книги из ГПНТБ / Хилл П. Наука и искусство проектирования. Методы проектирования, научное обоснование решений

лов на весовые коэффициенты —в нижней части, затем вычисляется сумма очков для каждого материала. Очевид­ но, что по сумме очков наилучшим материалом для изго­ товления крышки является листовая сталь. Конкретное решение можно принять после тщательного исследования свойств листовой стали, необходимых для изготовления данной детали. В рассматриваемом случае выбрана холод­ нокатаная листовая сталь средней твердости (1020).

УПРАЖНЕНИЯ

1. Назовите три изделия или технических достижения, которые были бы невозможны без успехов в материалове­ дении.

2. Укажите состав сплава, обозначаемого SAE 3312.

3. Почему напряжение для выбранного материала берется ниже предела упругости, а не ниже предела проч­ ности?

4. Чем отличается определение твердости материала по Бринелю от определения твердости по Роквеллу?

5.В таблице, состоящей из двух столбцов, укажите пять случаев применения металлов, в которых использова­ ние пластмассы невозможно, и пять случаев применения пластмассы, в которых невозможно использование ме­ талла.

6.Какой листовой металл лучше всего подойдет для штамповки поддона картера автомобиля?

7.Дайте определение коэффициента Пуассона.

8.Что означает выдавливание при изменении формы материала?

9.Составьте перечень требований, определяющих вы­ бор материала для изготовления дверной ручки холо­ дильника.

10.Составьте матрицу решений и выберите оптималь­ ный материал для изготовления дверной ручки холодиль­ ника (см. упражнение 9).

ИИНЖЕНЕРНОЕ

\ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Из всех существ, населяющих землю, человек являет­ ся, по-видимому, самым изнеженным и хулю всех приспо­ собленным к условиям окружающей среды. Можно, пе задумываясь, назвать сотни способов и средств защиты у животных: раковины, мех, крылья, перья, чешуя, клыки, запахи, защитная окраска, острое обоняние и зрение и т. д. Однако природа наделила человека одной способностью, недоступной другим существам, — способностью мыслить. Благодаря этому человек рассуждает, планирует, помнит прошлое и размышляет о будущем и — самое главное — умеет изменять условия окружающей его среды. Примера­ ми изменения окружающих условий являются одежда, жи­ лище, транспортные средства, автоматизация и космиче­ ские полеты.

Наука о взаимодействии человека с искусственной окру­ жающей средой имеет различные названия: инженер­ ная психология, паука о человеческих факторах, учет чело­ веческих факторов в технике, техническая психология, биомеханика, эргономика. Как бы она ни называлась, очевидно одно: физически человек почти не изменился за последние несколько тысяч лет и, по-видимому, мало изме­ нится в следующем тысячелетии. Без специальных средств, соответствующим образом преобразующих внешнюю сре­ ду, человек практически не может приспособиться к ее воздействию. Требования к таким средствам составляют основу данной главы.

ЛЕОНАРДО ДА ВИНЧИ И ГИЛБРЕТ

По-видимому, первая известная работа по инженерной психологии принадлежит Леонардо да Винчи. Изучая строение тела человека, он сделал анатомически детальные рисунки человека, чтобы показать его мускулатуру. Он да­ же изобрел действующие модели, в которых использовал медные цроволочки для изображения отдельных волокон

мышц. Можно считать, что эта работа положила начало такой науке, как биомеханика. Кроме того, Леонардо да Винчи, изучая пропорции человеческого тела, заложил ос­ новы другого важного для эргономики научного направ­ ления — антропометрии. Классический пример пропорций

Фиг. 5.1. Пропорции человеческого тела, открытые Леонардо да Винчи.

человеческого тела, определенных Леонардо да Винчи, показан на фиг. 5.1. Изучая человеческое тело, он не учи­ тывал воздействие на человека окружающей среды, свою цель он как художник видел в возможно более точном изображении человеческого тела.

В начале промышленной революции, когда способность Соединенных Штатов конкурировать на рынках других стран стала зависеть от рентабельности производства, по­ лучил признание талант Фрэнка Гилбрета. Примерно в 1911 г. Гилбрет интуитивно открыл и определил показа­ тели, связанные с анатомией, физиологией и психологией человека, которые и составили основу эргономики систе­ мы «человек — инструмент — задание». Гилбрет известен как основоположник исследований по упрощению процес­ сов труда и исследований трудовых движений и затрат времени при выполнении операций. Используя имевшуюся в то время измерительную технику, Гилбрет сосредоточил внимание на трех поддающихся измерению величинах для

создания основы, опираясь на которую можно было бы рекомендовать более производительные, более эффектив­ ные и менее утомительные приемы работы. Этими вели­ чинами являются: время, затрачиваемое на выполнение задания (измеряется с помощью секундомера); объем дви­ жений, необходимый для выполнения задания (определяет­ ся путем анализа основных элементов трудовых движений) ; характер и протяженность движений (вычерчивает­ ся хроиометром-циклографом, дающим фотографии с по­ следовательным экспонированием, при этом часто к движу­ щимся частям тела человека прикрепляются лампочки). В табл. 5.1 приведены три группы переменных Гилбрета. Таким образом, возникновение биомеханики можно отнес­ ти к 1911 г.

путали ручку управления шасси и ручку управления за­ крылками.

На фиг. 5.2 показана взаимосвязь элементов, при ко­ торой человека можно рассматривать как составную часть эффективной системы «человек — машина». Человек мо­ жет работать на машине и выполнять определенную рабо­ ту, если машина приспособлена к возможностям человека. Приспособление обычно осуществляется системой управ­ ления, которая усиливает, ослабляет или преобразует мышечную энергию человека в энергию, легко воспринима­ емую машиной. Человек может подавать сигналы с помо­ щью рук и ног. Достижение требуемой величины управля­ ющего сигнала, подаваемого человеком, определяется по сигналу, поступающему через цепь сенсорной обратной связи. ' (Например, недостаточный или чрезмерный пово­ рот автомобиля, наблюдавшийся при первых испытаниях рулевого управления с усилителем, был отрегулирован увеличением момента сопротивления рулевого колеса в виде сигнала обратной связи, действующего на водителя.) Другим необходимым условпем успешной деятельности оператора часто является отображение световых пли зву­ ковых сигналов. Человек испытывает физиологическое воздействие системы, которое определяет такие показатели его состояния, как утомление, способность концентриро­ вать внимание, а также безопасность, производительность

ит. д. Инженер-конструктор должен использовать всю имеющуюся информацию о человеческих факторах, чтобы обеспечить оптимальное взаимодействие между человеком

итем оборудованием, с которым человек входит в контакт при выполнении своих повседневных задач.

ВИДЫ ЧЕЛОВЕЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Если выделить человека из системы, изображенной на фиг. 5.2, и рассмотреть, что необходимо для его эффектив­ ной работы как элемента системы, то можно сделать сле­ дующий вывод. Руками и ногами человек воздействует на органы управления системы; в свою очередь его физиоло­ гическое состояние определяется окружающей средой; сигналы обратной связи от органов управления системы воздействуют на органы чувств человека^ уши и глаза че­ ловека воспринимают звуковые и визуальные сигналы.

Сведения о размерах человеческого тела называются ант­ ропометрическими данными. Ниже рассмотрены факторы, связанные с функционированием человека в системе, при­ веденной на фиг. 5.3.

Фиг. 5.3. Классификация человеческих факторов.

Органы управления

Здесь рассматриваются такие параметры, как форма и размер кнопок и ручек управления; усилия, необходимые для поворота ручек управления; вид управления (напри­ мер, типа «включено — выключено» или плавное регули­ рование) ; направление перемещения; способ действия и т. п. При проектировании органов управления конструк­ тор должен учитывать выходные сигналы, поступающие к человеку от машины, а также сигналы от цепи обратной связи.

Окружающая среда

Конструктор обязан учитывать такие показатели физи­ ологического состояния, как пульс, частота дыхания и кро­ вяное давление при комфортных условиях. Конструктор должен добиться, чтобы условия работы были как можно ближе к нормальным и человек мог эффективно работать как в течение коротких, так и продолжительных проме­ жутков времени.

Необходимо учитывать такие факторы, как температу­ ра, шум, вибрация, радиация, ускорение и давление.

Звуковые сигналы

Конструктора интересуют также звуковые сигналы об­ ратной связи. Наиболее распространены речевые сигналы. Кроме того, конструктора интересует воспроизведение ре­ чи с помощью искусственных средств, сигналы предупреж­ дения и предостережения, а также звуковые сигналы, ука­ зывающие на нормальную работу оборудования или воз­ никновение неисправностей.

Визуальная индикация

К этой категории относятся средства наглядного пред­ ставления информации посредством циферблатов, знаков, цифр к букв, шкал с делениями, счетчиков и стрелочных приборов, а также табличек.

Антропометрические данные

Аптропометрия — раздел антропологии, посвященный' размерам человеческого тела. Размеры определяются для особых статистических групп, называемых процеитилями. Если 100 человек расположить в порядке возрастания ка­ кого-либо параметра, то они распределяются от 1-го до 100-го процентиля. Учет антропометрических данных для мужчины 2,5-го процентиля при проектировании означает, что такой системой смогут воспользоваться лишь 2,5% мужчин. Система, созданная на основе данных для чело­ века 50-го процентиля (среднего человека), подойдет для 50% людей. Остальные же 50% людей не смогут пользо­ ваться такой системой. Ниже рассмотрены четыре примера выбора конструктором соответствующей процентильной группы.

1.При расчете пружины возврата двери необходимо учитывать силу женщины 2,5-го процентиля. В этом слу­ чае большинство взрослых смогут легко открыть такую дверь.

2.При проектировании подземного перехода расчет высоты туннеля необходимо проводить для мужчины

97,5-го процентиля. В этом случае лишь 100—97,5 = 2,5% мужчин будут испытывать некоторые неудобства.

3. При проектировании кухни пассажирского самолета расчет необходимо вести для женщины 50-го процентиля..

Авиакомпании при наборе стюардесс не принимают на ра­ боту женщин ниже 2,5-го п выше 97,5-го нроцеитплей.

4. При проектировании спдешш автомобиля расчет ве­ дут для людей в интервале от 2,5-го до 97,5-го нроцентилей; в этом случае лишь 5% пассажиров испытывают не­ удобства,

Ф и г . 5.4. Измеиыше размеров тела средпего человека за последаве

20 лит (размеры даны в миллиметрах).

Как следует из схемы на фиг. 5.4, где показано измене­ ние размеров тела среднего мужчины за последние 20 лет, антропометрические данные непрерывно изменяют­ ся. Если конструкторская задача требует использования точных данных, то инженер должен обращать внимание па дату получения используемых антропометрических данных.

ДАННЫЕ ДЛЯ УЧЕТА ЧЕЛОВЕЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Данные, приведенные в табл. 5.2 и на фиг. 5.5—5.9, от­ носятся к рассмотренным выше параметрам. Они не явля­ ются полными, но конструктор может получить некоторое представление о характере имеющихся данных. Более пол­ ные данные для использования их при проектировании оборудования можно найти в книгах по инженерной пси­ хологии, указанных в аннотированном перечпе литера­ туры.

Условия окружающей среды

Первый круг на фиг. 5.7 определяет границы зоны до­ пустимых условий, за пределами которой человек испыты­ вает большие неудобства или его здоровью наносится ущерб. Необходимо учитывать также инфракрасное излу­ чение, ультразвук, наличие вредных газов, запыленность и теплообмен с жидкостями и твердыми телами.

Примеры учета человеческих факторов в технике

Чтобы наглядно продемонстрировать, чем занимаются специалисты по инженерной психологии, рассмотрим сле­ дующий пример. Летчик, совершая тренировочный полет в одномоторном самолете, обычно сидит сзади инструктора и регулирует подачу горючего левой рукой, а ручку управ­ ления держит правой рукой. Если при заходе на посадку самолет не дотягивает до взлетно-посадочной полосы, лет­ чик должен увеличить подачу горючего и поднять вверх носовую часть самолета (т. е. левую руку подать вперед, а правую — назад). В пассажирском самолете первый пи­ лот сидит рядом со вторым пилотом, который находится справа от него. Теперь первый пилот держит штурвал левой рукой, а ручку подачи горючего — правой. Если са­ молет не дотягивает до взлетно-посадочной полосы, попрежнему надо поднять высоту и увеличить подачу горю­ чего, но для этого теперь пилоту нужно левую руку подать назад, а правую — вперед. Эти движения противоположны тем, которым летчик научился раньше. После нескольких полетов пилот может привыкнуть и к этой новой реакции, однако в аварийной обстановке он может растеряться и