產(chǎn)品設(shè)計人機性分析案例

1、南京航空航天大學(xué)人機工程學(xué)課程報告書自行車設(shè)計中的人機工程學(xué)案例分析指導(dǎo)教師：陳炳發(fā)姓 名：郭霞班級學(xué)號：SQ090550440022010-07-03自行車設(shè)計中的人機工程學(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。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

2、、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)。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。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，且有易操縱的變從而使自行車前移。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, 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

3、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?，F(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、H

4、3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，骨骼肌肉內(nèi)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

5、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)時間長，其值要小彳#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

6、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)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

7、。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的范圍內(nèi)。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

8、人疲勞。為了保持不疲倦的持續(xù)騎行， 希望肌肉的負擔(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。3 .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

9、置C 。按三點調(diào)整法，AB和AC約等，一般 AB = ( AC 一 3 ) cm , A點略低于B點，約為5cm 。荷童車架結(jié)構(gòu)車閘情況三點的相互位置輪胎特性車軸距離騎行阻力路面狀態(tài)圖1-3影響自行車的機械因素4 .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(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

10、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。(b)S)圖1-4自行設(shè)計的結(jié)構(gòu)要素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 。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全剎車注：g=9.8m/s2表1-1理想的施閘力和減速度四、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）的合力作用線要通過輪胎與地面的接觸點。 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。3 .轉(zhuǎn)向特性自行車