李國娟，楊 棟，張 超

(徐州徐工礦業(yè)機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221000)

車輛前方視野范圍是車輛的重要安全參數(shù),合理的前方視野設(shè)計可以減少駕駛員視覺疲勞的產(chǎn)生，保證行駛安全。礦用自卸車(簡稱礦車)工作環(huán)境惡劣，工作負(fù)荷繁重，開展礦車駕駛室前視野優(yōu)化設(shè)計對駕駛員的安全性和舒適性尤為重要。本文基于人機(jī)工程學(xué)，對礦車駕駛室前視野進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1 駕駛員前視野設(shè)計要求

駕駛員前視野主要包括前風(fēng)窗玻璃有效視野范圍以及A立柱雙目障礙角大小。為了優(yōu)化設(shè)計駕駛員前視野，首先需要選取合理的駕駛員視點，從而保證所設(shè)計的前視野范圍能夠滿足不同駕駛員駕駛過程中對于外界信息的有效獲取。

1.1 駕駛員眼橢圓和視原點的定義

駕駛員眼橢圓是指不同身材的駕駛員按照自己的意愿將座椅調(diào)整到適意位置，并以正常的駕駛坐姿入座后，眼睛位置在車內(nèi)坐標(biāo)系中的二維正態(tài)分布圖形[1]。由于眼橢圓是一種理想化的設(shè)計工具，為了簡化作圖過程，實際設(shè)計中通常使用視原點來代替眼橢圓，進(jìn)行駕駛室視野設(shè)計。

視原點相關(guān)的定義主要包含：

1)R點，座椅參考點[2]，將該點在駕駛室內(nèi)的坐標(biāo)表示為(Xr,Yr,Zr)。

2)V點，駕駛員眼睛位置點，用于檢查汽車前風(fēng)窗玻璃視野是否符合要求。V1，V2表示上下極限眼點位置，座椅靠背角為25°時，V1，V2相對R點的坐標(biāo)位置如下：V1(Xr+68,Yr-5,Zr+665)，V2(Xr+68,Yr-5,Zr+589)。

座椅靠背角非25°時，X，Z方向坐標(biāo)值需要相應(yīng)修正，具體修正值參照GB 11562—2014。

3)P點，駕駛員眼睛高度上的頭部中心點，P1，P2表示駕駛員水平觀察物體時P點的不同位置，P1，P2相對R點的坐標(biāo)位置如下：P1(Xr+35,Yr-20,Zr+627)，P2(Xr+63,Yr+47,Zr+627)。

根據(jù)座椅水平行程大小對X方向坐標(biāo)值進(jìn)行修正，具體修正值參照GB 11562—2014。

4)E點，駕駛員眼睛中心點，E1，E2(E3，E4)分別表示頭部中心點P在P1(P2)位置時的左右眼點，用于評價A立柱視野障礙。E點和P點在同一水平面內(nèi)，相對位置如圖1所示[3]。

圖1 E點和P點相對位置

1.2 駕駛員前風(fēng)窗玻璃視野要求

為滿足駕駛員前方視野的要求，前風(fēng)窗玻璃透明區(qū)至少應(yīng)包括風(fēng)窗玻璃基準(zhǔn)點連線所包圍的面積，如圖2所示，基準(zhǔn)點確定方法為：

圖2 座椅靠背角為25°時風(fēng)窗玻璃基準(zhǔn)點

1)V1點水平向前偏左17°的基準(zhǔn)點a；

2)V1點向前沿鉛垂面偏上7°的基準(zhǔn)點b；

3)V2點向前沿鉛垂面偏下5°的基準(zhǔn)點c；

4)a′,b′,c′分別為a,b,c相對駕駛室縱向中面的對稱點[3]。

在滿足上述要求的前提下，礦車前視野還應(yīng)盡量減小下視野盲區(qū)，即前風(fēng)窗玻璃下沿高度和儀表臺高度[4]。由于該駕駛室儀表臺高度受其他因素限制無法改變，因此暫不討論該盲區(qū)優(yōu)化。

1.3 駕駛員A立柱雙目障礙角要求

為保證駕駛員前方視野，應(yīng)盡量減小A立柱雙目障礙角(乘用車要求不超過6°)[5]。

A立柱雙目障礙角測量方法：E1和E2連線繞P1點轉(zhuǎn)動，保證從E1點向A立柱外邊緣的切線與E1E2線之間的夾角不大于120°，如圖3所示，取夾角為90°。再由E2點向左A立柱右邊緣作切線，兩切線之間的夾角即為雙目障礙角[6]。

圖3 A立柱雙目障礙角測量示意圖

2 現(xiàn)有駕駛室前視野分析

2.1 現(xiàn)有駕駛室前風(fēng)窗玻璃視野

以駕駛室前端底板中心為坐標(biāo)原點，座椅參考點坐標(biāo)為R(1 486.6，-286，454.5)上下極限眼點坐標(biāo)為：V1(1 554.6，-291，1 119.5)，V2(1 554.6，-291，1 043.5)。

座椅靠背角為25°，無需修正坐標(biāo)值。

根據(jù)前風(fēng)窗玻璃視野要求，確定現(xiàn)有駕駛室前風(fēng)窗玻璃透明區(qū)邊界點，如圖4所示，前風(fēng)窗玻璃上下方向可滿足透明區(qū)bc和b′c′邊界要求，左右方向無法滿足aa′邊界要求，左右各有63.5 mm的遮擋區(qū)。

圖4 現(xiàn)有駕駛室前風(fēng)窗玻璃透明區(qū)邊界點

2.2 現(xiàn)有駕駛室A立柱雙目障礙角

現(xiàn)有駕駛室座椅水平行程為190 mm，根據(jù)GB 11562—2014中的調(diào)整量要求，可得頭部中心點坐標(biāo)為：P1(1 473.6，-306，1 081.5)，P2(1 501.6，-239，1 081.5)。

根據(jù)駕駛員A立柱雙目障礙角測量方法可得，駕駛員側(cè)A立柱雙目障礙角為11.1°，乘客側(cè)A立柱雙目障礙角為8.95°，如圖5所示，兩側(cè)障礙角均較大，影響司機(jī)視野。

圖5 現(xiàn)有駕駛室A立柱雙目障礙角

3 駕駛室前視野優(yōu)化方案

為了改善現(xiàn)有駕駛室前風(fēng)窗玻璃視野范圍和A立柱雙目障礙角，需要對駕駛室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 A立柱截面優(yōu)化設(shè)計

現(xiàn)狀分析：由于該駕駛室為ROPS(防滾翻)骨架結(jié)構(gòu)，必須滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的承載力要求，因此現(xiàn)有A立柱尺寸較大，特別是截面橫向尺寸較大，導(dǎo)致駕駛室前部視野較小。

優(yōu)化方案：通過仿真分析可知，駕駛室A立柱主要在連接點處受力較大，因此在保證A立柱與上部和中間橫梁連接處截面不變的情況下，采用變截面A立柱結(jié)構(gòu)形式，即前風(fēng)窗玻璃安裝位置對應(yīng)的A柱區(qū)域截面尺寸由150 mm×200 mm縮小到150 mm×140 mm，從而將前風(fēng)窗玻璃視野左右各擴(kuò)大60 mm，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 A立柱優(yōu)化方案

3.2 前風(fēng)窗玻璃優(yōu)化設(shè)計

現(xiàn)狀分析：為了保證前風(fēng)窗玻璃的安裝與固定，在玻璃周圍會有30 mm寬的陰影涂膠區(qū)?，F(xiàn)有駕駛室結(jié)構(gòu)前蒙皮與A立柱前平面貼合，所以玻璃陰影區(qū)在左右A立柱之間，占用一部分可見區(qū)域。

優(yōu)化方案：為保證左右A立柱之間的區(qū)域能夠被全部有效利用，將駕駛室前風(fēng)窗玻璃設(shè)計為弧形結(jié)構(gòu)。如圖7所示，左右寬度由優(yōu)化前的1 308 mm增大到1 646 mm，從而將玻璃陰影區(qū)由原來的在左右A立柱之間向外側(cè)移動到A立柱前方。通過在駕駛室骨架前部增加兩個弧形橫梁將前風(fēng)窗玻璃與骨架連接。為保證駕駛室整體安裝空間保持不變，弧形前風(fēng)窗玻璃相對A立柱僅突出75 mm，不超出駕駛室安裝底板前平面。

圖7 優(yōu)化后前部結(jié)構(gòu)

由于前蒙皮相對骨架向前突出75 mm，為消除該部分的視野損失，將儀表臺和座椅均前移75 mm。

3.3 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)分析

以駕駛室前端底板中心為坐標(biāo)原點，座椅參考點坐標(biāo)為R(1 411.6，-286，454.5)。

相應(yīng)的視點坐標(biāo)為：V1(1 479.6，-291，1 119.5)，V2(1 479.6，-291，1 043.5)，P1(1 398.6，-306，1 081.5)，P2(1 426.6，-239，1 081.5)。

根據(jù)前視野相關(guān)測量方法，對改進(jìn)后的駕駛室進(jìn)行分析。如圖8所示，前風(fēng)窗玻璃基準(zhǔn)點連線所包圍的面積均在前風(fēng)窗透明區(qū)域內(nèi)。駕駛員側(cè)A立柱雙目障礙角為6.5°，乘客側(cè)A立柱雙目障礙角為5.9°，駕駛員視野有了顯著提升。

圖8 優(yōu)化后駕駛室前視野

對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖9所示，優(yōu)化后的駕駛室骨架強(qiáng)度滿足ROPS要求[7]。

圖9 仿真分析受力云圖

4 結(jié)束語

本文基于汽車人機(jī)工程學(xué)中關(guān)于駕駛員前視野的設(shè)計要求，對現(xiàn)有礦車駕駛室前視野進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計：

1)通過對駕駛室A立柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，在保證駕駛室強(qiáng)度的同時，減小A立柱雙目障礙角。

2)將前風(fēng)窗玻璃結(jié)構(gòu)由平面結(jié)構(gòu)優(yōu)化為弧形結(jié)構(gòu)，從而增大了駕駛室前視野范圍，保證駕駛員行駛安全。

由于受ROPS駕駛室骨架性能要求和現(xiàn)有內(nèi)飾結(jié)構(gòu)限制，優(yōu)化后的駕駛室前視野仍不能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，在后續(xù)全新駕駛室設(shè)計時，將著重考慮無A立柱ROPS駕駛室的開發(fā)，充分保證駕駛員的前方視野。