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基于CATIA的拖拉机驾驶室人机系统舒适性分析与评价

2018/4/3    来源:互联网    作者:钟文杰  徐红梅  徐奥      
关键字:拖拉机  舒适性  评价  人机工程  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

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    确定驾驶室中的H点与人体脚跟着地点(AHP)的水平距离X。

    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

责任编辑:张纯子
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