分部。

在人体坐于座椅上时，人体的质量在靠背和坐垫上的压力分布叫做坐姿的体压分布。而人就座时，臀部骨盆上缘向后平移，坐骨向下，这时与座椅面接触最紧密的是坐骨隆起部分。这时身体重量的大部分经过臀部坐骨隆起部分及其附着的肌肉压在椅面上，而臀部其它部分受到体重压力不大[14]。

根据人因工程学的研究，最舒适的坐姿应保证：人体的大部分质量应以较大的支承面积、较小的单位压力合理地分布到坐垫和靠背上；压力分布应从小到大平滑地过渡，避免突然变化。图 3-3 为座椅各部分的受力合理分布图。

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图 3-3 座椅各部分的受力分布图

由图3-1-3可见，人体质量作用在座椅上的压力并非均布，由前面分析可知，舒适的坐姿是肩部和臀部同时支撑身体质量，因而应根据各部位在产生不舒适感觉之前所能承受压力的大小予以合理的分布。坐垫上的体压分布应使坐骨部分承受的压力最高，由坐骨周围扩展到臀部外围，压力逐渐降低，直到与坐垫前缘接触的大腿下平面趋于最低值。靠背上的体压分布则应以肩胛骨和腰椎骨两个部位的压力最高，这就是靠背设计中所强调的“两点支承”【15】。

综上所述，为达使座椅舒适，要达到两个方面的要求：从坐姿生理学角度，应保证脊柱的正常生理弯和曲腰曲弧线的合适形状；从坐姿生物力学角度，应保持合理的体压分布。

3.1.2 工程车辆驾驶室座椅的外形设计

按照上一节的设计要求并参照人因工程学理论和中国人体尺寸的标准，将座椅的各个尺寸，包括座面高度、座垫宽度、座垫深度、座面倾角、靠背高度、靠背宽度、靠背倾角等尺寸，设计如下。

（1）座高：是指座面到驾驶室地面间的距离。

座高的设计原则是：1、使驾驶员大腿接近水平2、使驾驶员的小腿自然放置。所以座高取决于小腿与足的长度，我国成年男子的小腿与足长度约为 383～454mm。本设计可将椅面高度确定为370mm。

（2）座宽：座宽就是座椅座面的左右的宽度。

考虑到座椅宽度的设计必须保证大部分人都能坐得下，而且我国女性的臀宽比男性的大，所以座

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宽必须依据女性群体的臀宽尺寸上限为设计依据。此外，为使驾驶员能调整坐姿，座宽取适当大于臀宽。这样就给出了座宽的一个下限。当然座宽亦不能太大，因为座宽太大会导致操作人员的肘部不好寻找支撑，从而导致肩部疲劳。我国第95百分位成年女性的坐宽为 368mm，考虑到适当放大，座宽通常取 430～450mm，设计中取 440mm。

（3）座深：即坐垫前端至靠背表面之间的距离。

座深的设计原则是：当操作人员坐在座椅上时，他的腰椎能够得到座椅靠背的支撑，从而减缓疲劳。考虑到座椅的靠背应该让大部分人都能靠到，所以座深应当按照较小百分位的群体设计，这样小身材驾驶员坐着舒适，大身材驾驶员只要小腿能得到稳定的支持，也不会在大腿部位引起压力疲劳。我国成年男子第 5 百分位的大腿长为421mm。因此座深可取 421mm。 （4）座面倾角：指座面与水平面所夹角度。

座面要后倾的原因有两：一是由于重力作用，操作人员坐在座椅上时会使使背部抵靠靠背，这样有利于背部获得支撑从而可以降低背肌静压。二是由于驾驶室经常处于震动颠簸环境中，为了防止操作人员从座面前缘滑出座面，故将座面设计成后倾形式。但是倾角不能太大，一般取座面倾角在 5°左右，因此取 4°。

（5）靠背角度：靠背角度是指靠背与桌椅座面的夹角度。

靠背角度的设计与脊椎的形态有关。从脊椎的正常角度来看，该角度取 115°较适宜。但为了驾驶员有较好的视野性能，只有适当的牺牲座姿的舒适性减小靠背的角度，才可能使上体接近直立，保持肩部挺起，而肩微垂的合理姿势。因此靠背的角度可取 102°。

（6）靠背的高度：

靠背的高度的设计要考虑两方面内容：一是驾驶员的臀部底面到肩部的高度，二是驾驶员坐姿眼高。我国成年男子的座姿肩高为 557～641mm，坐姿眼高为 749～847mm。因此靠背的高度取第 50 百分位男子肩高为 600mm。

（7）靠背的宽度：

靠背的宽度与驾驶员的肩宽有关，我国成年男子的最大肩宽为 398～469mm，因此靠背的宽度可选择 440mm，与座宽相一致。另外，为了保证人体背部处于自然状态，需要腰椎的支撑，腰椎的位置相当于第 4～5 节腰椎之间的高度。成年人腰椎高度在座位上方 230～260mm 处，选择腰椎的支点应该略大于该尺寸。

其中座高、座宽、座深、座面倾角以及靠背高度的意义可从图3-4 得知。

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图3-4 座椅设计参数的意义

3.1.3 CATIA中座椅的模型展示

根据以上的尺寸参数，在CATIA软件中建立座椅模型。座椅模型如图3-5，座椅与人体配合，如图3-6。

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图3-5座椅模型

图3-6座椅与人体配合

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3.2 方向盘的人因工程设计 3.2.1 操纵装置的设计原则

【16】

在设计驾驶室内的操纵装置时，如方向盘和操纵杆，应该遵循如下几个原则：

（1）操纵器应与人的生理特点相适应，便于大多数人的使用，如操纵力，操纵速度等，都应按操作人员的中、下限能力进行设计。

（2）操纵器的运动方向要与被操纵动作的运行状态相协调，符合人的习惯。如方向盘的回转方向与平地机的转弯方向要协调。

（3）操纵器要易于辨认。排列有序和规律性，使每个操纵器均能快速准确地被操作者辨认出来。

（4）在条件许可的情况下，尽量设计多功能操纵器。

（5）操纵杆的造型设计，要求尺寸大小适当，形状考虑人体工程，提高操纵舒适度。 方向盘是驾驶室内部的重要操纵装置之一，其设计原则也应该满足上面个几点要求。并且方向盘是使用时间最长的操纵装置，因此方向盘设计的好坏在很大程度上影响驾驶员的驾驶舒适性和作业效率。为了设计出符合各方面要求的方向盘，我们可以从方向盘的直径大小、方向盘平面与铅垂面间的夹角大小和方向盘的构造三个问题出发，来考虑方向盘的设计。

3.2.2 方向盘的大小设计

根据GB5911—86得知:方向盘的直径尺寸如图3-7,应符合表3-1的规定:

图3-7方向盘的直径

表3-1 方向盘的直径尺寸标准

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基本尺寸 极限偏差

350 380 ±1.0 400 425 450 475 ±1.5 500 550 方向盘的大小必须与人手尺度相适应，以使操纵活动方便、舒适而高效。根据动作肢体的人体测量学指标，本论文设计方向盘外径为 380mm，截面直径为35mm。

3.2.3 方向盘的角度设计

在操纵工程车辆时，操作人员主要是通过操纵方向盘来完成一系列动作的。因此，为了降低操纵疲劳，应该保证驾驶员能方便地对方向盘施加力。而根据人因工程学理论，方向盘的倾斜角度是影响施力大小的主要因素，方向盘的倾斜角度越小，驾驶员施加的力就越大，方向盘的倾斜角度与力的关系如图3-8所示。

图3-8 方向盘施加力随方向盘倾角的变化曲线

由图3-8可知,当方向盘水平安装时,人的施加力可达到最大但是考虑到人在这种角度操作时,手部腕关节处于非自然状态,极易产生疲劳,因此,方向盘一般不适宜安装成0°角。另一方面，从手腕关

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节的自然姿势角度来说，当方向盘的倾角为直角时，驾驶员的操纵最自然，但由图可知这时人的作用力最小，在要求作用力比较大的情况下，操纵起来就会比较困难，所以也不适宜。因此方向盘的倾角一般选 15°～70°之间

【17】

。

3.2.4 方向盘的构造

为使方向盘能被驾驶员方便的握持，其轮缘上一般有凸起，断面有圆形或椭圆形。目前装载机方向盘有三辅式和两辅式两种形式。在便于驾驶员抓握进行转向操作的情况下，两辅式方向盘在仪表板上形成的盲区较小，因此本设计选用两辅式方向盘形式。图3-9 (a)为三辅式方向盘，图3-9（b)为二辅式方向盘。

(a) 三幅式方向盘 (b)二辅式方向盘

图3-9 方向盘的样式

为了使驾驶员能在操作操纵杆时及时转向，方向盘上还设有转向手柄，手柄的形状符合手的结构特征和舒适性、安全性要求。方向盘的中央设有喇叭，方便驾驶员鸣笛。

3.2.5 CATIA中方向盘的模型展示

根据以上的参数选择，在 CATIA 软件中建立的方向盘模型。方向盘模型如图 3-10 所示，方向盘与人体的配合如图3-11所示。

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图 3-10 方向盘模型

图3-11 方向盘与人体的配合

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3.3 操纵杆的人因工程设计

操纵杆的设计，主要从三个方面设计，一是外形，即手握部分的形状和尺寸；二是其操纵行程，包括操纵的角度和位移；三是操纵杆的位置布置。而操纵杆在驾驶室中的位置将在第四章中论述。

3.3.1操纵杆的外形设计

依据手的生理特点来分析和设计操纵杆外形。图 3-12为手的生理结构，由图可知，就手掌的生理结构来说，掌心部位的肌肉最少，指骨间肌和手指部分是神经末梢满布的部位，指球肌、大鱼际肌和小鱼际肌是肌肉丰富的部位，是手部的天然减震器。因此在设计这类手柄时，要防止手柄形状和振动力方向不能集中于掌心和指骨间肌。如果掌心长期受压受振，可能会引起难以治愈的痉挛，至少易引起疲劳和操作不准确。因此，操作者握住手柄时最好使掌心处略有空隙，使受力减少

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。

图3-12 手的生理结构

如图3-13，常见操纵杆手柄有圆柱形、锭子形、球形、锥形、梨形等形状。而图3-13中(b)、(d)、(f)的手柄形状，在执握时，掌心与手柄的贴合面太大，操纵效果不好，只适合作为瞬间和受力不大的操纵手柄。因此优先考虑(a)、(c)、(e)所示的形状。

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图 3-13 常见操作手柄的形状

具体设计来说，为了减少对掌心部位的压迫可以将操纵杆的端部设计成平面或弧面，这样能使它与掌心留有一定的间隙。又因为操纵杆在操纵过程中，其运动多是前后或左右进行，手握部分可以设计成上部径围稍大于下部径围，这样可以防止操作过程中驾驶员手的滑脱。此外，手握部分不能设计的太光滑，以免操作过程中手的滑动，设计要有一定的纹理，这样可以产生摩擦力，从而防止手滑动。

操纵杆的长度取决于杠杆比要求和操作频率要求。为了克服大阻力而需要大杠杆比时，操纵杆只能加长。需要高操作频率时，操纵杆只能缩短。操纵杆的粗细一般为 22～32mm，把握手柄的直径一般设计为 32mm，太小会引起肌肉紧张，长期操作产生痉挛和疲劳。

3.3.2 操作杆的操作行程设计

除了要考虑操纵杆的形状外，还要考虑它的操纵行程，即操纵角度和操纵位移量。操纵杆的操纵角度和位移量不宜太大，如果太大的话，不仅占用较大的操作空间，而且在进行操作时由于运动消耗量大会使操作者加快疲劳感。所以，操纵杆的操纵角度和位移量应在一个适宜的范围内。操纵杆的操纵角度以30°～60°为宜，一般不超过 90°。操纵杆的位移量随操纵杆的运动方向不同而不同。当操纵杆前后运动时，最大为 350mm；左右运动时，最大为 150mm。角度和位移大小如图 3-14 所示。

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图 3-14操纵杆的角度及位移

文中把操作杆的操纵角度设计为前后 60°，左右 30°，操纵杆的前后移动量为 200mm，左右移动量为 100mm。

3.3.3 CATIA中操纵杆的模型展示

综合上述的各种设计参数，在 CATIA 软件中建立操纵杆的模型。操纵杆模型如图 3-15 所示，操纵杆与人体的配合如图3-16 所示。

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图 3-15 操纵杆模型

图3-16操纵杆与人体的配合

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第三章 驾驶室内装置的布置研究

4.1 驾驶室的内部布置工具

4.1.1 最佳H点的分析与应用

在进行座椅设计时，首先要确定座椅在叉车驾驶室中的位置，确定的位置必须要保证驾驶员在作业过程中各关节处于人体舒适角度范围内。在确定座椅位置时，人体 H 点（即胯点）是一个重要的参考点。

（1） H 点的定义和意义

H点即胯点(Hip Point)，是二维或三维人体模型样板中人体躯干与大腿的交接点。如图4-1所示，在人体模板中为髋关节。驾驶员根据自身条件将座椅调整到舒适的位置后，H 点的水平移动量与垂直移动量之间的关系反映了座椅的前后移动量和垂直移动量之间的关系。H点位置的确定对工程车辆驾驶室内部各装置如何布置有着非常重要的意义，她决定着驾驶员身体各关节角度和头廓包络线、手伸及界面等在车身中的位置。可以这么说，H点决定了操纵人员的操纵舒适性、安全性和操纵视野等。所以H点的确定意义很大。

图4-1 H点的位置

（2） H点的确定方法

目前普遍采用的 H 点的计算方法是 SAE J1517给出的，这是菲利朴(Philippartal)采用回归公式推导出来。SAE根据不同身材的驾驶员在各自的适意驾驶姿势时实际H点在车身坐标系中位置的不同，针对不同百分位的驾驶员统计出了一组H点曲线。该曲线表征了不同百分位驾驶员在适意驾驶姿势时H

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点的常用位置，利用它可以直接确定出对应于不同的H点高度下H点在车身中的位置。

4.1.2 驾驶员手伸及界面的含义与意义

(1)手伸及界面的含义

驾驶员的手伸及界面是指驾驶员以正常驾驶姿势坐在座椅上，身系安全带，右脚置于加速踏板上，一只手握住转向盘时另一只手所能伸及的最大空间界面。此界面所提供的空间范围，为驾驶员的操纵范围

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。实验结果表明，驾驶员的手伸及界面是一形如椭球的封闭曲面，因此也称为手伸椭球。不同身

材的男女驾驶员的手伸能力不同，对应有不同百分位的手伸及界面。

(2)手伸及界面的意义

驾驶室内各种操作钮件的合理布置，是驾驶室设计中的一个重要方面。为了保证驾驶员注意力集中，操作方便、快捷、准确，仪表板及其周围的控制按钮、手柄及开关的位置、空间分布以及仪表和指示、警告灯的辨认识别等都应符合人机工程学的基本要求，必须布置在驾驶员的手伸及界面以内。这样驾驶员才能在不必大幅度改变正常驾驶姿态的情况下方便的操纵这些钮件。这是保证驾乘舒适和行驶安全不可缺少的条件

【20】

。

4.2 方向盘的布置

在布置方向盘时，主要考虑方向盘最下缘与驾驶员座椅之间的关系，即腹部包络曲面不能与方向盘最下缘相交以发生干涉现象；另一方面还考虑方向盘平面与水平面之间的夹角，并使方向盘最上缘不挡住驾驶员的下视线为宜。

（1）方向盘倾角的确定

对于装载机，由于车身较高，方向盘的倾角（方向盘平面与竖直面之间的夹角）应大些。因为方向盘倾角的大小与坐姿下驾驶员双手对方向盘的手操舵力有密切的关系。方向盘平面越竖直，手操舵力越小，但是可以转动方向盘的角度变大。此时对应的座椅的靠背也比较倾斜。对于装载机来说，要求施加在方向盘上的力比较大，并考虑较好的视野，驾驶员的上躯干适当后倾，背部收到靠背的支持，坐姿舒适性得以改善，一般情况下方向盘的倾角取60～70°为宜，本设计中选取的角度为70°。

（2）方向盘与驾驶员座椅位置关系

根据第50百分位的人手臂舒适姿势操作时的尺寸来确定方向盘和座椅的距离。选择第50百分位的

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人体，是因为这样大身材和小身材人在操纵时都可以通过部分调整进行使用。

布置方向盘时，既要保证驾驶员操纵方便省力，又要保证驾驶员合适的作业空间。图4-2中的L22表示方向盘最下缘到驾驶员座椅靠背之间的水平距离，H94表示方向盘最下缘到驾驶员座椅垫之间的垂直距离。经验表明，L22和H94的推荐范围分 别 为 ： 300mm≤L22≤400mm ，H94≥225mm。

图4-2 方向盘与座椅的位置关系

4.3 操纵杆的布置

操纵杆位置的合适与否直接影响驾驶员的操作效率及舒适性。按人机工程学要求，操纵杆应布置在驾驶员只移动手臂而不移动身躯就可操作的范围内。为使驾驶员能有一个较为舒适的控制过程，应尽可能的将操纵杆设置在人能够有较大施力的位置，且便于施力,坐姿状态下手握点应与肘同高。考虑到驾驶员能在小臂正常放置而上臂处于自然悬垂状下舒适地操作，可根据人体手臂的尺寸及驾驶员的舒适作业空间来布置操纵杆。并且上臂与前臂夹角的舒适范围角度为80～165°，操纵杆距H的X方向距离定为：Hx=280mm；操纵杆距H点的Y方向距离定为：Hy=330mm。Hx 和Hy 代表的意义如图4-3 所示。

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图4-3 操纵杆的布置

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第五章 驾驶室的人因工程学仿真

前面两章已完成了对工程车辆驾驶室内部座椅和操纵装置的设计与布置安装，但是并不知道设计的结果如何。本章就是利用 CATIA 环境下的人机工程设计模块对前面所作的设计进行评价。我们首先介绍一下CATIA这个仿真软件，并重点介绍人机工程设计模块。然后在CATIA人机工程模块中对前面的工程车辆驾驶室的设计进行评价。

5.1 CATIA 软件简介

CATIA（Computer-aided Three-dimensional Interactive Application）软件是由法国 Dassault Systems 公司从 20 世纪 70 年代开始开发，并应用于宇航工业的 CAD/CAE/CAM 一体化软件。CATIA 软件源于航空航天工业，是业界无可争议的领袖级软件。从产品的概念设计到最终形成，以其精确、安全、可靠及无缝结合产品开发的各个方面，居目前国际上专业设计人员使用最为广泛的设计软件之首位。CATIA软件所采用的混合建模技术和集成关联数据结构，使其在整个产品周期内具有完备的设计能力，并被广泛应用于航空航天、汽车制造和造船等机械制造行业，目前 CATIA 软件在航空航天领域的装机量已经达到本行业所有装机量的60%。

CATIA软件在汽车行业的应用也非常广泛，其中克莱斯勒、宝马、奔驰、本田和丰田等著名企业，均在使用CATIA软件作为新车型的开发平台。CATIA软件在车身造型及引擎设计等方面具有独特的优势，为各种车辆的设计和制造提供了设计方案。

CATIA V5 提供了许多类似于 Windows 的功能和界面。图5-1-1为CATIA V5 的设计界面。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nmd7.html