人机工程学作业 (2)

一，我国拖拉机设计的现状综述

中国是一个农业大国，有9亿农村人口，农业是中国的根本。随着科技和经济的发展，农业机械化程度大幅提高，改变了传统的种植模式。随着农业机械化程度的提高，中国农机在普及率、产量上不断提高，但是农机的质量却没有同步增长，而且还存在设计落后、外形不美观、操作不方便、有安全隐患、不符合人体工程学等严重问题。这些问题导致了农机事故频繁发生，很多人因使用农机不当或使用质量不合格、设计不合理的农机而致残或致死。

农机安全事故让农民付出了血的代价，中国农村常用的小型轮式拖拉机，每年产销量多达80万台左右，生产企业140多家，产品除供应国内市场外，还大量远销到亚洲、非洲、拉丁美洲。但是国家监督抽查样品合格率低于40%。这样的产品，怎么才能让农民放心的使用？现在，农机用户不仅对农业机械的工作效率、结构性能提出要求，还对其安全性、舒适性有了更高要求。

但国产拖拉机多是国内企业与国外企业合资的产品大部分车型都是借鉴国外的同型拖拉机的技术开发设计而成，不论主要零部件，还是关键技术、工艺，甚至是座椅的外形尺寸都一并借鉴过来。而国外同型拖拉机座椅的外形尺寸都是根据欧美人的体形而设计的，中国人和欧美人在人体结构尺寸上存在着较大的差别，主要反映在拖拉机座椅及其他驾驶室内部机构上，因此，中国用户乘坐国产经济型拖拉机感觉极不舒适，这一缺点反映出国产经济型拖拉机生产厂家对国外拖拉机技术的引进停留在简单仿制阶段。

其次，国产拖拉机座椅多采用价格低材料。这主要是拖拉机生产厂家对经济型拖拉机概念的误解，拖拉机不仅仅价格低，更不是低质低价的代名词，经济型拖拉机应该是老百姓的价格、配置上的实用和造型上的新颖这三大特点的集中体现。

再次，国产拖拉机的座椅调整不方便且极易出现故障。可调性好的座椅，可以使乘坐者根据自己的体形特点和就座习惯调整拖拉机座椅，使乘客在拖拉机驾驶过程中获得最满意的乘坐效果，并最大限度地减轻驾驶员在长时间、长距离驾驶中的疲劳。

二，我国现在拖拉机存在的问题

1，座椅，脚踏板，作业空间等

一、以往我国的拖拉机设计大都是引进国外的设计参数，对我们国家人的身体情况考虑少。随着拖拉机消费量的增加，驾驶室中不符合人机工程原理的缺点不断显现出来，成为影响驾驶员身体健康、发生车祸的隐患。

二、现有座椅虽然都有调节机构，但也只能进行有限的机械式的调节。比如:

大多数经济型拖拉机的腰靠部分，只能进行简单的弹出和落下的操作，实现的作用仅仅是座椅腰靠有无的问题。并不能够按照不同身高尺寸的脊椎特征来进行高低的调节。我们知道腰靠的作用主要是为了保证腰椎前弯，使得椎间盘受力均匀。人的乘坐姿势正确与否，直接影响健康。随着人体的高度变化，骨盆高度有所变化。腰部脊椎前弯点的高度因人而异。

2，操纵杆

由于拖拉机是主要用于农业生产，工作的环境比较差，所以生产出来的产品相对于平常的轿车来说是比较粗糙的，在生产的过程中只注重实用性而忽略了这个过程中操作员的舒适性，操作员在操作的过程中会感觉很是不舒服。

三，问题分析

存在以上问题的原因是我国照搬国外尺寸；或者生产时没有按照中国人自己的尺寸按照人机工程学的方法进行设计；或者即使按此方法进行设计，但使用的人体标准已经过时，不再适合现在的人了;在解决这些问题时只要按照新的标准进行人机工程学设计，充分考虑到人，机，环境等各方面因素即可。

1，国内外的研究现状

国外对于座椅的研究比较多，有从整体研究的，也有从座椅的各个侧面作单项研究，各单项包括座高，靠背角，座面倾角，座宽，座深，靠背高度等。有些因家己经制定了相应的标准。国内在标准化研究方面虽然比较晚，但是也推出了不少标准和设计规范。

2，设计过程

座椅部分：

(1)工作座椅设计的主要准则:

a. 人体躯干的重量应由坐骨、臀部及脊椎按适当比例分别支承,其主要部分应由坐骨结节承担。

b. 人体上身应保持稳定。

c. 人体腰椎下部(第4 ～5 节腰椎之间)应有适当的腰靠支承。

d. 座面的高度应确保大腿的肌肉和血管不受压迫。

e. 坐者应能方便、自如地变换姿势而不致滑脱。

f. 座椅的位置和尺寸应与工作台、显示装置、操纵装置相配合，以提高操作者的操作舒适性和方便性。

(2)对工作座椅设计的基本要求

a.工作座椅的结构型式应尽可能与坐姿工作的各种操作活动要求相适应, 应能使操作者在工作过程中保持身体舒适、稳定并能进行准确的控制和操作。

b.工作座椅的座高和腰靠高必须是可调节的。座高调节范围在GB 10000-88 中“小腿加足高”, 女性(18 ～55岁) 第 5 百分位到男性(18 ～60岁) 第95百分位数, 即360 ～480 mm 之间。工作座椅座面高度的调节方式可以是无级的或间隔20 mm 为一档的有级调节。工作座椅腰靠高度的调节方式为165 ～210 mm 间的无级调节。

c.工作座椅可调节部分的结构, 必须易于调节, 保证调节好的位置在座椅使

用过程中不会改变或松动。

（3）设计所用到的标准数据

人体静态尺寸，比如身高、体重、腿臂长度等人体主要尺寸和立姿人体尺寸、坐姿人体尺寸以及人体水平尺寸。是建立人体尺寸模型的基础。就是人处于静止状态时的尺寸。国家标准GB10000一88《中国成年人人体尺寸》按照人机工程学的要求提供了我国成年人人体尺寸的基础数据。人体的主要尺寸包括身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长等6项。根据国家人体尺寸标准可以进行设计。

（4）设计时考虑的因素

1，脊椎的受力

人坐着时，大腿和上身的重量必须由座椅来支承。人体结构在骨盆下面有两块圆骨，称为坐骨结节，这两块小面积能够支持大部分上身的重量。覆盖在它

们外面的皮肤能获得丰富的动脉血液供应，就象脚底一样;而在臀部的边缘部分，血液循环则大不一样，在这部分静脉较多(包含较少的氧);当人坐着的时候，覆盖着坐骨结节的皮肤能够更好地经受住持久的压力。因此，座面上的臀部压力分布是在坐骨结节处最大，由此向外压力逐渐减小，直至与座而前缘接触的大腿下部，压力为最小。座垫的柔软程度要适当，坐骨部分的座垫应当是支承性的，它要承受加在座位上的大约60%的重量，而其余部分则应当比它更柔软些，以便能够把重量分布在更大约面积上。座椅靠背上的压力分布，应当是肩脚骨和腰椎骨两个部位最高，此即靠背设计中所谓的“两点支承”准则。靠背的两点支承中，上支承点为肩脚骨提供凭靠，称为肩靠，其位置相当于第5一6节胸椎之间的高度;下支承点为腰曲部分提供凭靠，称为腰靠，其位置相当于第4一5节腰椎之间的高度。不同用途的座椅，两点支承的作用是不一样的。休息用的座椅，体、腿夹角较大(舒适角度约为1150)，坐着时身体向后倾斜，只要肩脚部分支承稳靠，没有腰靠也能得到舒适的坐姿，因此是以肩靠起主要作用;而一般操作用座椅，由于操作的要求，身体需要略向前倾，肩胖骨部分几乎接触不到靠背，因此只有腰靠起支撑作用，一般无需设置肩靠。腰靠支承是使背疼和疲劳减到最轻的主要措施，否则，将只靠肌肉来维持腰曲弧形，势必引起腰部肌肉疲劳和损伤。考虑到人的身材高矮不同，腰部的位置差别较大，对某些重要的操作座椅，应当具有能调节腰靠位置的装置，有条件的话，最好还要有能调节腰靠凸起形状的装置。

腿的主动脉紧靠着大腿下表面和膝盖的后面，在这个部位上，任何持续的压力都会给人造成极端的不好适和肿胀感觉需要借助于适当减短座深、把座垫前缘修圆和采用较软的泡沫塑料座垫等措施来防止发生这种情况。同时，还要使座面离地板的高度足够低，以便使脚能踩着地板，让人的这个重要部位感觉不到有任何压力。

由骨盆支持的背部结构是由背部肌肉控制的一根柔性脊柱，脊背的问题常常是因为椎间盘错位，压迫坐骨神经而使人感到非常疼痛。脊柱的自然弯曲弧形，此时椎骨支承表面的相互位置是正常的，因而推间盘没有滑出其正常位置的趋势。正确的坐姿应当是支持脊柱使之逼近这一自然弯曲弧形。使用过分柔软的腰靠，经过一段时间之后，会使脊背弯进成一条曲线，那时仅靠背部肌肉给予有效的支持。

坐骨下面的座面应当近似是水平的。股骨在股节中从连接骨盆的球孔向外伸去。用平的座位，股骨的这一部分在坐骨平面之上，因此不承受过分的压迫。但是，如果座面是斗形的，则弯曲的座面会使股骨趋于向上转动而受载，造成盟邦肌肉承受反常的压迫，从而引起不舒适感。故需注意避免采用斗形座面。应当注意，斗形的座面不论从什么观点看，都是不适用的，因为它不能适应人体大小的

整个系列，它还把身体重量平均地分配在整个臀部，而不是让较多的重量集中在坐骨下面。

2，臀部，背部的受力

（1）坐姿体压分布。当座椅上的人处于坐姿状态时，的身体重量作用于座垫和靠背上的压力分布称作坐姿的体压分布。可见，坐姿体压分布包括座垫上的体压分布和靠背上的体压分布两部分。

（2）座垫上的体压分布。据人体组织的解剖学特性可知，坐骨结节处是人体最能耐受压力的部位，适合于承重，而大腿下靠近表面处因有下肢主动脉分布，故不宜承受重压。据此座垫上的压力应按照臀部不同部位承受不同压力的原则来分布，即在坐骨处压力最大，向四周逐渐减少，自大腿部位时压力降至最低值，这是座垫设计的压力分布不均匀原则。图１为坐姿时座垫上的体压分布。

（3）靠背上的体压分布。

靠背上的体压分布也以不

均匀分布，压力相对集中

在肩胛骨和腰椎两个部

位。从这两个部位向外，

压力应逐步降低。

（a）人体在靠背上最适宜的体压分布

（b）人体在坐垫上最适宜的体压分布

但不论什么座面，保持一种固定的坐姿时间过

长，臀部细血管内参加循环的血液量就会减少，控

制身体下部生理机能的功能将会下降，这种持续的

复合作用在肌肉上会引起挤压疲劳。只有不断地活动身体才能使身体的各个部分延迟疲劳的到来，对于腰肌也是这样，尽管不同的坐姿对腰椎弯曲形状的影响不同，有的小些有的大些，但是不论哪种姿势，长时间采取一种坐姿总会产生静力

疲劳。因此，任何一种座椅在设计

时都应考虑变换坐姿的可能性。

踏板部分：

1，脚控操纵装置的适宜用力

脚控操纵装置在坐姿操作的情况下, 当脚蹬用力小于227 N 时,腿的屈折角以107°为宜；当脚蹬用力大于227 N 时, 腿的屈折角以130°为宜。

用脚的前端进行操作时, 脚踏板上的允许用力不宜超过60 N；用脚和腿同时进行操作时, 脚踏板上的允许用力可达1200 N；对于快速动作的脚踏板, 用

力应减少到20 N。

在操纵过程中, 操作者往往会将脚放在脚踏板上,为了防止脚踏板被无意碰移而发生误操作, 脚踏板应有一定的起动阻力, 该起动阻力至少应当超过脚休

息时脚踏板的承受力。

2，角度

为了使操作者脚踩着地板，同时Array上身靠在靠背上舒适地进行操作, 地

板搁脚的部位应当朝前上方倾斜,与

水平面的夹角约为20°。对于某些

运输车辆，特别是地板搁脚部位倾斜

度不够的车辆，建议将座面设计成稍

稍倾斜, 沿座深方向前高后低, 相差

约25 ～40 mm 。

操作者操纵脚踏板时，小腿与大

腿间的舒适夹角应为110°～120°，

脚与小腿的舒适夹角应为85°～

90°。

四，提出方案

拖拉机座椅改进后尺寸图（单位：mm）

座椅靠背尺寸图

操纵杆的改进

分析：拖拉机操纵杆也称拖拉机变速杆，是驾驶员用来变速的操纵器。操纵杆的布置位置合适与否直接影响驾驶员的操纵舒适性，驾驶安全性及人机关系的合理性。操纵杆的布置应适应人的手臂特点，尽量做到只用手臂而不移动身躯就可完成操作。另外操纵杆的直径不能太小，以免操作时引起肌肉紧张而容易疲劳。常用操纵杆执握手柄的直径一般为22∽32mm，操纵力约为30∽50N 为最佳。操纵杆的布置设计，应使操作者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疲劳。尺寸、生理特点、运动特征和心理特性、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。操纵杆的自由端装有把手或手柄，另一端与机器的受控部件相连。操纵杆可设计成较大的杠杆比，操纵杆常用于一个或几个平面内的推、拉式摆动运动。因为是采用坐姿操作时，操纵杆手柄的位置应与人的肘部等高。

对人的生理舒适域的求作

一．上肢操纵舒适域

1．上肢操纵的舒适角度

下图分别从侧视、上视、前视方向给出人体关节的运动范围。

通过对人的习惯性的分析，以及对人在操作过程中的舒适度的统计与分析来安排操作感的位置，这样更能体现出拖拉机设计的人性化特点，同时改善了在操作过程中不舒服的感觉，拖拉机操纵杆布置的优化域，在此域内既能满足人体

舒适的人机关系又考

虑到多年设计者的经

验

方向盘的改进：

上图是车上一个普通的方向盘

问题分析：首先要指出的是拖拉机工作的环境是农田，农田与我们平常行走于过车的道路不通，也就是说拖拉机工作的环境是相对于我们走的路是没有那么平坦，在这个过程中拖拉机发生点播的情况要增加了

正式操作员在工作的过程中要遭遇的颠簸增加，就可能在开拖拉机的过程中增加手与方向盘松脱的几率，这样也就增加了许多的不安全因素，为了减少这些不安全因素，也就是降低手松脱的可能性，让操作的过程更加安全，经过仔细的分析考虑，我们提出了一个更好的方案，这个方案其实很简单，也就是在原来的基础上稍作改善，具体就是将方向盘这个圆等分成三部分，在每一个等分地处增加一个L型的挡手，这样在操作员由于颠簸的原因不小心手与方向盘脱离的时候能够增加手抓住挡手的几率，从而控制方向盘，不至于让车失去控制，造成不必要的损失

另外大多数方向盘都是用影星塑胶材料制作成的，在拖拉机颠簸的过程中人的身体容易与方向盘发生碰撞，造成不必要的损伤。考虑到受伤的主要原因是身体碰到了较硬的物件上了，所以为了避免受伤，我们可以用一些较为软的材料来取代硬性树胶，但是如果用软性材料代替在转动方向盘的过程中会发生方向盘变形的情况，考虑到多方面的原因，从人机工程安全性设计的角度出发，我们可以讲方向盘这个圆环制作成两层，里面用不易变形的硬性习环，在细环的外面包上一层较厚的软性材料，这样即使在颠簸的过程中认得身体与方向盘发生碰撞的过程中起到了缓冲的作用，再很大程度上缓解了由于碰撞式方向盘给身体带来的损伤从而达到了保护的作用

统计：二者的交集位操纵杆的最优域。