人自行车人机工程设计案例分析报告文档格式.docx
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从人机关系来看，鞍座,车把和车架等的位置和大小，以及他们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着密切的联系.人坐的
位置怎样更合适，车架多高使人脚蹬起来用力才方便，如何保证人的上身有正确的姿势，手握车把的距离多长才合适等，都决定于人体特性的设计参数.
2.人与动力接收部件的关系
动力接收部件主要是脚蹬和曲柄.动力是靠骑车人的双脚踩在脚蹬上,下肢运动的力使曲柄转动产生的.为了使人省力和有舒适感，必须在骑自行车人的体格和体力与自行车元件的尺寸关系上下功夫，研
究人体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换关系.
3.人与传动部件关系
传动部件主要是滚珠，链条和链轮.人的作用力是通过链条和链轮传动而带动后轮转动，从而使自行车前移.传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性，且有易操纵的变速机构•保证较高的传动效率,才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率.
4.人与工作部件的关系
工作部件就是车轮，即车圈，轮胎等.绝大部分轮胎是充气的，少数是实心的.车轮一方面把骑车人的肌肉力量，有效地转化为同地面接触而向前运动的力；
另一方面将骑车人的握力转换为与接地部分所产生的刹车阻力.在设计自行车的各部分尺寸，车闸及变速器等时，应该着眼于骑车人-动力-传动-工作的连贯性，才可能设计出同骑车人
手的大小或握力相适应的闸把，刹车力适当的车闸，才不会发生刹车阻力不够的现象.
二、影响自行车性能的人体因素
影响自行车性能的人体因素：
人的体格因素、下肢肌力、输出功
率、脚踏速度、平衡机能、人的手和握力、人的疲劳等。
1.人的体格因素
以身高H为基本因素，其他身体的能力与HH*HH*H*H成比例
的特征.如手臂,腿,气管等的长度与身高成比例，从而以关节为中心
所产生的力矩，步幅等，都取决于H的大小•肌肉，大动脉，骨骼的截面
身长
体重
姿势
臂长
荷重
脚长
积以及肺泡的表面积等都可看成与H*H成比例.肺活量,血液量,心脏容量等都可看成与H*H*H*成比例.体格对处出力性能的影响，从理论上讲，弹跳能力与H成比例，速度能力与H*H成比例，作功能力和H*H*H成比例•但实际上因每个人身体素质不同，常有20%以上的偏差.
2.人的下肢肌力
自行车骑行的原动力，主要是骑车人的下肢肌力.人骑车时，骨骼肌肉内部的化学能转化为肌肉收缩的机械能.自行车脚蹬的转动就是通过肌肉收缩出力而完成的，一般说肌肉长的人比肌肉短的人有利.
肌肉收缩时产生的力，一般与肌肉的截面积成比例，约为每平方厘米40-50N,通过一定训练的人可提高到65N.
3.人的输出功率
人输出的功率随着骑车人的体格,体力,骑车姿势，持续时间和速比等的变化而变化•一般成年男人的最大输出功率约为0.7马力，能持续10秒左右.如果持续时间长，其值要小得多，持续1小时,大约只有0.1-0.2马力.
4.人的脚踏速度
自行车运动是很有节奏的，其节奏常常与人的心脏节律保持一定关系.健康人的心脏跳动为70次/min,—般脚踏以60r/min节奏转动较为合适。
设计时以这一常用速度来确定相关设计参数。
5.人的平衡机能
骑车人本身的平衡机能是影响自行车性能的重要因素，如果缺少
平衡机能，哪怕是运动性能很好的自行车也不能平衡行驶；
若人有很好的平衡机能，却可掩盖自行车设计上的某些缺陷.
6.人的手和握力
影响刹车性能的人的主要是人的手和握力，男性和女性，成年人和儿童的手的大小和握力都不相同.据试验，为了长时间捏闸而不致使手有疼痛的感觉，希望只用最大握力的10%左右便能得到必要的减速度.
7.人的疲劳
人体疲劳和疼痛是对骑车出力性能的不利因素，其产生原因有人
体因素,也有自行车结构因素.疲劳和疼痛一般是由于部分肌肉负担过大，骑车姿势不合适，以及体重对鞍座的体分压不合适等引起的•此外,影响出力因素还有人的最大摄氧量.
三、自行车设计结构要素分析
影响自行车性能的因素除了上述人的因素外，还有许多机械因素。
为
了获得自行车较佳的性能，必须把人的因素和机械因素有机地结合起来，以使人一车协调。
为此，以下分析与人体相关的结构要素。
车架结构
1.速比
大小链轮的齿数比，与链轮直径比相一致，一般控制在2.3-4.0
的范围内。
利用速比关系可取得骑行时所必要的功率和必要的速度。
速比要合适，如果太小，无论人的肌力有多大，由于不能充分提高转速，所以就得不到大的输出功率。
也由于比速小，在限定的曲柄转速下，得不到必要的骑行速度，（后轮转速）。
速比过大时，要求的踏力也大，容易使人疲劳。
为了保持不疲倦的持续骑行，希望肌肉的负担约为最大肌力的10%按此选择速比和曲柄转速，可得到比较好的效果。
2.曲柄长度
传统的自行车设计，一般从杠杆原理考虑得较多，对人研究少，认为曲柄越长越有力。
但曲柄过长后，为了不使脚踏碰到前泥板，不得不加大中轴至前轴的距离（前心距）。
这样势必加长车架，影响了正确的坐车姿势，使人感到臀部痛。
若能按人的身长或下肢长来考虑曲柄长度，则可使人省力和舒适。
通常曲柄长度的基准，取人身长的1/10，相当于大腿骨长的1/2。
3.三接点位置
正确的骑车姿势，是由汽车人和自行车三个接点位置决定的，如
图中所示的鞍座位置A、车把位置B脚蹬位置G按三点调整法，AB和AC约等，一般AB=（AC—3）cmA点略低于B点，约5cm
1.鞍座位置
鞍座装得过低，骑行时双脚始终呈弯曲状态，腿部肌肉得不到放松，时间长了就会感到疲软无力；
鞍座装得过高，骑行时腿部的肌肉拉得过紧，脚趾部分用力过多，双脚也容易疲劳。
骑车时适当的用力部位是脚掌。
设计或矫正按座位置高低最常用的方法，是使手臂的腋窝部位中心紧靠鞍座中部，使手的中指能触到装配链轮的中轴心为宜。
人体各部尺寸都有一定的联系，只要腋窝中心至中指的长度确定下来，鞍座高度便可大致确定。
行驶较快的车，鞍座位置要向前移动，行驶较慢的车，鞍座位置要向后移动，否则都不利于骑行，如下图所示。
2.车闸
设计时，闸把开挡、力率和闸把力要与人手的大小和握力相适应。
灵敏度高的车闸，随着闸把上力的增大，杀U车力也按比例的增加。
女口果闸把力到达某一程度不发生刹车作用，继而又骤然生效，说明这种车闸设计不良。
在紧急情况下操纵时，理想的施闸力和减速度见下表
表1理想的施闸力和减速度
闸把施闸力/N
相对握力/%
减速度
说明
60
10
0.1g
控制下坡速度
350
70
0.6g
全刹车
500
100
0.8g
紧急刹车
2
注：
1g=9.8m/s
四、人一车动态特性分析
1.动态稳定性
自行车的稳定性是行驶过程中的稳定，是一种动态平衡的稳定性。
动态稳定性影响到自行车骑行中的动作，包括直进稳定性和前后左右方向的稳定性。
显然，稳定性对安全行驶是必不可少的特性。
1.力学特性
自行车行驶在平地上转弯的条件是侧向力（于离心力平衡）与自行车总重量（人和车的重量）的合力作用线要通过轮胎与地面的接触点。
这当然与骑车人有关，但最重要的是自行车的造型要有适合这种力学特征的结构形式。
2.转向特性
自行车转弯时可能有三种情况：
人体和车身向内倾的角度相等。
即骑车人身体的中心线贺车子的中心线一致时，自行车就可以转弯，即所谓中倾旋转；
骑车人的倾斜角比车子的倾斜角大时，此时的转弯即所谓内倾旋转；
骑车人的倾斜角比车子的倾斜角小时，此时的转弯即所谓外倾旋转。
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