人自行车人机工程设计案例分析.docx

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人自行车人机工程设计案例分析

人—自行车系统设计案例分析

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一、人—自行车系统组成

自行车的功能是供人骑行，人在骑行过程中人和自行车可以看成一个人机系统，且人是最主要的因素，该人机系统中人—自行车的界面关系分析如下。

人—车界面关系

链轮——链条

鞍座——车架

轮胎

人车把——前叉

脚蹬——曲柄

1.人与支撑部件的关系

支撑部件主要有车架,前叉,鞍座和车把等,是自行车的构架。

支撑部分将其他零部件固定在相互间正确的位置上,保证自行车的整体性,实现自行车的功能。

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H、H*H、H*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

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,一般脚踏以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.

3、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—车协调。

为此，以下分析与人体相关的结构要素。

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C。

按三点调整法，AB和AC约等，一般AB=（AC—3）cm，A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，刹车力也按比例的增加。

如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

350

500

10

70

100

0.1g

0.6g

0.8g

控制下坡速度

全刹车

紧急刹车

注：

1g=9.8m/s2

四、人—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。