基于人因工程的工程车辆驾驶室布置和仿真研究Word格式文档下载.docx
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电子工业出版社,2021
8.马如宏编.人因工程.北京:
北京大学出版社,2021
5.毕业设计(论文)进度方案(以周为单位):
起止日期
工作内容
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
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
分析仿真与优化设计结果,并进行改良设计检查优化方案
分析仿真与优化设计结果,并进行改良设计
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
改良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,准备辩论指导辩论
撰写毕业设计论文初稿。
重点检查
教研室审查意见:
室主任
年月日
院部审查意见:
教学院长
毕业设计说明书〔论文〕中文摘要
随着我国经济的迅速开展,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剧烈,仅仅满足根本的使用功能已经不能满足用户的需求。
平安、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局部的驾驶室,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
TitleResearchofHumanFactorsEngineeringforEngineeringVehicleCabDesign
Abstract
Withtherapiddevelopmentofeconomyinourcountry,thedomesticconstructionvehiclemarketgrowingprosperity.Butwiththeexpansionofeconomicglobalization,engineeringvehiclesmarketcompetitionisincreasinglyfierce,meetbasicusefunctionisnotonlymeettheneedsofusers.Safecomfortableandconvenienceisnowconstructionvehicledesigngoal.Asanimportantcomponentoftheengineeringvehicle,peopleputmoreandmorehigherrequesttothecomfortableoperationofthecab.
Todesignahighercomfortcab,thetheoryofhumanfactorsengineeringisappliedtothedesigninthisarticle.AndusetheCATIAtosimulateandestimatethedesign.
KEYWORDS:
Humanfactorengineering,Engineeringvehicle,Cab,CATIA
前言
在改革开放不断深化,在中国经济迅猛开展的今天,一方面工程车辆行业得到了迅猛的开展,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,更多的企业参加这个行业,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平安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,也为更好的开展我国的经济,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平安性的工程车辆。
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。
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局部,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开展,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根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缺乏了。
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开展历程以及人因工程学在我国的开展历程来看,我国的机械制造业对人因工程学的认识缺乏,还停留在比较浅薄的程度上。
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开展。
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
纵观我国的经济开展,就机械行业而言,长期以来我们一直都在推行粗放型开展模式,将主要精力放在产品的更新换代、功能的增加、质量的提高以及本钱的降低等方面,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开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,人们对它的认识也缺乏,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根本出发点,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兴旺国家的差距,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、降低平安事故的发生率,从而为社会的和谐稳定出一把力;
〔3〕从学术开展来说,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开展,特别是在实际中是开展与应用。
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开展,在汽车行业也有了很大的开展。
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,在其根底上进行修改,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开展远落后于轿车行业[1]。
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开展,并且补充了生理和心理特性,能进行工作范围测试、干预检查、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【2】【3】。
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。
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开展。
由于国家经济的强劲开展,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开展。
但是,另一方面,由于生产企业多,也就是竞争剧烈,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本钱,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,性能更加平安可靠。
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。
图1-1国内某工程车辆驾驶室
1.2.4国外的驾驶室现状
国外工程机械开展总的趋势是:
开展快、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、平安性、舒适性和环保性得到了高度重视,并向大型化和微型化开展【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、平安、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
。
图1-2CAT980G系列驾驶室
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根底知识。
首先了解人因工程学的含义、她的开展、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(InternationalErgonomicsAssociation,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、平安和舒适等问题的学科【5】。
人因工程学是以人——机——环境作为根本的研究对象,通过揭示人、机、环境之间相互关系的规律,已确保人——机——环境系统到达最优化的总体性能。
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、反响特性以及在劳动中人的心理特征和人为过失等。
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
人与机器之间的信息传递包括显示器向人传递信息,控制器那么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;
控制器设计那么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.环境控制和人身平安装置的设计
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平安。
其中平安保障技术包括机器的平安本质化、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根本知识点后,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、平安性和工作效率,使系统的总体性能到达最正确匹配状态的学科【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平安性、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〕车辆乘员的平安保护技术研究。
提高车辆的平安性能,降低平安事故的发生率,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防止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鼓励而产生的振动,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、不出过失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根本理论的“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】。
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那么。
然后结合这些设计原那么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局部,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局部,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。
为到达静态舒适目标,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。
并依据人体的根本尺寸,基于人因工程的原理选择座椅的根本尺寸参数。
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。
要到达如下两点要求。
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。
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,越往下承当的重量越大,腰椎局部承受的重量最大,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,将体重分移一局部到靠背,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,否那么会造成腰部酸痛、疲劳等不适的感觉。
2.保证腰曲弧线的适宜形状
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。
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局部。
这时身体重量的大局部经过臀部坐骨隆起局部及其附着的肌肉压在椅面上,而臀部其它局部受到体重压力不大[14]。
根据人因工程学的研究,最舒适的坐姿应保证:
人体的大局部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,防止突然变化。
图3-3为座椅各局部的受力合理分布图。
图3-3座椅各局部的受力分布图
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局部承受的压力最高,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。
靠背上的体压分布那么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,要到达两个方面的要求:
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适宜形状;
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。
座高的设计原那么是:
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局部人都能坐得下,而且我国女性的臀宽比男性的大,所以座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:
即坐垫前端至靠背外表之间的距离。
座深的设计原那么是:
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局部人都能靠到,所以座深应当按照较小百
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