人—自行車人機(jī)工程設(shè)計(jì)案例分析

1、人一自行車系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例分析工業(yè)設(shè)計(jì)F1002趙土豆 201048262500一、人一自行車系統(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(gè)人機(jī)系統(tǒng)，且人是最主要的因素，該人機(jī)系統(tǒng)中人一自行車的界 面關(guān)系分析如下。人一車界面關(guān)系鞍座車把腳蹬1人與支撐部件的關(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 ,以及他們間 的相互關(guān)系 , 與騎車人的位置和肌肉的動(dòng)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

2、用力才方便 ,如何保證人的 上身有正確的姿勢(shì) , 手握車把的距離多長(zhǎng)才合適等 , 都決定于人體特 性的設(shè)計(jì)參數(shù) .2. 人與動(dòng)力接收部件的關(guān)系動(dòng)力接收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,下肢運(yùn)動(dòng)的力使曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)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, 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)換關(guān)系 .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)

3、 . 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. 人與工作部件的關(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)化為同地面 接觸而向前運(yùn)動(dòng)的力 ; 另一方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 - 動(dòng)力 - 傳動(dòng) - 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

4、素、下肢肌力、輸出功率、腳踏速度、平衡機(jī)能、人的手和握力、人的疲勞等。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(zhǎng)度與身高成比例，從而以關(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 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(duì)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(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 ,

5、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)化為肌肉收縮的機(jī)械能 . 自行車腳蹬的轉(zhuǎn)動(dòng)就是 通過肌肉收縮出力而完成的 , 一般說肌肉長(zhǎng)的人比肌肉短的人有利 . 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.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(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 , 能 持續(xù) 10秒左右.如果持續(xù)時(shí)間長(zhǎng) , 其值要小得多 , 持續(xù) 1小時(shí), 大約只 有 0.1-0.2 馬力 .4. 人的腳踏速度自行車運(yùn)

6、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, 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衡行駛 ; 若人有很 好的平衡機(jī)能 ,卻可掩蓋自行車設(shè)計(jì)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(yàn) , 為了長(zhǎng)時(shí)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、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 .三、自行車設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jī)械因素。 為 了獲得自行車較佳的性能， 必須把人的因素和機(jī)械因素有機(jī)地結(jié)合起 來，以使人車協(xié)調(diào)。為此，以下分析與人體相關(guān)的結(jié)構(gòu)要素。荷重車架結(jié)構(gòu)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

8、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。也由于比速小，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(zhǎng)度傳統(tǒng)的自行車設(shè)計(jì)，一般從杠桿原理考慮得較多，對(duì)人研究少， 認(rèn)為曲柄越長(zhǎng)越有力。但曲柄過長(zhǎng)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(shì)必加長(zhǎng)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(zhǎng)或下肢長(zhǎng)來考慮 曲柄長(zhǎng)度，

9、則可使人省力和舒適。通常曲柄長(zhǎng)度的基準(zhǔn)，取人身長(zhǎng)的 1/10，相當(dāng)于大腿骨長(zhǎng)的1/2。3. 三接點(diǎn)位置正確的騎車姿勢(shì)，是由汽車人和自行車三個(gè)接點(diǎn)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 G按三點(diǎn)調(diào)整法， AB和AC約等，一般AB=( AC 3)cm A點(diǎn)略低于B點(diǎn)，約5cm1.鞍座位置鞍座裝得過低，騎行時(shí)雙腳始終呈彎曲狀態(tài)，腿部肌肉得不到放 松，時(shí)間長(zhǎng)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?部位是腳掌。設(shè)計(jì)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

10、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(zhǎng)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，如下圖所示。2.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，隨著閘把上力的增大，殺U車力也按比例的增加。女口 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下表表1理想的施閘力和減速度閘把施閘力/N相對(duì)握力/%減速度說明60100.1g控制下坡速度350700.6g全剎車5001000.8g緊急剎車2注：1g=9.8m/s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)定性是行駛過程中的穩(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。顯然，穩(wěn)定性對(duì)安全行駛是必不可少的特性。1. 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 （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(diǎn)。這當(dāng)然與騎車人