毕业设计论文安全人机设计Word下载.docx
《毕业设计论文安全人机设计Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文安全人机设计Word下载.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
3.2.2赛车骑姿13
第四章鞍座15
4.1鞍座的尺寸15
4.2鞍座的弧率15
4.3鞍座的垫料16
4.4为鞍座增加腰靠16
第五章色彩搭配17
第六章结论和展望18
6.1本课题研究的内容18
6.2前景展望19
参考文献20
绪论
在种类繁多的现代交通工具中，自行车一直是人们日常生活关系最密切的交通工具之一。
虽然在科技高度发达的今天，有很多交通工具比自行车更加舒适、快捷、方便。
但是，在交通拥挤，车辆行驶速度低，以及废气、噪声污染严重，停车困难，倡导环保交通工具的今天，自行车也更加受到青睐，成为城市交通的重要组成部分。
越来越多的人选择自行车作为主要交通工具，也就要求自行车的设计要更加人化，即以人为本。
以人为本，是时代发展的要求，是历史发展必须遵守的原则。
所谓人性化产品，就是包含人机工程的的产品，只要是“人”所使用的产品，都应在人机工程上加以考虑，产品的造型与人机工程无疑是结合在一起的。
社会的发展、技术的进步、产品的更新、生活节奏的加快等等一系列的社会与物质的因素，使人们在享受物质生活的同时，更加注重产品在“方便”、“舒适”、“可靠”、“价值”、“安全”和“效率”等方面的评价，也就是在产品设计中常提到的人性化设计问题。
在实际设计中，需结合安全人机工程学的原理和方法，要考虑人体特性，自行车的骑行舒适度，各部分的功能分配，具体包括车架、车把、造型、骑姿设计以及色彩搭配，并根据具体的骑行人给出骑行安全性的相关建议。
第一章车架
自行车车架设计要从材料强度、骑行运动学、加工工艺、可靠性等各个方面进行考虑，这些因素都直接影响车架的外观美感、强度大小和弹性优劣，而车架的造型在很大程度上决定着自行车骑行好坏、易转性能、骑行舒畅感等。
本次设计则主要从车架的尺寸设计、车架的人机评价以及车架的优化设计等方面来进行分析。
1.1车架的尺寸的选择
车架管材的长短、构成的角度等影响整体自行车的特性。
除考虑车架的造型结构尺寸外，尤其应该考虑自行车与人的协调关系，以及身体尺寸与自行车各部件之间的关系。
车架作为整个车子的骨架，最大程度地决定、影响了骑行姿势的正确性和舒适性，所以选择一个合适的车架是至关重要的。
根据自行车高度应该在305mm到635mm之间，而且末尾数字推荐为5或0的整数。
表1-1车架尺寸的选择
车架尺寸
身高
14寸
160cm以下
15寸
16寸
160～175cm
17寸
165～180cm
18寸
170～185cm
19寸
173～185cm
20寸
185cm以上
21寸
1.2车架的人机评价
车架的尺寸极大程度地决定了一辆自行车性能的好坏和舒适程度。
车架过长会造成脖子、肩、腰、手臂、屁股等处疼痛，而且徒增重量，不利于降低操控的灵活性。
过高的车架则会拉伸骑车者的肌肉，而且在骑行中要左右转弯，不利于其发力，同时又容易造成肌肉损伤；
过低的车架则会给胳膊和腰施加过量的力，也容易造成肌肉疲劳。
任何产品的开发，与人机工程学结合的基本原则就是产品对于人的适用性和易用性。
自行车车架造型根据用途和所适用路况而采用多种整体结构，其种类分析主要有以下两种：
一种是流线型结构，此种结构可最大限度地减少空气阻力，提高骑行速度；
另一种是整体性结构，人体做工力传递效率高。
避免了普通车架因部件多，相互摩擦，接触变形造成的人体动力传递损耗。
自行车在骑行过程中遇到凹凸不平的路面不可避免的会受到震动，不同的人感知震动的能力不同。
而长期处于高强度全身振动的环境下，人的腰部脊柱与相连神经受到极大伤害。
人在相同条件下不同震动强度下的接受程度有很大差异。
表1—2震动与人的接受程度关系
小于0.315m/s²
感觉不舒适
0.315m/s²
～0.63m/s²
有点不舒适
0.5m/s²
～1m/s²
相当不舒适
0.8m/s²
～1.6m/s²
不舒适
1.25m/s²
～2.5m/s²
非常不舒适
大于1.25m/s²
极不舒适
1.3车架的优化设计
首先选择身高为160cm，体重53.6kg的人体模型及人-自行车系统模型，进行自行车的车架结构优化设计分析，提供车架结构设计流程。
中轴、鞍座和车把称为车架的三支点，这三支点之间的相对位置决定了车架结构尺寸，同时三支点组成了骑行者与自行车的接触界面，直接影响了骑行者姿势，进而影响骑行者的施力大小，因此，中轴、鞍座和车把的位置参数构成车架结构优化设计的主要因素。
在中轴、鞍座和车把中，鞍座和车把间的相对位置影响骑行者上身姿势，中轴和鞍座的相对位置影响骑行者下身姿势。
下身姿势对肌肉疲劳程度有较大影响。
而且，人在骑行过程中，上身姿势基本保持不变，接近静态。
因此，选择对设计质量有显著影响的中轴和鞍座的相对位置作为设计变量，鞍座和车把之间的尺寸做常量处理。
1.3.1首先确定车把和鞍座之间的相对位置
根据人机工程学相关理论确定上身姿势，进而确定车把的位置参数。
长时间骑车，人的腰部感觉最累，这是因为骑车时，人处于一种前屈运动的状态，坐姿属于非自然姿势。
要减轻人体上身疲劳，就要尽量使腰背肌肉处于放松状态，在保证人体操作灵活性的同时，使人骑车时的坐姿接近自然坐姿，即尽量使腰曲弧形接近自然状态。
因此保持脊柱正常的生理弯曲是减轻疲劳的重要因素。
根据人体工程学相关理论可知，人的上臂和上胸夹角为50度左右骑姿最为舒适。
1.3.2确定鞍座和中轴之间的相对位置
中轴和鞍座的相对位置影响骑行者下身姿势，进而决定自行车的骑行性能。
在骑行过程中，骑行者的下肢一直处于运动状态，需要对不同骑行姿势及相应的人体生理数据作运动生物力学分析，因此应主要考虑优化目标和设计变量。
1.4车架的材料选择
自行车车架是由一定的材料经过一定的加工工艺制成的。
一件成功的产品应该是功能、形态和材料三者的和谐统一。
所以在选择材料时，应该综合考虑材料特有的特性、产品的结构形态、产品所需性能及加工工艺等。
以前自行车车架使用的材料主要是钢材，现在有了更多的选择，出现了很多新材料和新技术。
表1-3常用自行车车架材料的优缺点
优点
缺点
钢材
①钢制车架结实、操作性好，能带给骑手更好地骑车感受；
②钢制车架价格低廉；
③具有优异的冲击吸收性能；
④钢具有良好的加工成型性和焊接性能；
⑤对保护气氛要求较低，焊接后一般不需要热处理。
①容易生锈，需要进行表面防腐处理；
②焊接过程中产生的残余应力及成分偏析会在一定程度上影响材料的力学性能，引起金属疲劳；
③密度高，钢制车架比其他轻质材料车架要重。
铝合金
①密度小，可用于制作重量轻的车架；
②塑性号；
③耐腐蚀性强
①弹性率低、刚性低；
②需要热处理，增加了工艺成本。
钛合金
②强度重量比高；
③耐腐蚀性强；
④耐油性强；
⑤能够在电解液中进行简易阳极氧化处理，所以容易着色，而且抗褪色劣性强。
①对焊接条件要求高，必须在有惰性气体做保护气氛下才能进行焊接；
②与铁、铝合金等异种金属之间无法进行焊接；
③材料本身成本很高；
④可成形性和可焊接性差导致工艺成本高。
碳素纤维
①密度小；
②强度高，是普通合金钢和铝合金强度的两到三倍；
③冲击吸收性好，可有效缓解骑行过程中的冲击震动；
④车架整体成型，造型美观。
①当承受的重量超过承载力临界点时，碳素纤维可能毫无征兆的彻底报废；
②需要进行复杂的应力计算；
③加工成型后无法改进尺寸。
镁合金
②强度高，刚度高，具有良好的承载能力；
③较好的动力性能，更适合应用于运动部件上；
④相对于钢、铝等金属部件，具有极佳的减震特性；
⑤易回收
①耐腐蚀性差；
②焊接性能差。
钢是应用最广泛、研究最多、历史悠久的自行车车架材料，也是这些材料中骑行感觉最好的车架材料；
最轻的是铝合金车架；
吸收冲击最好的是碳素纤维车架；
镁合金主要用于赛车、登山车等中高档车种上；
钛合金也主要用于赛车上。
第二章车把
车把部件俗称把手或龙头，与前叉立管连接，一起安装在车架的前管上。
根据不同类型的自行车及不同使用范围的要求，普通车把部件的型式一般可分为固定式和活动式两种。
活动式车把可分为燕式车把、小燕式车把、大燕式车把和前倾式车把4种。
现在的车把主要有越野车的加横档高车把、赛车的弯角形车把、山地车的一字形车把、城市车的三弯式车把等。
2.1车把的人机关系
人身体在自行车上的位置直接影响到骑行，它影响到蹬踏力量的传导效率，也影响骑行中重心的移动及腰背和臀部承受力的大小，从而决定了骑行中的舒适度和疲劳的产生。
而人在自行车的位置由坐垫和车把共同决定，而且车把和坐垫一样是可调节的把位。
骑行者可根据骑行条件和自身身体尺寸调节车把和坐垫的相对位置。
车把位置越是靠前，在站立骑行和加速骑行的时候就会获得更多的力量，并且身体也就越符合空气动力学，高速骑行的稳定性也更佳。
车把越低，就越能在加速的情况下更好地制动。
当车把和身体之间距离越短就能够挺直上身获得更好地视野。
一般传统的自行车都是可以调节的车把和坐垫，所以车把对骑行的影响最大，最符合人体匹配的把手可以让手臂手掌的肌肉能最舒服，降低疲劳感，而且能最快速施力和反应，其中做出正确反应的概率要高很多，在紧急情况下降低事故发生率。
2.2车把的人机评价
进行自行车的人机评价首先要根据人的特点，结合人体的生理特性，进而给出更适应人舒适度的设计。
应该全面的考虑车把的高度、宽度、把手、闸把的位置、把手弯度。
根据GB10000-1988《中国成年人人体尺寸》给出的手掌参数和肩宽数据如下：
表2-1我国成年人肩部参数
分组年龄
男（18-60岁）
女（18-55岁）
百分位数
151050909599
肩宽（mm）
331346352376398404415
304320328351371377387
最大肩宽（mm）
386399406432460469486
347363371397428438458
表2-2我国成年人手掌参数
手长（mm）
164170173183193196202
154159161171180183189
手宽（mm）
73767782878991
67707176808284
食指长（mm）
60636469747679
57606166717276
2.3车把的优化设计
车把宽度：
车把的宽度应该由最大肩宽来确定。
第50百分位女性的最大肩宽为397mm。
手掌的一般宽度为71～97mm，所以车把宽度取为539～591mm，即车把的宽度为最大肩宽加上两手掌的宽度。
车把的高度可由骑姿设计部分的线框图确定。
把套部分与水平线成10度，以避免肘部外展，腕部弯曲。
把套的直径为30～40mm，长度为100～125mm。
在手掌的指球肌与把套接触的部分设置一些凹凸，能方便定位和增大手与把套之间的摩擦力。
车把高度：
车把的高度对于骑行者来说是非常重要的。
一方面，尺骨的神经质介于手和腕之间，控制着无名指和小指；
另一方面，腕骨穴位于腕关节的中间神经上，控制着手的拇指、食指、中指和无名指。
如果车把位置过低，骑行者的手被迫放低握住车把，这就有可能压迫到腕骨穴和中间神经，如果长时间受迫，可能导致腕道综合症。
因此，车把的高度保证骑车者在骑车时处于自然坐姿或接近于自然坐姿，并使胫关节、胸关节、腰关节、肩关节、肘关节和腕关节处于舒适的调节范围内。
把手：
现在自行车的把手很多都是橄榄形的，其实这不符合人机工程学原理，因为当手握车把时，手的屈肌和伸肌共同完成握把，从手掌的解剖特征看，掌心部位的肌肉最少，指骨间肌和手指部分是神经末梢满布的部位；
指球肌和大、小鱼际是肌肉丰富的部位，是手部的天然减震器。
橄榄形的把手将会使掌心受压受振，引起难以治愈的痉挛，也会引起疲劳和操纵失误，把手的设计应使操作者掌心处略有空隙，或者设计有符合人手形状的突起，或者有防滑的条纹，以减少压力和摩擦力的作用。
把套的材料应采用较柔软的材料，这是关系到操纵和制动性能的重要部件。
闸把的位置：
闸把的设计精度要高，若闸把与车把的距离不合适，会影响人骑车时能否及时刹车。
骑行者的手有大有小，为了骑行安全，制动时能急速刹车，保证足够的制动力，闸把的开度要与手的大小及握力相匹配。
在国家规定的自行车安全标准中有明确规定，闸把尺寸从闸把外表面量到车把把套外表面的闸把至车把把套之间的最大距离，自闸把的闸线端头处到闸把中部之间任何一点，不应超过80毫米。
据此，可计算出车闸和把手的交角为40度左右。
在闸把的开口处，这个尺寸可以放宽，除了闸把尾端20毫米一段外，都不应该超过100毫米。
儿童车的闸把开口要求更小。
至于车闸的表面设计，应保证能准确抓握，不产生滑动，所以他们的表面不能太光滑，要有一定的粗糙度。
把手弯度：
传统的自行车把手为水平，这不符合人机工程学原理，因为这样将会使手腕处于背屈状态，腕部酸痛，握力减少，长时间操作还会引起腕道综合症等。
测试证明，把手和水平位置成10度左右效果最好，可以降低疲劳，并且容易操作，还使腕关节处于放松状态。
第三章骑姿
3.1与自行车骑姿相关的因素分析
正确的骑姿可以提高骑行效率，使骑行不易产生不适合疲劳，同时还能降低危险发生的几率。
骑姿设计是自行车设计工作中的一项重要内容。
与自行车骑姿相关的因素主要有：
3.1.1车把和鞍座之间的相对位置
根据人机工程学相关理论确定上身姿态，进而确定鞍座和车把之间的相对位置。
长时间骑自行车人们大多感觉腰部最累，这是因为骑车时，人处于一种前屈运动的状态，坐姿属于非自然姿势。
调整人体模型的姿势，使脊柱弧形尽量接近自然状态，另有人机学统训研究表明，“人的上臂与上胸夹角为50左右时骑姿最为舒适”。
3.1.2鞍座和脚踏之间的相对位置
在评价鞍座与踏板之间的相对位置时，要先确定曲柄的长度。
曲柄的长度曲柄的长度决定了运动员蹬踏所产生的圆周直径，直径越大，运动员膝盖和大腿的肌肉就要加大伸缩幅度才能驱动曲柄。
在整个蹬踏的圆周运动过程中，运动员的大腿肌肉所承受的力并不相等。
这一点很好证明：
下蹲，并使膝盖完全弯曲，然后站直，这时，就会花费比只下蹲15厘米然后再站直消耗更多的精力，在完全下蹲的情况下，肌肉所用的力量也不相同。
因此，当不得不使膝盖在整个圆周动中都处于弯曲的状况时，合适的曲柄长度能够保证膝盖屈伸幅度在20。
角左右的长度。
太长的曲柄长度虽然能够增加每一踏所做的功，但是却降低了蹬踏频率，太短的曲柄长度可以增大蹬踏频率，却降低了每一踏产生的功，因此，过长和过短的曲柄在提高速度上都会产生负作用。
那么，究竟该选择多长的曲柄呢?
彼得．乔．怀特在他的文章《如何选择自行车各部分零件的尺寸》一文中，描述了这样一种方法：
在赤脚的情况下，从股骨的顶端到地面距离的18．5％就是所需的曲柄长度，股骨顶端大概处于盆骨下端12．5～15厘米的位置，当抬起膝盖的时候，它就向后运动。
并且作者称，在他为顾客配置车架时，一直使用这条规律，并且从来没有顾客向他抱怨曲柄的不合适。
但是也存在一个问题，对股骨顶端的测量忽视了腿部本身的差异。
从小腿长度到大腿长度的局部差异将会影响到最佳的曲柄长度。
和大腿短、小腿长的车手相比，一位大腿长、小腿较短的车手应该使用较长的曲柄来使膝盖的伸缩幅度相同。
对股骨的测量决定曲柄长度同时也忽略了运动员肌肉状态和骑行习惯的不同。
对于两位身体条件相似的车手，其中一名喜欢采用较快的频率骑行，那么他很可能比较钟爱较短的曲柄。
两位骨骼完全相同的车手很可能经过实验后发现：
仅仅因为肌肉条件的不同，他们需要使用不同长度的曲柄，才能使他们自身水平发挥的淋漓尽致。
3.1.3中轴
中轴是传动机构，同时承受骑车者的部分体重。
中轴高度应根据自行车的使用环境来决定，高中轴自行车适用于凹凸不平的路面，低中轴自行车在失控时具有更大的稳定性。
3.2现行骑姿人机特性分析
3.2.1休闲车骑姿
休闲车的骑姿，在这种骑姿下骑行者上体稍向前倾，前倾的骑姿改变脊柱的自然弯曲为后凸，时间一长容易引起背部酸痛。
手臂除了控制行进方向外，还要承受部分体重，静态受力加速了手臂以及肩关节的疲劳。
落在鞍座上的体重由臀部承受，为了防止骑乘者从鞍座上滑下，鞍座通常向后仰一定角度，这导致了臀部和鞍座之间的摩擦加剧，危害骑乘者的健康。
由人机工程学可知，人在垂直平面内颜色辨别界限在标准视线以上三十度和标准视线以下40度，站立时人的自然视线低于标准视线10度，坐着时低于标准视线15度。
所以在这种骑姿下骑乘者脖子需向后仰20度到30度以看清道路。
3.2.2赛车骑姿
赛车是以追求速度为主要目的，长时间骑行会导致身体多个部位的不适。
在赛车运动中空气的阻力是不可忽视的因素，尤其是时速超过40km时，人本身所发出的200～350瓦的能量，一半以上消耗在空气的阻抗上。
赛车的中轴在水平方向上靠近鞍座，车把离鞍座较远，且低于鞍座。
运动员上身弯曲到几乎与地面平行，肩关节的角度呈90度～120度。
前倾的骑姿增大了臀部和鞍座的接触面积，人的体重大部分通过臀部落在鞍座上。
为了防止鞍座妨碍运动员的频繁蹬踏运动，赛车的鞍座尺寸一般偏小。
前倾的骑姿加上尺寸偏小的鞍座更加重了臀部的负担。
同时前俯的骑姿改变脊柱的自然弯曲状态为后凸状态，时间一长引起腰部酸痛。
手臂除了控制行进方向外，还要承受部分体重，静态受力加速了手臂的疲劳。
同时，腹部受压、呼气不畅。
由人机工程学可知，人在垂直平面内颜色辨别界限在标准视线以上30度和标准视线以下40度，站立时人的自然视线低于标准视线10度，坐着时低于标准视线15度。
在赛车运动中，运动员必须把头朝后仰70度左右才能更好的观看前面的道路，这增加了脖子的负担，容易引起脊椎病。
第四章鞍座
大多数长时间骑自行车，都会感到臀部以及会阴部疼痛。
近日，美国一所大学的一项研究泌尿系统的实验室经过试验研究表明:
如果坐在结构不太合理的鞍座进行自行车骑行，长此以久的话，骑行者的泌尿生殖系统将会受到一定的影响。
其实美国的《BECYCLING》杂志曾经也刊登过两篇类似的文章。
究其原因，发现一方面是因为前倾式的骑车姿势使骑行者会阴与鞍座前端产生摩擦，时间一久就会感到不舒服；
另一方面则是鞍座的尺寸和人体尺寸不符所致。
根据人体组织的解剖性可知，坐骨结节处是人体最能耐受压力的部位，身体的主要重量均由骨盆下的两块面积约为25平方厘米的坐骨结节承受，故鞍座后端宽度过小就会使坐骨结节处在鞍座外缘或紧挨外缘的位置，这样，身体的压力使得坐骨结节被迫分离的趋势过大，由此导致臀部的疼痛感。
所以，不论长时间的骑行是否会导致人的泌尿生殖疾病，有一个结论是非常明确的：
自行车设计者应当重新设计舒适，尽量不会对人体造成伤害的鞍座。
4.1鞍座的尺寸
决定鞍座宽度的因素主要由人体的生理结构来决定。
包括坐骨结节的距离、大腿部的脂肪、髋臼窝的深浅、骨盆的大小等等。
其中起关键作用的是坐骨结节间的距离。
这段距离基本上决定了鞍座后部的宽度，女性的鞍座在设计时比男性稍宽，它的宽度保证了人体坐骨结节在鞍座上时的距离位置：
“过小容易使结节间软组织受到挤压，过大容易影响鞍座的平衡。
一般的情况下不小于9cm，不大于12cm。
”而鼻部的宽度则是由于人体的个别差异而不同（包括脂肪堆积、臼窝的深浅等）。
如果座位太窄坐骨区的软组织就会承受一部分上肢的重量：
对于男性来说，这里是生殖神经和动脉血管经过的地方；
对于女性来说宽度也需要优先考虑，因为女性的坐骨要宽于男性，在设计时要比男性的宽一些。
4.2鞍座的弧率
弧率是指从鞍座后部过渡到鞍座鼻部弧线的弯曲程度。
这由鞍座的宽度、长度、以及大腿内侧的脂肪厚度、人体髋臼窝的深浅以及鞍座的用途等等决定。
其从后面看，座位应该是平的或者稍微有一些拱型。
好的曲线会使坐骨结节略低于鞍座的中心，用叉部来分散坐骨结节的一部分压力。
4.3鞍座的垫料
垫料是自行车鞍座舒适与否的一个重要因素。
它决定了鞍座的变形程度。
因此如果垫料过软，它就会陷入到人体软组织中，导致人体组织的麻木和缺血：
如果挚料太硬，将会导致人体组织的疼痛。
所以，垫料的柔软程度和大小是设计中一个非常重要的因素。
它是直接与人体接触的元素，因此其材料的质地直接影响人体感觉的好坏。
另外，包覆材料的透气性、防水性、防变形性等也是一个应该考虑的因素。
所以，垫料的材料、与支撑架的厚度以及包覆材料等等都是需要考虑的因素。
为了使坐骨舒适，骑乘者肯定想要有足够的泡沫和凝胶来挚衬。
但是厚的填料增加了胯部的压力，坐骨下陷，会使腹股沟的压力增大。
但没有垫料的鞍座比有垫料的鞍座更多的减少供给生殖区的血液流量。
鞍座的宽度并不是一个影响的因素，其并不会影响血液流量。
4.4为鞍座增加腰靠
为鞍座增加腰靠能减轻臀部受力，维持脊柱自然形态，且有利于腿部蹬力的发挥，所以应该考虑为鞍座增加腰靠。
第五章色彩搭配
在人的认知过程中，大约有80%～90%的信息是通过视觉系统获得的。
而在视觉元素中色彩是对视觉冲击力最强、引起视觉反应最快的一种信息。
色彩具有塑造性格的功能，不同的色彩传递着不同的感情，进而在观察者的心理上引起不同的情绪。
随着色彩作为一种信息载体在各种工业产品中的作用日益显著，已越来越成为产品设计所不可缺少的重要元素。
自行车上颜色呈现一定的规律，研究自行车色彩的应用不仅可以为自行车设计提供参考，还有利于计算机辅助色彩设计。
色彩对于自行车的设计已日趋重要。
轻便车车架多
升级会员 