人—自行車人機(jī)工程設(shè)計(jì)案例分析

1、人自行車系統(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)中人自行車的界面關(guān)系分析如下。 人車界面關(guān)系 傳動(dòng)部分 支撐部分 接受 動(dòng)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(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)

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(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

3、機(jī)構(gòu).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

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(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,骨骼的截面空氣阻力速度腳長(zhǎng)荷重臂長(zhǎng)體重姿勢(shì) 踏力 腳力 合成重心手的大小、握力視覺、平衡感覺身長(zhǎng) 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)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/m

6、in,一般腳踏以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.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

7、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.3、 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。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(diǎn)的相互位置車架結(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

8、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，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

9、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C。按三點(diǎn)調(diào)整法，AB和AC約等，一般AB=（AC3）cm，A點(diǎn)略低于B點(diǎn)，約5cm。1. 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Σ课皇悄_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

10、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，剎車力也按比例的增加。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(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(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)然與騎車人有