人機工程學(xué)-自行車騎姿勢分析與改進設(shè)計

...wd......wd......wd...課程論文人機工程學(xué)自行車騎姿分析與改進設(shè)計目錄1概述32與自行車騎姿相關(guān)的因素分析32.1車把與鞍座之間的相對位置32.2鞍座與腳踏之間的相對位置42.3鞍座42.4中軸43現(xiàn)行騎姿人機特性分析53.1蹬踏運動53.2休閑車騎姿54自行車騎姿的改進設(shè)計64.1鞍座64.2中軸與鞍座之間的相對位置64.3把手與鞍座之間的相對位置74.4設(shè)計計算方法75設(shè)計實例106完畢語101概述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。從人機工程學(xué)觀點出發(fā)，要提高自行車騎行時的舒適性，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位盡可能處于自然狀態(tài)。車架是自行車的骨架，在很大程度上決定了自行車的構(gòu)造和性能，進而決定了自行車的騎姿和騎行舒適性?，F(xiàn)在的車架設(shè)計多采用經(jīng)歷法，即以現(xiàn)有的車型為參考來確定車架的關(guān)鍵參數(shù)，在此根基上進展形態(tài)創(chuàng)新。這樣設(shè)計出來的車架延續(xù)了以往的騎姿，未能真正做到設(shè)計以人為本。本文從人體尺寸、動作范圍以及運動生理等方面出發(fā)，改進設(shè)計影響騎姿的三大部件之間的相對位置。改進后的騎姿在身體各局部之間進展合理的功能分配，腳踩踏板驅(qū)動自行車前行，臀部和腰支撐上體的體重，手操縱把手控制前行方向。在此根基上進展的車架設(shè)計能提高騎行的舒適度。2與自行車騎姿相關(guān)的因素分析正確的騎姿可以提高騎行效率，使騎行不易產(chǎn)生不適和疲勞，同時還能降低不安全發(fā)生的幾率。騎姿設(shè)計是自行車設(shè)計工作中的一項重要內(nèi)容。與自行車騎姿相關(guān)的因素主要有：2.1車把與鞍座之間的相對位置車把與鞍座之間的相對位置決定了騎乘者上半身的姿勢。車把過低會使騎行者的上肢承受很大的靜壓，時間稍長手臂和手掌易發(fā)生疲勞，同時過低的上身也會壓迫腹部，但力容易傳遞到車。提高車把高度可使背部彎曲度變淺，可以防止對腹部的壓迫，但力不易傳遞到前輪。從生物力學(xué)角度來看，當人體脊柱處于非自然彎曲狀態(tài)時，會引起椎間盤壓力改變，致使腰部疼痛。所以良好的騎姿應(yīng)使騎乘者脊柱接近正常形態(tài)。在腰部增加適當?shù)目勘晨梢愿纳仆尾渴芰?，維持脊柱的正常形態(tài)，并有利于腿部蹬力的發(fā)揮。2.2鞍座與腳踏之間的相對位置鞍座與腳踏之間的相對位置直接影響蹬踏方式，由鞍座相對中軸軸心的位置和曲柄長度決定。鞍座相對中軸軸心的位置是決定下肢肌肉群的肌力能否有效利用的一個關(guān)鍵，即是影響踏力和踏速能否獲得最正確配合的關(guān)鍵。鞍座的位置由鞍座的高度和坐管傾角共同決定。鞍座的高度與胯高關(guān)系嚴密。大的坐管傾角使騎乘者重心靠前，有利于高速騎行，但不能長時間騎行。曲柄長度決定了大腿骨的運動角度和有關(guān)肌肉群的收縮程度。過長的曲柄將引起肌肉的過度伸長和過度縮短。曲柄過短將使珍貴的肌肉收縮力不能被充分利用。此外，曲柄的長度還直接影響合理的踏速。現(xiàn)在有兩種比較流行確實定曲柄長度的方法，一種是從股骨的頂端到地面距離的18.5%為所需曲柄的長度，還有一種是取為身高的1/10。2.3鞍座當人坐在坐墊上時，與坐墊接觸最嚴密的是坐骨結(jié)節(jié)。坐骨結(jié)節(jié)處是人體最能承受壓力的部位，在這兩個點周圍約250mm2范圍承受人體約70%的重量，其受力情況如圖1。車座后端寬度過小就會使坐骨結(jié)節(jié)處于鞍座邊緣或緊貼邊緣的位置，導(dǎo)致身體重量落到會陰上。適當加寬車座后端，有助于增大坐骨結(jié)節(jié)與坐墊的接觸面積，充分發(fā)揮坐骨結(jié)節(jié)承載能力，使壓力遠離控制會陰血液的血管和神經(jīng)。圖1坐姿下的坐面力分析2.4中軸中軸是傳動機構(gòu)，同時承受騎車者的局部體重。中軸高度應(yīng)根據(jù)自行車的使用環(huán)境來決定，高中軸自行車適用于凹凸不平的路面，低中軸自行車在失控時具有更大的穩(wěn)定性。3現(xiàn)行騎姿人機特性分析3.1蹬踏運動假定蹬踏力F豎直向下，如圖2所示，當踏板處于最高位置A和最低位置C時，蹬踏力F通過中軸軸心，此時力臂d為零，力矩M=F×d也為零，F(xiàn)不做功，無法驅(qū)動自行車前行。位置A和C分別為上死點和下死點。從A點到C點，蹬踏力F可分為F1〔與曲柄垂直〕與F2〔沿曲柄軸線〕兩個分力。分力F2通過中軸軸心，力矩等于零，只有F1做功。此時，力矩M=F1×d。因此，要獲得更大的力矩，就應(yīng)該增大F1。由此可知，要提高騎行效率，腳的用力方向應(yīng)盡量與曲柄垂直。在實際騎行過程中，蹬踏力的方向不斷改變，蹬踏上死點和下死點的位置不一定在最高點和最低點處，它們主要由鞍座和腳蹬之間的位置決定。圖2蹬踏運功的受力分析圖3休閑車騎姿3.2休閑車騎姿圖3為休閑車常見騎姿。在這種騎姿下騎行者上體稍向前傾，前傾的騎姿改變脊柱的自然彎曲為后凸，時間一長容易引起背部酸疼。手臂除了控制行進方向外，還要承受局部體重，靜態(tài)受力加速了手臂及肩關(guān)節(jié)的疲勞。落在鞍座上的體重由會陰和臀部共同承擔(dān)，為了防止騎乘者從鞍座上滑下，鞍座通常向后仰一定角度，這導(dǎo)致會陰與鞍座之間的摩擦加劇，危害騎乘者的安康。由人機工程學(xué)可知，人在垂直平面內(nèi)顏色區(qū)分界限在標準視線以上30°和標準視線以下40°，站立時人的自然視線低于標準視線10°，坐著時低于標準視線15°。所以在這種騎姿下騎乘者脖子需后仰20°～30°以看清道路。4自行車騎姿的改進設(shè)計由人機工程學(xué)知，在肢體活動的最大角度范圍內(nèi)存在一個舒適的調(diào)節(jié)范圍，是指人體處于某種姿勢時對應(yīng)的關(guān)節(jié)處于舒適的調(diào)節(jié)范圍。舒適調(diào)節(jié)范圍對人機界面的工效設(shè)計影響甚大。在自行車騎姿設(shè)計時應(yīng)以人體尺寸為根基，以蹬踏的用力階段關(guān)節(jié)處于舒適的活動范圍為出發(fā)點，來確定影響騎姿的三個部件之間的相對位置，以提高騎行的舒適性。具體的設(shè)計參數(shù)為圖4中的。圖4自行車設(shè)計參數(shù)4.1鞍座座面稍向后傾，可防止騎乘者從鞍座上滑下，同時使得人體與腰靠的接觸面積增大，騎乘者的上體體重由鞍座和腰靠來承擔(dān)，減小對手臂的壓力，體重由鞍座和腰靠來承擔(dān)，減小對手臂的壓力，讓騎乘者感覺更安穩(wěn)。工作椅座面傾角一般小于3°，實際計算時可取2°?？勘撑c座面的夾角小于90°會讓騎乘者腹部受壓，太大會讓人處于松弛狀態(tài)，容易釀成交通事故，綜合考慮可取靠背與座面的夾角為98°。這個角度既可以使上體略向后傾，人體重量由鞍座和靠背共同來支撐，同時可保持脊柱的正常自然形態(tài)和良好的視野。4.2中軸與鞍座之間的相對位置中軸與鞍座之間的相對位置由圖4中的H和T來確定。其中A為坐骨結(jié)節(jié)與鞍座的接觸點，B為把手抓握的中心點。根據(jù)大腿、小腿的尺寸以及讓各關(guān)節(jié)在蹬踏的工作階段處于舒適角度范圍內(nèi)可以計算出中軸與鞍座之間的相對位置。4.3把手與鞍座之間的相對位置把手與鞍座之間的相對位置由圖4中的M和N來確定。根據(jù)上肢的尺寸和舒適的手臂姿勢可以計算出把手與鞍座之間的相對位置范圍。4.4設(shè)計計算方法假定座面的后傾角為2°，靠背與座面的夾角為98°。如圖5所示，首先假設(shè)手、腳和軀干都是剛性構(gòu)造。為中軸軸心，為曲柄的軸線。為曲柄長度，為大腿長度，為為脛骨點高加修正量再加上腳蹬厚度的一半。為軀干軸線與大腿軸線間的夾角，為大腿軸線與小腿軸線間的夾角，為大腿軸線之間的夾角，為與垂直線之間的夾角，軀干軸線與水平線之間的夾角為。在騎自行車的時候，騎乘者的上體幾乎處于靜止狀態(tài)，大腿在一定的角度范圍內(nèi)擺動，腳繞中軸軸心做圓周運動，并帶動小腿運動。由此，下肢可簡化成由組成的四桿機構(gòu)，其中固定。圖5蹬踏用力的主要階段圖6處于上死點的下肢示意圖在從上死點到下死點的過程中，當腳處于上死點時，如圖6所示，取得最小值，取得最小值；當曲柄與共線時，取得最大值；當腳處于下死點時，取得最大值。與自行車騎乘相關(guān)的人體關(guān)節(jié)舒適角度為：肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)。如圖6死點時，膝關(guān)節(jié)取得最小值，即，可求得L最小值?！?〕如圖7曲柄與共線時，膝關(guān)節(jié)取得最大值即，可求得L最大值?！?〕在圖6的中，當L取時，取得最大值；當L取時，取得最小值?！?〕當踏板處于上死點時，大腿與上體之間的夾角為最小值，取為95°可防止壓迫腹部，由上式求得的的最大值和最小值帶入下式可求得和?！?〕進而確定T和H〔5〕〔65為大腿厚度一半〕〔6〕按GB3565-93?自行車安全要求?，處于最高位置時的把套上端面和處于最低位置是的鞍座面之間的垂直距離不應(yīng)超過，即。自行車車架的上管上，在鞍座和鞍座前處之間不應(yīng)有突出物，考慮到鞍座的尺寸，取。圖7取得最大值時的下肢圖8上肢各關(guān)節(jié)示意圖在圖8中為坐姿肩高，為上臂長，為前臂功能長，可由肘高減去受功能高得到。取得最小值時，當上臂與下臂在一條直線上時，取得最小值。將代入式〔7〕求得，再把代入式〔8〕可計算得：〔7〕〔8〕取得最大值時，當上臂與下臂在一條直線上時，取得最大值。將代入式〔9〕求得，再把代入式〔10〕可計算得：〔9〕〔10〕5設(shè)計實例以50%男性的人體測量數(shù)據(jù)為例來計算調(diào)整后的鞍座、中軸、把手之間的相對位置。取、。將代入式〔1〕，可得。將代入式〔2〕，可得。將代入式〔3〕，可得。將代入式〔3〕，可得。將代入式〔4〕，可得。將代入式〔4〕，可得。將代入式〔5〕，可得；代入式〔6〕，可得。將代入式〔5〕，可得；代入式〔6〕，可得。將代入式〔7〕，可得，再將代入式〔8〕，可得。將代入式〔9〕，可得，再將代入式〔10〕，可得。得計算結(jié)果為：取值范圍為；取值范圍為；取值范圍為；取值范圍為。通過驗證，當在以上各自的取值范圍內(nèi)取值時，各關(guān)節(jié)都在與自行車騎乘相關(guān)的人體關(guān)節(jié)舒適角度范圍內(nèi)。6完畢語本文結(jié)合與騎姿相關(guān)的因素，分析討論了現(xiàn)有騎姿人機特性，給出了重新確定了中軸、鞍座、把手之間的相對位置的方法。調(diào)整后的騎姿在騎行過程中各關(guān)節(jié)處于舒適的角度范圍內(nèi)；鞍座設(shè)計可防止騎乘者從鞍座上滑下，上體的體重由鞍