人—自行車人機工程設計案例分析

1、人自行車系統(tǒng)設計案例分析工業(yè)設計F1002 趙土豆 201048262500一、 人自行車系統(tǒng)組成自行車的功能是供人騎行，人在騎行過程中人和自行車可以看成一個人機系統(tǒng)，且人是最主要的因素，該人機系統(tǒng)中人自行車的界面關系分析如下。 人車界面關系 傳動部分 支撐部分 接受 動力部分 工作部分 鏈輪鏈條 鞍座 車架 輪胎人 車把 前叉 腳蹬 曲柄1.人與支撐部件的關系支撐部件主要有車架,前叉,鞍座和車把等,是自行車的構架。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,實現(xiàn)自行車的功能。 從人機關系來看,鞍座,車把和車架等的位置和大小,以及他們間的相互關系,與騎車人的位置和肌肉的動

2、作有著密切的聯(lián)系.人坐的位置怎樣更合適,車架多高使人腳蹬起來用力才方便,如何保證人的上身有正確的姿勢,手握車把的距離多長才合適等,都決定于人體特性的設計參數(shù).2.人與動力接收部件的關系 動力接收部件主要是腳蹬和曲柄.動力是靠騎車人的雙腳踩在腳蹬上,下肢運動的力使曲柄轉動產(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系上下功夫,研究人體下肢肌肉的收縮運動與曲柄轉動之間的能量轉換關系.3.人與傳動部件關系 傳動部件主要是滾珠,鏈條和鏈輪.人的作用力是通過鏈條和鏈輪傳動而帶動后輪轉動,從而使自行車前移.傳動部分的設計關鍵是要有較高的傳動效率和可靠性,且有易操縱的變速

3、機構.保證較高的傳動效率,才能使人用一定的肌力而獲得較大的輸出功率.4.人與工作部件的關系 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)是實心的.車輪一方面把騎車人的肌肉力量,有效地轉化為同地面接觸而向前運動的力;另一方面將騎車人的握力轉換為與接地部分所產(chǎn)生的剎車阻力.在設計自行車的各部分尺寸,車閘及變速器等時,應該著眼于騎車人-動力-傳動-工作的連貫性,才可能設計出同騎車人手的大小或握力相適應的閘把,剎車力適當?shù)能囬l,才不會發(fā)生剎車阻力不夠的現(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：人的體格因素、下肢肌力、輸出功率、腳踏速度、平衡機能、人的手和握力、人的疲

4、勞等。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、H*H、 H*H*H成比例的特征.如手臂,腿,氣管等的長度與身高成比例,從而以關節(jié)為中心所產(chǎn)生的力矩,步幅等,都取決于H的大小.肌肉,大動脈,骨骼的截面空氣阻力速度腳長荷重臂長體重姿勢 踏力 腳力 合成重心手的大小、握力視覺、平衡感覺身長 積以及肺泡的表面積等都可看成與H*H成比例.肺活量,血液量,心臟容量等都可看成與H*H*H*成比例.體格對處出力性能的影響,從理論上講,彈跳能力與H成比例,速度能力與H*H成比例,作功能力和H*H*H成比例.但實際上因每個人身體素質不同,常有20%以上的偏差.2.人的下肢肌力 自行車騎行的原動力

5、,主要是騎車人的下肢肌力.人騎車時,骨骼肌肉內(nèi)部的化學能轉化為肌肉收縮的機械能.自行車腳蹬的轉動就是通過肌肉收縮出力而完成的,一般說肌肉長的人比肌肉短的人有利.肌肉收縮時產(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,通過一定訓練的人可提高到65N. 3.人的輸出功率 人輸出的功率隨著騎車人的體格,體力,騎車姿勢,持續(xù)時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,能持續(xù)10秒左右.如果持續(xù)時間長,其值要小得多,持續(xù)1小時,大約只有0.1-0.2馬力.4.人的腳踏速度 自行車運動是很有節(jié)奏的,其節(jié)奏常常與人的心臟節(jié)律保持一定關系.健康人的心臟跳動為70次/m

6、in,一般腳踏以60r/min節(jié)奏轉動較為合適。設計時以這一常用速度來確定相關設計參數(shù)。5人的平衡機能 騎車人本身的平衡機能是影響自行車性能的重要因素,如果缺少平衡機能,哪怕是運動性能很好的自行車也不能平衡行駛;若人有很好的平衡機能,卻可掩蓋自行車設計上的某些缺陷.6.人的手和握力 影響剎車性能的人的主要是人的手和握力,男性和女性,成年人和兒童的手的大小和握力都不相同.據(jù)試驗,為了長時間捏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,也有自行車結構因素.疲勞和疼痛一般是由于部分肌肉負擔過

7、大,騎車姿勢不合適,以及體重對鞍座的體分壓不合適等引起的.此外,影響出力因素還有人的最大攝氧量.3、 自行車設計結構要素分析影響自行車性能的因素除了上述人的因素外，還有許多機械因素。為了獲得自行車較佳的性能，必須把人的因素和機械因素有機地結合起來，以使人車協(xié)調。為此，以下分析與人體相關的結構要素。路面狀態(tài)車閘情況荷重車軸距離車重騎行阻力輪胎特性速比三點的相互位置車架結構 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)。利用速比關系可取得騎行時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速，所以就得不到大的輸出功率。也由于

8、比速小，在限定的曲柄轉速下，得不到必要的騎行速度，（后輪轉速）。速比過大時，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，希望肌肉的負擔約為最大肌力的10%，按此選擇速比和曲柄轉速，可得到比較好的效果。2.曲柄長度傳統(tǒng)的自行車設計，一般從杠桿原理考慮得較多，對人研究少，認為曲柄越長越有力。但曲柄過長后，為了不使腳踏碰到前泥板，不得不加大中軸至前軸的距離（前心距）。這樣勢必加長車架，影響了正確的坐車姿勢，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，取人身長的1/10，相當于大腿骨長的1/2。3.三接點位置正確的騎車姿勢，是由汽車人和自行

9、車三個接點位置決定的，如圖中所示的鞍座位置A、車把位置B、腳蹬位置C。按三點調整法，AB和AC約等，一般AB=（AC3）cm，A點略低于B點，約5cm。1. 鞍座位置鞍座裝得過低，騎行時雙腳始終呈彎曲狀態(tài)，腿部肌肉得不到放松，時間長了就會感到疲軟無力；鞍座裝得過高，騎行時腿部的肌肉拉得過緊，腳趾部分用力過多，雙腳也容易疲勞。騎車時適當?shù)挠昧Σ课皇悄_掌。設計或矯正按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，行駛較慢的車，鞍座

10、位置要向后移動，否則都不利于騎行，如下圖所示。2. 車閘設計時，閘把開擋、力率和閘把力要與人手的大小和握力相適應。靈敏度高的車閘，隨著閘把上力的增大，剎車力也按比例的增加。如果閘把力到達某一程度不發(fā)生剎車作用，繼而又驟然生效，說明這種車閘設計不良。在緊急情況下操縱時，理想的施閘力和減速度見下表表1 理想的施閘力和減速度閘把施閘力/N相對握力/%減速度說明6035050010701000.1g0.6g0.8g控制下坡速度全剎車緊急剎車注：1g=9.8m/s2四、人車動態(tài)特性分析1.動態(tài)穩(wěn)定性自行車的穩(wěn)定性是行駛過程中的穩(wěn)定，是一種動態(tài)平衡的穩(wěn)定性。動態(tài)穩(wěn)定性影響到自行車騎行中的動作，包括直進穩(wěn)定性和前后左右方向的穩(wěn)定性。顯然，穩(wěn)定性對安全行駛是必不可少的特性。1. 力學特性自行車行駛在平地上轉彎的條件是側向力（于離心力平衡）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。這當然與騎車人有