拖拉机驾驶室视野安全研究

拖拉机驾驶室视野安全研究 苏小伟, 蹇兴东, 史庆春 ( 南京农业大学 机械工程系, 南京 210031) 摘要: 安全、节能与环保是摆在拖拉机设计生产面前的三大课题, 其中安全又是三大课题中最重要 、最根本的问题, 而良好的视 野则是保证拖拉机安全、优质作业的重要条件。文章探讨拖拉机驾驶室视野安全的研究现状, 相关标准, 讨论了拖拉机驾驶室视野 安全原则对驾驶室外形设计、内部布置、后视镜的影响, 提出了拖拉机驾驶室视野安全的发展方向。 关键词: 拖拉机; 驾驶室; 视野; 安全 中图分类号: S 219 文献标识码: A 文章编号: 1006- 0006( 2010) 02- 0005- 02 R e s e a r c ho f T r a c t o r C a bV i s i o nS a f e t y S UX i a o - w e i , J I A NX i n g - d o n g , S H I Q in g - c h u n ( D e p a r t m e n t o f Ma c h i n e r yE n g i n e e r i n g , N a n j i n gA g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y , N a n j i n g210031, C h i n a ) A b s tr a c t :S a f e t y , e n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n me n t a lp r o t e c t i o na r et h et h r e ek e yt o p i c sf a c e db yt r a c t o rd e s i g n e r s , a m o n gw h i c hs a f e t yi s t h em o s t i m p o r t a n t . A n dc l e a r v i s i o nd e s i g ne n s u r e st r a c t o r st ow o r ks a f e l y . T h i sr e p o r ti ss u b j e c tt o i n t r o d u c et h ec u r r e n t r e s e a r c ho f t h et r a c t o r c a bv i s i o na n dt h er e l e v a n t s t a n d a r d s . T h ei mp a c t so f v i s i o ns a f e t yd e s i g no nt h e a p p e a r a n c e , i n t e r n a l l a y o u t , r e a r - v i e wm i r r o ra r ei n c l u d e di nt h er e p o r t . A t t h ee n do f t h ea r t i c l e , i t b r i e f st h er e a d e r so nt h e d e v e l o p i n gt r e n do f t h ev i s i o ns a f e t yd e s i g n . K e yw o r d s :T r a c t o r ;C a b ;V i s i o n ;S a f e t y 1 拖拉机视野安全研究现状 目前拖拉机驾驶室的研究主要集中在结构强度和基于人体测量 和解剖学的显控装置。拖拉机行驶路面状况较差, 周围环境复杂, 在 这种条件下还要确保各种农机具的正常工作, 以致于每年农忙时节 都有拖拉机误伤人、畜的相关报道, 确保良好的视野是保证拖拉机安 全、优质作业的重要条件。 G B16151. 1- 2008农业机械运行及安全技术 拖拉机中对 于“拖拉机驾驶室等部件”只有模糊的定性要求, 其中涉及到驾驶室 的视野部分的是: 驾驶室四周视野良好, 挡风玻璃、门窗玻璃应为安 全玻璃, 驾驶室前部、左、右应各装一面后视镜, 位置应适中, 镜中影 像清晰 1 。 G B /T3871. 7- 2006农业拖拉机试验规程 第七部 分: 驾驶员的视野详细地规定了拖拉机视野试验程序和条件 2 。 上述两条国标的制定一方面反映了国家对于拖拉机视野安全的重 视, 另一方面我们也看到国内拖拉机视野安全研究才刚刚起步, 很多 规定仅仅是定性的检测并不能在设计之初进行定量的指导。如何在 拖拉机开发初期对拖拉机的视野进行定量, 提高开发效率是拖拉机 视野安全研究一个亟待解决的问题。 2 拖拉机视野安全理论 2. 1 驾驶员眼睛位置的确定 要完成拖拉机视野的定量研究首先需要建立用户的视觉模型, 并以此为参照才能设计出使大部分用户获得良好的视野效果的拖拉 机驾驶室。美国汽车工程师协会 ( S o c i e t yo f A u t o m o t i v e E n g i n e e r s 简 称 S A E ) 车身工程委员会提出的视椭圆理论可用于拖拉机驾驶员视 觉模型建立, 即不同身材的驾驶员以正常姿态坐在驾驶员座椅上, 眼 睛的空间位置服从二维正态分布, 等百分位的二维正态分布图形成 椭圆状即视椭圆。在空间中实际上呈三维分布也就是视椭球, 如图 1所示。视椭圆理论是用来确定驾驶员视野的理想方法, 与视野相 关的设计和机构均可以此为依据 3。 图 1 视椭球空间分布图 F ig . 1 D is tr ib u t io nMa po f E y e ll ip s e 2. 2 视椭圆理论与拖拉机驾驶室外形设计 拖拉机驾驶室的设计涉及到的因素很多, 在保证其结构强度的 基础上保证视野安全同样重要。驾驶室外形设计对于视野的影响主 要体现在对 A立柱、前后车窗玻璃大小、发动机罩等直接视野的影 响上。 2. 2. 1 A 立柱 减小立柱投影宽度, 为了减小或者消除立柱对视野的障碍, 立柱 相对于驾驶员眼点的投影宽度应尽可能小于驾驶员的瞳距( 一般为 65 m m 4 ) 。但是在实际的驾驶室设计中, 为了保证驾驶室结构牢 固, 使拖拉机在发生撞击、翻车等事故时驾驶员的安全容身空间不受 到挤压, 其中一个重要做法就是增加立柱的横截面积。由于在 A立 柱结构设计中片面关注强度, 到整机制造出来才考虑对于视野的影 响并且目前国家标准没有这方面的定量要求, 考虑到开发的周期和 收稿日期: 2009- 02- 20 5 第 37卷第 2期 拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 V o l . 37N o . 2 2010 年4 月 T r a c t o r F a r mT r a n s p o r t e r A p r . , 2010 成本, A 立柱带来的视野问题往往被人为忽略。如果在 A 立柱开发 初期, 就充分应用视椭圆的基本原理加以评价就可以更加高效地开 发出强度符合要求, 同时视野障碍角小的优质异型材, 具体做法 如下: 1) 在俯视图上画出 95%百分位视椭圆, 画出视椭圆高度的 A 立 柱剖面图, 并保证其相对位置与实际拖拉机中 A 立柱与视椭圆的相 对位置吻合, 这里我们选择左立柱。 2) 在左眼椭圆上找出离 A立柱最近一点 B 左作为左眼点, 并在 右眼椭圆上找出 B 左的对应点 B 右。 3) 通过 B 左点做 A立柱切线, 当切线与正前方夹角大于 30 时 需转动头部直到此角度为 30 , 此时 B 左位置在 B 左, B右位置在 B 右。 4) 通过 B 左、B 右做立柱切线, 则两切线的夹角即为双目障碍 角, 如图 2所示。 1. A立柱断面 2. B 左到立柱的切线 3. B 左到立柱的切线 4. B 左 5. 转动后的头部中心线 6. 转动前的头部中心线 7. 头部转动中心 8. B 右 9. B 右 10. B左 11. B 右到立柱的切线 图 2 拖拉机 A立柱双目障碍角求解 F ig . 2 S o l u ti o nt oD o u b l eV is io nO b s t a c leA n g leo f T r a c t o r sAP il la r 由于拖拉机驾驶室的对称性, 右侧立柱的障碍角与左侧相等, 通 过以上方法我们可以在 A 立柱异型材开发阶段通过视椭圆理论判断 同等强度下不同型材的视野障碍角, 完成 A立柱异型材的优化设计。 在空气滤清器和排气管的布置时应尽量安排在 A立柱双目障碍角 内, 防止双目障碍角进一步扩大导致的视野质量下降。 2. 2. 2 前车窗 扩大风窗玻璃有效透明面积, 风窗面积越大, 前方视野越好但是 当风窗上沿过高会导致因阳光照射而炫目, 比较理想的状态是驾驶 员的上视角为 0 5 4 。风窗下沿过低会导致动视野质量下降, 在 行驶速度过快时易发生恐慌和眩晕, 此外下沿高度还要考虑机罩高 度, 仪表板的布置高度。风窗玻璃一方面要尽量靠近驾驶员眼睛, 另 一方面要保证仪表和转向盘的布置以及驾驶员腿部的活动空间, 此 外风窗玻璃与转向盘前沿之间的最小间隙不小于 80 m m 4 , 以保证 拖拉机驾驶员在冬季戴上厚手套仍能自如的转动转向盘。 2. 2. 3 发动机机罩 为了保证拖拉机在行驶特别是前方悬挂机具进行田间作业的过 程中驾驶员可以清楚地获得前方路面的情况和农机具的工作情况, 应尽量降低机罩高度, 缩短长度, 并使前端尽可能地向下倾斜, 以保 证驾驶员获得良好的前下方视野。 2. 3 拖拉机后视镜 拖拉机驾驶员通过车窗直接获得外界的视觉信息, 通过后视镜 中的间接视野补充获得更加全面的外界视觉信息。实际上更多的时 候驾驶员是通过后视镜而不是直接转身通过后车窗获得拖拉机的后 视野信息。因为频繁的转身一方面会增加驾驶员的劳动强度, 尤其 是腰部和颈部的劳动强度, 造成肌肉疲劳甚至劳损, 另一方面在行驶 作业过程中频繁转身无法及时获得前方视野信息容易造成危险, 而 后视镜可以使驾驶员方便地在前后视野之间切换。为了获得良好的 后视野需要选择曲率合适的后视镜, 曲率半径越大失真率越小, 但是 提供的后视野也变小了。曲率半径越小, 视野越开阔, 但是失真率越 大, 驾驶员无法准确判断真实情况。除此之外还要考虑后视镜的视 野角度、有效面积、耐气候性及缓冲性等因素。 2. 4 拖拉机驾驶室内部仪表板布局 在仪表板的布置上应注意仪表板与人眼的距离和角度, 避免出 现转向盘、操作杆、仪表板、遮阳板等挡住视线的情况, 同时也要避免 仪表板、仪表座、遮阳板等妨碍前方视野。仪表距离人眼的距离最好 在 560 750 m m 5的范围内, 在这样的视距下眼睛不容易疲劳。另 外最主要的仪表板应安排在视野中心 3 范围内 5, 这是人的最优视 区, 为了保证将尽可能多的仪表安排在最优视区内应尽可能选择弧 形或者梯形仪表。一般仪表允许安排在 20 40 的范围内, 40 60 的范围内允许安排次要仪表 5。 此外还要避免转向盘对于仪表易读性带来的障碍, 转向盘障碍 是指转向盘处于中性位置( 转向角为 0 ) 时, 驾驶员投向仪表盘的视 线被转向盘轮廓和轮辐隔断的现象 4。 对于转向盘障碍可以通过 选择轮毂直径大小合适的转向盘调整轮辐位置, 使它挡住的驾驶员 视线范围尽可能地小。 2. 5 特殊情况下的视野保持 农忙“三抢”时期, 为了保证有利农时, 拖拉机驾驶员常常 24 h 工作, 甚至在雨雪等恶劣天气下作业。为确保拖拉机在各种气候条 件和行驶条件下具有良好的视野, 要安装风窗刮水器和风窗洗涤器, 并且要求拖拉机风窗玻璃刮扫系统有足够的刮扫面积、正确的刮扫 位置, 保证刮扫位置内的清晰度满足相应的要求 4。为了确保夜间 作业行驶安全, 保证拖拉机的夜间视野, 需要为其配置各种灯具, 除 常规交通工具的照明、指示信号灯外, 还应为方便夜间观察农机具作 业情况及检修, 安装专门的照明灯。雨雪天气前照灯配光镜上的水 珠会减弱灯光的照明度, 因此, 可在前照灯配光镜外表面设置清 洗器。 3 拖拉机视野安全发展方向展望 科技的发展将促进拖拉机视野安全研究的不断进步。 1) 电子技术的进步与拖拉机广泛结合, 通过摄像机和电视显示 可以使驾驶员方便地获得后视野和农机具作业情况, 克服了后视镜 视野存在盲区和失真的矛盾。 2) 防水、防雾玻璃的采用可以极大地改善拖拉机驾驶员在恶劣 天气下的视野, 偏光玻璃可以克服拖拉机夜间会车时的灯光炫目。 3) 拖拉机视野是一个涉及范围很广的复杂系统, 目前拖拉机在 设计初期很少考虑视野安全, 一旦样机出来以后测评不合格, 修改又 要涉及到整个驾驶室的设计、布局, 对人力、物力、财力都是极大的浪 费, 因此将视野 C A D 模块引入拖拉机 C A D研发过程必将成为今后 拖拉机设计的一个趋势。 参考文献: 1 G B16151. 1- 2008,农业机械运行安全技术条件 第一部分: 拖拉机 S