自行車設(shè)計(jì)中人機(jī)工程學(xué)案例分析

1、自行車設(shè)計(jì)中人機(jī)工程學(xué)案例分析一、人一自行車系統(tǒng)組成自行車的功能是供人騎行，就發(fā)揮自行車的功能作用而言，把人看作自行車的組成部分是完全合理的。因此，人在騎車時(shí)組成了人一車系統(tǒng)，該人一車系統(tǒng)中的人一車界面關(guān)系可由圖1-1來進(jìn)行分析。1 .人與支撐部件關(guān)系支撐部件主要有車架、前叉、鞍座和車把等，是自行車的構(gòu)架。支撐部分將其他零部件固 定在相互間正確的位置上，保證自行車的整體性，實(shí)現(xiàn)自行車的功能。從人機(jī)關(guān)系來看，鞍座、 車把和車架等的位置和大小，以及它們間的相互關(guān)系，與騎車人的位置和肌肉的動(dòng)作有著性的設(shè)計(jì)參數(shù)。2 .人與動(dòng)力接受部件關(guān)系動(dòng)力接受部件主要是腳蹬和曲柄。動(dòng)力是靠騎車人的雙腳踩在腳蹬上，下

2、肢運(yùn)動(dòng)的力使曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的。 為了使人省力和有舒適感， 必須在騎自行車人的體格和體力與自行車元件的尺 寸關(guān)系上下功夫，即研究人體下肢肌肉的收縮運(yùn)動(dòng)與曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)之間的能量轉(zhuǎn)換問題。3 .人與傳動(dòng)部件關(guān)系傳動(dòng)部件主要是滾珠、鏈條和鏈輪。人的作用力是通過鏈條和鏈輪傳動(dòng)而帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使自行車前移。 傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要有較高的傳動(dòng)效率和可靠性，且有易操縱的變速機(jī)構(gòu)。保證較高的傳動(dòng)效率，才能使人用一定的肌力而獲得較大的輸出功率。4 .人與工作部件關(guān)系工作部件就是車輪，即車圈、輪胎等。 絕大部分輪胎是充氣的，少數(shù)是實(shí)心的。車輪一方 面把騎車人的肌肉力量，有效地轉(zhuǎn)換為同地面接觸而向前運(yùn)動(dòng)的力；另一方

3、面將騎車人的握力轉(zhuǎn)換為與接地部分所產(chǎn)生的剎車阻力。在設(shè)計(jì)自行車的各部分尺寸、車閘及變速器等時(shí)， 應(yīng)該著眼于騎車人一動(dòng)力一傳動(dòng)一工作的連貫性，才可能設(shè)計(jì)出同騎車人手的大小或握力相適應(yīng)的閘把、 剎車力適當(dāng)?shù)能囬l，才不會(huì)發(fā)生剎車阻力不夠而造成失誤現(xiàn)象。二、影響自行車性能的人體因素影響自行車性能的人體因素很多，如圖1-2所示。現(xiàn)主要分析下述幾點(diǎn)：1 .人的體格因素以身高H為基本因素，其他身體的能力與H成比例，并有與 H2、 H3成比例的特性。如 手 臂、腿、氣管 等的長度與身高成比例，從而以骨關(guān)節(jié)為中心所產(chǎn)生的 力矩、步幅等，都取決于H的大小。肌肉、大動(dòng)脈、骨骼的截面積以及肺泡的表面積等都可看成與H2

4、成比例。肺活量、血液量、心臟容量等都可看成與H3成比例。體格對(duì)出力性能的影響，從理論上講，彈跳能力與 H成比例，速度能力與H2成比例，作功能力和 H3成比例。但實(shí)際上因每個(gè)人身體素質(zhì)不同，常有20 %以上的偏差。2 .人的下肢肌力自行車騎行的原動(dòng)力，主要是騎車人的下肢肌力。人騎車時(shí)，骨骼肌肉內(nèi) 部的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為肌肉收縮的機(jī)械能。自行車腳蹬的轉(zhuǎn)動(dòng)就是通過腿肌收縮出力而完成的，一般說腿肌長的人比腿肌短的人有利。肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的力，一般與肌肉的截面積成比例，約為每平方厘米40-50N,通過一定訓(xùn)練的人可提高到65N 。圖1-2影響自行車性能的人體因素3 .人的輸出功率人輸出的功率隨著騎車人的體格、體

5、力、騎車姿勢(shì)、持續(xù)時(shí)間和速比等的 變化而變化。一般成年男人的最大輸出功率約為0.7馬力(0.51 kw ),能持續(xù)10s左右,如果持續(xù)時(shí)間長，其值要小得多，持續(xù) lh ,大約只有1.0-0.7 馬力(0.07-0.15kw)。4 .人的腳踏速度自行車運(yùn)動(dòng)是很有節(jié)奏的，其節(jié)奏常常與人的心臟節(jié)律保持一定關(guān)系。健 康人的心臟跳動(dòng)為 70次/ min , 一般腳踏以 60r/min節(jié)奏轉(zhuǎn)動(dòng)較為合適。設(shè)計(jì)時(shí)以這一常用速度來確定相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。5 .人的平衡機(jī)能騎車人本身的平衡機(jī)能是影響自行車性能的重要因素，如果缺少平衡機(jī)能，哪怕是運(yùn)動(dòng)性能很好的自行車也不能平穩(wěn)行駛；若人有很好的平衡機(jī)能， 卻可掩蓋自行車設(shè)

6、計(jì)上的某些缺陷。6 .人的手和握力影響剎車性能的人的因素主要是人的手和握力，男性和女性，成年人和兒童，手的大小和握力都不相同。據(jù)試驗(yàn)，為了長時(shí)間施閘而不致使手有疼痛的感覺，希望只用最大握力的10 %左右便能得到必要的減速度。7 .人的疲勞人體疲勞和疼痛是對(duì)騎車出力性能的不利因素，其產(chǎn)生原因有人體因素，也有自行車結(jié)構(gòu)因素。疲勞和疼痛一般是由于部分肌肉負(fù)擔(dān)過大，騎車姿勢(shì)不合適，以及體重對(duì)鞍座的體壓分體不合適等引起的。止匕外，影響出力因素還有人的最大攝氧量。三、自行車設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要素分析1-3所示。為了獲為此，著影響自行車性能的因素除了上述人的因素外，還有許多機(jī)械因素，如圖 得自行車較佳的性能，必須把人

7、的因素與機(jī)械因素有機(jī)地結(jié)合起來，以使人一車協(xié)調(diào) 重分析與人體相關(guān)的結(jié)構(gòu)要素。圖1-3影響自行車的機(jī)械因素1 .速比大小鏈輪的齒數(shù)比，與鏈輪直徑比相一致，一般控制在2.3-4.0 的范圍內(nèi)。利用速比關(guān)系可取得騎行時(shí)所必要的功率和必要的速度。速比要合適，如果太小，無論人的肌力有多大，由于不能充分提高轉(zhuǎn)速，所以就得不到大的輸出功率。也由于速比小，在限定的曲柄轉(zhuǎn)速下，得不到必要的騎行速度（后輪轉(zhuǎn)速）。速比過大時(shí)，要求的踏力也大，容易使人疲勞。為了保持不疲 倦的持續(xù)騎行，希望肌肉的負(fù)擔(dān)約為最大肌力的10% ,按此選擇速比和曲柄轉(zhuǎn)速，可得到比較好的效果。 2.曲柄長度傳統(tǒng)的自行車設(shè)計(jì)，一般從杠桿原理考慮比

8、較多，對(duì)人研究少，認(rèn)為曲柄越長越有力。曲 柄過長后，為了不使腳蹬碰到前泥板，不得不加大中軸至前軸的距離（前心距）。這樣勢(shì)必加長 車架，影響了正確的坐車姿勢(shì)，使人感到臀部痛。若能按人的身長或下肢長來考慮曲柄長度，則可使人省力和舒適。 通常曲柄長度的基準(zhǔn)， 取人體身長的 1/10 ，也相當(dāng)于大腿骨長的1/2。3 .三接點(diǎn)位置正確的騎車姿勢(shì)，是由騎車人和自行車三個(gè)接點(diǎn)位置決定的，如圖1-4中所示的鞍座位置A、車把位置B、腳蹬位置c。按三點(diǎn)調(diào)整法，AB和AC約等，一月殳AB = （ AC 3 ） cm , A點(diǎn)略低于B點(diǎn)，約為5cm 。圖1-4三接點(diǎn)位置4 .鞍座位置鞍座裝得過低， 騎行時(shí)雙腳始終呈彎

9、曲狀態(tài)，腿部肌肉得不到放松，時(shí)間長了就會(huì)感到疲軟無力；鞍座裝得過高，騎行時(shí)腿部的肌肉拉得過緊，腳趾部分用力過多，雙腳也容易疲勞。騎車 時(shí)適當(dāng)?shù)挠昧Σ课皇悄_掌。設(shè)計(jì)或校正鞍座位置高低最常用的方法，是使手臂的腋窩部位中心 緊靠鞍座中部，使手的中指能觸到裝配鏈輪的中軸心為宜。人體各部尺寸都有一定的聯(lián)系，只要腋窩中心至中指的長度確定下來，鞍座高度便可大致確定。行駛較快的車，鞍座位置要向前移動(dòng)，行駛較慢的車，鞍座位置要向后移動(dòng)，否則都不利于騎行，如圖1-5 ( b )、( c )所示。圖1-5自行設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)要素5 .車閘設(shè)計(jì)時(shí)，閘把開擋、力率和閘把力要與人手的大小和握力相適應(yīng)。靈敏度高的車閘，隨著閘把上

10、力的增大，剎車力也按比例地增加。如果閘把力到達(dá)某一程度不發(fā)生剎車作用，繼而又驟然生效，說明這種車閘設(shè)計(jì)不良。在緊急情況下操縱時(shí)，理想的施閘力和減速度見表1-1 O表1-1理想的施閘力與減速度閘把施閘力相對(duì)握力%減速度說明/N60100.1g控制下坡速350700.6g度5001000.8g全剎車緊急全剎車注：g=9.8m/s2四、人一車動(dòng)態(tài)特性分析1 .動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性自行車的穩(wěn)定是行駛過程中的穩(wěn)定，是一種動(dòng)態(tài)平衡的穩(wěn)定性。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性影響到自行車騎行中的動(dòng)作，包括直進(jìn)穩(wěn)定性和前后左右方向的穩(wěn)定性，見圖1-5（a ）。顯然，穩(wěn)定性對(duì)安全行駛是必不可少的特性。2 .力學(xué)特性自行車行駛在平地上轉(zhuǎn)彎的條件是側(cè)向力（與離心力平衡）與自行車總重量（人和車的重量）的合力作用線要通過輪胎與地面的接觸點(diǎn)。這當(dāng)然與騎車人有關(guān)，但更重要的是自行車的造型要有適合這種力學(xué)特征的結(jié)構(gòu)形式。