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南京理工大学硕士学位论文座骑式割草机改型设计研究 摘要 座骑式割草机属于单人驾驶小型工程机械。本设计研究旨在对现有的一款座骑式 割草机进行改型，提高其造型观赏性、驾驶舒适性和操作安全性。改型设计研究主要 着眼于座骑式割草机的外型、结构、人机界面、色彩等几个方面，其中人机界面的设 计包括操控系统设计，作业空间设计、信息界面设计、环境界面设计四个方面。同时， 座骑式割草机作为一种具有一定危险系数的切割机械，从另一个角度来说，安全性设 计也应当是它人机系统设计的一部分。 本座骑式割草机的改型设计研究，是在现代技术的基础上，将机械原理与美学相 结合，以车辆人机工程学和相关工业设计理论为依据，最终完成对产品的设计，并使 产品系列化。本课题研究的目的不是在于具体某款割草机的设计，而在于探求从车辆 人机工程学、机械美学的角度出发设计宜人化的工程机械( 座骑式割草机) 的方法与 规律，并为今后的相关设计研究提供依据。 关键词：座骑式割草机车辆人机工程学人机界面设计安全性分析色彩设计 堕室墨三盔兰竺兰堡堡苎 壁堕苎童! ! 竺墨整型堡生竺塞 a b s t r a c t r i d i n gm o w e rbak i n do fm i n i a t u r em a c h i n e , w h i c hc a nb ed r i v e nb yo n e p e r s o n t h ea i mo fd e s i g n & r e s e a r c hi sr e m o d e l i n go n eo l ds t y l er i d i n gm o w e r , a n d i m p r o v i n g i t s c h a r a c t e r i s t i c s ，s u c h a st h e a p p e a r a n c ea p p r e c i a t i o n ，t h e c o m f o r t a b l e n e s so fd r i v i n ga n dt h es a f e t yo fo p e r a t i o n t h em o d i f i c a t i o nd e s i g n & r e s e a r c ha r em a i n l yo nt h ea s p e c t so fa p p e a r a n c e s t r u c t u r e m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e a n dc o l o r , e t c t h ed e s i g no fm a l l - m a c h i n ei n t e r f a c ei n c l u d e s ：c o n t r o ls y s t e md e s i g n ， w o r k s p a c ed e s i g n ，m a n - m a c h i n ei n f o r m a t i o ni n t e r f a c ed e s i g na n dm a n - m a c h i n e e n v i r o n m e n ti n t e r f a c ed e s i g n o nt h eo t h e rh a n d , a sad a n g e r o u s c u t t i n gm a c h i n e , t h e s a f e t yd e s i g ns h o u l db eap a r to f t h ed e s i g no fr i d i n gm o w e r s m a n m a c h i n es y s t e m t h em o d i f i c a t i o nd e s i g n & r e s e a r c hi sb a s e do nm o d e r nt e c h n o l o g y , a n d c o m b i n e dw i t hm e c h a n i c sa n da e s t h e t i c s , r e l i e do nm a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n go f v e h i c l ea n dr e l e v a n tt h e o r yo fi n d u s t r yd e s i g n f i n a l l y , ns e r i e so f p r o d u c t sh a v eb e e n d e s i g n e d h o w e v e r , t h ep u r p o s eo ft h es t u d ys h o u l db en o tac e r t a i nr i d i n gm o w e r , b u tt h ed e s i g nm e t h o d sa n dr u l e sf o rt h ep l e a s a n te n g i n e e r i n gm a c h i n e r y ( r i d i n g m o w e r ) ，w h i c ha r ew o r k e do nt h ev i e wo fm a n m a c h i n ee n g i n e e r i n go fv e h i c l ea n d m a c h i n e r ya e s t h e t i c s ，t h e nt h er e s e a r c hf o u n d a t i o ni se s t a b l i s h e dt ot h er e l e v a n t d e s i g ni nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：r i d i n gm o w e r ，m a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n go fv e h i c l e ，d e s i g no f m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，s a f e t ya n a 眵s i s ，c o l o r d e s i g n yz u u 0 9 8 0 声明 本学位论文是我在导师昀指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明 研究生签名：a ，d 6 年占月石日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 南京理工大学硕士学位论文 座骑式割草机改型搜计研究 1 概述 本章将对此次设计研究的背景和设计动机、设计目的和意义、设计研究的方法和 思路做出简略地说明，并对相关研究理论做出简单介绍 1 1 设计研究的背景与动机 1 1 - i 理论背景 ( 1 ) 人机工程学与工业设计 人机工程学是从2 0 世纪5 0 年代开始迅速发展起来的一门边缘学科。研究和应用 人机工程学原理和方法已经成为工业设计者所面临的新课题之一。人机工程学研究的 内容及对工业设计的作用可以归纳为以下几个方面：【i 】 为工业设计中考虑“人的因素”提供人体尺寸参数； 为工业设计中“物”的功能合理性提供科学依据； 为工业设计中考虑“环境因素”提供设计准则； 为进行“人机环境”系统设计提供理论依据： 为坚持以“人”为核心的设计思想提供工作流程。 ( 2 ) 车辆设计中的人机工程学 随着机动车辆用途的日益扩大、形态的日益多样化、功率和工作速度的不断增长、 自动化程度的不断提高、形式道路和交通环境条件的日益复杂化，驾驶员的工作越来 越繁重和复杂，因而对改善驾驶员劳动条件的要求越来越迫切。 车辆设计中的人机工程学问题包括仪表显示、操纵控制、视野、驾驶者的心理和 生理素质、车内环境、驾驶员一车辆环境系统等，几乎覆盖了人机工程学的全部主 体内容。机动车辆的种类很多，其用途、功能、使用条件各不相同，对其性能指标、 结构参数、人机关系匹配等方面的具体要求，可能差别很大【2 】 ( 3 ) 工业设计其它相关理论 工业造型基本知识、色彩基本理论等。 1 1 2 设计背景 ( 1 ) 割草机的发展与应用 1 8 3 0 年英格兰工程师五d w i nb e a r d b u d d i n g 发明了草坪割草机。草坪割草机的英 文定义为，l a w nt n o w e l g a r d e nt o o l 扣rm o w i n gg r a s so nl a w n s 。顾名思义，它的主要 l 南京理工大学硕上学位论丈座骑式剖草机改型设计研究 功能是对牧草进行切割，并在地面上形成一定形状和厚度的草铺( 当然现在也有集草 袋g r a s sb a g ) 。割草机并不是古已有之的工具，它是随者草坪的出现而出现的。如同 世界上任何一种富于生命力的事物一样，它是随着人类文明的进步和科学技术的发展 而不断得到丰富和完善的早期的割草机非常简单，融入各种现代技术后发展迅速。 自从发明了草坪割草机以来，割草机在不断的改变和进步。迄今为止国外已经开 发和研究了多种类型的商品化产品。目前美国t o r o 公司、美国j o h nd e e r e 公司、日 本h o n d a 公司等国外大公司由于起步较早，在割草机的设计方面走在前沿。国外还 经常组织割草机设计大赛来鼓励割草机的创新设计总的来说，随着技术的进步，割 草机在朝更舒适，更节能，噪音更低，效率更高，割草量更大的方向发展。 随着人们对环境的关注，中国各大城市的绿地面积越来越大，草皮品种也趋向丰 富，草坪业的迅速发展使人们对草坪割草机的需求也越来越大。但是由于我国经济水 平还不高，对绿地大部分还只是低水平层次上的养护，以前畜力割草机曾是我国应用 较多的割草机，由马或牛牵引完成割草作业而国外园林机械工业和消费市场都已经 相当成熟随着机动割草机的引进，割草机将在我国的绿化事业中发挥越来越大的作 用 ( 2 ) 割草机的组成与分类 草坪割草机的组成一般是由发动机( 或电动机) 、外壳、刀片、轮子和控制扶手 等部件组成 草坪割草机的分类：按动力可分为以汽油为燃料的发动机式、以电为动力的电动 式和无动力静音式；按行走方式可分为自走式、非自走手推式和座骑式；按集草方式 可分为集草袋式和侧排式；按刀片数量可分为单刀片式、双刀片式和组合刀片式；按 刀片割草方式可分为滚刀式和旋刀式按照切割部件的结构分类，可分为往复式割草 机和圆盘式割草机；按照与驱动机械的挂接方式分类，可分为悬挂式、半悬挂式和牵 引式由于座骑式割草机是我们的课题内容，我们在这里主要介绍它 ( 3 ) 座骑式割草机 最初o p e i ( o u t d o o rp o w e re q u i p m e n t i n s t i t u t e ) 对于座骑式割草机的定义是：“自 产生动力的可骑运载工具，在一般草坪花园中使用，用来割草，通常不可以用来耕作。 它们由空气冷却，四冲程发动机，通常是1 2 马力的功率或更小发动机或由电线拖 动或是电力( 电池) 启动切断装置的旋转刀片通过皮带或者链条与发动机相连。一 些包含一个传递动力轴来附加别的维修工具，但大部分没有。”实际上，o p e l 用很多 非常专业的定义来定义座骑式割草机一后置发动机座骑式割草机，座骑式花园拖拉机 和前置发动机草坪拖拉机每种座骑式割草机都有自己的规格，以使公司可以正确分 类来装运销售等 2 商京理工大学硕士学位论文 座骑式割草机改犁设计研究 1 2 研究的对象与目的 1 2 1 研究的对象与目的 本设计研究属于产品设计研究领域，研究酌重点是工业设计理论( 车辆人机工程 学等) 在座骑式割草机改型设计( 包括造型设计、人机界面设计研究、色彩设计、事 故分析等) 中的应用；同时对于人机工程学中的一个重要问题：安全性问题在本设计 中的分析与归纳总结 针对当前国内座骑式割草机形态色彩单一，操作不够舒适简便等不足，座骑式割 草机应该在功能和外现上有所突破。根据车辆人机 工程学原理，对现有的一款坐骑式剖草机进行改型 设计，使原来开放的坐骑式割草机有一个封闭的工 作空间，并安装空调，改善其内部环境的热舒适性。 同时还要考虑到造型美观，现有工艺的可行性和安 全性、维修性等各个方面，也要考虑到成本的控制 等其他因素。重点从操作的舒适度，使用的便捷性， 兰望翌臀的合理性，造型色彩的宜人性等几个方面 图1 1 待改进的座骑式割草机 进行设计。 。 现有座骑式割草机( 后置发动机式) 造型结构 如图1 1 ： l2 2 问题的提出 根据市场上现有机型的设计动向，考虑设计风格问题； 从结构和工艺的可实现性方面对设计进行修正，对现有材料的合理运用： 与现有产品的巧妙结合也是一个切入点； 从使用者的角度考虑问题，使用者均为成年人； 工程机械安全操作、安全性设计的重要性 1 3 设计研究的方法、意义与流程 1 3 1 设计研究的方法和意义 运用车辆人机工程学等工业设计理论进行座骑式割草机的改型设计要求运用车 辆人机工程学理论设计新型全封闭座骑式割草机( 后置发动机式) ，探索其在形态造 商京理工大学硕士学位论文座骑式剖草机改型设计研究 型、助能结构、色彩、材料工艺、安全性设计等方面的应用价值。 本课题研究的目的不是在具体某个产品的设计，而在于探求从车辆人机工程学的 角度出发设汁宜人化的工程机械( 座骑式割草机) 的设计方法与设计规律，并为今后的 相关设计研究提供依据。 1 3 2 设计研究的流程 本设计研究的设计流程如下： ( 1 ) 对座骑式割草机的系统调研与了解，提出设计规划； ( 2 ) 整体造型设计：通过概念草图和可行性研究确定造型方案： ( 3 ) 运用车辆人机工程学理论，确定车身各部分的布局和尺寸，细化方案； ( 4 ) 分析座骑式割草机的事故模式并进行安全性设计，确定设计方案； ( 5 ) 利用计算机辅助设计完成建模：模型的制作； ( 6 ) 总体设计研究：色彩、造型细节部分等。 设计研究流程图如下图1 2 所示： 一人机界面设计( 含安全性设计扯 删喉；卜 f 车辆人极工程学 l - i 结构草图与尺寸图 i - 1 4 座骑式割草机的设计规划 1 4 1 设计要点 图1 2 设计研究流程图 座骑式割草机属于单人小型工程机械。工程机械设计应力求安全、高效，所以设 4 南京理工大学预士学位论文 库骑式割草机改犁设计研究 计中应紧紧围绕这一主题，将车辆人机工程学、设计美学，以及工程科技完美结合 本产品的改型设计，是在现代技术的基础上，将机械原理与美学相结合，以车辆人机 工程学和相关工业设计理论为依据，最终完成对产品的设计。 1 4 2 市场现有产晶 知名企业 目前国外知名的割草机企业如下：美国t o m 公司、美国j o h nd e e 公司、日本 h o n d a 公司、日本z c n o a h 公司、德国s 砌公司、澳洲r o v e r 公司、德国s o l o 公司及 英、瑞士等国家的一些公司，我们可从中获取割草机设计的成功案例及产品开发研究 方法、趋势、研究成果等资料。 现有产品结构造型，见图1 3 图i 3 现有割草机结构造型 设计风格 从整个市场的产品风格分析，我们的设计应该具备操作便捷，造型简约，色彩明 朗的设计特色 1 4 3 功能设定 座骑式割草机的功能分析与功能分解如下： 座骑式割草机主要功能是对草坪进行切割，要有切割牧草功能的操作可行性； 本功能可采取原机型中刀盘与机体的连接方式，通过平行四边形机构完成机架对 刀盘的承载在保留原操作功能和应用新技术的基础上，改进操控装置。 5 南京理t 大学硕士学位论文 鹰骑式割草机改型设计研究 本座骑式割草机是一种载人工具，应具有一般的可驾驶功能，并满足人体舒适性； 整车设计都以车辆人机工程学作为设计依据，保证驾驶舒适性基本仍采用原驾 驶指令。 本座骑式割草机是一种工程机械，应具各工程机械的安全功能和维修功能； 通过座骑式割草机的结构设计和尺寸设计，满足人体尺寸度要求，以保障各种安 全功能和维修功能的实现。 本座骑式割草机是一种产品，应具有外观上的卖点： 通过造型设计和色彩设计来实现 产品系列化的要求 1 4 4 割草机设计定位 圈1 4 割草机设计定位简图 对本座骑式割草机系统的设计定位如下： 动力：动力来源为后轮驱动，为后置式发动机，前轮起转向作用，为零转动半径割 草机： 整体造型：整体造型风格的选择为大曲率半径曲线为主，简洁、大方，能体现工程 机械的稳重与安全感，不失阳刚之气；对于造型的细部结构，如车门设计、车尾设计 等要与整体造型和功能性结合起来考虑； 6 南京理工大学硕士学位论文座骑式割草机改型设计研究 人机界面：人机界面的设计要根据车辆人机工程学理论，分别对操作者的作业空间、 操控装置，人机环境界面、人机信息界面进行设计； 色彩：设计对象为成年群体，外部色彩可分为男性系列和女性系列两种( 内部色彩 属于人机界面小环境) ； 连接：车身与刀盘采用原联结方式，刀盘通过刀盘架与割草机底盘相连接 1 4 5 市场定位 产品定位 结合市场分析资料，将本产品定位为功能简单适用，造型小巧简约的个人操作工 程机械。 客户定位 商用( 家用) 草坪割草机 价格定位 出售价格初拟人民币￥1 0 0 ，o o o 。 1 s 研究理论简介 在本设计研究中，依据的主要理论主要包括车辆人机工程学、色彩相关理论及机 器美学等色彩相关理论及机器美学的内容将在相应的章节中介绍，这里主要对车辆 人机工程学进行简单介绍 1 5 1 车辆人机工程学的研究内容1 3 j ( 1 ) 车辆人机工程学的定义 车辆人机工程学是人机工程学的基本理论在车辆工程领域的应用 车辆人机工程学的基本概念 为了准确地阐述车辆人机工程学的基本理论在座骑式割草机设计中的应用问题， 首先需要对其几个基本概念给出说明： i 人机系统( m a n - m a c h i n cs y s t e m ) 机器是为人服务的，任何机器、设备，都需要人来操纵、监控或使用人与机器 相互作用、相互配合和相互制约，才能共同完成预定的任务，实现预期的功能。将人 与机器联系起来，视为一个整体或系统，就称为人机系统。人机系统处于一定的环境 之中，并与周围环境发生相互作用 广义而言，人机系统就是指“人”与他所对应的“物”共处于同一时间及空问时 所构成的系统。人机系统中，“人”指的是在所研究的系统中参与系统过程的人；“机” 南京理工大学硕士学位论文 座骑式割草机改型设计研究 则泛指一切与人处于同一系统中并与人交换信息、物质和能量，供人使用的物，“机” 可以是机器，也可以是物品；。环境”指的是“人”、“机”共处的、对“人”和“机” 有直接或间接影响的周围外部条件。在。人”、“机”问信息、物质及能量的交换中， 一般都是以人为主动的一方，首先是人感受到机器及环境作用于人的感觉器官的信 息，由体内传入神经传达到大脑皮层，经过综合、分析、判断，最后做出决策，再由 传出神经将决策的信息传送到人的执行器官，执行器官的动作向机器发出人的指挥信 息或伴随着操作向机器传递能量，机器接受输入的操作信息或操作能量后，将按照自 己的规律作出相应的调整或输出，并将其工作或运行状态用一定的方式显示出来，再 作用于人，整个系统将在这样的循环过程中完成人所希望的动作。 人机系统的组成及其与周围环境参数之间的相互关系如图1 5 所示： 图1 5 人机系统简图 人机界面( m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ) 指系统中的人、割草机、环境三者之间相互作用的区域。人通过感觉器官( 眼、 耳、鼻，舌、身等) 接受外界的信息、物质、能量，通过人的执行器官( 手、脚、口、 身等) 向外界传递人发出的信息、物质和能量。因此，系统中凡参加这两个过程的一 切领域均属于人机界面。可以将人机界面大致分为信息性界面、工具性界面和环境性 s 南京理t 大学硕士学位论文硅骑式割草机改型设计研究 界面三个方面。 上述分类只是为了说明人机界面的特点各类之问是相互关联的在实际的人机 系统中，往往兼有备类人机晃面，甚至出现各类人机界面交叉影响的情况。 i 人机关系( m a n - m a c h i n er e l a t i o n s h i p ) 人机关系的基本原则可归纳为以下两个方面： 机宜人 使机器系统尽量满足使用者的体质、生理、心理、智力、审美以及社会价值观念 等素质条件的要求，包括：信息显示既便于接受又易于做出判断；控制系统的尺寸， 力度、位置、结构，形式均适合操作者的需要；工具、用品、器具的使用得心应手， 能充分发挥使用效率；人所处的作业环境舒适安全，有利于身心健康，能充分发挥人 的功能等。 人适机 机器的结构有自身的规律，操作环境或生活环境也会因各种因素在空间和时间上 受到某种限制，如经济上的可行性，技术上的可能性，杌器本身性能要求的条件，以 及使用机器时的外界环境条件等。为了适应这种情况，就要求对人的因素予以限制和 训练，尽量发挥人的因素有一定可塑性这一特点，让人去适应机器的要求，以保证人 机系统具有最优效能。 在人机系统中，“机宜人。和“人适机”都是有条件和限度的。同时，两者也是 相对的。首先，“机宜人”中有许多因素是不可量化的总的来说，“机宜人”的程度 在不断提高；其次，“人适机”方面，随着 科学技术的发展，自动化程度的提高，系 统越来越智能化。人机界面逐渐由体力型 ( 感知型) 转变为心理型( 认知型) ，对操 作者的文化素质、决策能力的要求越来越 高。 车辆人机工程学的研究对象 车辆人机工程学的研究对象是驾驶员 一车辆一环境系统。车辆人机工程学既要 研究驾驶员一车辆环境系统的各个组成 部分的属性，更要着重研究驾驶员一车辆 环境系统的总体属性，以及三者之间的 相互关系的规律驾驶员一车辆一翻：境系统 的构成如上图1 6 所示 图i 6 人车辆环境系统构成示意图 驾驶员一车辆一环境系统的构成，可以分为驾驶员、车辆、环境三个子系统。对 。 9 南京理工大学硕十学位论文 座骑斌割草帆改型设计研究 这三个子系统的研究，可以各自独立为人的科学、车辆技术工程科学和环境科学_ - f - j 独立的科学整个驾驶员一车辆一环境系统的功能由驾驶员一车辆一环境系统韵总体 结构所决定，对于车辆人机工程学而言，既需要对驾驶员、车辆、环境每个部分的属 性进行深入的研究，又需要对驾驶员一车辆环境系统的整体结构及其属性进行研 究，以达到整体优化的目的 总体上，车辆人机工程学由以下两个学术研究方向构成： 研究和实验 确定工程设计所必须知道的有关人的特性和特性的具体数据。 应用和工程 设计宜人化的机器、车辆、环境、作业程序、工作任务等等。 ( 2 ) 车辆设计中的人机工程问题 在驾驶员一车辆一环境系统中，驾驶员是人机工程学研究的核心对象机动驾驶 员的主要职能为： 用手和脚操纵各种操纵机构以驾驶车辆和控制作业机具； 观察车辆和作业机具的工作情况，监控它们的技术状态； 确定合理而有效地完成作业任务的操作顺序。 在机动车辆设计中应着重考虑的人体因素大致可以归纳为：人体对作业负荷的耐 受性、人体尺寸、人体的生物力学特性、人的感知响应特性、人的适宜劳动姿势。目 前，车辆工程领域的人机工程闯题大致可归纳为八个方面： 机动车辆驾驶员操纵系统人机界面的优化匹配； 机动车辆的行车安全性及车内乘员的人体保护技术； 机动车辆乘员的乘坐舒适性； 机动车辆的噪声控制； 机动车辆车内小气候环境的宜人化控制； 机动车辆驾驶员的驾驶适宜性： 机动车辆的道路交通适应性； 驾驶员一车辆环境系统的综合优化 ( 3 ) 未来车辆人机工程学面临的新课题 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，车辆人机工程学面临的研究课题必将不断发生变化。新 的变化和新的需求，必将为人机工程学的发展提供新的机遇和更加广阔的前景，也必 将对车辆人机工程学提出许多新的研究课题，从而引起车辆人机工程学研究重点的转 移 南京理工大学硕士学位论之座骑式割草机改犁1 最计研究 1 5 2 座骑式割草机设计中的人机工程问题 座骑式割草机是一种可以驾驶的工程机械，从总体性质上来说，也是属于车辆的 范畴之内因此，其设计可以按照车辆人机工程学的基本理论来进行人机界面的分析 与研究。本座骑式割草机中可以参照车辆人机工程学白q 基本理论之处总结如下： ( 1 ) 本座骑式割草机操控装置设计与拖拉机结构类似，可采用拖拉机的相关设计理论进 行设计研究； ( 2 ) 本座骑式割草机驾驶室作业空间设计可参照单人驾驶封闭式拖拉机的设计数据； 2 8 5 m m ，因此本设计尺寸满足刀盘 的极限活动范围，可选用 南京理工大学硕士学位论文座骑式割草机改型设计研究 车门驾驶员入口处( 门槛) 最高点距地面的垂直距离确定为5 0 0 r a m ，车内部底面 距地面距离确定为3 7 0 m m 在确定驾驶座椅在车辆上的安装位置前，必须先确定坐着的驾驶员与座椅结构 的相对位置。为了提供人体测量数据，美国汽车工程师协会s a e 已将车辆驾驶座椅 设计的参考点标准化( s a e j l l 6 3 ) ，这个参考点称为座椅标志点( s e a ti n d e xp o i n t ， 简称s i p ) 。为了实际应用，s a e 把s i p 点到靠背基本平面的距离1 3 5 r a m ，s i p 点到 座椅基准平面的距离9 7 r a m 定为标准尺寸。这个尺寸适合第9 7 5 百分位的男性。【1 1 l 驾驶室的作业空间的最小尺寸可参照农业拖拉机驾驶员工作位置空间的最小尺 寸( 适用于装有单人驾驶座的拖拉机) 。如下图3 1 3 ： 图3 1 3 农业拖拉机驾驶员工作位置空间的最小尺寸 车体最宽处选取9 6 0 r a m ( 4 5 0 + 4 5 0 = 9 0 0 m m ) ，前端最窄处选取8 2 0 m m ( 3 0 0 + 3 0 0 = 6 0 0 m m ) 座椅s i p 点至车内前端选取1 1 3 5 m m ( 9 6 0 m m ) ，车内部底面 至顶棚最高点垂直距离选取4 1 0 m m ( 座高一- 9 5 8 m m ( 成年男性坐高第9 5 百分位数值) + 2 2 2 m m ( 头顶空隙净1 5 9 0 r a m ，从驾驶座s i p 点到驾驶室顶棚表面任何部分的距离均 应 9 6 0 m m 。 驾驶座s i p 点至驾驶室后表面( 内部) 的距离由于维修性的要求需要小于3 6 5 n m a 。 当维修时将发动机盖除去、打开车后门后，要求操作者站在座骑式割草机后可以 将座椅推向前方，并对割草机的相关部分进行维修。因此，这些部分必须在人手可及 范围之内。由人体立姿活动空间，如下图3 1 4 可知人体立姿前伸长( i - 身一起动时) 的尺寸。 量堡里三塑主兰竺垒苎 堕塑茎型! 垫垦型堡生! 茎 l0 0 05 0 0 05 0 010 0 0 i 面丁面矿百万1 矿m ( b ) 因此取车后部( 外表面) 至座椅前端距离为 1 0 3 0 r a m ，如图3 1 5 座骑式割草机维修尺寸示 意图： 图3 1 4 人体立姿伸长尺寸图 图3 1 5 座骑式割草机维修尺寸示意图 为了使操作者脚踩着车底板，同时上身靠在座椅靠 背上舒适地进行操作，底板搁脚的部位应当朝前上方 倾斜，与水平面的夹角约为2 0 。最舒适的坐姿，应当 是体腿夹角在9 0 。一1 1 5 0 之间，小腿向前伸，大腿与小 腿、小腿与脚面之间也有合适的夹角。根据舒适坐姿 的关节角度，如下图3 1 6 ： 选择搁脚板后端的位置选在水平距离距座椅s i p 点8 2 5 m m 处，前端在车体前部( 内表面) ，宽度与车 内表面平齐。角度约为2 0 0 ，高度为1 0 0 m m 。 图3 1 6 舒适坐姿的关节角度 1 0 0 a i 2 0 。 1 5 。a 2 ( 3 5 。 8 0 0 a 3 9 0 e9 0 。 a 4 i 1 5 e 1 0 0 。 a 5 1 2 0 。8 5 。 a 6 9 5 。 南京理工大学硕士学位论文座骑式割草机改型设计研究 引文注释： 1 】周一鸣，毛恩荣车辆人机工程学第l 版北京理工大学出版社1 9 9 9 年1 2 月p 1 8 0 - - 1 8 1 t 2 周一鸣，毛恩荣车辆人机工程学第1 版北京理工大学出版社1 9 9 9 年1 2 月p 1 8 1 3 周一鸣，毛恩荣车辆人机工程学第1 版北京理工大学出版社1 9 9 9 年1 2 月1 1 8 1 4 周一呜，毛恩荣车辆人机工程学 第1 版北京理工大学出版社1 9 9 9 年1 2 月p 1 8 2 5 】周一鸣，毛恩荣车辆人机工程学 第l 版北京理工大学出版社1 9 9 9 年1 2 月p 1 8 4 6 】周一鸣，毛恩荣车辆人机工程学第l 版北京理工大学出版社1 9 9 9 年1 2 月p 3 5 6 7 周一鸣，毛恩荣车辆人机工程学第i 版北京理工大学出版社1 9 9 9 年1 2 月p 3 5 6 f 8 周一鸣，毛恩荣车辆人机工程学第l 版北京理工大学出版社1 9 9 9 年1 2 月p 3 5 7 。3 5 8 9 李尹熙汽车用非金属材料第l 版北京理工大学出版社1 9 9 9 年8 月p 4 7 2 1 0 周鸣。毛恩荣车辆人机工程学第l 版北京理工大学出版社1 9 9 9 年1 2 月p 1 9 4 c l i 周一鸣，毛恩荣车辆人机工程学第l 版北京理工大学出版社1 9 9 9 年1 2 月p 1 9 5 南京理工大学硕士学位论文 座骑式割草机改型设计研究 4 操控装置与人机信息系统设计 这章我们将对座骑式割草机的操控装置设计和信息性界面进行设计研究。同时， 座骑式割草机作为一种具有一定危险系数的切割机械，从另一个角度来说，安全性设 计也应当是它人机系统设计中的一部分。因此，我们将从机的因素，对本座骑式割草 机设计中的安全性设计进行总结，并对其进行分析、归纳。 4 1 操控装置设计 操控装置( 又称控制装置，调节装置) 是人机工具界面系统中的重要组成部分。它 通过人的动作( 直接或间接) 来使机器启动，停车或改变运行状态的各种元件、器件、 部件、机构以及它们的组合等环节。其基本功能是把操作者的相应输出转换成机器设 备的输入信息，进而控制机器设备的运行状态。它将操作者的行为动作转化为“机械 语言”。由座骑式割草机的操作流程( 第3 章中) 可知，操作者的主要姿势为坐姿， 主要操作为：开关车门、开关总电源、调节割草高度、调节割草速度、开割草开关、 行驶控制( 加速、减速、左右拐弯) 。这些操作都需要相应的操控装置来实现，需要 对操控装置进行设计。 操纵装置的设计，应使操作者能在其一个作业班次内，安全、准确、迅速、舒适、 方便地持续操纵而不产生早期疲劳。为此，设计者必须充分考虑人体的体形、尺度、 生理特点、运动特征和心理特征、以及人的体力和能力的限度，才能使所设计的操纵 装置达到高度的宜人化。 操纵装置的大小、形态要适应操作者的操纵部分的运动特征，用力范围应处在人 体最佳用力范围内，重要的或使用频繁的操纵装置应布置在人体反应最灵敏、操作最 方便、肢体能够达到的空间范围内。操控装置的设计还要考虑耐用性、运转速度、外 观和能耗。1 1 1 4 1 1 操纵器的类型和选择瑚 ( 1 ) 操纵装置的类型 操纵装置的类型很多，分类方法也很多。 i 按人体操作部位的不同，可分为手控操纵装置( 如旋钮、按钮、手柄、操纵杆等) 和脚控操纵装置。手控操纵的方式有手指接触、手指捏住、手接触、手抓住、手握住 等 在手控操纵装置中，按操纵器的运动方式，可分为三类： 南京理工大学硕士学位论文座骑式割草机改型设计研究 旋转式操纵器 这类操纵器有手轮、旋钮、摇柄、十字把手等，可用来改变机器的工作状态，实 行调节或追踪操控。也可用来将机器的工作状态保持在规定的运行参数上。 移动式操纵器 这类操纵器有操纵杆、手柄、扳扭开关等，用来把机器从一个工作状态转移到另 一个工作状态，或作紧急停车操纵之用。这类操纵器具有操纵灵活、动作可靠的特点。 按压式操纵器 这类操纵器主要是各式各样的按钮、按键。其特点是占据面积小、排列紧凑。但 它们般只有两个工作位置；接通、断开，故常用于机器的开动、制动、停车等操纵 上。随着卫星计算机控制技术的发展，按键式操纵器的应用将越来越广泛 按操纵器实现的功能的不同，可分为以下四类： 开关式操纵器 用于实现开或关、接合或分离、接通或切断等功能，如按钮、开关等。 转换式操纵器 用于把系统从一个工况转换到另一个工况，如选择开关、选择旋钮等。 调节式操纵器 用于使系统的工作参数稳定地改变，如手柄、旋钮、踏板等。 紧急停车操纵器 要求在短时间内产生效果，启动必须十分灵敏，具有“一触即发”的特点所用 的操纵器与开关式操纵器基本相同，但布置的位置不应与普通的开关式操纵器相靠 近，以免紧急操作时产生误动作。 m 常用的操纵装置的形态 如图4 1 所示： 图中各操纵装置名称如下： ( a ) 曲柄：手轮；( c ) 旋塞；回旋钮；( e ) 钥匙；( d 开关杆； 调节杆；杠杆电键；( i ) 拨动式开关：o ) 摆动式开关：脚踏板；o ) 钢丝脱扣 器； ( m ) 按钮；( n ) 按键；( o ) 键盘；o ) 手闸；( c o 指拨滑块( 形状决定) ；( r ) 指拨滑块( 摩 擦决定) ： ( s ) 拉环：( t ) 拉手；( u ) 拉圈：( v ) 拉钮 墓矽 i - b j t h l 囿 【_ ， t ” n 豆 g i i t 俺乜 1 i i $ 如q 民 。， 囝 p l 占 t ， 图4 1 常用的操控装置形态 ， ( 2 ) 操纵器的选择 根据操纵器的功能特点和使用操纵器的具体条件，如使用要求、空间位置、环境 因素等，初步选择工作效率高较高的几种形式，然后考虑经济因素进行筛选确定。表 4 1 给出了各种常用操纵器的使用功能，表4 2 对常用操纵器的使用情况进行了比较： 表4 1 常用操纵器的使用功能 操纵器名称 使用功能 启动 不连续调节 定量调节连续调节 输入数据 按 钮 按钮开关 按钮选择开关 旋钮 一 ， 踏钮 操纵器名称 使用功能 启动不连续调节 定量调节连续调节 输入数据 踏 板 、， 曲柄 手轮 、， 操纵杆、， 键盘 v j k 囵 南京理工大学硕士学位论文座骑式割草机改型设计研究 表4 2 常用操控器的使用情况 n 用情况 按钮旋钮踏钮旋钮选扳钮手摇把操纵杆手轮 脚踏 操控趴 择开关开关板 开关控制 适合适合适合 分级控制适合 最多 ( 3 以4 个档位)3 档 粗调节适合适合适合适台 细调节适合 快调节 适合适合 需要的空间小 4 掣 中到 中 小中到大中到大 大大 大 要求的操控力小小小到小到中小小到大小到大大大 中 编码的有效性好好差好 由由 好 中 差 视觉辨别位置可以好差好可以差好 可以 差 触觉辨别位置 差 可以差好好差可以 可以 可以 差 好差好好差好 差 差 器的检查 控 = i 菪似操控 好差差差好差好差差 器的操作 在组合式操纵好好差 由 好差好好差 器中的有效性 其中常用操纵器的主要特点如下： ( 1 ) 曲柄( 摇把) 适用于费力、移动幅度大而精度要求不高的调节。主要用于无级调节、并且要求 几个旋转动作之后停止在一个位置上的操纵工况。当两工位或多工位有级操纵时，为 了快速调解，而调节位置还要看得见、摸得着，也可选用曲柄。曲柄的优点是操纵转 距较大，适应范围较广，其形状确保操作者不可能产生无意识的操作，安全性较好。 但它受空间限制较大 ( 2 ) 手轮 适用于细微调节和平稳调解，当手轮一次连续转动角度大于1 2 0 0 时，应选用带柄 手轮。主要适用于无级调节、三工位或多工位的分级开关。手轮很适宜于保持在一个 位置上，要求精确地调节，但容易产生无意识操纵。因此，首轮需要有连锁或保险装 置。 ! 堕望望2 塑望! 主丝堡奎 壁茎茎型蔓塑重型堡生塑塞 3 ) 旋塞 既适用于无级调节，又适用于分级开关若调节范围小于一周，则旋塞用于分级 控制时可以有2 2 4 个工位。旋塞通常做成指针形状或带有指示标记，各个工位有指 示数值，以利于提高操纵的准确性。 ( 4 ) 钥匙 适用于对安全有特殊要求、不允许产生非授权的和无意识的调节的场合。尤其适 用于保持在一个工位上的操纵要求。 ( 5 ) 开关杆 适用于要求能保持并精确调节的场合，可用于两个或多个工位的操纵，也可用于 多个运动方向及无级调节。当要求每个工位都可见、可及和快速调节时，选用开关杆 极为合适。 ( 6 ) 旋钮 适用于用力较小且变化细微的连续调节或三种状态以上的分级调节。可用于某一 工位的快速调解，能实现无级调节，旋转运动不受限制，可广泛用于租调或细调。 ( 7 ) 拨动式开关 适用于快速调节、占据空间小、单手操纵几个操纵器，以及要求可见，可及的场 合。视其结构不同，可调节两个或三个工位 ( 8 ) 摆动式开关 适用于两个工位最适宜于空间小的情况下，对几个操控器用单手同时进行快速 操纵，且要求可见和可触及相应工位的场合。 + ( 9 ) 脚踏板 适用于动作简单、快速、需用力大的调节。 按钮 只允许有两个工位适用于安装空间受限制或要求单手同时快速操纵多个操纵器 的场合。更适宜于要求可以看见和触及所控制工位的情况。为了防止无意识操控，可 以采取恰当的结构措施。 0 d 按键 只允许有两个工位。适用于安装空间受限制或要求单手同时快速、准确操纵多个 操控器的场合。按键可根据用途的不同，选用不同的颜色，以便于识别 键盘 键盘由几个或几十个按钮开关或按键组成。主要适用于安装空间受限制，便于集 中控制的场合。 手闸 适用于操纵频率低的场合，可进行两个或数个工位的调节及无级调节。当阻力不 南京理工大学硕士学位论文 座骑式割草机改型设计研究 大时，可用作为两个终点工位之间的精确调节。手闸的工位容易保持，并且可以看见 和触及 指拨滑块 指拨滑块分两类：一类是人手施加的力通过滑块与手指间的摩擦来传递，只允许 两个工位，适用于安装空间受限制且可看见工位的场合，也适用于要求防止无意识操 纵的场合；另一类是滑块所受的力通过滑块的突起形状来传递，它允许有两个、数个 工位及无级调节，适用于要求可以看见和触及的操纵，并能快速调节和保持在调节位 置的场合。 牵拉式操纵器 适用于两个、几个工位及无级调节，它要求有恰当的结构设计( 如行程、标记等) ， 适宜于要求能保持调节位置，能进行快速精确调节的场合。 4 1 2 操纵装置设计中的人机工程问题1 3 i 操纵装置设计中需要考虑的人机工程问题主要是，操纵器的形状、大小、安装位 置，操纵力、操纵位移、运动方向、显示一操纵比及操纵器编码等。 i 操纵器设计的一般原则： 操纵器要适用于人的生理特点，便于大多数人使用操作。如操纵器的操纵力、操纵 速度等，都应按照操作人员的中、下限能力进行设计。 操纵器的运动方向要同机器的运行状态相协调。 操纵器要容易辨认。无论数量多少、排列布置及操作顺序如何，都要求每个操纵器 均能明确地被操作者辨认出来。 尽量利用自然的操纵动作或借助操作者身体部位的重力进行操作。对重复或连续的 操纵动作，要使身体用力均匀而不要只集中于某一部位用力，以减轻疲劳和单调厌倦 的感受。 在条件许可的条件下，尽量设计多功能的操纵器。 操纵器的造型设计，要求尺寸大小适当、形状美观大方、式样新颖、结构简单，并 给操作者以舒适的感觉。 操控器的形状和式样 操控器的形状同其功能之间有逻辑上的联系，以便于辨认和记忆操控器的式样 应便于使用，应有利于操作者的用力。操纵器的使用方法应尽量简化为了减少操作 的复杂性和节省时间，操纵器最好适当采用复合多用的结构。 操控器的大小 操控器的大小应适合于操作者的手或脚进行操作，以达到使用效率最优。操纵器 的尺寸应符合g b l 0 0 0 0 - - 8 8 中有关操纵者动作肢体的人体测量学指标。操纵器的适 3 9 南京理工大学硕士学位论文座骑式刳草机改型设计研究 宜大小和同它的使用目的和使用方法有着密切的关系 操纵器的布置 操纵器的排列应适合人的操作习惯，按照合理的操作顺序和逻辑关系进行排列。当 操纵器沿竖直方向排列时，操作顺序应自上而下；当操纵器沿横向一字形摊列时，操 作顺序应从左至右 操纵器应优先布置在人的手或脚活动最灵敏、辨别力最好、反应最快、用力最强的 空间范围和合适的方位上。当这些空间范围不够用时，则按操纵器的重要性和使用频 率依次布置在较好或次要的位置上。 联系较多的操纵器应尽可能安排在邻近位置，并同操纵器的编码相适应 当操纵器很多时，应按照它们的功能分区布置，各区之间用不同的位置、颜色、图 案或形状进行区分 同一台机械的操纵器，其操作运动方向要一致。凡直线运动的操纵器，均以前，后、 上下、左右位置表示接通，切断或接合分离或增加减少。凡旋转运动的操纵器，则 以顺时针方向表示增大，逆时针方向表示减小。 操纵嚣应可能布置在人的视野范围内，借助视觉进行识别。但在视觉条件很差或希 望不用视觉察看就能正确操作的情况下，则需尽量利用人体的触觉功能和操作习惯定 型，使之实现不用视觉就有良好的操纵效果。 紧急操作用的操纵器必须与其它操纵器分开布置，安排在最显