人机工程学在草坪机设计中的研究.docx
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人机工程学在草坪机设计中的研究
长春工业大学
毕业设计(论文)外文翻译资料
学院
机电工程学院
专业班级
工业设计100108班
指导教师
侯力莉
姓名
滕怀志
外文出处
Proceedingsofthe2004InternationalConferenceonIndustrialDesign(P232-240)
2014年3月23日
人机工程学在草坪机设计中的研究
范元勋梁毅王华坤
(南京理工大学机械工程学院,210094)
fanyx@
摘要:
草坪机是用来改善人居环境和生活质量的工具。
作为一种环保的绿色机械,由于对人类和环境有着密切的关系,草坪机在人机工程学的设计以及使用过程中面临着一些问题。
从广义的“人-机-环境”系统的角度讨论了系统的人机工程学和草坪机的结构设计。
对于人机工程学和创新之间的关系也进行了研究。
关键词:
人机工程学,草坪机,创新设计
1.引言
草坪机是用来改善人居环境和生活质量的一种绿色环保机器。
在发达国家,草坪机已经是人们日常生活的必需品。
在我国越来越多的草坪机进入人们的生活。
在设计和使用草坪设备过程中,涉及到人机工程学的一些问题。
如果草坪机是根据人机工程学理论和“人-机-环境”集成系统充分考虑设计的,它们会更具人性化,操作更加的舒适,更加容易和安全的割草。
因此,草坪机的质量将得到改善,而且竞争力将会大大的加强。
以本文为例,从人机工程学三个方面讨论和研究了割草机的设计。
首先对草坪机满足人机工程学要求的结构进行研究。
考虑到人的生理和心理需求,尤其是操作系统需要更多适当的设计。
该系统应具有高度的灵活性,以满足所有不同身体状况用户的需求。
其次,从广义的“人-机-环境”系统的角度对草坪机安全保护系统的设计进行了研究。
研究充分考虑到机器的可靠性,以及用户和草坪机周围其他人的安全。
第三,草坪机的设计应该考虑人体工程学的限制因素与创新设计的关系。
人机约束的到解决时,机制、结构和产品的创新才能完成,同时设计应该满足用户和环境的要求。
2.草坪机设计中的广义“人-机-环境”系统
随着科学的发展和人们对生活和工作环境需求的增加,“为人民服务”成为现代设计的主流。
尽管人机工程学是一门新的学科,但它在机械设计方面和草坪机的设计中应用越来越广泛。
在早年期间,草坪机是由专业人员进行操作,设计强调草坪机工作的可靠性和效率。
现在越来越多的草坪机是用普通家用。
因此,草坪机的设计需要考虑舒适性,简洁性和安全性的需求。
这意味着在布局,外观,颜色,操作和安全方面应满足更多人机工程学的要求。
根据国际人类工效学学会的定义,人机工程学是一门设备设计的应用科学,例如工作环境,旨在通过减少操作者的疲劳和不适来最大限度地提高生产力。
这意味着,人机工程学是研究“人-机-环境”的和谐统一使人机变得更加和谐。
人是最主要的部分。
图1(a)显示的是狭义的“人-机-环境”系统。
如图1(a),人是机器操作员。
环境意味着被机器影响的操作者的周边环境。
它是由阴影部分表示的。
在设计过程中应考虑草坪机的操作和人的生理心理要求。
操作环境应该舒适安全。
操作应该容易简洁。
生产力应该最大化和操作者的疲劳应该降低。
草坪机的设计过程中应该考虑广义的“人机环境”系统的概念。
如图1(b)所示。
人不仅意味着机器的操作者而且也是工作环境中被机器影响的人。
系统的环境是由用户,计算机和受影响人士所拥有的环境。
它不仅包括操作者的操作环境,而且包括被机器影响的人的周围环境。
在设计割草机时,设计必须满足结构,外观和操作方面的人机工程学的要求以适用于普通家庭的简洁的和可靠的操作。
另一方面,对草坪割草机周围的人和环境的影响应考虑。
例如,开动割草机对周围的人和工作环境带来的噪声污染以及汽油发动机工作时消耗汽油引起的空气污染应该在考虑范围内。
在安全保护装置的设计中,操作环境中操作者和非操作者的身体损伤是应该避免的,特别是儿童与危险部位的误触。
例如,家用割草机刀片应在3秒内停止,以避免关闭机器后手伸进刀具范围受伤。
另外当割草机工作时,不仅对由高速旋转的刀片引起的土块、树枝和周围其他的硬物对操作者的伤害应该避免,而且对于机器周围的人的伤害也应该避免。
因此需要为结构,形状和刀保护装置尺寸参数和出草口制造特殊的装置。
a)狭义的“人-机-环境”系统
b)generalized"man-machine-environment"system
b)广义的“人-机-环境”系统
Fig.iman-machinesystemdiagram
图1.人机系统图
因此,草坪机需要从广义的“人-机-环境”系统的角度进行考虑,并且根据人机工程学原理进行设计。
所设计的机器将和环境非常和谐的而且更好地为人类服务。
该设计思想可以推广到其他的机械和产品上。
3.基于人机工程学的草坪机设计
不仅应该考虑广义的“人-机-环境”系统,草坪机的设计还需要考虑总体布局设计,外观,颜色和操纵系统。
这里的家庭草坪割草机的人机工程学问题主要从两个方面进行讨论:
操作系统和保护装置。
3.1操作系统的应用
图2显示了家庭草坪割草机的基本机构。
在操作系统中有操作手柄5,发动机起动手柄6,行进离合器手柄7,发动机节流手柄8,行进速度调节手柄9和割草高度调节手柄。
作为主要的操作部分,操作手柄控制着割草机的前进,后退和转弯。
其他的手柄固定在操作手柄上。
为了得到轻松舒适的操作,家用割草机的手柄的趋向环形手柄。
操作者在修剪草坪时可以自由改变手柄宽度。
这会减轻操作者的疲劳程度。
当操作员割草时,除去一只手抓环形手柄,他能用另一只手操纵其它的手柄。
割草机的把手应该符合人的生理特点,为了在舒适惬意的环境条件下操作,割草机的设计应考虑站立操作者的身材,操作空间和方向。
当人们用双手姿势推动割草机时,环形手柄的宽度B应该设计为最有利的和舒适握持宽度。
根据人机工程学理论,宽度应该小于肩膀的宽度。
1-前轮2-汽油发动机3-切割机罩4-刀片5-手柄6-起动抽屉7-行进离合器手柄
8-发动机节流手柄9-行军速度调整手柄10-草收集器11-后挡板12-后轮
Fig.2thediagrammaticsketchofstructureoflawnmowers
图2割草机结构示意图
在标准GB10000-88中肩膀宽度和中国人主要的人体尺寸见表1。
宽度应小于肩膀和手抓住手柄的宽度。
因此,根据人肩膀P90百分位数正确的宽度是小于500mm,根据人肩膀P50百分位数正确的宽度是小于485mm。
当人们用割草机时操作手柄应该位于合适的操作高度。
,最舒适、省力的手推高度应该高于肘的高度,而且低于肩膀的高度。
为了满足90%的成年男性和女性舒适的使用,手柄H的高度应高于P90百分数男性肘高,而且低于P10百分数女性肩高。
从表1我们可以看到合适的H高度是1079mm≦H≤1211mm。
由于手柄应舒适地推割草机前进,固定手柄的高度应该是1100mm。
舒适的手柄位置应该高于肘部的高度。
如果割草机的操作系统为不同的人体尺寸提供舒服的服务,那么手柄的高度应该是可以调整的。
调整的范围是1010mm~1200mm。
图3手柄尺寸示意图
长度L和手柄的设置角度应满足的设计要求如下:
a)手柄高度H
h+Lsinɑ=H
(1)
其中,h是设置枢轴的高度。
b)使用割草机时,操作者应避免接触安装在割草机后部的草收集器的后部。
如果S1是人上臂的长度,S2是前臂的长度,β是工作时上臂和躯干的角度,γ是人上臂和前臂的角度,那么躯干和把手之间的水平距离应该是:
S=S1sinβ+S2sin(γ-β)
(2)
如果正常人的步幅是B1(通常是B1=0.40H,H1是人的身高),则脚和草收集器不发生干涉的条件是:
L(cosɑ+S)=l+B1+△(3)
这里,△是割草时避免干涉的额定值,通常是100~150mm。
L是从设置枢轴手柄到割草机背面的距离。
这取决于草收集器的尺寸。
将
(2)代入到(3)中:
Lcosɑ=I+B1+△—(S1sinβ+S2sin(γ-β))(4)
当人们用手推割草机时,胳膊最放松姿势是从β=30°γ=110°到β=45°
γ=165°。
因此Lcosɑ最大值β=30°γ=110°,Lcosɑ最小值β=45°γ=165°
c)最佳的操作力
当家庭割草机转弯时,人们需要用力推下手柄。
割草机就会翘起,绕着后轮与地面接触点转动。
假设G是割草机的重量,r是重心到后轮枢轴的距离,则按下手柄使割草机转向的力应是
F=Gr/(Lcosɑ+e)(5)
如果F太大,割草机就不适合妇女操作割草机经常转向从而引起疲劳。
如果F太小,由于颠簸的草坪或者草收集器已满,割草机前轮会一直在草坪上割草前进。
这会影响割草的功能。
因此,理想的操作力范围是50N~120N。
从公式
(1),(4)和(5)可以得到L的长度和手柄倾斜的倾角。
其他的操作手柄或安装在手柄上的旋钮应根据人机工程学原理设计。
前进离合器手柄应该是环形的。
当使用者手抓住手柄或者把手时,割草机的刀片脱离制动并开始运行,推动系统进行工作,割草机开始割草。
当手离开手柄后,通过弹簧离合器手柄脱离把手。
刀片制动,割草机马上停止行进,。
割草机的安全可以得到保证。
的距离,行进离合器手柄到把手横杆的距离h1取决于握住手柄时手的长度。
如表1所示。
女子P10百分位数手的长度是164.74mm。
为了适用于女性,h1应该小于150mm。
另一方面,h1不应太小。
否则将不适合足够的工作行程。
其他手柄的位置应易于单手操作,从而另一只手抓住把手。
因此,每个手柄应位于有效的工作范围之内。
根据GB/T15759-95,当人处于最舒适握持状况到手柄的最远的距离,人前臂第四级功能区(β=450,γ≤1650)如图4所示。
同样,当人处于最舒适握持状况到手柄的最近的距离,人前臂一级功能区(β≥30°,γ=110°)如图4所示。
两个功能区的重叠部分是其他把手上手柄的正确位置。
此外,每一个手柄应该考虑使用频度和操纵力。
例如,通常用于割草的节流阀手柄应在把手的右侧。
此外割草时行进的速度调整手柄应在把手的左侧。
发动机的起动抽屉应位于手柄右侧,以有利于右手的强劲拉动。
正如图4所示。
1-人类前臂一级功能区
2-人类前臂一级功能区3-手柄面积
Fig.4thediagrammaticsketchofhandleoperationallocation
图4手柄操作位置示意图
(以下内容略)
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