吉林大学机械系统设计实例--第5章操纵系统设计

第五章操纵控制系统设计第一节操纵系统概述一、操纵系统的组成操纵系统是指把人和机械联系起来，使机械按照人的指令工作的机构和元件所构成的总体。一般由下面几部分组成：1）操纵件——产生操纵力或发出操纵信号。如拉杆、手柄、手轮、捏手、按钮、按键和脚踏板等。2）执行件——与操纵部分直接接触的元件。如滑块、拨叉、拨销等。3）传动件——将操纵件的运动及其上的作用力传递给执行件。常用的传动系统有机械传动、液压传动、气压传动、电气传动等。常用的传动装置有杠杆机构、齿轮传动、蜗杆传动、螺旋传动和凸轮机构等。此外，还有保证操纵系统安全可靠工作的辅助元件，如定位元件、锁定元件、导向元件、互锁元件和回位元件等。二、操纵系统的功能1、操纵系统的功能：实现信号的转换，即把操作者施加于机械的信号，经过转换传递到执行系统，以实现机械的启动、停止、制动、换向、变速和变力等目的。2、操纵系统的要求：（1）操纵轻便省力尽量减小操纵力，以减轻操作者的劳动强度。操纵力的大小应符合人机工程学的有关规定。（2）操纵行程适当操纵行程的大小应尽量保证在人体不动的情况下，上下肢能舒适到达的范围内。（3）操纵灵活（4）操纵件定位可靠（5）操纵灵敏、效率高（6）操纵系统的反馈准确迅速（7）操纵系统应有可调性（8）操纵方便和舒适除操纵力和操纵行程要求之外，对操纵件形状、尺寸、布置位置、运动方向和各操纵件的标记、操作顺序都要符合人体状况和动作习惯。（9）操纵安全可靠三、操纵系统分类1、按操纵系统的驱动方式分类：人力操纵系统、助力操纵系统、液压操纵系统、气压操纵系统。助力操纵系统是利用机械系统中储备的能量帮助人力操纵系统。常见的储备能量有弹性变形能和液压能。2、按操纵系统的传动方式分类：机械式操纵系统、混合式操纵系统。3、按一个操纵件控制的执行件数目分类：单独操纵系统、集中操纵系统。4、按操作用手或脚分为手动操纵系统和脚动操纵系统。5.其他：借助于GPS、无线电波、光波、声波等物理效应实现操纵功能的远距离（遥控）操纵系统。装载机驾驶室内操纵装置和仪表第二节操纵系统设计一、操纵系统主要参数的确定主要参数有操纵力、操纵行程和传动比。1.操纵力Fc操纵力是操作者施加给机器操纵件的最大作用力，取决于执行件的工作阻力和操纵系统的传动比。操纵力可由下式求得：Fc=Fr/(ηic)Fr—执行件的工作阻力；ic—操纵系统传动比；η—传动效率，取0.7～0.8；下图为常接合摩擦片离合器及脚踏板操纵机构。在设计操纵机构时，若所得的操纵力计算值超过人机工程的推荐值，应设法使其减小。例如改变传动比，或把手操纵改为脚操纵。在变速箱设计时，手操纵力建议不大于150N，脚踏力不大于180N。车辆方向盘上的操纵力允许达到400N。2.操纵行程sc操纵行程是指执行件从初始位置移动到完成操纵任务时的位置，操纵件所具有的相应位移量。sc=sexicsex—执行件的行程。操纵件的移动是由人的肢体活动实现的，操纵行程的大小直接影响到人体感觉的舒适性。如前面离合器踏板行程不大于200mm；变速箱操纵手柄行程不大于80～120mm。3.传动比ic操纵系统传动比为传动件的主动力臂与从动力臂的比，其值决定于传动机构中构件的尺寸，应按在克服最大操纵阻力时所在的位置确定。新设计时，可按执行件的工作阻力Fr确定。ic=Fr/FcpFcp－由人机工程学或者经验值确定的许用操纵力。初选传动机构后，按此传动比初定各传动件的尺寸，进行结构设计。然后根据结构尺寸精确计算传动比，并校核操纵力。执行件的阻力一定时，ic大则Fc小，操纵省力，但sc大，同样会疲劳。因此，确定传动比时，要全面考虑操纵力和操纵行程两方面的问题。为此，某些机械给出了传动比的推荐值：变速箱操纵杆球形铰接支撑的以上部分和以下部分的长度比为2.5－3.5；车辆方向盘旋转总圈数为1.5－2.0圈；机床手柄的转角不大于90°。4.带助力器的操纵系统下图为带液压助力器的操纵系统。二、操纵系统的原理方案设计原理设计的任务是根据系统总体设计要求（如执行件的运动轨迹、速度和被操纵件的数目以及各执行件之间的关系等）选择操纵件、执行件和传动机构的方案，确定主要设计参数及有关几何尺寸。以图6-7凸轮传动的操纵系统为例进行说明。此操纵系统是用一个操纵件1通过二个执行件（拨叉3和6）,分别操纵二个被操纵件（变速齿轮4和5）,且操纵位置有一定的顺序关系。这是一种顺序变速的集中操纵系统。采用凸轮传动操纵系统时，其原理方案设计的要点是：1)分析执行件的运动规律，绘制凸轮的行程曲线。2)绘制凸轮理论曲线，包括确定凸轮机构尺寸和绘制凸轮轮廓曲线。3)验算凸轮曲线不同曲率半径处的压力角。4)绘制凸轮工作图。5)确定从动件的杠杆尺寸，杠杆比由凸轮升程的执行件移动距离确定。三、操纵系统的结构设计结构设计的任务是在原理方案的基础上，形成各个组成部分的形状和尺寸。如图变速箱操纵系统。（1）操纵件变速杆8为操纵件，采用球形支座结构。（2）执行件拨叉13、14、15和16为执行件。其优点是传动方式简单，占用空间小，方便布置。为提高拨叉刚度，应尽量缩短悬臂长度，加强肋，拨叉用锻件制造，用螺钉紧固在滑杆上。（3）传动件传动件一般采用杠杆系统，滑杆1、2、3（拨叉轴）为传动件，可变换2个位置，实现两种速度的变换。（4）其他结构元件为保证操纵安全可靠，在操纵系统中通常附加一些起安全保护作用的元件或装置。图6－9为汽车驻车制动器及机械传动机构布置图。四、操纵机构的定位、互锁及安全保护装置为保证机械系统正常运行和人身安全，在设计操纵系统时，操纵机构必须有可靠的定位、互锁及安全保护装置。（一）操纵系统中的自锁机构自锁机构是以一定的预压力把操纵件、执行件或中间的某传动件固定在规定的位置上，只有所施加的操纵力大于这个预压力，操纵件或执行件才会动作。例如，图6－8中的锁销12、弹簧和滑杆1、2、3上的切槽形成自锁机构。滑杆上的切槽形状有二种：半圆形和V形。棘爪13起到锁紧作用（二）操纵系统中的互锁机构操纵系统在进行一个操作动作时把另一个操作动作锁住，从而避免发生干涉，保证在前一执行件动作完成后才可使另一执行件动作。例如，车辆变速箱不会同时挂二个挡；车辆行走时应先松制动器，后接合离合器，制动时应先脱开离合器，再接合制动器。图6-12为一机械式互锁机构。（三）操纵系统的安全保护包括操纵系统中的安全保护和操纵环境的安全保护。操纵系统中的安全保护用上述自锁或互锁机构实现。操纵环境是指操作者进行操作时的工作环境。操纵环境的安全性是正确操纵的重要保证。1.操纵环境的不安全因素造成操纵失误的环境因素有机械系统的干扰、操作者的干扰和自然环境的影响。机械系统的干扰来自被操作的机械和周围的其他机械，如机械运转时零件损坏或未卡紧的工件飞出伤人或干扰操作，机械磨损和发热造成的操作失灵，机械运转时的振动、噪声、粉尘、油污、高温以及操作位置不适宜给操作者带来的不舒服感觉等。自然环境的干扰对操作安全性影响很大，尤其是室外作业的机械。温度、湿度、粉尘等会使操纵系统提前失效，并且会刺激和影响操作者的生理机能、情绪和心理状态，构成操纵不安全的潜在因素。来自操作者的不安全因素包括人体健康、心情、情绪以及由此而造成的生理和心理的不良变化。如振动和噪声使人烦噪和疲劳，单调乏味的操作容易使人困倦，过冷和过热、光线过强和过弱、风霜雨雪的侵袭等，都会使操作者感到不舒适，使操作者失去操作的耐心和分散操作的注意力。2.操纵环境的安全保护操纵环境的安全保护主要是指对操纵环境的不安全因素采取必要的安全防护措施。（1)在机械系统中加装保护装置如对机械的危险操作区实行安全隔离或加防护罩；在汽车、拖拉机、工程机械等室外工作的机械上安装驾驶室，对土方机械的驾驶室必须具有FOPS-fallingobjectprotectivestructure和ROPS-rolloverprotectivestructure功能。图6-13为桑塔纳轿车的转向柱工作原理图。在发生事故时，可减少对驾驶员的伤害。（2）提高操作者作业环境的舒适性对噪声大的地方，设置必要的隔声装置或专用的隔音室；改善座椅舒适性；保持操纵环境安静、清洁、明亮、色彩柔和与协调；车辆视野开阔；合适的温湿度，安装空调。（3）设置指示和报警装置加藤汽车起重机D475A-5CRAWLERDOZERWORKINGENVIRONMENTOperatorComfortOperatorcomfortisessentialforsafeandproductivework.TheD475A-5providestheoperatorwithaquiet,comfortableenvironmentwheretheoperatorcanconcentrateontheworkathand.HexagonalPressurizedCabComfortableRidewithNewCabDamperMountingandK-BogieUndercarriageLowSoundLevelsImprovedVisibilityinRearofBladeNewSuspensionSeatRelocatedAirIntakePortsofAirConditioner第四节操纵系统与人机工程学操纵系统是人和机械直接联系的系统，在这个系统中，人是指令的发出者，从观察周围环境或从仪表指示中得到信息，经过大脑作出判断后产生相应的动作，即操作。操作的结果使机械进入新的状态，这种新状态又从环境中或显示仪表中反映出新的信号，又可能使操作者做出新的操作。人在这个人机系统中的工作能力和方法是合理设计操纵系统的重要前提。人与机械相比，人是在人机系统中起决定性作用的。但是，人存在着体力小、反应速度不快、准确性不高、记忆力有限和易疲劳等弱点。一、人的体能参数人体是一个复杂的机体，人体的人机学参数有多方面的内容，这里主要介绍人的一些体能参数。1．站立时人的肢体能力范围和用力范围（1）站立时人的肢体的动作范围站立操作的工作范围分为最有利工作范围、正常工作范围和最大可及工作范围。图7－2表明站立时人手臂在正前方的活动范围，阴影区表示最有利的活动范围，小圆弧表示手臂的正常活动范围，大圆弧为手的最大可及范围。阴影区为最有利的活动范围，小圆弧为手臂的正常活动范围，大圆弧为手臂的最大可及范围下图表明站立时人手臂在前方不同距离和高度处的可及范围，距离越近可及范围越大。图b中的粗实线表示正常活动范围，虚线为最大可及范围，点划线为最有利活动范围。右图表明上肢活动的角度，其中图a表示上肢活动的最大角度，图b表示手操作时轻松自如的活动方向，单手操作时为侧60°方向，双手操作时为左右各侧30°方向，而正前方向是双手准确轻松操作的方向。（2）站立时人的肢体用力范围保证操作者操作时用力适度和不易疲劳，是合理设计操纵系统的前提之一。人手作用的力有握力、推力、拉力、提力、扭力和举力等，这些作用力的发挥与人体站立姿势以及操纵件相对人体的位置有关，尤其是十字把手和手轮的用力受位置影响最大。一般人的右手握力约380N，左手握力约350N。一般青年男子右手瞬时最大握力有560N，左手有430N。握力与手的姿势和持续时间有关，当持续一段时间后，握力显著下降。图6－17为站立姿势操作时，手臂在不同方位角度上的拉力和推力。手臂的最大拉力产生在肩的下方180°和肩的上方0°的方向上。推力最大的方向是产生在肩的上方0°方向上。2．坐势操纵的能力范围和用力范围(1）坐势操纵的能力范围图6－18a所示为坐势右手臂伸直在不同角度的垂直面内活动时手的可及范围，A、B、C、D、E、F表示手臂伸展方向与正前方向的夹角分别为45°、105°、0°、15°、75°时手的可及范围；图6－18b所示为坐势右手臂伸直在不同高度的水平面内活动时手的可及范围，A、B、C、D、E、F表示手离开座椅的高度分别为-50、225、560、1170、1015、865mm时手的可及范围；图6－18c所示为坐势右手臂伸直且离开座椅高度为400mm、作水平活动时手的可及范围，A、B、C、D、E、F