小型挖掘机驾驶室外部造型与顶盖前窗总成设计

1、小型挖掘机驾驶室外部造型与顶盖前窗总成设计 朱云云第一章 绪论1.1 人机工程学概述人机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因素；研究人和机器及环境的相互作用；研究在工作中、家庭生活中与闲暇时怎样考虑人的健康、安全、舒适和工作效率的学科。人机工程学是本世纪五十年代迅速发展起来的一门新兴学科。它主要研究工程技术设计如何与人体尺寸、生理和心理特性相适应的问题。人机工程学的最大特点是把人看成是系统中的一个组成元素，以人为主体详细分析人一机器一环境之间的相互协调关系，使机器或者设备适合人的生理和心理要求，以及其他因素，从而达到工作环境舒适安全，操作准确、省力、简便，减轻操作疲

2、劳和提高工作效率。1.1.1 人机工程学的发展人机工程学的发展大致经历以下几个阶段：(一)机械发展初期。机械设计只考虑物理原理而忽视操作者的因素，造成许多差错和事故。因此对机械改进和重新设计成为工程技术人员、生理学家和心理学者共同研究的课题。其特点是选择人和训练人，使它适应于机器。(二)随着工业技术不断发展的需要，机械种类不断增多，对机械的性能要求也越来越高，机械的操作也相应复杂起来，人们往往难以掌握，这迫使工程技术人员在设计机械时考虑人的生理、心理特性与机器的关系，使机械系统适应人的操作，形成人机工程学。(三)工业技术特别是电子计算机的出现和发展、各种高科技领域的突破以及自动化技术的发展，促

3、进工业生产发生了一系列变革。人与机器、环境之间的关系愈来愈复杂。系统研究人一机器一环境的关系，以创造出最适合人工作的条件和环境，使人机系统综合效能达到最高。这形成了现代人机工程学。我国人机工程学的研究在三十年代开始即有少量的开展，但系统和深入的开展则在八十年代以后。1980年全国人类工效学标准化技术委员会和1984年国家军用人一机一环境系统工程标准化技术委员会的建立，有力地推动了我国人机工程学研究的发展。1.1.2 人机工程学的应用通过多年的研究和应用，人机工程已发展成为一项独特的应用技术，即“人一系统接口技术”，以增强安全性、健康性和舒适性，提高工作效率，改善工作质量。“人一系统接口技术”己

4、逐渐形成以下四个分支：人-机器接口技术。研究人的生理和知觉特性，并将其相关成果应用到操作、显示与工作空间布局的分析、设计和评价等过程中。人一环境接口技术。研究处于各种环境状态(光、热、噪声和振动等)下人的能力及其极限，同时加强人的能力建模方面的生态学研究。人一软件接口技术。研究人们获取和加工信息的方式，该技术应用于设计或完善系统软件，从而提高可使用性。人一组织接口技术。前述三种接口技术的研究重心都是单个的操作者和操作小组(子系统)。可以说是处在“微观”人机工程层次上。与此相反，人一系统接口中的人一组织接口技术更显“宏观”。它在与系统中的人和技术相互作用时，解决工作系统的整个结构问题。从概念上讲

5、，它是一种自上而下的社会一技术系统方法。着重研究组织系统和工作系统的设计及与此相关的人一机器、人一环境和人一软件等多个接口的设计。随着人们对人一机器一环境之间关系的进一步认识，以及对人体潜力和局限的研究，人机工程学的应用逐步走向了实用阶段，特别是在航天飞行器安全设计、汽车设计、家居环境设计、办公室空间设计等方面，人机工程已经成为设计是否成功的决定因素。1.2 人机工程学在挖掘机驾驶室设计中的应用和研究现状二十世纪八九十年代以来，小型工程机械在市政工程、交通等施工中发挥了较大优势并得以迅速发展。小型挖掘机在这些工程中为节省人力、物力做出了较大贡献，满足了城市各种作业要求，在城市狭窄的工作空间内能

6、够最大限度地发挥其生产能力，逐步成为城市施工中具有代表性的施工机械。伴随着小型挖掘机市场的不断扩大和客户需求，国内外对小型挖掘机技术的研究也与日俱增。经过三十年的不断改进和完善，小型挖掘机在技术性能、作业功能、作业效率、安全、环保、节能和维护保养等方面有了大幅度的提高。本文主要针对小型挖掘机驾驶室的外部造型及前窗与顶窗总成设计进行研究。其所研究的内容包括驾驶室采光范围、安全性舒适、坐姿舒适、动态舒适、温度舒适、接触舒适、操作舒适、视野良好等等，这些都属于人机工程学的研究范畴。1.2.1 国外研究现状小型挖掘机（国外一般指整机质量在) 6t 以下的液压挖掘机，国内把10t 以下的液压挖掘机都称为

7、小型挖掘机，以下简称小挖）的生产始于上世纪70 年代。1985 年以后，由于技术的进步，这种产品得到了迅速的发展，技术上日臻成熟、完善。目前，世界上专业批量生产小挖的著名企业有20多家，主要分布在日本、美国、欧洲等地。处于前列的有日本的小松、久保田JCB等公司。日本一个国家在上世纪90年代初小挖的产量曾达到创纪录的7 万多台，目前也在4 万台以上，欧洲、美国等目前也各有2万台以上的产量。日本、西欧、美国等发达国家既是小挖的生产大国，也是小挖的使用大国。国外对在小型挖掘机的研究上，创新是永恒的主题，在bauma 2004 上展出的挖掘机中，大多数都融入了一些新理念。包括新产品、新结构、新工艺和新

8、方法等，这些新理念不同程度地推进了小型挖掘机技术的法杖，使得加工简单，焊缝减少，强度增加、性能完善、成本降低、维护方便、外形更加完美等。特别在驾驶室的改进研究上，如NEUSON的12003VIRIO；驾驶室大幅度侧翻，利于维护，如NEUSON的3703；雨刮器安装在驾驶室的主梁上，克服了安装在玻璃上的弊端。对于驾驶室渐入人性化的设计更是在国外得到了广泛的应用：驾驶室布置美观，座椅舒适。上下前后可调。前窗上翻轻便，视野开阔，空间布置合理，色调温和，配备冷暖空调，收放机，使工作成为一种享受。安全带已经是必备装置，防落物及防侧翻结构已经被很多大公司作为标准配置采用。操作系统全部是液压先导或电子控制，

9、大大减轻了操作者的劳动强度，提高生产率。目前国外对挖掘机驾驶室舒适性方面研究和发展已经达到了较高的水平，个别比较先进的挖掘机其舒适性甚至可以与一些普通轿车相媲美，比如美国的卡特彼勒(CATERPILLAR)公司，英国的杰西博(JCB)公司，瑞典的沃尔沃(VOVOL)公司，日本的小松(KOMATSU)公司、日立(HITACHI)公司等，这些公司生产的履带式液压挖掘机，其驾驶室内部的设计从座椅到仪表盘、操纵杆、脚踏板都非常人性化，其司机视野性能和操作舒适性以及室内温度、空气对流和噪声水平都达到非常高的水平。这些公司生产的挖掘机驾驶室不仅达到了人机布置的科学性，还普遍采用全封闭式驾驶室，同时也注意驾

10、驶室内温度、湿度和气流速度等的调节，使得驾驶员无论在什么样的气候条件下作业都会感觉到舒适。由此可见，人机工程学在驾驶室的设计和布置中发挥着重要作用，根据人机工程学相关原理的要求，国外也制定了一系列的驾驶室设计标准，供工程设计人员参考，其中SAE和EEC是国际上被广为采用的两种标准，日本在这方面也制定了自己的标准。1.2.2 国内研究现状国内生产小挖的最著名企业是玉柴，它的产品品种规格型号产量在国内都处于第一位。1989 年玉柴在天津工程机械研究所的帮助下开发、试制、生产1.3t的小型液压挖掘机，1990 年正式投产。产品以出口为主，现在已累计出口小挖达2000 多台。去年该企业的年销售量超过了

11、600 台。处于第二位的企业是韩国在中国的合独资企业大宇和现代二家，在国内产销量均超过了200 台。随着国内对小挖功用的认可，国内生产小挖的企业正在逐年增多，产量也在逐年增加，去年的产销量超过了1100台，预计到2005年国内小挖的年产量将达到3000台以上。在国内,人机工程学在工程机械(如装载机、挖掘机等)驾驶室的设计和布置中得到了一定的应用，东北大学的黄英，张以枕2000年发表的人机工程学在工程机械司机室布置与设计中的应用研究，已经将车身设计中的人体布置加以应用到了工程机械中，研究了如何以驾驶员为中心，用人机工程学的原理进行司机室内座椅、方向盘、仪表盘、操纵手柄、脚踏板等室内设施的布置。东

12、北大学的杨英、张国忠、冯丽敏发表的用因子分析法确定工程机械驾驶室尺寸综合因子G，以多元统计分析理论为依据，采用因子分析技术对工程机械驾驶室内部尺寸的测量值进行分析处理，建立因子模型，最终找出各尺寸变量对手伸及界面影响的驾驶室尺寸综合因子G及其得分公式，以此作为工程车辆驾驶室内操作部件舒适性设计的理论依据和现有驾驶室内布置是否合理的一个标准。吉林大学黄建兵的硕士学位论文人机工程学在工程机械驾驶室布置设计的应用研究中详细的论述了人体模型在工程机械驾驶室布置中的作用，并将汽车车身设计方法和理论应用到工程机械中。福州大学朱燕辉的硕士学位论文装载机驾驶室人机界面设计研究中系统的阐述了装载机驾驶室中驾驶员

13、视野性能校核、操作装置人机设计、驾驶室作业空间设计等内容，并应用模糊评价理论对装载机驾驶室人机界面进行了综合评价。福州大学朱辉硕士学位论文装载机驾驶室人机工程设计方法研究中对驾驶室人机工程设计方法做了详细的论述。在对驾驶室进行人机工程设计时，一般以中国标准化与信息分类编码研究所提供的人体尺度的百分位值为标准，根据“去两头”原则以5和95百分位的人体尺度值来制作代表最小和最大身材的人体模型，以驾驶员为中心，用人机工程学相关原理进行驾驶室内座椅、方向盘、仪表盘、操纵手柄、脚踏板等室内设施的布置。这样可以使设计出的驾驶室满足90司机的需要，同时也使驾驶室的布置与设计有规律可循。国内关于人机工程的标准

14、的制定起步较晚，但也做了一些工作，如：对人体模型的测量统计和分析，公布了中国成年人人体尺寸标GBl0000-88，目前工程机械设计主要参照383683-84工程机械操纵的舒适区域与可及范围进行设计，这些对中国人机工程的应用研究起到了一些推动作用。对驾驶室的顶窗以及驾驶室的前窗视野问题一直是国内研究的重点对象，根据人机工程学的各方面的规定及要求进行不断的改进。1.3 设计的目的意义及主要内容1.3.1 设计的目的与意义国际上，汽车在开发设计上己经成熟地应用了人机工程学的理论和方法，遵照比较全面和规范的设计标准合理地进行设计工作，比如SAE(美国汽车工程师学会标准)，IS0(国际标准)，JIS（日

15、本工业标准)以及GB(中国国家标准)都有关于轿车、载重卡车等机动车的有关操作空间、视野、仪表、布置、驾驶员位置等非常全面的设计标准，给开发设计带来极大的方便。然而，在挖掘机行业中，由于国际大公司的行业垄断与技术封锁，只有世界上一些大型的公司才对该项目进行研究，而且不对外发布其成果与标准。这严重的影响了中国挖掘机行业的发展和崛起。同时由于中国在挖掘机行业和人机工程学的研究方面落后于西方等先进工业国，目前国内尚无比较完整的挖掘机驾驶室研究设计的相关标准作为参考，本课题基于此，将人机工程学的理论应用到挖掘机驾驶室的外部造型设计、前窗顶盖总成设计和舒适性研究中去。因此，本课题具有以下目的意义:(l)

16、提高和促进了国内人机工程学的应用研究与扩展使用领域;(2) 将成熟的汽车设计方法应用于挖掘机驾驶室的设计中，使国产挖掘机驾驶室的操作舒适度和安全性从技术上得到改进，提高了挖掘作业的工作效率;(3) 对改进和完善目前国内现有的挖掘机驾驶室设计标准有一定的帮助，为加快国内挖掘机驾驶室行业的发展奠定了基础;(4) 系统的介绍了挖掘机驾驶室的设计任务和方法，对提高工作效率，改进的落后设计手段具有一定的帮助;1.3.2 设计的主要内容本设计主要结合人机工程学原理，利用CATIA软件，对小型挖掘机的外部造型进行改造设计，并对其前窗及顶盖的总成进行设计，具体内容如下：（1）对挖掘机驾驶室在CATIA环境下进

17、行内外部造型设计和总体设计，主要对驾驶室设计中的各个方面提出总体设计要求，明确设计目标（即上述待解决的问题）。总的来说，就是要求所设计的驾驶室安全、舒适、外形美观、结构合理、操作方便、符合人机工程学原理；（2）对驾驶室前窗顶窗进行改进，以求达到完美的视觉要求及改进，并在软件模拟情况下调整窗户角度以及其透明度，尽量让驾驶员有个舒适的视野范围；（3）对小型挖掘机驾驶室进行人机工程设计，主要包括人机工程学相关理论的研究，H点的优化，驾驶室视野性能研究，眼椭圆、手伸及界面、仪表及仪表板布置设计，座椅界面设计，操作装置的布置与设计，驾驶室作业空间设计。1.4 本章小结 本章阐述了人机工程学的发展，以及其

18、在驾驶室设计中的作用，并交代了论文设计的内容，以及此设计的意义。第二章 小型挖掘机的驾驶室内外部总体设计2.1 现代挖掘机驾驶室设计存在的问题及要求2.1.1 国产挖掘机驾驶室存在的问题目前国外挖掘机驾驶室不再是仅具有遮风挡雨的功能，而是普遍采用人机工程学原理设计。与国外挖掘机驾驶室相比，国产挖掘机的驾驶室普遍显得粗糙、简陋，并且在使用过程中暴露出不少问题。主要表现为:(l) 内部布置不符合人机工程学要求。由于监控仪表台体积过大，妨碍了驾驶员座椅的调节，造成下视能力不足。挖深沟作业时，驾驶员只好半蹲着进行操作，不仅降低了工效，而且增加了驾驶员的劳动强度。此外，一部分手柄、按钮的布置不当，也给驾

19、驶员的操作带来许多不便;(2) 密封性差。外部的杂物、灰尘和雨水等容易进人驾驶室，影响了仪器仪表的正常工作;(3) 驾驶室的减振性能不高，驾驶室内振动较大;(4) 驾驶室结构不具备足够的刚度和强度;(5) 隔音效果不好，室内噪声高，舒适性较差;(6) 制冷空调性能较差;(7) 外观造型较差，表面质量不好，接合处粗糙。随着现代工业的发展和人类生活质量的不断提高，挖掘机驾驶室的设计呈现出以下几个趋势:人性化。“以人为本，是挖掘机驾驶室设计的基本要求，建筑工程作业量大，要提高驾驶员的工作效率就必须减少驾驶疲劳，所以对于挖掘机驾驶室的设计，无论从技术到外形，都将不断诉求更为“人性化”的设计。智能化。挖

20、掘机将伴随着先进的技术而不断更新换代，操作更简单易学、更自动化、更安全可靠。与先进的材料技术相结合。新材料与新技术为设计提供了更大的创新余地。绿色、环保设计。绿色设计思想在现代设计中不断延续，能源、噪音、振动、排放物都将是我们设计中必须考虑的环境因素。2.1.2 现代挖掘机驾驶室的总体设计要求驾驶室是挖掘机整机的重要组成部分，其造型美和外观美对整机的形象影响很大。在设计驾驶室时，首先要注意造型结构设计与功能设计之间的协调统一，在符合结构、使用和工艺要求的前提下，使外形给人以美观协调的感觉;同时要注意整体性要求，即驾驶室与整机的整体观念，注意整机的侧向视觉效果和立面造型的协调，驾驶室与整机的外部

21、轮廓应自然沟通成形;另外还要注意涂装工艺和色彩设计符合美学的要求;最后还关系到驾驶员作业时的安全性和舒适性，以及疲劳度的减轻和工作效率的提高。因而驾驶室的设计在产品设计中占有重要地位。现代挖掘机驾驶室的总体设计要求是:(l) 具备足够的刚性和强度;(2) 具有保障驾驶员人身安全的结构形式或装置，主要指防落物装置(FOPS)和防翻滚装置(ROPS);(3) 驾驶室要视野开阔、美观大方，具有一定的审美价值。比例、尺寸符合人机工程学及审美学要求;(4) 具有隔热、减振及降噪功能;(5) 室内应空气畅通，温度可以调节。总的来说，就是要求所设计的驾驶室安全、舒适、外形美观、结构合理、操作方便、符合人机工

22、程学原理等。2.2 造型设计挖掘机驾驶室的造型要求简洁、协调统一、稳重、美观大方。传统挖掘机驾驶室的外形线条主要是直线加棱角，由于直线形结构具有工艺简单的特点，因而在我国早前得到广泛的应用。但单纯的直线线条不符合人们的审美要求，圆弧和曲面能体现自然美的特点。异型管弯曲成形的圆弧框架结构，给人以线条流畅、自然、美观的感觉。金属薄板件压延成形、模具成形、无骨架双层板拼焊的圆弧，以及曲面流线造型，具有精美、流畅、自然等优点。目前挖掘机驾驶室己由原来的直线棱角风格逐步演变到圆弧曲面流线形风格。在比例与尺寸设计上，除满足功能与结构需要外，应主要考虑人机因素，参照人机工程学与审美学进行选择(可参考有关标准

23、)。2.3 刚性与强度设计驾驶室属薄板结构件，通常采用以下方法增加其刚性和强度。 (l) 箱形结构。驾驶室骨架的主要立柱、横梁采用箱形断面结构或方钢；(2) 加强筋。可采用平板、角钢、槽钢等多种加强形式；(3) 重叠。在受力大的薄板处焊贴一定厚度的钢板；(4) 框架结构。薄板表面贴焊框架，如门框架，可有效地减少翘曲变钢形；(5) 变形薄板。如驾驶室顶部采用冲压成波浪形状的薄板；2.4 安全性设计挖掘机的作业环境较为恶劣，存在一定的危险性，有关部门对各种车辆事故统计数据分析表明:在挖掘机车辆事故中，翻车事故占总事故的56.7%，落物事故占总事故的2.6%。由于挖掘机的质量较大，翻车事故的致命伤害

24、率极高。为防止其倾翻和落物对驾驶员的伤害，我们应设计防落物和防翻滚驾驶室，这对于产品适应市场需要，进入国际市场也具有重要意义。目前国内驾驶室保护装置多采用在驾驶室外安装一组栅栏结构，如图2-2所示。这种结构在落物和倾翻时对驾驶员具有很好的保护作用，但是这种栅栏结构由于安装于驾驶室外部，对驾驶员的视线有很大的阻碍，不利于驾驶员的作业。国际上通用的安全驾驶室是直接对驾驶室的立柱以及顶部进行安全性校核和设计，这样设计出的驾驶室既能满足强度要求又不对驾驶员的视线造成阻碍。2.5 舒适性设计驾驶室的舒适性设计是指采用适当的装置和措施来减轻、降低噪声，畅通空气，调节温度。2.5.1 色彩色彩对人们心理、生

25、理的作用是非常重要的，在设计中不可忽视。机械整体的色彩、操纵部位的色彩、信号的色彩以及工作场所的色彩都对人的心理和生理产生很大影响。色彩具有明显的美观特性，设计不当还能给人造成疲劳的感觉，因此在色彩设计中需注意以下问题:(l) 挖掘机以动态的形式出现在不同的背景下，因此色彩的选择要考虑经常遇到的物体和背景，以期达到光学平衡，与背景颜色相互协调;(2) 挖掘机在正常环境中作业时，车体应明显清晰可见，而且不使视力紧张;(3) 外表涂成多种不同色调时，应设置分色镶条，以方便工艺过程和防止邻近色彩造成过度强烈的对比;(4) 充分理解色彩学中三原色与喷漆漆色调配中黄、蓝、白、红、黑五种主色的异同点。在喷

26、漆漆色调配中，颜色在湿态下色淡，干后变浓;(5) 要考虑用户所在地的环境因素，应根据不同的具体条件，决定冷暖色调的取舍。2.5.2 降噪与减振(l) 噪声。噪声会损害人体健康，引起各种病症，还能使人产生各种非正常的情绪，引起人们精神上的烦恼，造成工作效率降低，甚至造成操纵失误，产生不良后果。噪声还会掩盖安全信号或机器的不正常声响，导致事故。所以，设计产品时必须考虑降噪和防噪问题。(2) 振动。人体是一个弹性系统，有自己的振动特性(以48Hz，1012Hz，2025Hz分别为第1，2，3阶共振峰)。人的各个器官也有自己的共振频率，例如眼睛的共振频率为2025Hz，头为2530Hz，手为3040H

27、z，内脏为58Hz，神经为245250Hz。振动会使人不舒适，降低人的视觉和操作效率，增多失误，尤其发生共振时可能造成人体疾患。研制产品时，要通过测试检查，并在设备结构和元件上采用隔振、吸振和缓冲减振等装置，避免达到生理临界范围的机械振动并将冲击传至人体。驾驶室噪声来源于动力系统、传动系统和机体振动。降噪的主要措施是隔离吸收和减少共振。 在结构上尽可能将驾驶室与发动机罩分离，以减少噪声直接传入; 驾驶室的密封性要好，室内所有操纵杆件、手柄、踏板的开口处均加橡胶套密封，门框及玻璃周边用柔软而有弹性的密封条嵌套，以阻隔噪声传入，并缓冲门窗的振动; 驾驶室板壁用薄钢板组成夹层壁，中间填充吸收声音和振

28、动的材料，隔绝噪声传播，抑制机械噪声传递和吸收噪声。板壁内面选用橡胶板、人造革或粗线织物作蒙皮，有利于隔声、消声和隔热; 采用中间夹透明塑胶的双层玻璃做门窗，提高隔声效果，减小振动; 驾驶室总成与车架之间采用弹性连接，达到缓冲和隔振的目的。减振橡胶垫块如图2-3所示。驾驶室相对机体振动时，橡胶垫块承受垂直方向和水平方向的冲击载荷，从结构上起到弹性隔振作用。2.5.3 通风与温度调节客观标准的舒适温度是生理学和医学上认为对于人体最适宜的温度:工作时为1921，休息时为2529，标准温度为2130。在“工作温度”下，操作者可以安全、健康、有效地工作，故又称为“允许温度”。驾驶室应通风良好，温度调节

29、简便。全封闭驾驶室室内外空气隔绝，必须安装通风装置，保持室内空气的新鲜，安装空调系统调节室内温度。2.6 CATIA在外部造型中的应用2.6.1驾驶室的整体设计在整体设计时，采用传统的上窄下宽的塔式结构来体现工程车的稳重大方的视觉感。在连接面得处理上采用圆弧过渡，与常见的挖掘机驾驶室相比，图2-4的整体感觉是小巧、紧凑。此外，在比例的选择上以均方根、整数、黄金分割比例为主：颜色以纯度低、明度高的黄色为主图2-4 驾驶室整体示意图2.6.2前围及前风窗的设计前围是驾驶室的正面，因而在整个驾驶室的设计过程中显得尤为重要。以往由于直线条在结构工艺上简单、成本低的特点而一直被广泛使用在工程机械上，然而

30、从审美的角度看，过渡面及曲面的使用已成为趋势，甚至在国际上出现了流线型风格的挖掘机。在进行该部分的设计时强调复杂以与整体的简洁形成对比：整个驾驶室以平直面为主，驾驶室的前窗采用Loft全面设计，而前围由Sweep得到，这样虽然会增加成本，但是与传统的挖掘机驾驶室的平直多立柱的前脸相比，不仅美观大方、体现出变化与统一、局部与整体的协调，而且也提高了作业人员的视野，因而有着重要的意义。为防止在正常工况下驾驶室与运动构建发生干涉，需要在驾驶室的前部两侧（图中圆圈位置）倒角，相对于驾驶室整体的谨慎的平直线条，我们在改位置使用夸张的球面Sphere来过渡，以与驾驶室整体的稳重感形成对比。相对于倒角而言，

31、球形面更显得活泼、夸张。2.6.3侧窗及侧门的布置与设计 为突出处挺拔稳重之感，驾驶室的侧面与垂直方向有倾角。侧窗及侧门的布置应考虑加工工艺性及前后立柱的强度，太靠前或靠后都会影响驾驶室的强度，车门的大小以便于人员出入为准。车门与车窗的形状常用的有两种，斜式和直式。在前窗使用大曲面设计的情况下，当挡风玻璃的曲率变化较大时，即类似于轿车的A柱，这时应采用斜式设计，从而让前部的曲面与侧面的平面设计在前立柱位置形成良好的过渡。而在玻璃曲率变化平缓的时候，采用直立柱即能较好的实现面面之间的过渡，同事相对于斜式设计还能够简化制造工艺，降低车门制造的成本。 车门在另一侧面，其大小、位置的确定应尽量与车门一

32、致，形状方案的确定依赖于车门的选择。在车窗的下部有散热装置，所以在车窗的尺寸，尤其是高度方向尺寸确定时，要考虑下面散热装置的大小，做到合理布置。确定窗框宽度时，应在保证驾驶室防滚翻功能的前提下，尽量减少宽度，以扩大驾驶员的视野，提高作业安全性，使驾驶室与整体对比协调、轻巧。2.6.4后围及后风窗的设计后围设计是，分上下两部分：与机罩想连接的后围下部为垂直平面设计，同时为容纳和布置发动机等部件，平面要作适当的内凹；机罩以上的后围是一个与垂直方向有一倾角的平面，与下半部分有圆弧过渡。后围与侧面之间采用圆柱面过渡，可以提高驾驶员对后方的视野，因为这样一来后窗的两边缘处就是柱面了。后风窗设计时实际上市

33、将整个未经切割处理的后围曲面划分成两块，一块即是后围，另一块曲面作Offset操作后就得到了后窗的整个玻璃面。于此类推，前风窗、门窗及侧窗的玻璃面的设计亦是如此。2.6.5顶盖的设计设计顶盖时，其曲面构成有两种方法：一是曲率变化均匀的曲面设计，可以改变传统驾驶室平直面给人美观上的不足，但该曲面不宜曲率太大，否则会有失工程机械的大方稳重。然而这种方法单一曲率变化的曲面给人感觉呆板；二是增加工艺筋的设计，就能实现静中有动，使人感觉到活泼的气息，从而体现了活动与静止的造型设计思想。此外在驾驶室顶盖的布置时还应考虑是否要外延，考虑工程车辆的作业环境，外延的车顶盖结合引水槽的使用可以减少车顶的积压雨水对

34、车窗玻璃的冲刷，提高阴雨天气的作业能力。注意引水槽应在各立柱的相应位置。2.6.6 驾驶室附件的设计 扶手是为了便于驾驶员的上下方便，因而其布置应保证安全性，给人以充分的活动空间，其布置如图2-5 ，灯与后视镜一般都市系列化的产品，在选择时主要考虑何种类型的产品与整体相一致，以及对他们如何进行布置。在工程车的驾驶室上都不宜使用圆形灯具，常以矩形或近似矩形的灯具居多，其布置视灯具与整体的尺寸而定，由于该驾驶室小巧的特点，因而灯具被布置在顶盖的四个角上且偏外一点，否则会因灯距过小而给人以生拼硬凑之感，失去协调性。最终建立好的驾驶室模型如图6-2所示。图2-5 利用CATIA建立的挖掘机驾驶室外部造

35、型2.7 本章小结 本章阐述了小型挖掘机驾驶室外部总体设计的设计要求以及其设计步骤，对其外部造型中的各个部件所需设计内容进行了详细的描述，并介绍了三维绘图软件CATIA在这方面的应用，通过模型直观的给出了驾驶室的整体建模。 第三章 小型挖掘机驾驶室顶盖与前窗总成设计3.1 顶盖与前窗总成设计的依据思想对驾驶室前窗顶盖进行改进，以求达到完美的视觉要求，阐述前窗与顶盖的设计要点，解决当前设计所带来的缺陷；并在软件模拟情况下调整窗户角度以及其透明度，尽量让驾驶员有个舒适的视野范围。3.2活动前窗机构的设计要点3.2.1驾驶室前窗的机构形式挖掘机驾驶室通常设计成可开启的活动窗，可开启的活动窗主要有纯导

36、轨式（双滑块机构）和连杆式（摆杆滑块机构见图3-1）两种结构形式。连杆式活动窗较导轨式活动窗具有开窗运行平稳，开窗动作舒适等优点，高端品牌小型挖掘机大多选用连杆式活动前窗。活动前窗设计中需注意如下问题：由于机构参数较多，参数相互关联，设计中需系统考虑参数设置，活动窗在运动过程中容易出现卡死或滑移不畅；制造或装配误差导致关键点位置或运动轨迹产生大 图3-1 连杆式活动前窗示意图的偏移。 其CATIA三维图如图3-2所示：图3-2 CATIA三维建模示意图3.2.2机构参数的设定方法 挖掘机驾驶室活动前窗设计的基本要求是开启、关闭过程动作舒适，在关闭、开启位置可以锁定，密封效果好（防水），满足人际

37、工程学，可靠耐用等。设计的目标是最大化满足各性能指标。仅仅凭这些模糊的要求或目标无法确定机构中的各个参数。本文采用根据设计参数重要程序进行排序（见表3-1），按重要、次重要至不重要先后顺序确定各个参数的方法。表3-1 参数重要性排名令 ，可知：，由各点的几何关系可得到如下方程：按照顺序，窗户的初始位置和最终位置最先确定，即已知a(0,0),a(xa,ya),玻璃初始角1，最终角度2；需确定的量为o（xo,yo）、lak、lap及lop,将式（2）、（3）、（4）、（5）代入式（1），可以得方程中未知量为x0、y0、lkp共4个未知参数，方程要唯一解需再确图3-3 kp长度和ak长度之间的关系定

38、其他三个参数。按排序表，再依次设定转轴位置o（x0，y0）、kp长度，ak长度。 至此，活动前窗机构参数完全确定，后续设计中根据实际情况进行微调即可。可驾驶1=85，2=7.5，o（270,995），a（105,875），通过计算可得kp长度随ak长度增加而减少，kp长度和ak长度关系如图3-3。3.2.3活动前窗设计关键问题分析及解决 1. 密封胶条关窗回弹活动窗滑移系统设计不当容易引起下端密封橡胶（见图3-1）回弹，即密封橡胶在向下运动接触下部玻璃后折回向上运动。活动窗密封橡胶回弹影响密封橡胶和下部玻璃的密封性能，应尽量避免或控制在可接受范围以内。有机构理论可知，如p点运动轨迹与下端导轨轨

39、迹延长线相交（图3-4中处于关闭位置时，p点在下端导轨轨迹延长线左侧， 图3-4 活动窗机构及参数示意图则密封橡胶关窗会产生回弹。理论上减轻或避免回弹有如下3种方法：（1）适当增加lap长度，由图3可得，lap减少，在图3-2中即p点向右下移动；（2）将下端导轨往p点左方适当倾斜；（3）o点位置前移，则p点下移，可以减轻或避免回弹。2. 运动不畅及卡死 开启、关闭运动顺畅，力度适中是活动窗开发的基本要求，而运动不畅或卡死却是活动窗最容易遇到的问题之一。3. 气弹簧的选择气弹簧的作用是在活动窗开启时提供开启助力和关闭后提供适当的压紧力。气弹簧力度过大，则关闭过程中操作者提供的反作用力大；气弹簧力

40、度过小，则开启过程中操作者提供的开启力过大。气弹簧的力度以保证活动窗开启位置和关闭位置都有适当的压紧力，且操作者开启、闭合动作流畅、舒适。设计因避免因受力不均导致窗框扭曲而卡死。采用单弹簧助力结构（活动窗仅一端有气弹簧）需设计相应结构以平衡两端受力；采用双弹簧支撑结构（活动窗两端各设置一个气弹簧），除选择合适的弹簧外，还要求两只气弹簧参数相同，以保证两个气弹簧在同一时间的施力大小一致。同时，设计因尽量减轻活动窗重量并使活动窗两端重量分布均衡，采用合适的结构增强窗框抗扭强度，以提高两端受力均衡性。4. 合理的结构布局合理的结构可以充分提高各部件的效能，使整个机构性能达到最佳状态。忽略机构自身重力

41、，将前窗机构简化成为图3-5模型。图3-5 活动窗机构受力示意图 假设该机构处于力平衡状态，对于o点，由力矩平衡可以得到 由杆可以得到 由可得气弹簧为克服摩擦力所需提供的力为：可以得知，、角接近90度时，F为无穷大，气弹簧无法提供足够大的前窗开启运动助力，在不提供适合外力的情况下，前窗会出现卡死，设计中应避免角度接近90度。3.2.4 误差的影响及调整产品在制造和装配过程中不可避免地存在误差。机构的安装或制造误差可能导致其他关键位置产生较大偏差。误差引起的常见问题有：关窗位置密封橡胶和下端玻璃无法密封或产生干涉；开窗位置锁定机构（图3-1）位置产生较大的偏差，导致锁孔无法对准锁欣，甚至与内饰干

42、涉等。忽略二阶及二阶以上导数的影响，由各参数误差导致在关键点X方向和Y方向的总误差可以表示为： 不同参数的相同误差对关键点位置影响不同，对关键点位置影响大的尺寸应在设计和工装上优先保证。同时，设计中要充分考虑误差的后续补偿，对夹具无法保证的尺寸通过设计腰形孔等方式方便后续调节。3.3 顶窗盖的设计以及对顶窗漏水的解决方法3.3.1 顶窗盖的设计 目前，国内大多数小型挖掘机的车内通风都采用顶窗，而这些顶窗主要由钢板冲压和钢材经过机械加工制成，所以重量大、成本高、制作困难、表面精度差以及易腐蚀，同时，安装也困难.随着挖掘机水平的提高，这种顶窗显得档次低，与车内装饰不协调，因而有些厂家为了提高客车的

43、档次，采用换气扇来替代顶窗。但经过实际使用证明，换气扇的通风能力远远不能满足车内通风需要，而且价格又高，因此，各厂家都迫切需要一种档次高又经济实用的顶窗。为此，我们设计了一套顶窗总成，该顶窗主要采用工程塑料和玻璃钢，它具有重量轻、档次高、通风性能好、成本低及安装方便等特点。图3-5所示为该顶窗装置顶窗盖的剖视图：图3-5 顶窗盖剖面图由于总成结构较复杂，所以具体细节部分未详细绘出。它由主框、内框、把手、顶盖、弹簧片及密封条等组成。主框是由ABs工程塑料整体注塑成形，在其上制有支承销，内框是由铝合金挤压型材加工而成，两个把手为注塑件，顶窗盖为玻璃钢件，它通过自攻螺钉与把手相连接。弹簧片的一端连着

44、把手，另一端与支承销相连接。开窗时，推动把手，通过弹簧片的变形，把顶窗盖顶起。内框通过螺钉和主框连接，并互相夹紧在顶盖上。主框外沿与顶盖外蒙皮接触部分采用密封胶密封，以防水流入车内。这种顶窗前后、左右均可开启，结构简单，安装方便，在驾驶室内可见的顶窗盖部分、内框、主框及把手等表面精度高、颜色鲜艳以及造型美观.这种顶窗的设计适应我国目前小型挖掘机驾驶室的发展水平，是一种实用和美观的挖掘机驾驶室配件，它的应用和推广，必将促进我国客车内饰件水平向更高的层次发展.3.3.2 顶窗盖漏水的设计解决方法驾驶室雨天漏水是一个较为普遍而且难以彻底解决的问题，尤以顶窗漏水最为严重。特别是南方雨季，驾驶员反映较为

45、强烈。要解决好这个问题，必须全面分析有关部位的结构，找出存在的缺陷，提出改进措施，在设计这一步骤上尽量减少顶窗盖漏水的发生。目前多数挖掘机驾驶室厂家所采用的顶窗结构(见图3-6)，框形顶窗座1是用螺钉3固定在定型橡皮5、玻璃钢顶棚6和槽形骨架7上的。橡皮形状与顶窗座底面相同，橡皮上下面涂厚白漆，以增加其密封作用。框形顶窗座上罩着顶窗盖，盖与座之间以铰链联接，可使盖单面开启。图3-6 顶窗盖结构示意图顶窗常见漏水原因如下:1. 顶窗骨架下陷当受到人为的关窗冲击力和把手拉力作用，使顶窗骨架下陷时，顶窗总成就处于顶棚的凹陷处。每当下雨，顶窗周围会有很多积水，顶窗座就浸在水中，水通过顶窗与顶棚间的微小

46、缝隙渗入车内。这些微小缝隙存在于螺钉与螺钉孔之间、座与橡皮之间、橡皮与顶棚之间，特别是淋水时间一长，就会有一些水渗进车中。同样，当顶窗周围积水时，在挖掘机制动或加速情况下，积水在惯性力作用下，也会冲过顶窗座折边落人驾驶室内。这种情况的进水量多，呈断续状态。2.装配质量不良由于装配人员技术水平不高或责任心差，可导致顶窗座的螺钉间距过大、螺钉孔径过大、螺钉之间产生“拱起”现象，这些因素均会造成顶窗漏水。在装配顶窗时，操作工人习惯按环形顺序紧固座上的螺钉，这也会导致紧固不严。正如紧固发动机盖螺栓那样，如果不按规定顺序作业，就容易引起发动机漏气。同样，紧固顶窗螺钉顺序不对，也会破坏其密封性能。解决顶窗

47、座“拱起”的方法是:从顶窗座前后边的中点向两侧紧固螺钉，前后边要逐渐紧固，使螺钉之间的座边不受挤压。3.顶窗盖变形有时，由于加工制造等原因使顶窗盖出现一边较高而另一边较低的情形。这种盖装车后，不可能盖严整个顶窗，雨水会从盖不严之处吹刮入车中。解决方法是换上合格的顶窗盖。4.其它原因还有一些其它造成顶窗漏水的原因，如厚白漆太稀、座折边过小、螺钉松脱等。这些情形，可根据实际状况采取相应措施。3.4 本章小结 本章就小型挖掘机驾驶室活动前窗的设计要顶进行了说明，并对前窗设计所应用的数据进行了计算，得出了活动前窗在设计是要注意的内容；且描述了驾驶室目前改进的顶盖窗的构建结构，对顶盖窗所一直来的漏水的最

48、大问题提出了解决的法案。第四章 小型挖掘机驾驶室的人机视野设计4.1 人机工程学基础4.1.1 H点定义及应用H点是指二维人体样板上的躯千线与大腿中心线的交点，如图4-1所示;实际H点是指当H点人体模型放置在座椅上时，人体模型上左右两H点连接线的中点;座椅参考点(SgRP)是指座椅上的一个设计参考点，它是制造厂规定的设计基准点。它表征当95百分位的人体模型按规定摆放在座椅上时，实际H点应与座椅参考点重合;设计H点是驾驶室布置设计的基准点，它采用前后两点H点的设计方法。最前设计H点表示第5百分位的女子人体模型在最前位置时的胯点，最后设计H点表示第95百分位的男子人体模型在最后位置时的胯点。图4-

49、1 H点位置图驾驶室布置设计中所提出的性能要求，如乘坐舒适性、视野性、操纵方便性、手伸及性、上下车方便性等都与H点紧密相关，H点在驾驶室布置中占有极重的地位，H点的选取直接影响驾驶室的总体布局性能。4.1.2 眼椭圆定义及应用眼椭圆是指不同身材的驾驶员按自己的意愿将座椅调整到适意的位置，以正常驾驶姿势在座椅中时，眼睛位置的二维正态分布图形。由于这种图形呈椭圆状，因此被称为驾驶员眼椭圆。图4-2为三维“眼椭圆”的形状。图4-2 三维眼椭圆形状图眼椭圆为研究驾驶员的视野性能提供了科学的视野基准。与视野有关的设计和结构以眼椭圆为依据，一般应用于以下几个方面:视野设计和校核;仪表板的定位;盲区的校核。

50、4.1.3 人体模型定义及应用以人体参数为基础建立的人体模型是描述人体形态特征和力学特征的a） 二维杆系人体模型 b）三维人体模型图4-3 人体模型示意图有效工具，是研究、分析、设计、评价、试验人机系统不可缺少的重要辅助手段。人体模型的应用与建立，在国内外有很多研究。图4-3所示为二维杆系人体模型和UG工程软件下的三维人体模型示意图。在驾驶室设计中，人体模型是一种重要的辅助设计手段，它既可以表现设计的结果，也可以用来调整设计，以确定最终设计的尺寸。人体模型在驾驶室布置中主要有以下几个方而的应用:(l)可用人体模型进行乘坐舒适性检验，如脚踏板，座椅，仪表等布置的合理性;(2)可用二维人体模型来校

51、核驾驶员的视野性，手伸及性能等;(3)可用数字三维人体模型对驾驶室的空间设计进行检查、校核等。4.1.4 手伸及界面定义及应用驾驶员的手伸及界面是指以正常的驾驶姿态坐在驾驶座椅中，身系安全带，一手握住方向盘时另一只手所能伸及的最大空间。实验结果表明，驾驶员的手伸及界面是一形如椭球的封闭曲而，因此也称为手伸椭球。图4-4为UG工程软件下手伸及界面示意图。a）正视图 b）俯视图图4-4 人体模型示意图驾驶员的手伸及界面在是驾驶室布局中一个重要的参数和指标，操纵装置、仪表盘、手柄等内饰件的布置都必须以驾驶员的手伸及界面为参考。4.2 小挖驾驶室视野性能研究在小型挖掘机作业过程中，不断循环着挖掘、转斗

52、、抬臂、转向、卸料等过程来实现其挖掘作业功能，这些动作之间的配合在不同的工况之下有很大的差别，因此这要求驾驶员具备快速反映的思维和敏捷的反映速度。外界条件对驾驶员信息的获取有着直接的影响，视觉信息又是获取外界信息的重要途径，因此我们有必要对驾驶室的视野性能进行研究和分析。4.2.1 驾驶室视野的设计要求在小挖驾驶室中，影响驾驶员视野的主要因素有:前风窗大小、刮水器作用面积的大小、后视镜的视角、后风窗玻璃的大小等。因作业需要，在前风窗玻璃的垂直方向上，要求有大的俯视角和大的仰视角，如图4-5所示，仰视角是指前风窗的上边缘和眼椭圆上缘的切线与水平线的夹角，俯视角是指在侧视图中前风窗的下边缘和眼椭圆

53、下缘的切线与水平线的夹角。一般情况下，目标越接近直前视线就越容易看清楚，驾驶员不必转动眼睛和头部就能看清目标。但小型挖掘机要求有大的仰视角和俯视角，难以满足上面的要求。因此，需对前方视野进行设计和校核，以满足驾驶员视野舒适性的要求，减少驾驶员的疲劳，保证作业安全。图4-5 小型挖掘机驾驶室视野图4.2.2 眼椭圆中心在驾驶室中的定位要确定驾驶室能否满足驾驶员的视野性能要求，首先必须确定出驾驶员的眼睛在驾驶室中所处的位置，即驾驶员的眼椭圆中心在驾驶室中的位置。由于国内目前尚未制定相关的标准，因此采用美国SAE标准中的相关尺寸和公式对驾驶员眼椭圆中心进行位置的确定。(1)确定H点的位置，找出座椅的

54、相关参数。(未注尺寸单位均为mm)座椅前后移动量L23; 靠背倾角A40。(2)确定 SgRP(座椅参考点，如图4-6所示)。设SgRp点的坐标为(L31、W20、H70)，H点的坐标为(XH、YH、ZH)，其中L31、W20、H70等都是SAE标准中规定的尺寸符号。水平偏移量为S，垂直偏移量为R，则有: L31=XH+S; W20=YH; H70=ZH-R;取S=210mm，R=6Omm，代入上式求解SgRP点的坐标。图4-6 第95百分位眼椭圆位置图(3)确定参考点(ATRP)的位置。一般情况下ATRP位于水平行程L23的中点或由SgRP点的坐标来确定，即:(4)确定左右眼椭圆中心位置。

55、(5)根据L23，选取眼椭圆的尺寸。表4-1 三维眼椭圆的轴长 表4-2 小挖眼点的发散角度确定小型挖掘机座椅的前后水平调节量L23，即H点的行程。然后按表4-1的尺寸来确定眼椭圆的轴长。取第95百分位的眼椭圆轴长，即能满足95%的驾驶员的视野要求。眼椭圆位置确定后，根据表4-2中的值分别作眼椭圆的上下左右四个切平面，形成的范围就是前方视野。4.2.3 驾驶员前方视野的校核挖掘机的前方视野主要有两部分，平台左右转动的水平视野和工作装置上下运动的垂直视野，但在作业过程中水平视野运动范围较小，现代小挖一般均采用全玻窗驾驶室，故水平视野影响较小，可不予校核。影响挖掘机前方视野主要为垂直视野。在实际操

56、纵中，驾驶员经常查看铲斗位置，故需对垂直视野进行校核。垂直视野的校核方法分为以下几个步骤:(l)按上节中所述的方法在挖掘机驾驶室的正视图上定出驾驶员眼椭圆的中心点，并画出眼椭圆;(2)在眼椭圆正视图上，找出与风窗玻璃下边缘最远的切点C，C点为左右眼的重合点:(3)头部的转动中心在两瞳孔连线中点后方98mm的第四颈椎上，距瞳孔高度115mm处。在图中作出头部转动中心J和瞳孔的中点D;图4-7 小挖驾驶员垂直视野的校核示意图(4)作水平线CCO，并作直线CC1与CC0成15角;如果目标在CCI1之外，需转动头部的角度为，当头部转动时，代表头部三角形CDJ绕J点随之转动。在转动过程中两眼视线CC0与

57、CC1仍保持巧15不变。当C点转到新位置C时，原来的视线变为CCl恰好对准目标;(5)此时CCl便是两眼向下转动15，同时头部又转动了角后的新视线。可以看出视线CC1在转动时，始终与该时的头部中心线的夹角Y为15;(6)按上述方法分别确定出挖掘机驾驶员在仰视和俯视时能看清目标物头部需要转动的角度;(7) 值确定出来之后，可根据p值讨论驾驶员垂直视野的合理性。 当30时，目标落在眼睛自然转动15后，头部再自然转动角的舒适视野内，此时视野是合理的; 当50时，目标落在眼睛自然转动15后，头部再勉强转动角的视野内，此时视野有点勉强; 当50时，目标落在眼睛自然转动15后，头部再勉强转动角的视野外，此时视野是不合理的。通过做图对国产某型号挖掘机驾驶室的垂直视