人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)

前言近年來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展使得各國城市化、機(jī)動(dòng)化水平迅速提升。然而，在城市化、機(jī)動(dòng)化發(fā)展過程中所發(fā)生的交通堵塞、能源短缺、環(huán)境污染等一系列問題越來越突出。與此同時(shí)，人們對休閑娛樂的要求不斷提高，更加渴望擁有綠色環(huán)保的生活環(huán)境。在這種狀況下，自行車以其無污染、無噪聲、占用空間小、靈活方便、自主性好、舒適型強(qiáng)、造價(jià)低廉、經(jīng)濟(jì)耐用和便于維修等特點(diǎn)，得到越來越多的重視，發(fā)展迅速。自行車，又稱腳踏車或單車。人騎上車后，以腳踏板為動(dòng)力，是綠色環(huán)保的交通工具。其種類包含單人自行車、雙人自行車和多人自行車。自行車可以作為環(huán)保的交通工具用來代步、出行；越來越多的人將自行車作為健身器材用來騎行鍛煉、自行車出游；自行車本身也是一項(xiàng)體育競技運(yùn)動(dòng)，有公路自行車賽、山地自行車賽、場地自行車賽和特地自行車比賽等。自行車從誕生至今已有200年歷史，期間人類在不斷的嘗試與研發(fā)過程中，將玩具式的木馬車轉(zhuǎn)換到今日各式新穎的休閑、運(yùn)動(dòng)自行車，其發(fā)展的目的也從最早的娛樂用途變?yōu)榻煌ù郊靶蓍e運(yùn)動(dòng)，競賽領(lǐng)域的發(fā)展更使自行車的研發(fā)工作不斷精益求精。本著自行車設(shè)計(jì)將更強(qiáng)調(diào)體現(xiàn)人文精神，將人與自行車完美和諧地結(jié)合起來，在設(shè)計(jì)中對高科技的利用將大幅度提升，大批量面向大眾的自行車設(shè)計(jì)將有下降趨勢，而針對局部人群的更加個(gè)性化的小批量定向設(shè)計(jì)受到歡迎。從人體的尺寸、動(dòng)作范圍以及運(yùn)動(dòng)生理等方面出發(fā)，改進(jìn)設(shè)計(jì)影響騎姿在身體各部分之間進(jìn)行合理的功能分配，腳踩踏板驅(qū)動(dòng)自行車前行，臀部和腰支撐上體的體重，手操縱把手控制前行方向。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行車架設(shè)計(jì)能提高騎行的舒適性。關(guān)鍵字：自行車車架人機(jī)工程學(xué)1.設(shè)計(jì)課題的提出1.1設(shè)計(jì)選題的背景及意義現(xiàn)代社會(huì)物質(zhì)變化迅速，首當(dāng)其沖的應(yīng)該就是地球的環(huán)境變化，人造建筑逐漸增多，礦物質(zhì)燃料的燃燒造成大氣層嚴(yán)重的污染，大量金屬類資源的粗放型消耗，尤其是汽車產(chǎn)業(yè)鏈所帶來的資源、能源消耗和污染，能源的日趨枯竭和環(huán)境的日趨惡化己經(jīng)成為人類關(guān)注的主題之一。作為制造業(yè)中最大的資源消耗源和最大的環(huán)境污染源之一的汽車產(chǎn)業(yè)來說，2004全世界擁有各型汽車近7億輛，新車的年生產(chǎn)量約5000萬輛，根據(jù)目前的估計(jì)，預(yù)計(jì)到2010年，汽車的總保有量將超過8億輛。近年來，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅速，汽車產(chǎn)量不斷增長。與此同時(shí)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車消費(fèi)量也在持續(xù)增長，早在2005年中國機(jī)動(dòng)車消耗的石油已占全國石油需求的43%，預(yù)計(jì)到2010年機(jī)動(dòng)車的石油消耗將占當(dāng)年石油需求的57%。要從根本上解決這個(gè)問題還是要從人類的意識和基本生活的方方面面出發(fā)，而自行車的普及卻能夠?qū)嵸|(zhì)性地緩解石油類資源，鋼鐵類材料消耗問題等等。符合綠色設(shè)計(jì)的長久可持續(xù)發(fā)展的理念。在歐洲,很多人為了減少因駕車帶來的空氣污染而愿意騎自行車上班，這樣的人被視為環(huán)保衛(wèi)士而受到尊敬。美國的報(bào)紙經(jīng)常動(dòng)員人們?nèi)コ壥袌鲑徫飼r(shí)，盡量多買一些必需品，減少去超市的次數(shù)，以便節(jié)省汽油，同時(shí)減少空氣污染。頗有影響的美國自行車協(xié)會(huì)一直呼吁政府在建公路時(shí)修自行車道。在德國，很多家庭喜歡和近鄰用同一輛轎車甚至結(jié)伴騎行外出，以減少可能的汽車尾氣排放。為潔凈城市空氣，伊朗首都德黑蘭規(guī)定了無私車日，在這一天，伊朗總統(tǒng)也和市民一道乘公共汽車上班。在上海，一些公司職員經(jīng)常合乘一輛出租車，名曰：“拼車”?，F(xiàn)有的中國自行車市場不說魚龍混雜，也至少是參差不齊，缺少強(qiáng)勁有力的競爭品牌，自行車以及相關(guān)產(chǎn)品的高端市場一直在被諸如捷安特(Giant)，禧瑪諾(Shimano)，寶馬(BMw)，美利達(dá)(Merida)，閃電(Lightning)等國外品牌所把握，國內(nèi)曾經(jīng)的老品牌諸如鳳凰，永久之類的企業(yè)也因?yàn)闃邮嚼匣?、新近轉(zhuǎn)型和加入世貿(mào)組織受到國外品牌的沖擊而在市場的占有率上顯得捉襟見肘。所以在這個(gè)時(shí)候國內(nèi)的自行車產(chǎn)業(yè)做一個(gè)結(jié)合人機(jī)工程學(xué)對于車架造型的分析、解剖、再生的調(diào)整顯得尤為重要。1.2課題研究的重要性與必要性現(xiàn)今，越來越多不同年齡、不同職業(yè)的人們正漸漸喜愛上自行車這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，人們也不再把它僅僅當(dāng)作是昔日的一個(gè)代步工具而已，更多的是一個(gè)鍛煉的方式甚至是一個(gè)能陪伴的朋友，自行車文化也在慢慢以它獨(dú)具一格的風(fēng)采吸引著更多人投入對于這種運(yùn)動(dòng)的參與。但是市場上現(xiàn)有的自行車品種和構(gòu)造還有待進(jìn)一步的開發(fā)和改進(jìn)，相信一經(jīng)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)和人機(jī)工程學(xué)相結(jié)合，就會(huì)擁有一種不可思議的能量使得本已可能被冷落的產(chǎn)品獲得新生，給予人類幸福感受的同時(shí)，日漸改變?nèi)祟惖膬r(jià)值觀念和生活方式。使越來越多的人在可以選擇的情況下加入到使用自行車的行列，從而直接實(shí)現(xiàn)這一產(chǎn)業(yè)的復(fù)興，間接地實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境節(jié)約資源的目的。1.3作為課題研究所要達(dá)到的目的對于自行車這種工業(yè)化大生產(chǎn)的產(chǎn)物，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域中盡展其特有的潛質(zhì)之后，便一定能成為促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈得以迅速發(fā)展并具有持久擴(kuò)張力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但是，自行車車架造型特征與人機(jī)工程學(xué)理論的結(jié)合在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值還沒有得到很好的執(zhí)行。在資源、能源快速消耗，地球生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，自行車造型深度開發(fā)的過渡商業(yè)化，無節(jié)制的粗制濫造以及缺乏理性消費(fèi)的時(shí)代，必須重視從人機(jī)工程學(xué)出發(fā)的自行車車架造型設(shè)計(jì)改良任務(wù)的緊迫性。無論是保證產(chǎn)品能夠適合市場的同時(shí)具備能與同類產(chǎn)品競爭相媲美的能力，還是對保護(hù)環(huán)境與促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，都具有重要作用。1.4國內(nèi)外研究的歷史與現(xiàn)狀1.4.1人機(jī)工程學(xué)的研究現(xiàn)狀人機(jī)工程學(xué)又稱人類工效學(xué)、人體工程學(xué)等，是二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展起來的一門新的綜合性邊緣學(xué)科。它將人一機(jī)器一環(huán)境當(dāng)成一個(gè)系統(tǒng)來研究，以獲取系統(tǒng)最高效率。國際人類工效學(xué)學(xué)會(huì)(簡稱IEA)將人機(jī)工程學(xué)定義為：研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)方面的因素，研究人和機(jī)器及環(huán)境的相互作用，研究在工作中、家庭生活中和休假時(shí)怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學(xué)科。H1我國對人機(jī)工程學(xué)給出了以下定義：人機(jī)工程學(xué)是一門新興的邊緣學(xué)科。它是運(yùn)用人體測量學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)和生物力學(xué)以及工程學(xué)等學(xué)科的研究方法和手段，綜合地進(jìn)行人體結(jié)構(gòu)、功能、心理以及力學(xué)等問題研究的學(xué)科。用以設(shè)計(jì)使操作者能發(fā)揮最大效能的機(jī)械、儀器和控制裝置，并研究控制臺上各個(gè)儀表的最適位置。醢1人機(jī)工程學(xué)是研究人在操作過程中合理地、適度地勞動(dòng)和用力的規(guī)律的一門學(xué)科，該學(xué)科在自身發(fā)展過程中，有機(jī)地融入了其它相關(guān)學(xué)科的理論和方法，研究內(nèi)容不斷擴(kuò)展，研究方法也不斷完善。人機(jī)工程學(xué)研究包括理論研究和應(yīng)用研究兩個(gè)方面，且重在應(yīng)用。近期國外人機(jī)工程學(xué)研究的方向?yàn)椋孩俟ぷ髫?fù)荷研究，包括體力活動(dòng)、智力活動(dòng)、工作緊張等因素引起的生理負(fù)荷和心理負(fù)荷；②工作環(huán)境研究，包括高空、深水、地下、加速、高溫、低溫和輻射等異常工作環(huán)境條件下的生理效應(yīng)，以及一般工作與生活環(huán)境中振動(dòng)、噪音、空氣、照明等因素的人機(jī)工程學(xué)研究；③工作場地、工作空間、工具裝備的人機(jī)工程學(xué)研究；④信息顯示的人機(jī)工程學(xué)問題，特別是計(jì)算機(jī)終端顯示中人的因素研究；⑤計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與使用的人機(jī)工程學(xué)研究；⑥安全管理的人機(jī)工程學(xué)研究；⑦工作成效的測量與評定；⑧機(jī)器人設(shè)計(jì)的智能模擬等。謝正文在對近十年來(1994～2003年)我國近4000種主要科技期刊上發(fā)表的有關(guān)人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用研究方面的中文學(xué)術(shù)論文進(jìn)行綜合檢索、分析研究的基礎(chǔ)上，指出人機(jī)工程學(xué)在工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究大大領(lǐng)先于經(jīng)濟(jì)管理等其他領(lǐng)域，占論文總數(shù)的71．4％，且人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用研究呈逐年上升趨勢。由此可見人機(jī)工程學(xué)為其他領(lǐng)域注入了新的活力，同時(shí)自身的理論體系也在應(yīng)用中不斷發(fā)展與完善。人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要集中在人機(jī)界面設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、作業(yè)空間設(shè)計(jì)三方面。人通過視覺、聽覺和觸覺等感覺器官接受來自機(jī)器的信息，然后經(jīng)過人腦的處理、決策，做出相應(yīng)的動(dòng)作。人與機(jī)器之間信息交流和操縱控制都發(fā)生在人機(jī)界面上。在人機(jī)工程學(xué)中人機(jī)界面是最重要的一個(gè)研究分支，它是指人機(jī)間相互施加影響的區(qū)域，凡參與人機(jī)信息交流的一切領(lǐng)域都屬于人機(jī)界面。廣義的人機(jī)界面是指人與機(jī)之間的信息交流和控制活動(dòng)發(fā)生的界面，狹義的人機(jī)界面是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的人機(jī)界面。人機(jī)界面設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到人與機(jī)之間信息的交流以及操縱控制的實(shí)施。隨著信息產(chǎn)業(yè)和軟件工程學(xué)的發(fā)展，人機(jī)界面設(shè)計(jì)已成為國際計(jì)算機(jī)界最活躍的研究方向。具體到產(chǎn)品上來說，人機(jī)工程學(xué)就是在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造方面按照人體的生理和心理需求來進(jìn)行，使產(chǎn)品更加有益于人的身心健康。現(xiàn)代設(shè)計(jì)已逐漸從功能主義走向人性化，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用了人機(jī)工程學(xué)，企業(yè)紛紛將“以人為本”、“人體工學(xué)”作為產(chǎn)品的賣點(diǎn)，推出各種符合人機(jī)工程學(xué)的產(chǎn)品，在市場上取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。近年來將人機(jī)工程學(xué)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)取得了巨大成功，同時(shí)也為消費(fèi)者提供了更多更舒適好用的人性化產(chǎn)品。人在操縱機(jī)器時(shí)所需要的操作活動(dòng)空間和機(jī)器、設(shè)備、工具、被加工對象所占有的空間的總和，稱為作業(yè)空間。作業(yè)空間的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)人的操作活動(dòng)要求，充分考慮操作者的生理和心理需求，對機(jī)器、設(shè)備、工具和被加工對象等進(jìn)行合理的布局和安排，以達(dá)到操作者能舒適方便、安全可靠地操作，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。作業(yè)空間設(shè)計(jì)是人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用的又一重大領(lǐng)域，設(shè)計(jì)的好壞直接影響到完成工作的效率和疲勞的產(chǎn)生。作業(yè)空間設(shè)計(jì)主要包括工作區(qū)域設(shè)計(jì)、作業(yè)空間布置、座椅設(shè)計(jì)、工作臺設(shè)計(jì)以及環(huán)境設(shè)計(jì)等。作業(yè)空間布置對于復(fù)雜的系統(tǒng)的效率影響很大，比如：車間內(nèi)機(jī)器設(shè)備的布置、控制室內(nèi)儀表盤上控制按鈕的排列等，合理的布局能使操作者準(zhǔn)確迅速的操作，且能減少人的疲勞。所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先考慮到人及其采用的作業(yè)姿勢，再考慮設(shè)備，先考慮總體布局，再考慮局部設(shè)計(jì)，按照設(shè)備的使用頻率和操作順序進(jìn)行布置，并把常用的顯示控制設(shè)備布置在操作者的最佳作業(yè)范圍內(nèi)。由于很多作業(yè)采用坐姿，且坐姿是未來作業(yè)的主要工作姿勢，所以座椅設(shè)計(jì)成為人機(jī)工程學(xué)研究的熱門課題。座椅設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從座椅的使用功能出發(fā)，充分考慮到人體坐姿的生理和生物力學(xué)，讓就座者能舒適地就座，方便地變換和調(diào)節(jié)坐姿。在這方面轎車駕駛座椅是研究較多的課題，研究分析了駕駛過程中疲勞產(chǎn)生的原因，逐步立了轎車駕駛疲勞模型，并從人機(jī)工程學(xué)的角度提出了防止和緩解駕駛疲勞的有效措施，為轎車的座椅設(shè)計(jì)提供了寶貴的設(shè)計(jì)參考。今天，產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)更多的是在計(jì)算機(jī)輔助環(huán)境下進(jìn)行的，在人機(jī)設(shè)計(jì)中引入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)也將成為今后人機(jī)工程學(xué)發(fā)展的一個(gè)主要趨勢。計(jì)算機(jī)技術(shù)對人機(jī)工程的輔助主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對人機(jī)工程方法的輔助，二是對人機(jī)工程應(yīng)用的輔助。利用計(jì)算機(jī)建立人體模型以及交互式虛擬仿真評價(jià)平臺，將人機(jī)工程學(xué)的理論引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，能縮短設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品的安全性和舒適性。目前，常用的計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程方法包括：靜態(tài)施力分析、低背受力分析、作業(yè)姿勢分析、視域分析、疲勞恢復(fù)分析、舒適度分析、NIOSH提升分析、RULA(RapidUpperLimbAssessment)姿態(tài)分析、OWAS(OvakoWorkingPostureAnalysisSyStem)分析方法、可及度分析及能量代謝分析等。為了讓人機(jī)工程學(xué)專家的研究成果能被其他領(lǐng)域的研究人員使用，開發(fā)了很多基于專家系統(tǒng)的人機(jī)分析軟件，如Budnick等開發(fā)的原型系統(tǒng)CDEEP為設(shè)計(jì)師提供設(shè)計(jì)建議，Chen等開發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程學(xué)分析系統(tǒng)(EASY)等。數(shù)字人體模型在人機(jī)工程學(xué)研究中的應(yīng)用是從飛機(jī)、汽車的設(shè)計(jì)以及軍事訓(xùn)練開始的。目前，在數(shù)字人體模型中，由賓西法尼亞大學(xué)開發(fā)的人機(jī)分析評價(jià)軟件JACK是其中比較典型的一個(gè)，JACK中的人體模型不僅具有運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，而且還具有動(dòng)力學(xué)特性。他將人體模型分為皮膚和骨骼兩層，骨骼層用來實(shí)現(xiàn)人體的運(yùn)動(dòng)、受力等的分析。加拿大蒙特利爾理工大學(xué)的研究人員開發(fā)的人機(jī)仿真軟件SAFEWORK，可以進(jìn)行姿態(tài)舒適性評估，可視域及可達(dá)性判斷，其人體模型軟件既可生成單個(gè)個(gè)體的模型，也可生成一定百分位的人體模型。數(shù)字人體模型為人機(jī)工程學(xué)的研究提供了強(qiáng)有力的工具，成為人機(jī)工程學(xué)研究的一個(gè)重要課題。1.4.2人機(jī)工程學(xué)用于自行車的研究現(xiàn)狀自行車經(jīng)過200多年的不斷演變和改進(jìn)，性能不斷得到提高和完善，功能也逐漸增多，結(jié)構(gòu)日趨合理和穩(wěn)定。從最開始的在玩具木馬上裝兩個(gè)木制車輪，用腳蹬地驅(qū)動(dòng)自行車開始，逐漸增加了能控制行進(jìn)方向的車把，將木制車輪改為鋼制車輪，引入充氣輪胎改善騎行的舒適性，自行車的結(jié)構(gòu)在1900年前后臻于完善。在自行車的發(fā)展歷程中，人們試圖在驅(qū)動(dòng)方面做改進(jìn)，以提高騎行效率。比如：能把人體在鞍座上的顛簸轉(zhuǎn)化為自行車前進(jìn)動(dòng)力的雙重驅(qū)動(dòng)自行車、用電來驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)自行車、采用杠桿傳動(dòng)的自行車、采用齒輪傳動(dòng)的自行車等等。針對不同的目標(biāo)用戶群也出現(xiàn)了一些特殊的自行車，比如：多人騎自行車、水陸兩用自行車、農(nóng)用自行車、飛行自行車等等。近年來人們對自行車的研究主要集中在新材料、減震、折疊、外觀等方面，對自行車零部件的研究較多。自行車騎行舒適性方面的研究比較關(guān)注于鞍座和把套等部件的形態(tài)設(shè)計(jì)。但對自行車整體車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)變化不大。把人機(jī)工程學(xué)理論引入到自行車設(shè)計(jì)中，將會(huì)使自行車的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，并使自行車的性能有很大的改善。人機(jī)工程學(xué)在自行車行業(yè)的應(yīng)用，將會(huì)推動(dòng)自行車朝著舒適高效的方向發(fā)展，也許還將帶來自行車設(shè)計(jì)的新時(shí)代。自行車的研究比較多的方面是自行車的舒適性：64％的被調(diào)查者抱怨騎車不舒服，其中女性比男性的比例更高，女性為74％，男性為55％。對于女性來說年齡是一個(gè)重要的因素，因?yàn)楦嗟谋г拐呤抢夏耆?76．69％)。其中抱怨最多的是：前臂和手掌疼痛(手腕，手指，肘32％)，臀部疼痛(臀部、生殖器29％)，脖子和肩膀疼痛(18％)，膝蓋疼痛(10％)，通常這些疼痛是同時(shí)出現(xiàn)的。這一問卷調(diào)查給自行車設(shè)計(jì)提出了舒適性方面的要求。自行車的另一個(gè)研究比較多的方面是，空氣阻力對騎行速度的影響以及如何充分發(fā)揮賽車運(yùn)動(dòng)員的最大潛能，以提高自行車的騎行速度和騎行效率。不同騎行姿勢的空氣阻力，發(fā)現(xiàn)空氣阻力隨風(fēng)速增大而顯著增大，運(yùn)動(dòng)員姿勢角由110°減小到90°時(shí)，空氣阻力增加14％；姿勢角由90°減小到70°時(shí)，空氣阻力增加19％。大腿股四頭肌力量訓(xùn)練對提高膝關(guān)節(jié)速度、法向加速度、切向加速度與大腿擺動(dòng)角速度、角加速度及其重要；小腿三頭肌瞬時(shí)功率增加可以提高曲柄的角加速度及角速度，有利于騎行速度的提高；騎行蹬踏過程中，踝關(guān)節(jié)肌肉力量的強(qiáng)弱直接決定完成動(dòng)作時(shí)支撐的穩(wěn)固性及膝關(guān)節(jié)作用力的效率。相關(guān)學(xué)者提出了以下建議：注重大腿肌群力量的訓(xùn)練，尤其是股四頭肌的強(qiáng)化訓(xùn)練，提高其專項(xiàng)擺動(dòng)能力，以獲得較高的角速度及髖、膝、踝關(guān)節(jié)的速度；培養(yǎng)運(yùn)動(dòng)員下肢肌肉收縮與放松迅速交替的能力，以保證下肢運(yùn)動(dòng)骨杠桿的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)作的連貫性，避免蹬踏運(yùn)動(dòng)的僵硬；蹬踏過程中，接近“死點(diǎn)”位置時(shí)，處于下“死點(diǎn)”位置的足踝應(yīng)積極做出踏提動(dòng)作，以獲得其角速度的提高，從而利于曲柄角速度的增加，并且還有利于上“死點(diǎn)”位置的踏點(diǎn)順利平滑渡過“死點(diǎn)”，加強(qiáng)該專項(xiàng)能力訓(xùn)練時(shí)應(yīng)多強(qiáng)化小腿三頭肌肌力和踝關(guān)節(jié)柔韌訓(xùn)練。2.自行車設(shè)計(jì)中的人機(jī)因素分析2.1人機(jī)工程學(xué)理論人機(jī)工程學(xué)(Ergonomics)是一門兼容技術(shù)科學(xué)、人體科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的綜合性新興邊緣學(xué)科，處于許多學(xué)科和專業(yè)技術(shù)的接合部上。它除了同有關(guān)工程技術(shù)學(xué)科關(guān)系密切以外，還與生理學(xué)、心理學(xué)、人體解剖學(xué)、人體測量學(xué)、人類學(xué)、環(huán)境保護(hù)學(xué)、管理科學(xué)、色彩學(xué)和信息學(xué)等學(xué)科都有密切聯(lián)系。因此，它是技術(shù)科學(xué)和社會(huì)科學(xué)工作者共同研究的課題。心理學(xué)中的工程心理學(xué)，是當(dāng)今人機(jī)工程學(xué)的主要基礎(chǔ)學(xué)科之一，它所研究的對象雖然都是人機(jī)系統(tǒng)中“人”這一環(huán)節(jié)，但工程心理學(xué)側(cè)重于對人的心理活動(dòng)的研究。人機(jī)工程學(xué)則是在綜合各門學(xué)科的基礎(chǔ)上，全面考慮“人的因素”，從而對人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、使用提供更全面的依據(jù)。人體解剖學(xué)提供了人的肢體所能發(fā)揮的力量及肌肉關(guān)節(jié)等動(dòng)作限度的資料，這將有助于人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。人體測量學(xué)對人體靜態(tài)和動(dòng)態(tài)尺寸（如人體身高，上、下肢的長度，人坐著或站立時(shí)肢體運(yùn)動(dòng)的角度和尺寸等）的測量資料，為人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工作空間布置提供了科學(xué)依據(jù)。生理學(xué)及環(huán)境保護(hù)學(xué)研究人體各方面的機(jī)能和效率，以及各種環(huán)境對人體的影響。人機(jī)工程學(xué)常常應(yīng)用它們的研究結(jié)果來提高人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，創(chuàng)造良好的工作環(huán)境和保證人體正常的生理活動(dòng)，從而達(dá)到提高人機(jī)系統(tǒng)工作效率的目的。技術(shù)學(xué)科往往是研究工程技術(shù)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容和方法，而人機(jī)工程學(xué)所要解決的不是這些設(shè)計(jì)中的具體技術(shù)問題，而是工程設(shè)計(jì)如何才能適合于人的使用的問題，并從這個(gè)角度出發(fā)，向設(shè)計(jì)人員提供必要的參數(shù)和要求，使設(shè)計(jì)更加合理，更加適合于人的生理和心理要求?？梢姡藱C(jī)工程學(xué)的研究內(nèi)容是很廣泛的，它涉及到設(shè)備和儀表設(shè)計(jì)（包括人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)）、工藝選擇、環(huán)境保護(hù)、安全工程、勞動(dòng)保護(hù)、勞動(dòng)衛(wèi)生、勞動(dòng)生理、工業(yè)心理、人體測量、工業(yè)美術(shù)設(shè)計(jì)、行為科學(xué)及勞動(dòng)的科學(xué)組織管理等知識或?qū)W科。在人機(jī)系統(tǒng)中，人同機(jī)器的關(guān)系總是相互作用、相互配合與相互制約和發(fā)展的，但起主要作用的始終是人。因此，為了能充分地發(fā)揮人和機(jī)器設(shè)備的作用，使整個(gè)人機(jī)系統(tǒng)高效、可靠、安全以及操縱的方便，設(shè)計(jì)人機(jī)系統(tǒng)時(shí)就得充分考慮人和機(jī)器的特征與機(jī)能，使之相互協(xié)調(diào)配合，構(gòu)成有機(jī)整體，達(dá)到人們生產(chǎn)活動(dòng)的最佳效果。為了達(dá)到上述的設(shè)計(jì)目的，在設(shè)計(jì)人機(jī)系統(tǒng)時(shí)，考慮人機(jī)界面的合理匹配則是至關(guān)重要的。如果人機(jī)界面的設(shè)計(jì)匹配不合理，人機(jī)系統(tǒng)總體效能的發(fā)揮將受到嚴(yán)重影響，甚至出現(xiàn)重大事故。而人類所謂人性化的產(chǎn)品，就是包含人機(jī)工程的產(chǎn)品，只要是“人”所使用的產(chǎn)品，都應(yīng)在人機(jī)工程上加以考慮，產(chǎn)品的造型與人機(jī)工程無疑是結(jié)合在一起的?？梢詫?chuàng)門描述為：以心理為圓心，生理為半徑，用以建立人與物（產(chǎn)品）之間和諧關(guān)系的方式，最大限度地挖掘人的潛能，綜合平衡地使用人的肌能，保護(hù)人體健康，從而提高生產(chǎn)率。僅從工業(yè)設(shè)計(jì)這一范疇來看，大至宇航系統(tǒng)、城市規(guī)劃、建筑設(shè)施、自動(dòng)化工廠、機(jī)械設(shè)備、交通工具，小至家具、服裝、文具以及盆、杯、碗筷之類各種生產(chǎn)與生活所創(chuàng)造的“物”，在設(shè)計(jì)和制造時(shí)都必須把“人的因素”作為一個(gè)重要的條件來考慮。若將產(chǎn)品類別區(qū)分為專業(yè)用品和一般用品的話，專業(yè)用品在人機(jī)工程上則會(huì)有更多的考慮，它比較偏重于生理學(xué)的層面；而一般性產(chǎn)品則必須兼顧心理層面的問題，需要更多的符合美學(xué)及潮流的設(shè)計(jì)，也就是應(yīng)以產(chǎn)品人性化的需求為主。自行車騎姿是由騎乘者與自行車的把手、鞍座以及腳踏板的相對位置來決定的。騎乘者的手、臀部、腳在車上的相對位置決定了騎行的舒適程度和騎行的效率。從人機(jī)工程學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，要提高自行車騎行時(shí)的舒適性，就應(yīng)該合理定位把手、鞍座以及腳踏板三者之間的位置，讓騎行者在騎行過程中身體各部分盡可能處于自然狀態(tài)。2.2自行車設(shè)計(jì)中人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)在自行車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用不僅包括自行車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、舒適性，還要包括人體在內(nèi)的自行車主要分類三大部件分，即前部（以人的肩寬與車把的寬度、前叉翹度、前輪的質(zhì)量等），中部（以人的臂長與車架上管的長度、立管的高度、前叉斜度）和后部（以人的腿長度和鞍座位置，曲柄長度及鏈輪與飛輪的速比，達(dá)到最佳的驅(qū)動(dòng)效果）。德國HPVELTECHNIK公司在“2003科隆國際自行車展”上推出的一款“GRASSHOPPER”的靠背式自行車，“GRASSHOPPER”最明顯的特征主要體現(xiàn)在其配有一種按“人機(jī)工程學(xué)原理”設(shè)計(jì)、采用堅(jiān)固的“硬殼件”精心制作而成的靠背座椅。此種由骨盆形支撐件或浴盆形支架以及可調(diào)式“中心部件”組成、結(jié)構(gòu)奇特的靠背座椅，可通過一種快速夾緊裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。由此，那些喜歡外出長途旅游的騎車者，就可借助于此種快速夾緊裝置，在極短的時(shí)間內(nèi)，將靠背座椅的高度、寬度調(diào)整到位，從而使其能完全同自己的身材、身高或使用目的相吻合?？偟膩碚f，該自行車充分考慮到自行車整體舒適性，躺式的騎行姿勢可以加速騎行速度。中國的捷安特生產(chǎn)的ReviveDX型自行車座椅靠背的多位置腰部支撐式可以讓騎行者處于一種安全自然的狀態(tài)，減輕騎行者騎行所帶來的腰部疲勞，完美的人機(jī)工程設(shè)計(jì)讓騎行者更舒服。美國的spiderflex公司運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)出spider自行車鞍座，Spider鞍座的主要特點(diǎn)是:（1）大面積的座位可以更好的分布壓力。（2）從人機(jī)角度出發(fā)設(shè)計(jì)的分離型的中部中空可以消除對陰部的壓力。（3）通風(fēng)槽可以減小溫度和濕度的累積。（4）消除大腿內(nèi)側(cè)的摩擦。（5）適合任何自行車型用。因此，spider自行車鞍座真正解決了鞍座設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致人體的生理壓力以及心理壓力?？偠灾藱C(jī)工程學(xué)在自行車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣，從鞍座、車把和靠背各零部件到自行車的整體設(shè)計(jì)都不可或缺。2.3尺寸測量2.3.1人體靜態(tài)尺寸人體靜態(tài)尺度一般是指人體所占有的三維空間，包括人體高度、寬度和胸廓前后徑，以及各部分肢體的大小等。人體尺度會(huì)隨國家、地區(qū)、民族、性別、年齡、職業(yè)、生活狀態(tài)等的不同而有差異。一般來說，某一個(gè)體的測量尺寸不能作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。為使產(chǎn)品適合于一個(gè)群體的使用，設(shè)計(jì)中需要的是一個(gè)群體的測量尺寸。然而，全面測量是不現(xiàn)實(shí)的，通常是通過測量群體中較少量個(gè)體的尺寸，然后經(jīng)過均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、抽樣誤差、百分位數(shù)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)理論方法，獲得所需群體尺寸的統(tǒng)計(jì)規(guī)律和特征參數(shù)圈。2.3.3百分位人體測量的數(shù)據(jù)常以百分位來表示人體尺寸等，百分位數(shù)是一種位置指標(biāo)，一個(gè)界值，它不是某一確定的數(shù)值，而是表示了某一測量數(shù)值所標(biāo)志的群體數(shù)量與整個(gè)群體之間的百分比關(guān)系。百分位的定義是：表示具有某一人體尺寸和小于該尺寸的人占統(tǒng)計(jì)對象總?cè)藬?shù)的百分比，以符號PK表示。一個(gè)百分位數(shù)將總體或樣本的全部測量值分為兩部分，有K%的測量值等于或小于此數(shù)，有（100-K）%的測量值大于此數(shù)。最常用的是第5、50、95三個(gè)百分位數(shù)，分別記作P5、P50、P95其中,P5代表“小”身材的人群，指的是有5%的人群身材尺寸小于此值，而有95%的人群身材尺寸大于此值；P95代表“大”身材的人群，指的是有95%的人群身材尺寸小于此值，而有5%的人群身材尺寸大于此值：P50代表“中”身材的人群，指的是有50%的人群身材尺寸小于此值，而有50%的人群身材尺寸大于此值，第50百分位的數(shù)值可以說接近平均值，但絕不能理解為有“平均人”這樣的尺寸。事實(shí)上幾乎沒有任何人真正夠得上“平均人”。美國的Hertz一bexy博士在討論關(guān)于“平均人”的時(shí)候指出：“沒有平均的男人和女人存在，或許只是個(gè)別一兩項(xiàng)上（如身高、體重或坐高、是平均值）”。當(dāng)今的自行車市場上所供應(yīng)的自行車品種繁多，樣式各異。在這里，主要對自行車的大小進(jìn)行分類，按照大小分為：兒童車12~20英寸，成人車22~28英寸，山地自行車和城市自行車26英寸，跑車27英寸。在自行車的設(shè)計(jì)中，需要利用雙限值設(shè)計(jì)作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。雙限值設(shè)計(jì)指的是利用兩個(gè)人體尺寸百分位數(shù)作為尺寸上限值和下限值。因?yàn)闉榱耸跪T行者的手和腳能夠很方便地操作車把和腳踏板，以及通過調(diào)節(jié)鞍座的位置來達(dá)到舒適度。這樣，在確定自行車的尺寸時(shí)，可以采取第1~99百分位數(shù)據(jù)作為尺寸設(shè)計(jì)的依據(jù)；在確定鞍座的高低調(diào)節(jié)范圍時(shí)，就需要兩個(gè)設(shè)計(jì)界限值--上限值和下限值，宜取坐姿眼高的第95、5百分位尺寸數(shù)據(jù)作為上、下限值的依據(jù)。表2.1是人體尺寸、百分位以及自行車型號的關(guān)系。我國自行車型號編制的方法是按國家標(biāo)準(zhǔn)GB3565-83規(guī)定的，由兩個(gè)漢語拼音字母和2~3個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字組成，第一個(gè)漢語字母代表自行車的種類。P-普通車；Q-輕便車；Z-載重車；S-賽車；X-小輪車；T-特種車。男（18~60歲）女（18~60歲）151050909599151050909599身高/mm15431583160416781754177518141449148415031570164016591697體重/kg4448505971758339424452636674上臂長/mm279289294313333338349252262267284303308319前臂長/mm206216220237253258268185193198213229234242大腿長/mm413428436465496505523387402410438467476494小腿長/mm324338344369396403419300313319344370376390肩寬/mm330344353375397403419304320328351371377387最大肩寬/mm383398405431460469486347363371397428438458臀寬/mm273282288306327334346275290296317340346360手長/mm164170173183193196202154159161171180183189手寬/mm7376778287899167707176808284足長/mm223230234247260264272208213217229241244251足寬/mm8688909610210310778818388939598車架高度H/mm450520/530540/560450520/530540/560輪徑D/mm45551056061066068571045551056061066068571018’’20’’22’’24’’26’’27’’28’’18’’20’’22’’24’’26’’27’’28’’自行車型號0MKGECAPNLHFDB2.4人騎行自行車的特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)分析在人與自行車構(gòu)成的系統(tǒng)中，人為主要因素，因?yàn)槿艘瓿煽刂坪万?qū)動(dòng)的作用，所以在自行車設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮到人自身的特點(diǎn)：（1）人的蹬力：人的蹬力與姿勢及用力方向、足的位置有關(guān)。若坐姿有靠背支撐可產(chǎn)生最大的蹬力。除此之外，還與速比和左右腿有關(guān)。（2）人體動(dòng)作的用力特點(diǎn)：人體大肌肉關(guān)節(jié)的突然彎曲或伸直，可以產(chǎn)生很大的爆發(fā)力，并伴有運(yùn)動(dòng)肢體的沖力，可以獲得較大的力量。（3）人體動(dòng)作的靈活性特點(diǎn)：人體肢體在水平面上的運(yùn)動(dòng)比垂直面的運(yùn)動(dòng)速度快；肢體從上往下較從下往上運(yùn)動(dòng)速度快。人體在騎行自行車的時(shí)候，身體前傾，身體上肢的重心位于鞍座和車把之間。雙臂向延伸分開兩手握把，臀部坐在鞍座上，坐骨結(jié)節(jié)支撐上肢重量，同時(shí)恥骨也在鞍座上作輔助支撐，臀部臀大肌和皮下脂肪起到緩沖的作用。大腿以骸臼窩為支點(diǎn)在作曲伸運(yùn)動(dòng)。蹬踏踏板的時(shí)候，大腿曲髓時(shí)骼腰肌、股直肌分別收縮；伸骸時(shí)臀大肌、股二頭肌、半鍵肌、半膜肌分別收縮；半鍵肌位于大腿的內(nèi)側(cè)，與鞍座的寬度有一定的聯(lián)系。大腿后側(cè)脂肪較厚，騎行時(shí)它與鞍座后緣會(huì)有一定的摩擦和阻礙。這種情況會(huì)促使臀部前移，摩擦臀部的肌肉，對騎行者造成一定的影響。2.5自行車設(shè)計(jì)中重要的物因要素2.5.1自行車形態(tài)傳統(tǒng)自行車設(shè)計(jì)，最能體現(xiàn)自行車形態(tài)是車架造型。車架的造型設(shè)計(jì)是體現(xiàn)自行車整車形體、風(fēng)格和款式等最重要的部分，也是車輛保證質(zhì)量和性能的基礎(chǔ)。車架的設(shè)計(jì)形式可以有多種衍化，然而車架造型設(shè)計(jì)又是比較困難的，尤其是車架的受力分析。許多設(shè)計(jì)人員往往對車架的受力分析及計(jì)算難以掌握，故造型設(shè)計(jì)常拘于傳統(tǒng)。在自行車設(shè)計(jì)中可以用輪距、中軸高、翹度、伸距、前角、主管角等參數(shù)來協(xié)調(diào)車架的具體形狀和位置尺寸的變化。這些尺寸只要保證在一定技術(shù)規(guī)定以及人體尺寸的分布范圍內(nèi)。選擇方式就可以形成多種形式。2.5.2自行車材料自行車材料是自行車生產(chǎn)的關(guān)鍵問題之一，一直受到自行車設(shè)計(jì)!制造和使用者的高度重視。1790年，法國人米狄#德#西福拉克制成的世界上第一輛自行車是全木結(jié)構(gòu)的，人們稱其為木馬輪。1839年，蘇格蘭人麥克米倫將木制結(jié)構(gòu)的改為鋼鐵結(jié)構(gòu)，這是自行車材料方面的一次重大革命。鋼鐵工業(yè)的發(fā)展極大地促進(jìn)了自行車工業(yè)的發(fā)展。隨著生活水平的提高，人們對自行車的要求越來越高，不但要求式樣新穎、美觀大方、重量輕、行速快，而且還要求售價(jià)適當(dāng)，這就對自行車材料提出了更高的要求。自行車的材料己從當(dāng)初以普通碳素鋼、鉻鋁鋼、鉻錳鋼以及鋁合金材料為主，逐步發(fā)展到采用工程合成塑料、熱塑性材料（重量和彈性與碳纖維相仿，具有復(fù)原性能好、可塑性強(qiáng)、耐撞擊、吸震性強(qiáng)等特性）、AERMETIOO超強(qiáng)合金鋼、模壓高級復(fù)合材料（用環(huán)氧樹脂、玻璃纖維等材料制成，可制造車架用管材）、不銹鋼、鐵合金、鎂合金、抗合金、碳纖維、玻璃纖維合成材料(特點(diǎn):耐氣候、抗損傷、抗拉強(qiáng)度較高)等一系列科技含量較高的新型材料。新材料的應(yīng)用對于自行車設(shè)計(jì)與工程來說，始終都是人們所追求的。如今每年許多自行車公司都會(huì)推出各式各樣的概念車，其中就會(huì)有很多新材料在車上的大膽運(yùn)用。他們一般都會(huì)具有獨(dú)特的使用及視覺效果，或能減低生產(chǎn)成本或能減少污染等，只要它們一旦得到社會(huì)的積極反映，就會(huì)有可能被運(yùn)用到之后推出的量產(chǎn)車之中。這樣人們也就會(huì)很快感受到新材料在自行車上的運(yùn)用帶來的舒適感受。2.5.3自行車的表面裝飾和色彩在上世紀(jì)，僅被人們作為健身、娛樂、代步工具的自行車，外觀造型千篇一律，色彩單一，大多是黑白金屬色，產(chǎn)品缺乏視覺的審美性。而今天，經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了生活必需品十分豐富的地步，商品生產(chǎn)供大于求，人們在自行車的選購上已經(jīng)不滿足于作為單純的代步工具,而是通過車的造型、五顏六色的色彩來體現(xiàn)自己的審美情趣，并以它所具有的豐富多彩的視覺傳達(dá)效應(yīng)，來表達(dá)自己的個(gè)性和愛好，自行車的裝飾逐漸趨向時(shí)裝化、人性化。我們可以從鳳凰自行車的發(fā)展以及自行車概念設(shè)計(jì)與自行車交易會(huì)上，自行車定貨成交數(shù)量看出，造型新穎、彰顯個(gè)性色彩的自行車備受消費(fèi)者的青睞。這是因?yàn)楹枚嗳速I自行車也像買時(shí)裝一樣喜歡挑挑揀揀，這種情況現(xiàn)在國外相當(dāng)普遍。現(xiàn)在的自行車顏色可謂豐富多彩，一般均為多色、雙色鑲拼和多種色彩組合而成的色彩（有三色、四色、五色甚至更多）以及立體感較強(qiáng)的熒光絲紋貼花、花色貼花，各種瑩光漆、珠光漆、裂紋漆、條紋漆更為常見。因此，無論喜歡何種顏色的人均能買到自己喜歡的自行車。在德國、英國、荷蘭、法國、意大利、美國、加拿大等一些工業(yè)發(fā)達(dá)的歐美國家中，單色的自行車己排不上號，取而代之的是各式紋理漆、精細(xì)的彩色花紋、各種精美絕倫的抽象派和現(xiàn)代派油畫式圖案以及許多幾乎能體現(xiàn)水花和山水花紋、顏色如同大理石一般的亮麗色彩。除此之外，表現(xiàn)各種人物和動(dòng)物的藝術(shù)圖案現(xiàn)也紛紛進(jìn)入車架表面涂飾這一領(lǐng)域，有的廠家己將生動(dòng)活潑的動(dòng)物圖案、兒童卡通畫搬上自行車的鞍座和車架，甚至自行車運(yùn)動(dòng)競賽冠軍（各種不同的比賽運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目冠軍）及電影明星畫像也搬上粗獷的山地自行車或越野自行車車架。為了使自行車色彩更為和諧，有部分廠家在車把立管上還采用了色彩和車架相仿的多彩朦朧藝術(shù)圖案的表面裝飾，這種飾使人在視覺和觸覺上始終有一種新鮮的感覺，目前已成為自行車市場上的一種流行趨勢。3.自行車結(jié)構(gòu)3.1基于人體生物力學(xué)的車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)針對一個(gè)身高為1740mm的人體，以中軸為坐標(biāo)原點(diǎn)，得到鞍座位置參數(shù)坐標(biāo)（191，580），車把位置參數(shù)坐標(biāo)為（-429，693），分析得到車把、鞍座、中軸三個(gè)位置的載荷如表3-1所示。表3-1車架所受荷載Fx/NFy/NFz/N車把14-417鞍座64-45740中軸64-23832圖3-1車架結(jié)構(gòu)模型3.1.1車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)下面以適合此人體特征參數(shù)的自行車車架結(jié)構(gòu)為前提，從結(jié)構(gòu)角度修改模型的可變參數(shù)，選取三種在實(shí)際中可行的方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，探尋降低應(yīng)力的方法。3.1.2改變角度所謂改變角度，就是改變每個(gè)管件之間的夾角。本文所改變的角度是立管相對于地面的傾角，上文分析了特定人體參數(shù)對應(yīng)的車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，其中立管和水平地面的夾角為72，下面將分析立管和水平地面夾角為75的自行車車架。車把、鞍座、中軸三個(gè)位置的載荷如表3-2所示。表3-2車架所受荷載Fx/NFy/NFz/N車把14-397鞍座65-42765中軸64-26552車架的最大應(yīng)力值為71.047Mpa，應(yīng)力值有所減小，但是降低幅度不大。表明適合人體特征參數(shù)的自行車車架具有良好的騎行性能。3.1.3改變管件的厚度由上文知，適合人體特征參數(shù)的自行車車架最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，將車架的上管和下管壁厚由1.8mm減小到1.6mm。車架的最大等效應(yīng)力值增大到85.901Mpa，但是仍然小于許用應(yīng)力，因此，在車架強(qiáng)度足夠的前提下，可以考慮減小壁厚，從而減輕整車重量，也節(jié)省了材料。3.1.4改變車架材料由于人們購買自行車時(shí)越來越多的考慮騎行使用輕便快捷的問題，因此很多中高檔車型都使用了新型材料，如碳纖維、鎂合金、鋁合金等，將本文中車架材料采用的鉻鉬鋼改為6061型鋁合金。鋁合金的屈服強(qiáng)度為276Mpa，車架的最大等效應(yīng)力70.128Mpa，小于許用應(yīng)力，由于車架體積沒變，鋁合金的密度又大約是鋼的1/3，所以在減小應(yīng)力的同時(shí)，減輕了車架的質(zhì)量，這種新型材料值得大力推廣。3.2自行車車把設(shè)計(jì)車把是自行車操控的主要部件之一，主要由把橫、把立與把套或把帶組成，有時(shí)候會(huì)根據(jù)實(shí)際需要而增加副把。選擇合適的車把，可以為騎行帶來更好的騎乘舒適性與操控體驗(yàn)。按材料有鋼管車把，鋁合金管車把，鈦合金管車把，碳纖維及復(fù)合材料的車把。現(xiàn)在國際標(biāo)準(zhǔn)的車把長度通常有是560mm，580mm，610mm640mm680mm這幾種常用的規(guī)格。(測量長度通常都是用mm作為單位計(jì)數(shù))目前自行車車把有四種，分別是彎把、直把、雁把和蝴蝶把：（1）直把的特性是車把距離短，操控性比較靈活，重量輕。一般的距離在560-580mm之間，如果配合上副把之后，當(dāng)站立蹬踏搖車加速時(shí)都是很方便的，唯一不足就是由于車把長度限制，操作動(dòng)作活動(dòng)的角度不是很大，感覺騎車表現(xiàn)出的動(dòng)作都很“溫柔”。所以通常使用在越野車上比較多。（2）雁把在一些地方又稱為“雁翅”，因?yàn)闃幼訕O像大雁展開的翅膀所以相性化的叫做雁把。雁把的特性是距離長，管徑粗，冷拔變徑管技術(shù)使用頻繁，加工熱處理技術(shù)復(fù)雜。有多種彎曲度的可以供愛好者挑選。在舒適程度上也要要高于直把，但重量上略高于直把，由于管徑粗，彎曲角度的原因。車把的緩沖性上有了很大的提高，通常使用在一些運(yùn)動(dòng)比較激烈的車種上面，比如DS(雙人回轉(zhuǎn))DH(速降)車種上面。通常使用的長度都在640mm以上，不過部分長度為610mm的雁把也用常常在山地越野車上面。（3）彎把主要用于公路車上的車把，測量方法也和平常的山地車把長度測量不一樣，其測量方法是車把末端的左右圓心之間的距離即為車把的長度，一般說來有40mm，42mm44mm這幾個(gè)常用規(guī)格，在跑車方面還有一些形狀比較怪異的專用車把，比如個(gè)人計(jì)時(shí)賽上面的車把。這種車把局限性更大，使用的一般都是在專業(yè)比賽上。很少有車能與這類車把兼容。（4）蝴蝶把顧名思義就是車把的樣子極為像一個(gè)展開翅膀的蝴蝶，這種車把常使用在長途旅行自行車上面，由于車把的整體范圍寬廣，加上車把各種本身角度的彎曲，可以使騎行者有不同的姿勢進(jìn)行更換，以便于防止負(fù)重騎行時(shí)造成運(yùn)動(dòng)損傷。很好的操控性成為旅行自行車的首選。所以選擇彎把，車把長度為42mm的規(guī)格。如圖3-2所示。圖3-2彎把3.3自行車零件3.3.1前叉前叉是自行車的導(dǎo)向部件之一。前叉在自行車結(jié)構(gòu)中處于前方部位，它的上端與車把部件相連，車架部件與前管配合，下端與前軸部件配合，組成自行車的導(dǎo)向系統(tǒng)。轉(zhuǎn)動(dòng)車把和前叉，可以使前輪改變方向，起到了自行車的導(dǎo)向作用。此外，還可以起到控制自行車行駛的作用。前叉部件的受力情況屬懸臂梁性質(zhì)，故前叉部件必須具有足夠的強(qiáng)度等性質(zhì)。車胎充足氣后，車輪與道路的接觸面積小，摩擦阻力相應(yīng)減小，使得行駛較輕松。但是，一旦遇上高低不平的道路，就會(huì)顛簸不穩(wěn)，特別是前叉震動(dòng)更加厲害。因此，近幾年來，人們又研究出了具有減震作用的前叉——避震前叉。避震前叉將自行車的車架和前輪彈性的連接在一起，可吸收并緩解因路面不平而傳遞給車架的沖擊和震動(dòng)，保持騎行的舒適和平穩(wěn)。由于減震裝雹具有緩沖作用，可以避免某些零件因過分震動(dòng)而損壞。3.3.2鞍座鞍座是保證長時(shí)間騎行不疲勞的關(guān)鍵部件，運(yùn)動(dòng)車一般采用無彈簧式鞍座一一鞍座面下應(yīng)采用較硬的海綿，形狀以狹長為宜。鞍座的長度、寬度的鞍梁的結(jié)構(gòu)是以車型和乘者的性別、習(xí)慣來確定。鞍座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮乘者舒適。鞍座依靠鞍管與車架做鋼性連接，用來承受人體的重量。具體來說：鞍座面：是人體體重的支撐面，具有良好的強(qiáng)度和彈性，它由鞍座面皮和墊皮組成。鞍座架：又稱鞍梁，是鞍座的主體，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般由前后撐板，左右鞍撐，上下梁組成，并連接和支撐鞍面。鞍座簧：實(shí)質(zhì)上是鞍座架的一部分。它支撐著鞍座架和鞍座面，起著緩沖和減震的作用。鞍座簧的形式有立簧、臥簧和拉簧等幾種。鞍座夾：又稱鞍座卡，是由夾緊螺釘，座夾和夾板等組成，用來將鞍座固定在鞍簧上。自行車的座墊下安裝彈簧，可以利用它的緩沖作用以減小震動(dòng)。3.3.3車輪自行車的車輪屬于導(dǎo)向系統(tǒng)（前輪）也屬于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（后輪），其種類型主要分為傳統(tǒng)型（輻條型）和實(shí)體型。傳統(tǒng)的自行車車輪由輪胎（內(nèi)胎、外胎）、輻條，花轂等組成，其結(jié)構(gòu)造型其中，車輪的外胎又分軟邊胎和硬邊胎兩種。軟邊胎斷面寬，能全部裹住內(nèi)胎，著地面積比較大，能適宜多種道路行駛。硬邊胎自重輕，著地面積小適宜在平坦的道路上行駛，具有阻力小，行駛輕快等優(yōu)點(diǎn)。外胎上的花紋是為了增加與地面的摩擦力。山地自行車的外胎寬度特別寬，花紋較深也是適應(yīng)越野山地用。車輪的輻條一般是等徑的，為了減輕重力，也有制成兩端大、中間小的變徑輻條，還有為了減少空氣阻力將輻條制成扁流線。但近幾年，市場上出現(xiàn)了脫離傳統(tǒng)的車輪——實(shí)體車輪，整個(gè)車輪都是一體的。這些造型奇特的車輪一般都用在運(yùn)動(dòng)型自行車上。兩種類型的車輪相較，輻條車輪較輕，但實(shí)體車輪更符合空氣動(dòng)力學(xué)原理。3.3.4踏板組合件踏板是自行車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要部件，是自行車驅(qū)動(dòng)力——蹬力的“傳點(diǎn)”。在這組組合件中包含中軸、曲柄等多種零件，具體組裝三維模型1、腳蹬部件腳蹬部件裝配在中軸部件的左右曲柄上，是一個(gè)將平動(dòng)力轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)力的裝置，自行車騎行時(shí)，腳踏力首先傳遞給腳蹬部件，然后由腳蹬軸轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄，中軸，鏈條飛輪，使后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使自行車前進(jìn)。因此腳蹬部件的結(jié)構(gòu)和規(guī)格是否合適，將直接影響騎車人的放腳位置是否合適，自行車的驅(qū)動(dòng)能否順利進(jìn)行。2、腳踏板腳踏板可分為整體式腳踏板和組合式腳踏板。無論什么款式的腳踏板都必須有腳踏面，必須安全可靠，并且具有一定的防滑性能，制造材料可以選用橡膠、塑料或金屬。腳踏板必須轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。腳踏板是整個(gè)車子，旋轉(zhuǎn)部位的動(dòng)力源，過去的踏板其鞋底板自出力點(diǎn)中央至曲柄的距離都超過５２哪。近年來國外有新品，踏板軸的長度縮短為４７ｒａｍ是可增加力矩的。3、曲柄曲柄的長度使用上，原則以下肢長來調(diào)配，此外還得考慮項(xiàng)目的應(yīng)用，一般曲柄大眾化的尺寸，都是從16.5cm起，每隔0.25cm為一標(biāo)準(zhǔn)，到17.5cm，(165、167.5、170、172.5、175) 等五種，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)對其尺寸的要求更為精密化。4、鏈條鏈條又稱車鏈、滾子鏈，安裝在鏈輪和飛輪上。其作用是將腳踏力由曲柄、鏈輪傳遞到飛輪和后輪上，帶動(dòng)自行車前進(jìn)。創(chuàng)建一個(gè)新的裝配體，在前視基準(zhǔn)面創(chuàng)建一個(gè)自行車草圖，在該草圖中繪制關(guān)鍵零件，并把每個(gè)零件生成塊，其中塊的名稱修改成零件的名稱，每個(gè)塊只需要表達(dá)零件的關(guān)鍵形狀、尺寸和位置即可，不需要畫上全部的細(xì)節(jié)。5、鏈輪鏈輪需用高強(qiáng)度鋼材制成，保證其達(dá)到需要的拉力強(qiáng)度。6、飛輪飛輪以內(nèi)螺紋旋擰固定在后軸的右端，與鏈輪保持同一平面，并通過鏈條與鏈輪相連接，構(gòu)成自行車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。飛輪從結(jié)構(gòu)上可分為單級飛輪和多級飛輪兩大類。單級飛輪又稱為單鏈輪片飛輪，主要由外套、平擋和芯子、千斤、千斤簧、墊圈等零件組成。單級飛輪的工作原理：當(dāng)向前踏動(dòng)腳踏是，鏈條帶動(dòng)飛輪向前轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)飛輪內(nèi)齒和千斤相含，飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)力通過千斤傳到芯子，芯子帶動(dòng)后軸和后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，自行車就前進(jìn)了。當(dāng)停止踏動(dòng)腳踏板時(shí)，鏈條和外套都不旋轉(zhuǎn)，但后輪在慣性作用下仍然帶動(dòng)芯子和千斤向前轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)飛輪內(nèi)齒產(chǎn)生相對滑動(dòng)，由此將芯子壓縮到芯子的槽口內(nèi)，千斤又壓縮了千斤簧。當(dāng)千斤齒頂滑到飛輪內(nèi)齒頂端時(shí)，千斤簧被壓縮得最多，再稍微向前滑一點(diǎn)，千斤被千斤簧彈到齒根上，發(fā)出“嗒嗒”的聲響。芯子轉(zhuǎn)動(dòng)加快，千斤也很快在各個(gè)飛輪內(nèi)齒上滑動(dòng)，發(fā)出“嗒嗒”的聲音。當(dāng)反向踏動(dòng)腳踏時(shí)，外套反向轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)加速千斤的滑動(dòng)。使“嗒嗒”聲響的更急促。多級飛輪是自行車變速裝置中的一個(gè)重要部件。多級飛輪是在單級飛輪的基礎(chǔ)上，增加幾片飛輪片，與中軸上的鏈輪結(jié)合，組成各種不同的傳遞比，從而改變了自行車的速度。3.3.5后座、擋泥板、鏈盒自行車的部件除了上述的幾種主要部件，還包括擋泥板、撐腳、車閘等附件，具體功用、造型如下所述：１、擋泥板：擋泥板屬可選擇性部件，休閑自行車一般都會(huì)安裝，但運(yùn)動(dòng)車一般以不裝擋泥板為宜，有時(shí)也可采用窄形擋泥板。2、后座后座又稱貨架，其功用主要用來承載，一般自行車都有安裝，運(yùn)動(dòng)車則很少安裝。后座的造型非常多，圖2-11及是比較常見的造型3、車閘車閘是保證騎乘者安全的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是剎車的制動(dòng)點(diǎn)不在輪緣上，不會(huì)損壞車圈的電鍍層。車間按制動(dòng)點(diǎn)的位置來分，可以分為輪緣閘和軸閘兩大類，我們重點(diǎn)介紹最常見的輪緣閘。輪緣閘是一種通過機(jī)械杠桿、推桿、拉桿或鋼絲繩等直接將高摩擦因素的閘皮壓向車圈邊緣后輪胎，將轉(zhuǎn)動(dòng)中的車輪剎停的裝置。輪緣閘結(jié)構(gòu)簡單，維修保養(yǎng)方便，因此被廣泛使用。但是，如果接觸車圈輪緣不正，或雨水淋濕的影響，會(huì)降低摩擦，從而影響制動(dòng)的效果。常見的有：（1）普通閘：優(yōu)點(diǎn)為接觸面合理，制動(dòng)力矩大，制動(dòng)靈敏，剎車性能可靠，結(jié)構(gòu)簡單和安裝修理方便。（2）鉗形閘：當(dāng)剎車時(shí)，其左右閘叉和閘皮就像鉗子一樣，緊緊地鉗住車圈的兩個(gè)端邊，達(dá)到使車減速或停的目的。優(yōu)點(diǎn)是剎車時(shí)力臂大，制動(dòng)效果好，傳動(dòng)零件少，調(diào)節(jié)和維修方便，重力輕，外形美觀。懸臂閘：優(yōu)點(diǎn)為懸臂閘剎車時(shí)的力矩比鉗形閘更大。制動(dòng)性能好，結(jié)構(gòu)簡單。重力輕，調(diào)節(jié)和維修方便。前觸閘：前觸閘是靠杠桿原理制動(dòng)的。當(dāng)手握緊閘把時(shí)，閘把的另一頭梅接頭、拉桿、拉管向下壓，使閘皮向下壓至與輪胎接觸，產(chǎn)生摩擦制動(dòng)力。其缺點(diǎn)是剎車教果與輪胎充氣程度有關(guān)。充氣不足時(shí)，會(huì)使摩擦力減小，影響剎車效果。腳閘：優(yōu)點(diǎn)為由于剎車是用腳力的，所以在腳閘上產(chǎn)生的正壓力越大，剎車效果越好。4.人與自行車系統(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)系可由圖來進(jìn)行分析。4.1人與支撐部件的