舒鑫装载机模拟器驾驶室结构及仪表盘设计.docx

摘要
工程机械模拟器是一类为培训合格装载机驾驶员减少成本、减轻人力财力物力负担、提高效率的一种机器。
根据装载机模拟器的功能要求和外观质量要求，本文介绍了装载机模拟器的驾驶室结构设计，包含了驾驶室内部各个功能元件，例如操纵机构、座椅、代替真实车窗的显示器、仪表座等。其中仪表座，以及仪表盘的设计是本文的重点，文中将对各个功能元件的外形进行设计，仪表盘的固定装置及其安装为首要任务。最后，为设计好的仪表盘设计控制系统，其中将包含真实装载机的仪表类型，以达到更好的真实模拟效果。

关键词：装载机模拟器；真实模拟；驾驶室结构；仪表盘设计；控制系统

Abstract

Construction machinery simulator is a class loader for the training of qualified pilots to reduce costs, reduce the burden of human and financial resources to improve the efficiency of a machine.
According to the functional requirements of the loader simulator and appearance quality requirements,this paper describes the structural design of the loader cab simulator, including the cab interior various functional elements, such as the control mechanism, seat, instead of the real window displays, blocks and other instruments. The instrument seat, and dashboard design is the focus of this article, the article will outline the various functional elements were fixtures designed dashboard and install priority. Finally, in order to design a good dashboard design control system, which will contain the true instrument type loaders, in order to achieve a better realistic simulation results.

Keywords: Loader simulator; realistic simulation; cab structure; instrument panel design; Control System

目 录

第1章 绪论 1
1.1 课程设计名称 1
1.2 课题背景 1
1.3 装载机及模拟器国内外发展及其应用 2
1.4 基于步进电机设计仪表及其特点 4
1.5 研究内容 4
第2章 装载机模拟器驾驶室结构设计 7
2.1 设计要求 7
2.2 装载机模拟器驾驶室结构分析与设计 8
2.3 显示器选择及固定装置设计 11
2.4 驾驶室模拟器底座的设计 12
2.5 仪表座及工程座椅设计 13
第3章 仪表盘总成设计 16
3.1 装载机仪表的组成 16
3.2 仪表盘模型及仪表固定装置拟定 18
3.3 总成设计 20
第4章 基于步进电机的仪表盘设计 22
4.1 步进电动机概述 23
4.2 步进电机的驱动 25
4.3 控制系统总体设计 26
第5章 结论与展望 35
5.1 全文总结 35
5.2 课题展望 35
致谢 37
参考文献 39

第1章 绪论
1.1 课程设计名称
装载机模拟器驾驶室设计
1.2 课题背景
随着社会经济的蓬勃发展，城市规划及建设的进程日益加快，装载机是工程建设中必不可少的工程机械，随着装载机的需求增加，装载机驾驶员的需求量也在增加。然而，由于装载机的工况复杂、驾驶装载机要兼顾工作装置的状态以及车身的状态、同时工作过程还有一定的危险性，这使得培训一名合格的装载机驾驶员成本巨大、困难重重。设计一种装载机模拟器，可以解决在培训装载机驾驶员过程中的诸多问题。它可令学员尽快掌握理论知识和基础操作技能，使学员的心理素质和应急能力得到综合训练；节省实际上机训练时间，减少学员真机训练时的意外事故。装载机模拟器占地小、耗能低、不受环境制约却可模拟任何极端工况，有效减轻了装载机驾驶员培训时日常运作的人力、物力及财力负担，提高培训效率、节约培训成本。
本文所研究的装载机驾驶室应用于大型特种车驾驶模拟训练系统中，与液压运动平台一起构成运动模拟系统。所谓模拟系统就是以假乱真，让实际身处模拟驾驶室的驾驶员在操纵过程中所见-路况、仪表及周围环境等，所闻-周围音响效果，所感-驾驶操作以及随之的路况变化等皆与实际生活中驾车行驶无异，非常逼真，从而达到跟真刀真枪一样的训练驾驶效果，而实际所花的人力、物力、财力大大减少，训练成本降低，并且模拟驾驶训练对实际环境、天气的变化也不敏感，同时也具有很好的人机系统特性。
在驾驶室设计中可用显示器代替可视玻璃窗来为驾驶员呈现实际操作时所能看见的周围环境，之后的仪表设计通过仪表指针及仪表数值的变化又为真实的工作情况带来更好的呈现效果，这将使模拟系统更加完善。

1.3 装载机及模拟器国内外发展及其应用
近年来，国内外装载机的发展主要是提高工作效率、降低使用工作成本，紧接着向大型化、微型化的方向发展，在不断努力下，推出新产品，加速装载机产品的更新换代。近代以来，微型电子科技技术有了突破性的进展，这使得轮式装载机能都实现自动化控制、监测及在可视范围内的远程控制技术。同样的，装载机模拟器的发展也随着装载机的发展有了全新的突破，随着城市建设进程的日益加快的发展，装载机是工程建设中必不可少的工程机械，随着装载机需求的增加，高端人才的需求量也在增加，因此，装载机模拟器的存在是非常有必要的，装载机模拟器占地小、耗能低、不受环境制约却可模拟任何极端工况，有效减轻了装载机驾驶员培训时日常运作的人力、物力及财力负担，极大的提升了培训的效率。
u 卡特彼勒公司：cat966f轮式装载机，时隔1年又推出全新一款轮式装载机，这次更新增加了铲斗，改进的性能，更高的可靠性。不久后推出的一款大cat994开轮式装载机，这取决于材料的质量和可选的铲斗18-30M的体积，整机重量170吨;后来装上涡轮增压柴油发动机冷cat3516牵引，良好的加速性能;较长的工作热潮增加了卸载高度，能够加载218吨大型自卸卡车装载。
u 马拉松·勒图尔勒（marathonletourneau）公司：在1990年和1994年发射的基础上l1000 l1800 l1400和装载机。1998年9月在美国图森(Tucson)laogding2000年会举行,该公司正在开发一个水桶的容量。20.4 l1350轮式装载机将投放市场150 - 200 吨负载自动倾卸卡车负载。De Leise(化妆师)公司在1990年代初推出4000装载机斗容量10 - 30立方米,重量151.8吨,与液压传动系统、大功率,敏感按钮控制模块结构、z形单辊臂操作手段和优化整体结构的湿式盘式制动器自动调整和自动密封。
u 日本小松公司与日本川崎重工公司：日本小松公司wa系列中小功率（小于125kw）为代表的轮式装载机采用新型集中式结构的驱动桥。它主传动，制动以及行星终传动轮都集中在桥中间，桥壳截面连续变化，内应力的温柔，分布合理，并防止车轮车轴轴承部应力性骨折根本上集中的传统结构。采用浮动密封结构，安装方便，自动补偿功能，密封性能好轮结束。结构设计合理，少基本部分，良好的技术，良好的性能和高可靠性。日本川崎重工公司kld97ziii轮式装载机自动变速器的换挡控制，根据工作条件E装载机自动选择最佳的齿轮，用电脑控制的离合器，以简化操作，提高运营效率，减少影响实现平稳换档，电子控制装置，传感器和其他可靠，一旦控制系统发生故障时，可用手动变速器，不影响工作。

新型轮式装载机司机室的设计充分考虑了人的生理需求，对仪表位置排列、操作手柄和踏板、司机座椅、能见度、防噪和隔振、温度调节等均符合人机工程学，使司机在舒适、轻松、安全环境下操作，提高工作效率。如卡特彼勒轮式装载机的司机室设有微机监控装置和可调悬挂式座椅，先导液压阀操纵铲斗控制手柄及流量放大转向系统等，使操作轻便、灵活，采用防滚翻保护结构（rops）和落体撞击保护结构（fops）符合iso标准要求。卡特彼勒开发的电子监控（ems）系统对轮式装载机主要系统出现故障或潜在问题提出警告和显示，有三种不同的警告级别和信号，每种信号表明系统的状态和司机应采取的适当措施。
1.4 装载机模拟器及其特点
装载机模拟器设备硬件由驾驶座椅、方向盘、计算机处理器、视屏显示器、工作装置操作杆、传动装置操作组件、底座平台、数据采集卡及各种功能控制按钮组件等组成。模拟器的操纵杆件采用与真实装载机相同的操作构件，使得模拟器所具备的操作功能和反馈给操作者的感觉与驾驶一辆真正的装载机几乎没有差别，最大程度保证模拟器的“沉浸感”和“交互性”。在模拟操作过程中，由驾驶员操作各种操纵机构，将其输出的物理量（如方向盘的转角、操作杆的行程等）通过各自的传感器的信息采集，传感器将采集到的信息转化为电子量传给单片机，经过AD 转换后发送给计算机控制系统进行处理。计算机控制系统生成相应的装载机工作状态及视频图像，由显示屏体现回馈给驾驶员。目前国内一些制造商生产的模拟器几乎都只安装了正对着驾驶员的一块显示屏，驾驶室的视角较为固定，在视觉上很大程度限制了在实车中所能体验到的全方位视景，而且驾驶员在操作过程中不方便观察车辆左右方及后方的工况。为了解决因驾驶员视角缺陷造成的操作失误，逼真再现各种工地的工作环境，使得场景元素更加丰富，装配全方位的显示屏，从原来的一块显示屏增加为四块非常有必要。
1.5 研究内容
本文的主题是模拟装载机驾驶时及仪表盘设计，其主要研究内容包括以下四个部分。
1) 驾驶时结构。驾驶时结构应包括底架、主机控制器、金属外壳、工程座椅、操纵杆、方向机以及各种支承装置。
2) 显示器选择。装载机模拟器仿真系统的真实视景系统需要实时地提供与工作过程对应的连续的驾驶室外景，包括运动着的路面、工作机构、运料车、工地场景等等。
3) 固定装置设计。主要是对结构设计的补充，将各个部分合理的布置并紧密地衔接在一起，达到结构紧凑、使用方便、外形美观的目的。
4) 仪表盘设计。装载机仪表盘上应具有机油压力表、机油温度表、气压表、水温表、变速油压油温表、积时表等等。在本设计中，采用步进电机驱动仪表显示。整个系统的核心是单片机。

第2章 装载机模拟器驾驶室结构设计
2.1 设计要求
驾驶舱框架尺寸：宽1420mm 高1540mm
底面长1500mm 顶长1160mm
驾驶舱内部具有仪表座、仪表盘、工程座椅、操纵杆、方向机、多功能控制键以及各种支承装置，外形设计与相互之间的位置分配需要充分考虑人的生理需求，对仪表位置排列、操作手柄和踏板、司机座椅、能见度、防噪和隔振、温度调节等均符合人机工程学，使司机在舒适、轻松、安全环境下操作，提高工作效率。
1) 驾驶室要有开阔的可视范围以及符合审美的外观，具有一定的审美价值。各个结构的比例符合人机工程学及审美学要求。
2) 具有一定的结构形式或措施，以保护驾驶员的人身安全，主要是指防倾装置。
3) 驾驶室内部空气流通，温度适宜。
4) 具有隔热、减振及降噪功能。
5) 具备足够的刚性和强度。

2.2 装载机模拟器驾驶室结构分析与设计
2.2.1 外部框架分析及造型设计
图2.1 .装载机驾驶室外部框架结构示意图
轮式装载机驾驶室的造型要求挺拔、稳重、简洁、协调。因此，造型是以直线为主，局部小圆角过渡，体现挺拔有力的特点。几何外形应选择梯形形态、塔状结构，使其中心降低而获得稳重的视觉感。局部进行特殊设计，如直线相交处的斜线、门窗玻璃之交出的圆角过渡曲线等极其自然的与直线主调形式形成呢个对比，既丰富了造型，又坐到了变化与统一的协调、整体与局部的平衡。
在比例尺寸设计上，出了满足功能与结构需要外，应主要考虑人机因素，参照人机工程学的审美学进行选择（参考有关标准）。
图2.1是装载机驾驶室外部框架初始模型，在框架的左侧设计一个可以方便出入的门形结构，框架的右侧所留出的空间较大是为了方便显示器安装后能够将两个显示器间的空隙掩盖掉，这样可以实现更为真实的驾驶视景，这里不做详细说明，后续会做更细致的陈述。左右两侧都预留了一个空间方便显示器的安装。
由于驾驶室前窗是有一定倾斜度的，所以框架的前窗也做了相应的结构设计，为前窗显示器的安装预留空间。框架的后方会象征性的安装一台显示器，以更好的实时的体现出驾驶员在操作时的真实感。
2.2.2 框架刚性与强度设计及尺寸的初步确定
驾驶室属薄板类结构件，通常采用以下方法增加其刚性和强度。
1) 箱形结构 驾驶室骨架的主要立柱、横梁采用箱形断面或者方刚，如图所示。

图2.2 箱形结构类型图
2) 加强肋 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形。
5) 变形薄板 如驾驶室顶部采用冲压成波浪形状的薄板。
由本设计的要求可知宽1420mm,高1540mm,底面长1500mm,顶长1160mm.考虑到驾驶员的舒适性，以及整体结构的紧凑性，我们将外形尺寸稍作加大，这主要是弥补各类部件安装时所占用的空间。
实际上装载机驾驶室的重量在1400kg左右，而本设计中的框架因为要安装显示器的原因选择的尺寸较大，因而这里采用的是空心杆，整体焊接而成。这里将框架各个杆界面尺寸初定为边长60mm的正方形，厚度5mm，以方便后续各部分校核计算。
2.2.3 装载机车门的确定

图2.3门把模型 图2.4门栓模型

图2.5驾驶舱舱门
根据总体框架的尺寸，本设计初选车门尺寸为长1480mm宽1036mm，这样设计为车门与框架之间留下了足够的空隙，以便车门的转动装置的安装。门把的长度设计为500mm，并且其位置偏下侧，这与实际装载机的情况相符。

2.3 显示器选择及固定装置设计
针对之前的框架，本设计一共有四个显示器，前后显示器可以选择相同的尺寸，左右显示器的尺寸相差较大，都需要独立设计尺寸。

图2.6显示器1

图2.7显示器2

图2.8显示器3
根据之前的框架，左侧显示器1的尺寸为长940mm宽700mm，右侧显示器2尺寸为长1400mm宽880mm（约8kg），前后显示器3尺寸为长1300mm宽940mm。
考虑到显示器的尺寸较大、重量较重，这里要对显示器的固定装置做相应的校核。显示器的固定由焊接在框架上的外缘边框以及显示器的后座完成。显示器镶嵌在边框里，并在后座上做四个螺纹孔(初定为M12)使其固定在框架上。

图2.9显示器固定装置
2.4 驾驶室模拟器底座的设计
在本设计中，对驾驶室底座的要求有：
1) 尺寸要与前面所设计的总体框架相适应。
2) 足够的刚度强度等条件，来支撑整个装载机模拟器。
3) 足够的内部空间来放置传感器、控制机等电子类元件，并为这些元件留有足够的散热空间。

图2.10驾驶舱底座
上图是驾驶室底座的模型，长宽均与总体框架相吻合，高度为420mm。这样的高度为底座内元件设备的安放和安装提供了足够大的空间，同时整个底座为非封闭式的结构，为电子元件的散热提供了条件。
2.5 仪表座及工程座椅设计
2.5.1 设计要求
仪表座上拥有驾驶室内几乎所有的元件，包括各类仪表、多功能按钮、显示类设备、操纵机构等，这些元件的设计和布局安排将影响整个驾驶室模拟器的真实性以及审美效果。因此需要从人机关系学和审美学角度对这部分进行设计。具体要求如下：
1) 仪表座的总体尺寸需要与底座及框架相吻合。
2) 表座底部与座椅之间留有足够间隙，尤其是方向盘与座椅的距离一定要适宜，以便驾驶员能够方便舒适的操纵整个系统。
3) 为仪表的安装留有便捷的空间，并且整体的内部要留有仪表盘与底座电子元件的接线空间，相关电子设备（如方向盘角度传感器）的安装空间等。
4) 结构拥有足够的刚度和强度，使得驾驶员在操作操纵机构时不至于产生不适感。
2.5.2 材料选择
对应于前文所选缸筒与缸底焊接的连接方式，本文中选择焊接性能较好的35号无缝钢管。
2.5.3 仪表座尺寸的确定
仪表座所涉及的内容较多，在仪表座上需要安装各类仪表、多功能按钮、方向盘、指示灯以及其他操纵机构及功能性元件，因此，其尺寸需要考虑到多方因素。
首先，就整体尺寸而言，本设计将仪表座的前方与外部框架相接，两侧留有足够间隙，地面通过固定螺栓安装在底座上。其次，表座内部有一定程度中空，给电子设备之间接线留足空间即可。

图2.11
综合上述要求，初步确定尺寸，仪表座地面尺寸为长860mm宽320mm,高度为400mm，顶棚高度250mm，仪表板安装处的尺寸如图所示。

图2.12仪表板安装处尺寸示意图
工程座椅也是驾驶舱的重要组成部分，本设计从整体的空间布局和审美角度作充分考虑，在设计座椅的过程中，对于座椅到每一个操纵机构的距离做出合理选择。人们开始追求高品质的舒适生活,于是按照人体工程学设计的产品也就越来越受到大众的欢迎。人体工程学的产品也就成了现代社会人们追求的目标。先以汽车座椅为例,人体工程学的家具并不是人们头脑中所想象的仅有数据符合的座椅,它还包括除了人体生理数据之外的很多因素。它的设计原则除了常见的尺度设计原则,人体机能和环境设计原则,健康设计原则外还应该讲求黄金分割比的设计原则。并指出在这些原则的指导下好的人体工程学座椅是功能与美学相结合的产品,可以为人带来身心两方面的享受。
座椅高度400-440mm,座椅前段与仪表座的距离如图所示。

图2.13座椅模型及其与仪表座间距

第3章 仪表盘总成设计
3.1 装载机仪表的组成

图3.1国内现有的装载机仪表盘
l 变矩器油温表
一般工况下，装载机变矩器的出口油温应为80~110℃，一般不应超过110℃。一般路况下中速行驶3~4小时，装载机变矩器 油温表应维持在70~80℃左右，最佳工作油温约为85~95℃。如果油温低时装载机工作正常，而油温过高时装载机行走无力，表明是传动油液粘度过低所致。如果油温过高，通常有以下几种情况：
①　 操作不当引起油温过高 发动机油门操作不当影响变矩器传动效率。操纵装载机作业 或行驶时，如果长时间使用小油门或大油门工作或行驶，会造成 变矩器长时间在低效率区域工作，损失功率部分将转变成热能 使油温升高。另外，变矩器连续高负荷工作时间太长也会引起油温过高。此时，只要做适当休息即可。
②　 所用的液力传动油的牌号不符或不同种类的油液混用 装载机应选用6号液力传动油，其粘度为4~5mm2 /s(50℃时)。如果油液的粘度太大，会使泵轮射向涡轮的油的速度降低，增大功率损失，同时也会增大变矩器和涡轮的搅油损失，而使得油温升高;如果油液的粘度太小，泵轮和涡轮传递动力的效率降低，功耗转化为热能，也会使油温升高。
③　 检查变速器油位 如果油位过高，则是由于工作泵、转向泵串油所致，应更换工作泵或者转向泵油封。
④　 变矩器散热器冷却效果不好 装于发动机前部的变矩器油液散热器位于水箱后部，依靠发动机风扇冷却。如果发动机水温过高，也会影响冷却效果。如果散热器表面被油泥覆盖，也会影响冷却效果。因此，必须定期对发动机水箱及变矩器散热器进行外部清洗。

l 制动气压表
装载机通过气推油来实现刹车，需要压缩空气，气压表将压缩空气的气压显示出来。出现故障时可能的原因有：a)管路漏气;(b)气泵工作不正常;(c)单向阀锈蚀、卡滞;(d)油水分离器放油螺栓未关紧或调压阀漏气。
故障排除方法：首先应排除管路漏气，再检查气泵工作状态。将气泵出气管拆下，用大拇指压紧出气口，若排气压力低，说明气泵有故障。若气泵工作状态良好，再检查油水分离器放油螺塞或调压阀，避免旁通，通过检查排除故障。最后再检查三通接头中的两个单向阀，单向阀卡滞会造成储气筒不能进气或进气缓慢。

l 发动机水温表
l 发动机油压表
l 积时表
以控制装载机每次的作业时间，降低故障发生的概率，增加机械的使用寿命。
3.2 仪表盘模型及仪表固定装置拟定

图3.2国内现有的装载机仪表盘

由于本设计的内容为装载机模拟器的仪表盘设计，在这里将要设计的仪表盘将由变矩器油温表、制动气压表、发动机水温表、发动机油压表共四个仪表组成，积时表等其他仪表在模拟器中可有可无，为了设计简便，这里把它们省去。
本设计所选的固定方式为螺栓螺纹连接，如图，即采用螺纹将仪表固定在仪表盘的壳体上，再将仪表盘壳体通过螺栓连接到仪表座上，从而完成整个设计目的。

图3.3仪表盘壳体

仪表模型，这里用圆柱体代替仪表模型，它的固定装置如图所示：

图3.4仪表及其固定装置

3.3 总成设计
综合以上两小节，把仪表都安装到仪表盘壳体上，再另行设计一个仪表盘面板（薄板件）将固定装置等遮挡，以更显美观，它通过玻璃腻子安装在仪表盘壳体壁上的凹槽内。最终的总装图如图所示：

图3.5仪表盘装配总成

第4章 操纵机构的设计
4.1 装载机操纵机构设计理论
4.1.1操纵机构设计的原则
目前工程机械设计主要参照JB3683-84《工程机械操纵的舒适区域与可围》[19]进行设计，东北大学的黄英，张以枕发表的《人机工程学在工程机械司机室布置与设计中的应用研究》[20]则已经将车身设计中的人体布置加以应用到了工程机械中，对如何以操作者为出发点，根据人机工程学的原理对驾驶室操纵杆、脚制动及油门踏板、仪表盘、方向盘等驾驶室内部设备的结构布局做出了研究，采用了5th 和95th 百分位的人体尺度观测值来制作人体模型：第5 百分位，表示在人群中有5％的身材小于或等于这种尺寸，其余95％的身材大于此值；第95 百分位，它同样表示，在所有人中有5％的身材大于这种尺寸，其余95％的身材小于这种尺寸。在设计中，把第5 百分位的人体尺寸作为结构设计的下基准，95th 的尺寸作为结构设计的上基准。驾驶室按照此标准设计基本可以适合九成操作者的要求，也让驾驶室的结构设计和布局有了标准，方便统一互换。操纵构件设计的一般原则[21]是：
(1) 操纵构件应基于驾驶员的生理结构及特点，方便大部分操作者的运用，例如所需操纵力的大小、行程的大小、速度的快慢等，都需依照操作者的较低能力来设计。
(2) 操纵件的行程方向要与机体运行状态相一致，跟随操作者的习惯。如方向盘的旋转方向与装载机的行车方向要协调。
(3) 操纵件比较容易辨认。不管进行什么样式的排列，操作顺序的布局，数量多少，都应使所有操纵构件能够快速直接地被驾驶员识别出来。
(4) 尽可能借助驾驶员身体部位的重量或者利用相对较为自然的动作来操纵，对于使用频率较大或连续操作的动作，要使肢体部位施力均匀，从而减轻操作者的疲劳和乏味厌倦感，避免应力过于集中在某一局部。
(5) 可设计结构简化、具有多功能的操纵构件。
(6) 操纵杆的结构设计，尺寸大小合理，结构简单，形状简洁实用，给驾驶员提供一个轻松舒适的环境。
4.1.2操纵机构的操作有效性
由于装载机的特殊作业环境和作业功能要求，其操纵机构系统与普通车辆不尽相同，如动臂操纵杆、铲斗操纵杆等就是装载机操纵机构系统所特有的。这些操纵机构的操作有效性直接影响到装载机人机系统的作业效率等性能。这要求装载机操纵机构的设计要充分考虑驾驶员的身体结构特点，如操纵机构所需的操纵力大小、速度快慢等，应该依据驾驶员的较低能力来设计。操纵构件的行程方向要争取做到和装载机部件的运行一致[23]。例如，当向后拉铲斗操纵杆时铲斗的运行方向应为向上收起。

表4-1 部分操纵构件的施力选择

表4-2 转动操纵杆件的最大施力

3.2方向盘系统设计
方向盘是控制装载机行驶方向的重要操纵器，位于驾驶员的前方，它可以单手操作，也可以双手操作，又可以自由连续旋转，符合人们的操纵习惯。为使方向盘能被驾驶员方便的握持，其轮缘上一般有凸起，断面有圆形或椭圆形。目前装载机的方向盘通常设有三辐和两辐，如图3-1 所示。其中三辐方向盘便于操作者抓握，方便操作者进行大幅度的转向操作，且轮辐、轮毂比两辐的小，在仪表板上形成的盲区也相对较小。

图4-1 某型号装载机的方向盘（照片）
方向盘的安装倾角对操作者能够施加到方向盘上力的大小有直接关系，通过实践证明，其安装角度α越小，即方向盘越平缓，驾驶员能够施加到方向盘的力也就越大。通常一些工程车辆方向盘的安装角度一般选择15°～70°，如图3-2 所示。不宜选在水平和垂直两个位置，这两个位置都不能满足人的操作。由装载机工作的特点、坐姿的舒适性，选取安装角为70°。

图4-2 方向盘上的力与其安装角度的关系
方向盘选择合理的直径能使操作者操纵方向盘的姿势更加舒适，且可以减小操纵力，从而减轻驾驶员的疲劳。一般方向盘直径取值范围为140～620mm。方向盘直径越大，操纵力越大。装载机需较大的操纵力及现有的方向盘直径基本能满足操纵的需要，方向盘的直径取420mm。根据此要求，本课题方向盘轮缘的直径取25 mm。为增加安全性，便于操作者手握且在需要大幅度的转向时能够更快速的抓到轮缘，方向盘的轮辐设计成三辐的形式，如图3-3 所示。另外，为便于驾驶员在操纵工作装置时能方便及时的转向。在三辐的方向盘上还设置了助力转向手柄，该手柄也按人机工程学舒适的要求来设计的。

(a) (b)
图4-3 方向盘结构设计
在装载机实车装置中，方向盘系统是由方向盘、方向盘转轴、万向节组成的，通过齿轮齿条结构使得方向盘的回转运动转换为转向轮的横向运动。而在本课题的装载机模拟器装备中，方向盘系统可以做一些简化：拆掉齿轮齿条结构及万向节，方向盘转轴底端直接与传感器连接，用角位移传感器检测出方向盘的转角，输出的电信号传给单片机，通过电脑模拟出与实车转向相一致的动作。在方向盘转轴的结构设计中，为简化结构，且考虑到模拟驾驶室的布局，转轴通过轴承与套筒连接，整个方向盘系统通过套筒上的固定板固定在驾驶室框架上。保持套筒与转向轴、传感器与转向轴之间的同轴度。为了获得与实车方向系统更逼真的操作感觉，设置一个自动定心装置，可以方向盘回转具有一定的阻力并且在转向以后能够自动回正。自动定心动作通过在模拟器框架上配置具有弹性的螺旋弹簧来实现。其结构如图3-4（b）所示，当操作者转动方向盘，转向轴的转动会使橡胶带绕在转向轴上，从而引起相对于中间位置的偏差，弹簧会施加相对的偏压来使模拟器回正到中间位置。当操作者终止操作施力时，即通过释放方向盘，转向装置会自动地回正到它们中间位置，从而使得装载机能再次按照直线行驶。

（a）整体视图 （b）局部视图
图4-4 方向盘系统
3.3装载机操纵杆设计
3.3.1 操纵手柄分析
装载机的动臂操纵杆和铲斗操纵杆分别控制着动臂的升降和铲斗的收放，其操作方便性对整个装载机的作业效果有重要意义。对手柄的要求是握住使手掌不胀痛，施力容易，不轻易滑脱。手柄的结构和尺寸需要参考驾驶员手的结构特征来设计。通常掌心是整只手肌肉最少的部位，其施力也就较小。所以在手柄的结构设计时，最好使其没有完全的与手的握持部分贴合，尽量避免与掌心接触。当驾驶员用手握住把手时，掌心应该留有空间或间隙，以免长时间压迫产生疲劳。
所示，其中球形结构的手柄最适合用在行程角度超过30°的操纵杆中，因为回转间距较大时，能够保证手握的结合面始终一致。圆锥形结构适用于行程角度在30°之下的操纵杆。另外，图3-5 中(b)，(d)，(f)的手柄形状，在手握的时候，掌心与手柄端部的接触范围过大，操纵效果不是太好，只用于作为瞬间和受力较小的操纵手柄。考虑到装载机通常作业的环境恶劣，振动颠簸大，操作者需频繁的操纵手柄，所以最适合采用图3-5 所示中(a)、(c)和(e)的结构。

图4-5 造型合理的手柄
手柄的一般不应设计的太细，否则容易导致肌肉紧张和疲劳。操纵杆的手柄直径通常选择在22～32mm 之间。本课题中设计手柄的下端为22mm，上部为常见操纵杆手柄有圆柱形、锭子形、球形、锥形、梨形等形状，如图3-5
32mm，手柄的长度为560mm。手柄的前后转角10°。通过参考ZL50 型装载机操纵手柄的结构，本课题设计的动臂操纵杆和转斗操纵杆手柄结构如图3-6 所示。手柄通过螺纹孔与操纵杆连接，方便加工和拆卸。

图4-6 动臂、转斗操纵手柄
3.3.1 操纵杆形式分析
装载机动臂操纵杆和转斗操纵杆主要是用来控制动臂的升降和铲斗的翻转。不同类型的装载机其操纵杆形式也不一样。操纵杆的自由端通常安有把手，而操纵杆的另一端和被控制构件联接。根据操纵杆的功能需求，可以设置杠杆比来设计具有较大阻力的操纵杆。如图3-7 所示，操纵杆可用于在某个平面内的前推、后拉动作。通常设计为前后、左右摆动。因为会受到行程和角度的影响，而且操纵杆的轴向尺寸较大，通常不应该出现较大幅度的连续控制，同时也避免做较为精细的调节。

图4-7 操纵杆
（1）操纵杆的形状和尺寸：其直径通常选择20～35mm，球形把手的直径一般选择32mm。如果在操纵杆上安装手柄，手柄不能过细，否则会使手掌的肌肉紧张，不利于进行长时间的操作。频繁使用的操纵杆手柄的直径通常选为20～35mm，且通常大于8mm。操纵杆的轴向尺寸与其使用次数有直接关联，杆件越长，操作频率越低。当操纵杆长度为30、40、60、100、140、240mm 时，对应的最高频率应分别为25.5、26.5、28、27、22、19.5min-1。
（2）操纵杆的行程和转动角度：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以完成操作。对于短操纵杆（150～250），行程约为150～200mm，左右转角不大于45°，前后转角不大于30°；对于长操纵杆（500～700mm），其行程大概是.310～360mm，转动角度通常是.10°～15°。一般角度设为30°～60°，不超过90°。
（3）操纵杆的布局：当操纵力相对较大并且采用站姿进行操作时，把手最上端的位置一般和驾驶员的肩膀高度一致；而在装载机的设计中，也是采用坐姿进行操作的，把手的位置.和操作者的肘部高度一致。

图4-8 某型号装载机操纵杆
ZL50.型装载机操纵杆的形式：
① ZL50.型装载机操纵杆有两个，即动臂操纵杆.与铲斗操纵杆。
② 控制铲斗翻转的操纵杆略短于控制动臂升降的操纵杆，铲斗操纵杆长度一般为560mm，动臂操纵杆的轴向尺寸为.570mm，动臂操纵杆与.铲斗操纵杆的间距为100mm。
③ 操纵杆的手柄为球形。
本课题设计的操纵杆结构如图3-10 所示（本课题设计的动臂操纵杆与转斗操纵杆结构大体一致，只给出动臂操纵杆的模型及相关图纸）。动臂操纵杆操作行程为推拉式，向前推动臂收缩，向后拉动臂伸长；转斗操纵杆向前推转斗下翻，向后拉转斗上翻。铲斗静止时两个操纵杆在中间复位。为了仿真动臂操纵杆和转斗操纵杆的档位感觉，装备一个置有弹簧的档位限制槽，档位槽设置三个档位，换挡时搬动操作手柄，操纵杆底端挤压弧形档位槽，弹簧压缩，档位槽下移；操纵杆搬到对应的档位时，档位槽向上弹起，并限制操纵杆以免超出行程。传感器接在操纵杆底端，随着操纵杆的摆动测出其位移，并将信号传给单片机，模拟铲斗做出相应的动作。动臂操纵杆和转斗操纵杆固定在模拟器驾驶.室底板上，传感器和档位限制槽固定在底板下面的空间里。

图4-10 动臂操纵杆（局部）
3.4脚踏板设计
3.4.1 脚踏板的形式分析
装载机的脚踏板可分为制动踏板和油门踏板，分置于仪表立柱的两侧。不同型号的装载机，踏板布局、.结构也会存在差异。在同等的条件下，不同形状尺寸的脚踏板.，效率也有差异。图3-11 所示的各种类型的脚踏板中[4,23]，按图中编号（a）～（e），在1 分钟内，他们对应的使用次数分别是188，178，176，140，171。结果表明，踩踏一次，（a）所示的踏板用时最短，（b）、（c）、（e）所需的时间较多。（d）结构踩踏踏板花费的时间最长，比（a）结构的形式多耗时约35％。所以设计采用3-10(a)表示的脚踏板结构。

图4-11 各种形式踏板操纵效率的比较
3.4.2 踏板结构设计
踩踏踏板的施力和行程通常较小，所以引起操作者腿部操纵疲劳的最大因素是踩踏次数过多.和踏板安放角度φ过大（如图3-12）。频繁踩踏踏板是工作的需要，只有合理的设置踏板装置角φ，使驾驶员的踝关节处于舒适位置，才能减轻疲劳。操作者踏在踏板的平面和驾驶舱底板面的夹角.即踏平面角θ会严重影响踏板的安放角度φ。图3-12 所示为脚踏板所在面与踏平面二者之间的关系。脚跟落在驾驶舱地板上，脚底与踏板接触，θ 与ϕ 相等，支持点即为踵点。
合理设计施力点和踏板角度，为操作者提供一个舒适、轻松的工作环境。具体讲，在装载机需要加速或制动过程中，腿部和脚踝处的相关角度需选择舒适角度范围内。如图3-13 所示，在初始位置，脚掌与小腿关节角的夹角一般为85°左右，踩踏后人体关节舒适的运动行程为10°左右，也就是踩踏后脚掌与小腿的夹角为95°。在此角度变化的区域之间设置脚踏板，对驾驶员频繁踩踏踏板好处非常大的。

图4-12 脚踏板与踏平面

图4-13. 操纵脚踏板时.小腿与脚面的夹角
SAEJ1516.给出了踏平面角的经验公式：
θ = 78.96- 0.15Z-0.0173Z2 （3-1）
式中：Z 为H 点距踵点的高度，单位cm。当Z =38cm（本设计中H 点距踵点的高度为 38cm），θ = 48.3􀁄在踏平面上，把离踵点203mm 的点称为踏点也就是拇指基准点（图3-13）。
此点即为控制踏板的施力点。踏板与垂直面的夹角α的大小是影响施力的重要因素[15]，从图3-12 的踏板角度与踏板的操纵力关系可以看出，α 从15°变到35°过程中，无论腿处于自然放平或者处于垂直位置，脚都可以施加一个较大的踏力。脚踏板和垂直面的最优倾角α 一般取值为30°。

1－地面到眼睛距离为910mm；
2－地面到眼睛距离为990mm；
3－地面到眼睛距离为1040mm；
图4-14 .踏板角度与脚最大操纵力的关系
因为：α +ϕ = 90􀁄 (3-2)
当α = 30􀁄时，ϕ = 60􀁄
当α = 40􀁄时，ϕ = 50􀁄
当α = 42.7􀁄时，ϕ = 48.3􀁄
因为驾驶员经常把脚掌置在踏板上，θ =ϕ =