轮式拖拉机驾驶室人机工程研究与设计

    钱筱琳 宋仕凤 刘金玲

    

    

    

    摘 要：以拖拉机人机工程学为理论基础，以轮式拖拉机驾驶室为研究对象，根据拖拉机驾驶室基础结构，从拖拉机驾驶员的作业行为出发，构建驾驶员任务模型。从驾驶室整体尺寸和视野分析两个角度，对拖拉机驾驶室的空间尺寸进行规划，完成轮式拖拉机驾驶室的造型设计，为拖拉机驾驶室设计提供参考。

    关键词：拖拉机驾驶室;人机工程学;驾驶室空间设计;用户任务模型

    0 引言

    近年来，国家对“三农问题”越来越重视，对农业的投入不断增加，选择机械化种植的农民越来越多。[1]但我国的农业机械设计水平与起步较早的國家相比，还存在一定差距，尤其是拖拉机的品牌形象、外观造型以及舒适性等方面与一些发达国家相比，仍然有较大改进空间。[2]在竞争日益激烈的市场环境下，好的驾驶室设计将会成为提高整体拖拉机市场竞争力的有力手段。本课题拟以人机工程学为理论基础，以大马力轮式拖拉机为研究对象，综合考虑了驾驶室基础结构与驾驶员作业行为，构建了驾驶员任务模型，从驾驶室整体尺寸和视野分析两个角度对拖拉机驾驶室的空间尺寸进行了规划，完成了轮式拖拉机驾驶室的造型设计，提高了拖拉机的舒适性和安全性，为拖拉机驾驶室设计研究提供了参考。

    1 轮式拖拉机驾驶室结构分析

    轮式拖拉机主要由车底盘、车身和驾驶室三部分组成，另外还包括配重铁、车轮、通气管等零部件。其中，驾驶室由线型框架、挡风玻璃、各类车灯以及各种操作部件组成，如图1所示。

    2 拖拉机驾驶员作业分析与用户模型研究

    2.1 驾驶员作业过程分析

    拖拉机驾驶员作业过程主要分成启动前、启动、起步、转向、制动、停车、熄火等7个操作阶段。[3]其中，启动前首先按照保养条例检查各部件;其次把变速杆、液压泵离合手柄、动力输出操纵手柄及分动箱滑动齿轮操纵杆置于空挡位置，手动上下揿动输油泵，仔细检查拖拉机和悬挂的农机具是否连接正确;最后，检查电气系统的照明、喇叭是否正常，检测胎压，未充盈则进行充气处理。启动时顺时针转动预热启动开关手柄，预热发动机，待发动机水温上升到50℃后，才能正式使用拖拉机。起步操作主要包括松开锁爪，按喇叭，松开离合器踏板，并缓慢增加油门，使拖拉机平缓上路。转向操作包括按转向灯，转动方向盘。制动操作包括减油门，降低速度，踏下制动器踏板。停车操作时首先减油门，降低速度，接着踩下离合、制动踏板，挂空挡，松开踏板，怠速空转发动机，最后踏制动踏板停车。熄火操作包括发动机卸载后，空负荷运转3～5分钟，等待至各部件温度逐渐下降，扳动油门手柄至熄火。

    通过驾驶员作业过程的详细分解可以发现，在拖拉机驾驶室设计过程中，要特别注意操纵杆和踏板等操纵器的尺寸大小，位置排布及灵活度的设计，另外车门把手和脚踏的位置关系也是设计重点。

    2.2 驾驶员任务模型的建立与分析

    结合拖拉机驾驶员作业过程，建立用户任务模型捕捉用户潜在需求，寻找设计点。[4]为寻找驾驶员从打开车门到进入驾驶室这一过程中所需考虑的设计点绘制情景模拟图，如图2所示。经分析可知驾驶员开车门操作，涉及钥匙孔的尺寸及位置;踩脚踏进入驾驶室，涉及脚踏距地面高度、脚踏间距和每阶脚踏的长宽高尺寸;踩脚踏的过程中需要抓住扶手，这就涉及扶手的尺寸及位置;进入驾驶室时，涉及车门的高度和宽度等，这些都是设计时需重点考虑的问题。

    通过建立用户思维模型分析驾驶员在作业时的知觉和认知特性，为驾驶室的设计提供参考依据。通过分析驾驶员的心理活动规律，总结出对应设计点，如图3所示。

    3 拖拉机驾驶室空间设计与人机工程分析

    3.1 驾驶室整体空间尺寸设计分析

    在一定的条件下，驾驶室的室内空间应尽量充裕，以便满足驾驶人员作业及出入的要求。同时，为了方便驾驶员的驾驶操作，驾驶室还应该为驾驶员的肘部和双脚提供足够的作业空间。因此，驾驶室内顶棚距地面的距离应满足95%的男驾驶员直立时不会碰到头的要求。同时，还应保证驾驶人员的头部在座椅调节到最高处时与驾驶室顶棚之间仍保持一定的距离。驾驶室的侧门和脚踏的尺寸以及其相关位置也应保证驾驶员出入驾驶室时的安全和方便。

    3.2 驾驶室视野分析与研究

    拖拉机驾驶室设计过程中，良好视野也是重要设计因素之一。利用CREO软件中Mainikin模块对拖拉机视野优劣进行分析。[5]建立拖拉机驾驶室三维模型，在人体模型库中选取第5百分位和第95百分位的中国男性人体模型，[6]将人体模型导入CREO中，构建视野评价平台，分别进行前方视野、内后视野以及侧方视野的分析验证。如图4所示，当驾驶员观看正前方时，因为立柱的存在生成了相应区域段的盲区。由于在驾驶员的视线内，一般不能避免左右两侧立柱形成的盲区，在设计驾驶室时只是将原本的空气清洁器和消音器设计成一体式的排气管，并安装在左右两侧前立柱造成的盲区之内，以规避再次形成多余的盲区。当驾驶员观察拖拉机后方及左右两侧时，后悬挂农具作业区域和前方倒车镜均左右处于驾驶员人体模型的视野范围之内。

    4 拖拉机驾驶室设计与分析

    以拖拉机结构为基础，综合驾驶员作业过程与人机分析结果，并参照中国男性人体模型尺寸，确定拖拉机驾驶室具体尺寸。拖拉机驾驶室设计方案采用一体化设计，脚踏与后挡泥板连车一体，倒车镜与车灯结合，前挡风玻璃也采用整块玻璃的形式，如图5所示。

    5 结语

    从人机工程学角度对轮式拖拉机驾驶室进行造型设计与研究，有利于提高拖拉机舒适性和安全性，能有效提高其市场竞争力，为同类农机产品设计提供参考。本课题以拖拉机人机工程学为理论基础，根据拖拉机驾驶室基础结构，从拖拉机驾驶员的作业行为出发，构建驾驶员任务模型，从用户角度总结并提出驾驶室设计的切入点。从驾驶室整体尺寸和视野分析两个角度对拖拉机驾驶室的空间尺寸进行了规划，完成了轮式拖拉机驾驶室的造型设计，为后期拖拉机驾驶室设计研究提供了参考。

    参考文献：

    [1] 刘玉科.拖拉机造型及造型设计方法研究[D].河南科技大学，2010.

    [2] 孙文涛.机械产品设计中的造型学研究[J].机械设计，2011.

    [3] 余真华，李泽，股品绮.拖拉机操纵杆件的合理布置的初步探讨[J].吉林工业大学学报，1990.

    [4] 吴志军，张映琪，唐超.用户行为导向的数控装备造型设计过程模型[J].机械设计，2017.

    [5] 钱筱琳，宋仕凤，杨飞，杨琴.基于Pro/E Manikin 的旋耕施肥播种一体机人机评价与造型设计[J].机械设计，2018.

    [6] 杨飞，史庆春，万小玲，等.基于Pro/E Manikin的拖拉机驾驶室人机工程评价方法[J].农业工程学报，2013.