自行車設(shè)計中人機工程學(xué)案例分析

1、變速自行車設(shè)計中人機工程學(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)系圖1-1人-車界面關(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。自行車設(shè)計國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：車吧前叉軸線與通過輪心得地面垂直線的交叉點到地面的距離不小于輪半徑的15%不大于輪半徑的60%車把部分：這是關(guān)系到操縱和制動性能的主要部件。列入山地車，車吧的寬度以中青年男子的肩寬480mm手掌寬度100mm為參照，設(shè)計時考慮手掌中央與車吧把套

2、的中央為接觸點，這樣可以 使整車受力平衡，具備安全可靠的操縱車把和剎車制動的有利條件2 人與動力接受部件關(guān)系動力接受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(zhuǎn)動而產(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動與曲柄轉(zhuǎn)動之間的能量轉(zhuǎn)換問題。腳踏部分：腳踏分為水平腳踏和自鎖腳踏以及腳帶腳踏。水平腳踏即我們平日所見的腳踏，腳踏和腳是分開的。自鎖腳踏需使用專用配套自鎖鞋，如果是長時間騎行會感覺輕松很多，因為一只腳踩下去的同時另一只腳還可以網(wǎng)上提，一般來說可以勝利25%。根據(jù)自行車國家標(biāo)準(zhǔn)：1腳蹬面

3、朝上放置時，自行車向一傾斜25 °，腳蹬上的零件不觸及對面。2腳蹬中心與泥板轉(zhuǎn)到任意角度的間隔距離必須大于或等于 89mm。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(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作有著性的設(shè)計參數(shù)。鞍座部分：人處于坐姿狀態(tài)時，由人體組織的解剖學(xué)特性可知，與鞍座緊密接觸的是最能承受壓力的臀部的兩塊坐骨結(jié)節(jié)，時間久了便會感到疲勞，造成臀部疼痛k'JUZ HTI L"95：40-*1.JHM r ”, v*.VifiU a-vli 'L B-

4、<-I 甘坐姿是坐骨結(jié)節(jié)承受大部分的身體重量，當(dāng)左面接近水平狀態(tài)時，位于坐骨結(jié)節(jié)外側(cè)的股骨處于正常的位置而不會受到過分壓迫使人覺得舒適；而當(dāng)座面呈斗型（凹式三角形）時，會時股骨因受到壓迫而向上轉(zhuǎn)動并承受載荷，且還會使髖部肌肉受壓從而引起不舒適感3 人與傳動部件關(guān)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(zhuǎn)動， 從而使自行車前移。傳動部分的設(shè)計關(guān)鍵是要有較高的傳動效率和可靠性，且有易操縱的變速 機構(gòu)。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岀功率。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)是實心的。車輪一方

5、 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動的力；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)計自行車的各部分尺寸、車閘及變速器等時，應(yīng)該 著眼于騎車人一動力一傳動一工作的連貫性，才可能設(shè)計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：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。

6、肌肉、大動脈、骨骼的截面積以及肺泡的表面積等都可看成與H2成比例。肺活量、血液量、心臟容量等都可看成與H3成比例。體格對岀力性能的影響，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。但實際上因每個人身體 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力，主要是騎車人的下肢肌力。人騎車時，骨骼肌肉部的化學(xué)能轉(zhuǎn) 換為肌肉收縮的機械能。自行車腳蹬的轉(zhuǎn)動就是通過腿肌收縮岀力而完成的，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。身長圖1-2影響自行車性

7、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岀功率約為0.7馬力(0.51 kw )，能持續(xù)10s左右。如果持續(xù)時間長，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(guān)系。健康人的心 臟跳動為70次/ min，一般腳踏以60r/min節(jié)奏轉(zhuǎn)動較為合適。設(shè)計時以這一常用速度來確定相關(guān)設(shè)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穩(wěn)

8、行駛；若人有很好的平衡機能，卻可掩蓋自行車設(shè)計上的某 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，為了長時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騎車岀力性能的不利因素，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，騎車姿勢不合適，以及體重對鞍座的 體壓分體不合適等引起的。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，還有許多機械因素，如圖1-3所

9、示。為了獲得自行 車較佳的性能，必須把人的因素與機械因素有機地結(jié)合起來，以使人一車協(xié)調(diào)。為此，著 重分析與人體相關(guān)的結(jié)構(gòu)要素。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的圍。利用速比關(guān)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(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，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，一般從杠

10、桿原理考慮比較多，對人研究少，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(zhǔn)，取人體身長的1 / 10，也相當(dāng)于大腿骨長的1 / 2 o3 三接點位置正確的騎車姿勢，是由騎車人和自行車三個接點位置決定的，如圖1-4(a )中所示的鞍座位置A、車把位置 B、腳蹬位置 C。按三點調(diào)整法， AB和AC約等，一般 AB = (AC 3 ) cm , A點略低于B點，約為5cm o圖1-3影響自行車的機械因素4 .鞍座位置鞍

11、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(dāng)?shù)挠昧Σ课皇悄_掌。設(shè)計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，行駛 較慢的車，鞍座位置要向后移動，否則都不利于騎行，如圖1-4 ( b )、( c )所示。5 車閘設(shè)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(yīng)。靈敏度高的車閘，隨著閘把 上力的增大，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)計不良。在緊急情況下操縱時，理想的施閘力和減速度見表1-1 。(c)圖1-4自行設(shè)計的結(jié)構(gòu)要素四、人一車動態(tài)特性分析1 .動態(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(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）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