人机工程学课程设计自行车的人机系统评析.docx

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人机工程学课程设计自行车的人机系统评析

摘要

形形色色的自行车，它们的基本构架都一样，可是不同款式的自行车社会需求量就不一样，自行车的市场根据不同的人群也有多种多样，如对于小孩，自行车后轮处有两个小轮来支持其平衡，而对于都市女性，自行车却设置的矮小美观，而对于喜爱运动的年轻一辈来说，自行车却有省力而且易于在山地处行走的多功能。

作为大学生这个大群所偏爱的山地自行车，有些自行车并不是最佳的，为此，我们用我们的基础专业知识对其评析，也便在以后的购买自行车时我们能够选择更好的、更合人的因素的自行车！

运用人机工程学原理和方法解决系统中人机结合面的安全问题的一门新兴学科。

在自行车的设计过程中，我们可以通过安全人机工程学的知识使自行车与人能够更好的配合，相互兼容；将受环境的影响降到最低，或是更好的适应环境，从而使人有更安全更舒适的骑行，尽量消除机器本身的缺陷，降低人操作的失误率，最终达到提高安全，降低疲劳，增加舒适度的要求。

关键词：

人机工程学自行车车架造型计算机辅助设计人机评析

人机工程学课程设计

目录

摘要………………………………………………………………………………1

一、引言…………………………………………………………………………3

1.1研究背景………………………………………………………................3

1.2研究意义…………………………………………………………………3

1.3评析内容…………………………………………………………………4

1.4研究目的………………………………………………………………...5

1.5研究方法…………………………………………………………………6

二、相关尺寸（以山地自行车为例）………………………………………....7

三、自行车人-机评析…………………………………………………………...7

3.1人一自行车系统…………………………………………………………7

3.2影响自行车性能的人体因素……………………………………………7

3.3自行车设计结构要素分析………………………………………………9

3.4具体部件的人-机评析…………………………………………………...11

四、总结………………………………………………………………………….17

五、参考文献…………………………………………………………………….18

六、小组成员分工情况………………………………………………………….19

1、引言

1.1研究背景

自行车的普及能够实质性地缓解石油类矿产资源存量、钢铁类材料消耗等等问题，符合绿色设计的长久可持续发展理念，自行车车架造型设计的研究就显得尤为重要。

而在工业产品的开发与研制中，人机工程学的应用显得举足轻重且极富挑战性，能够提升产品的使用舒适度和市场竞争力。

两者的结合更将推动任何一种工业产品的有机发展进程。

在欧洲，很多人为了减少因驾车带来的空气污染而愿意骑自行车上班，这样的人被视为环保卫士而受到尊敬。

美国的报纸经常动员人们去超级市场购物时，尽量多买一些必需品，减少去超市的次数，以便节省汽油，同时减少空气污染。

颇有影响的美国自行车协会一直呼吁政府在建公路时修自行车道。

在德国，很多家庭喜欢和近邻用同一辆轿车甚至结伴骑行外出，以减少可能的汽车尾气排放。

而且，如今越来越多的人喜欢骑自行车环游城市和骑着去走南闯北的去旅游的驴友很多，自行车将迎来一个崭新的市场，而其设计的合理与否、适用与否将影响其吸引力等！

1.2研究意义

现有的中国自行车市场不说鱼龙混杂，也至少是参差不齐，缺少强劲有力的竞争品牌，自行车以及相关产品的高端市场一直在被诸如捷安特（Ｇｉａｎｔ），禧玛诺（Ｓｈｉｍａｎｏ），宝马（ＢＭＷ），美利达（Ｍｅｒｉｄａ），闪电（Ｌｉ曲ｔｎｉｎｇ）等国外品牌所把握，所以在这个时候国内的自行车产业做一个结合人机工程学对于车架造型的分析、解剖、再生的调整显得尤为重要。

现今，越来越多不同年龄、不同职业的人们正渐渐喜爱上自行车这项运动，人们也不再把它仅仅当作是昔日的一个代步工具而已，更多的是一个锻炼的方式甚至是一个能陪伴的朋友，自行车文化也在慢慢以它独具一格的风采吸引着更多人投入对于这种运动的参与。

但是市场上现有的自行车品种和构造还有待进一步的开发和改进，相信一经与产品设计和人机工程学相结合，就会拥有一种不可思议的能量使得本己可能被冷落的产品获得新生，给予人类幸福感受的同时，同渐

改变人类的价值观念和生活方式。

使越来越多的人在可以选择的情况下加入到使用自行车的行列，从而直接实现这一产业的复兴，间接地实现保护环境节约资源的目的。

1.3评析内容

结合企业实际开发项目中车架造型设计具体工作，从自行车车架材料，尺寸，成本等方面，以人机工程学理论指导评析自行车车架造型设计，内容涉及人机工程学、创新设计理论、自行车设计、计算机辅助设计等领域。

自行车的评析主要包括以下几个方面：

结构功能、造型设计等。

自行车车架丰富多彩，样式多种多样。

我们将根据所学的人机工程学，及有关的人体尺寸等综合考虑，对自行车的高低长，座椅的舒适与否进行评析。

1.3.1对于现有车架造型的改良设计体系的应用方法

随着人们环保意识和健身意识的增强，以及自行车本身的诸多优点，自行车越来越受到人们的青睐。

然而当人们骑行不适合自己身体结构的自行车，随着时间的持续就会产生疲劳和不适，严重的还会影响到人们的身体健康。

基于人机工程学的自行车设计研究是自行车设计研究领域的一个重要课题和研究热点。

自行车与人体有多个部位紧密接触，在设计时应统筹考虑自行车的结构和骑自行车的人的生理和心理特点，才能做到人与自行车的协调统一。

在自行车设计中考虑人的因素，对其进行人机工程学设计是自行车发展的必由之路。

正是基于此，本文首先分析自行车的结构和人体特性，并找出他们之间的联系点，然后应用人机工程学的相关理论进行自行车设计。

1.3.2针对自行车人机工程学设计，本文将主要进行以下几方面的研究工作：

（１）探讨影响自行车骑行舒适性的因素分析

结合人机工程学的相关理论，将影响自行车骑乘舒适性的要素归纳为蹬踏力、骑姿以及与人体紧密接触的部件三个方面，并分析了这三个因素对骑行舒适性的影响。

分析了与自行车密切接触的各人体部位的特性，阐述了鞍座、车把及把套影响骑行舒适性的参数，并提出了鞍座、车把及把套的设计参考。

（2）计算机辅助设计自行车车架及部件造型设

把我们所选的山地自行车借助计算机把其画出，对其中与人有关的‘机’，如车把，脚踏板等进行模拟。

（3）设计方案评估

建立了自行车舒适性分析法。

围绕着自行车骑行舒适性，做层层深入分析．得出自行车骑行舒适性由人体腰部、腿部、臀部、手臂四部分的舒适性构成。

其中，腰部的舒适性与靠背关系紧密，腿部的舒适性与车架、脚踏及曲柄关系紧密，臀部的舒适性与鞍座及车架关系紧密，手臂的舒适性与车架、车把及把套关系紧密。

由此，在人体部位与自行车部件之间建立了连接关系。

并用此方法对设计方案进行评估，将设计方案与现有自行车进行对比，验证了本文的设计方案在人体各部位之间功能分配的合理性，能提供更好的舒适性和安全性。

高车把的使用让骑乘者挺直上身获得良好的视野，更有利于安全舒适地骑行。

人机工程学要素及原则：

尽管国内外对人机工程学的解释有多种，但在研究对象、手段及目的方面是基本一致的，即主要研究如何根据人的生理、心理特点及要求（如性别、身高、四肢长短、体重、体力安全、舒适等）来设计、布置机器设备、仪表（包括劳动工具）等，设计、安排工作场所及工作环境，使人的劳动更合理，使机器设备、仪表、工具等便于操作，从而达到改善劳动条件、减少能量消耗、减轻疲劳、降低事故发生率和提高工作效率的目的。

简而言之，就是研究人与机器设备之间的相互关系及其合理配合，使之更适合人的生理、心理特点，进而使劳动环境更安全舒适，使人机系统的工作效率达到最佳化的一门学科。

1.3.3关于自行车人机工程上所设定的标准为：

（１）产品与人体的尺寸、形状及用力是否配合；

（２）产品是否顺手和好使用；

（３）是否防止了使用人操作时意外伤害和错用时产生的危险：

（４）各操作单元是否实用，各元件在构件安置上能否使其意义毫无疑问地被辨认；

（５）产品是否便于清洗、保养及修理。

1.4研究目的

通过对山地自行车的评析，给同学们一个在购买时的标准，希望其购买者能

够买到适合自己的，也希望自行车制造者能改善其不足，根据多数人体尺寸更好的设计出适合更多人的自行车，也根据不同的人体尺寸，设计出不同人群所需的自行车，能更好的服务与人群并上市。

1.5研究方法

1观察法2测量法3实测法4分析法5调查研究法

二、相关尺寸

图2-1，山地车的相关尺寸

图2-2、所选山地车

三、自行车人-机评析

3.1人一自行车系统

组成自行车的功能是供人骑行，就发挥自行车的功能作用而言，把人看作自行车的组成部分是完全合理的。

因此，人在骑车时组成了人一车系统，该人一车系统中的人一车界面关系可由图3-1来进行分析。

3.1.1人与支撑部件关系

图3-1人-车界面关系

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，以及它们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着性的设计参数。

3.1.2人与动力接受部件关系

　　动力接受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而产生的。

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，即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问题。

3.1.3人与工作部件关系

　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，有效地转换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，应该着眼于骑车人一动力一工作的连贯性，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而造成失误现象。

3.2影响自行车性能的人体因素

3.2.1人的体格因素

在国际GB10000-1988给出身高，体重，上臂长，前臂长，大腿长，小腿长共六项人体主要尺寸数据，这些数据基本使用与工业产品设计、建筑设计、军事工业以及工业的技术改造、设备更新及劳动安全保护等，山地自行车作为一种工业产品我们将从这几个方面来评析。

尽可能保持腰弧曲线正常，避免静态肌肉施力、使手掌心不受压迫等等。

如图3-2所示为影响自行车性能的相关因素

图3-2影响自行车性能的人体因素

3.2.1人的手和握力

影响刹车性能的人的因素主要是人的手和握力，男性和女性，成年人和儿童，手的大小和握力都不相同。

据试验，为了长时间施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。

3.2.6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压分体不合适等引起的。

此外，影响出力因素还有人的最大摄氧量。

3.3自行车设计结构要素分析

　山地自行车作为一个喜爱运动者的主要运动工具，特别是喜欢长途游玩的驴友来说，带着大量的装备和必须物在所难免，因此，一辆自行车的好坏不仅要符合人体尺寸也要有一定的载物功能。

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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，如图3-3所示。

为了获得自行车较佳的性能，必须把人的因素与机械因素有机地结合起来，以使人一车协调。

为此，着重分析与人体相关的结构要素。

图3-3影响自行车的机械因素

3.3.1曲柄长度

传统的自行车设计，一般从杠杆原理考虑比较多，对人研究少，认为曲柄越长越有力。

曲柄过长后，为了不使脚蹬碰到前泥板，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。

而且脚踏部位的踏板比一般的要宽一些，便宜脚底踩踏，缓解疲劳和静太肌肉受力。

3.3.2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。

设计或校正鞍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。

3.3.3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。

本山地车，闸把宽度有些过宽，且不可调节，有一定的不足，但是车闸的灵敏度高，只要轻轻按下闸把，闸把上力的增大，刹车力迅速做出了相应的反应。

比起别的我感觉更好些，但是握把不是很好，因为当手握住时，会使掌心紧天，使手掌不适！

3.4具体部件的人-机评析

3.4.1车座

把人因工程运用到自行车车座设计：

运用到了人体劳动形态特征的知识。

包括人体形态测量、人体结构尺寸、功能尺寸。

1）从人体解剖学分析人体形态。

根据人体组织的解剖特性可知，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25cm2的坐骨结节承受。

A、故车座设计不合适就会使坐骨结节处在车座外缘或紧挨外缘的位置，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。

B、当人骑车坐在车座上时，坐骨生殖区靠在平坦的座面上，座会压迫到坐骨生殖区的组织和脂肪。

C、在骑行时，上躯体的部分重量压迫到坐骨生殖区的血管和神经，造成人体会阴区的疼痛和麻木。

D、车座还可以上下调节，这样就可以适应那些身高不是很高，却酷爱运动和喜爱山地自行车为运动工具的广大人群。

图3-4所选山地车车座

2）考虑到人体在工作位置上的活动空间尺度。

A、人体处于坐姿时，坐骨结节离臀部后缘约10～12cm，据此，车座后端的长度范围定为10～12cm，车座总长不同于一般工作椅的座深，车座的总长只需给骑车者以有限的支承稳定性即可，因为车座过长势必影响大腿前后摆动的灵活性。

根据有关数据，50%的人体大腿厚约为13cm，故车座长度范围为22～24cm（余量约取5.5cm）。

B、有关的研究还表明，人在骑车时身体适当后倾，人体的迎风面积减小，更有利于发力和加速，如果靠背角为90°，后倾角在15°以内，则相当于前倾座面与靠背夹角在105°以内，属坐姿的舒适范围。

C、根据人体坐姿的生物力学分析得知，人体上身越前倾，脊柱的弯曲程度越大，背部肌肉受力越大。

当人骑车时，几乎完全伏在车把上，背部与水平面几乎平行，腰部椎间盘压力分布不当，腰椎变形。

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3.4.2座垫

长时间骑车，臀部不舒服的另外一个原因就是座垫软硬不合适所致。

车座加上座垫，人坐于其上，臀部压力值大为降低，接触支承面增大，使压力分散。

但是座垫不可过软，过软不仅增加了身体的不稳定性，而且容易使人产生疲劳；过硬又会导致臀部痛楚或麻木。

座垫的软硬应以股骨头刚好与座垫相接近，几近接触而无压力为宜。

坐垫材料必须透气，且不易打滑，座垫应缝制或钉在车座上，使其对起坐时的动载有良好的弹性响应。

图3-6车座

3.4.3把手

1）把手高度：

自行车的车把如果偏低，骑车者必须弯下腰，时间久了，就会感到腰酸背疼，胳膊疲劳。

车把的高度应保证骑车者在骑车时处于自然坐姿或

2）接近自然坐姿，并使颈关节、胸关节、腰关节、髋关节、肩关节和肘关节处于舒适的调节范围内。

（把手高于车座，保证正常坐姿）

图3-6把手高度尺寸

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3）把手宽度：

所选山地车的把手宽度为62cm,经实践测量，当车把的宽度接近于骑车者的最大肩宽时，人能够自然舒适地握住车把，并能保持长时间不易疲劳。

据有关的统计数据，中等身材的人最大肩宽，男为43.1cm，女为39.7cm，因此，车把的宽度可定为39.7～43.1cm。

适合男女满足大多数人的需要。

由此可知该山地车的把手设计的不合理。

图3-7把手宽度尺寸图

图3-8手的特点

4）把手的形状：

手的特点：

掌心部位肌肉最少，指骨间肌和手指部分是神经末梢满布的区域。

而指球肌、和大、小鱼际是肌肉丰富的部位，是手部的天然减振器。

所以设计手把形状时，应避免将手把丝毫不差地贴合于手的握持空间，更不能紧贴手掌心。

这样的手把比较好：

（把手的设计应使操作者掌心处略有空隙，以减少压力和摩擦力的作用）

图3-9合理的握把形式

尺寸应符合人手尺度的要求：

比较合适的直径为3～4cm，因此，可把车把的直径定为大端4cm左右，小端3cm左右。

把手的长度主要取决于手掌宽度，掌宽一般为7.1～9.7cm，因此把手的长度可定为12cm左右。

图3-10所选山地车的握把

5）把手的弯度：

所选的山地自行车把手为水平，然而这样将会使手腕处于背屈状态，腕部酸痛，握力减小，长时间操作还会引起腕道综合症、腱鞘炎等症状。

因此这不符合人因工程学原理。

测试表明，把手与水平位置成10°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

3.4.4车闸

所选山地车，车闸的设计精度还是不错的，只是因为后期的磨碎，导致不满足大多数人群的握手直经，且表面因为没有了防滑的塑料软膜，当其时间过长时不仅会使手感到不舒适还会因为有冷汗的原因而产生滑动。

产生不安全因素，因此我们要善于保护这塑料膜，当损害了是我即使修理。

3.4.5震动与车架尺寸

车架作为整个车子的骨架，最大程度地决定、影响了你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。

车架过长会造成脖子，肩，腰，

手臂，手腕，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，并且在骑行中要左右转髋，不利于其发力，同时有容易造成肌肉损伤；过低的车架则会给胳膊和腰施加过多的力，也容易造成静态肌肉受力。

所选山地车，车把的离地面尺度要高于车座的尺度，能很好的保持腰弧曲线正常，而且车座还是可以上下调节的，满足了一些个子个别的人群使用。

四、总结

山地车作为一个运动爱好者的首选，其款式，结构，功能将影响者购买者的心里，只有保证自行车的安全，自身的安全意识才能达到很好的安全，所以人-车环节至关重要。

我们就对山地车进行了评析，了解为什么它如此受欢迎，它设计的合理度，发掘其不合理的地方，以便对自己已经购买的山地车可以自己改善。

作为人类我们所观察到的身边二十年来所发生的物质变化，首当其冲的应该就是地球的环境变化，要从根本上解决这个问题还是要从人类意识和基本生活的方方面面出发。

而自行车的普及能够实质性地缓解石油类矿产资源存量、钢铁类

材料消耗等等问题，符合绿色设计的长久可持续发展理念。

由此出发，自行车车架造型的适用性就显得尤为重要。

在工业产品的开发与研制中，人机工程学的应用显得举足轻重且极富挑战性，能够大幅度地提升产品的使用舒适度和市场竞争力。

两者的结合更将推动任何一种工业产品的有机发展进程。

国内外越来越多的研究人士已将目光投向产品创新与人机结合这一领域。

依据人机工程和工业设计手段设计的自行车车架，更适宜人体生态特征，会使乘坐和骑行的舒适度有很大的提高，保证身体的健康，在一定程度上间接提高国内自行车品牌在世界自行车市场竞争力。

五、参考文献

【1】张力，廖可兵主编，安全人机工程学，北京，中国老动社会保障出版社，2007

【2】GB3565-2005自行车安全要求

【3】GBT19994-2005自行车通用技术条件

【4】GB1000—88中国成年人人体尺寸

【5】自行车论坛的相关资料

【6】中国自行车运动杂志《骑行者》2009年2月刊

【7】牛占文，徐燕申等．发明创造的科学方法论一ＴＲＩＺ［Ｊ］．中国机械工程，1999，19

（1）：

47.54

【8】邓国光等．自行车运动员蹬踏方式的研究【Ｊ】．山西体育科技，1993（3）：

17.19

【9】陈为．基于自行车造型演变发展的研究【Ｊ】．南京理Ｔ大学报，1998（5）：

169．473

【10】陶浩，段红捷．人机工学在碳纤维赛车车架结构中的应用［Ｊ】．机械研究与应用，1998

（1）：

10.12

【11】何芳．自行车非圆链轮设计理论和研究【Ｍ】．大连：

大连理工大学硕士学位论文1999，6

【12】中国骑行者论坛内容．ｈｔｔｐ：

／／ｗｗｗ．Ｃｈｉｎａｂｉｃｙｃｌｅ．ｎｅｔ刷ｅｗ／５一１．ｈｔｍｌ

【13】丁玉兰.人机工程学【M】.北京北京理工大学出版社，2011

（1）：

1

六、小组成员分工

见表6-1；

普颉

2010311336

自行车人-机系统的分析及整体规划

李忠华

2010311327

数据采集及实地测量、画图、照相

李胚柳

2010311350

数据测量及资料收集、人-机评析、照相

张朝伟

2010311342

资料收集、自行车人-机系统分析

李银怀

2010311340

ppt制作、现状分析

施炫

2010311336

现状分析、小结

表6-1

答辩时，与你们讲了，图要有图名图序，表要有表名表序，你的第一张图和第二张图有吗？

后面的你自己看看。

你看看你的嗲三部分，从网上下载的下来的段落标识是不是与其他有差异？

很明显直接从网上下载，改都没有改的就拿来了。

还有说了，摘要应该怎样写，杰伦部分应该怎样写！

！

你们全部脑袋进水！

！

！

参考文献你也自己看看！

！

！

图