人机工程学人机工程学 -自行车设计研究自行车设计研究设计主题： 踏雪无痕工业设计091陈骏勇26号主题：踏雪无痕主题：踏雪无痕l仿如卧虎藏龙中众多高手那绝世的轻功，身轻如燕，踏过雪地却丝毫不留下任何的痕迹。l以此主题进行自行车设计，主要把设计重点放在自行车轻巧，便利，快捷的特点。人机工程分析人机工程分析 -自行车设计必要条件自行车设计必要条件l一：设计自行车目的：助行，代步l二：机动性：便捷式的越野山地自行车 人机工程分析人机工程分析 -自行车设计环境自行车设计环境(内部环境）内部环境）l内部环境分析：l 振动： 骑山地时，振动大些；骑平坦道路时振动小l 噪声： 属于非机动性车辆，无噪声污染 l 人机工程分析人机工程分析 -自行车设计环境（外部环境）自行车设计环境（外部环境）l外部环境分析：l 山地行驶 面对的环境是崎岖不平，坑坑洼洼的山路，陡峭的坡度，山路滑。 l 容易遭遇多的粉尘，颗粒，尘埃及落叶等植物残骸，甚至大山深处变幻无常的天气。l 城市行驶 城市复杂的交通状况（交通堵塞，拥挤），人多，车多，噪声污染等，道路较为平坦l 空气质量较差，气温比郊区偏高，光照强烈。人机工程分析人机工程分析 -之人之人车系统分析车系统分析人与支撑部件关系人与支撑部件关系分析人与支撑部件关系分析l支承部件：车架，前叉，鞍座，车把l人坐位置的合适度：人坐位置的合适度：l高低：高低：当脚蹬到最低点时，腿应正好伸直，既不感到l过分伸脚，也不使膝关节有弯曲运动员在踏蹬中；踏l蹬到曲柄与地面平行的位置时，膝关节垂直线能正好通过脚蹬轴的中心； 踏蹬到最低点时，膝关节能稍有弯l屈，以利肌肉在紧张之后可得到暂时休息l前后：前后：车座固定在水平线上，根据运动员大腿长度，l把座子前端调整到中轴 垂直线后25公分处。大腿l长，车座应多向后移动，大腿短，车座稍向前移动，l但车座前端一般不超过中轴垂直线后2公分人与支撑部件关系分析人与支撑部件关系分析l车架高度与脚蹬用力关系车架高度与脚蹬用力关系l车架高度：车架高度：14英寸逐渐大至22英寸共5个尺寸l约为14英寸为155公分以下、l16英寸者为155-170公分、l18英寸为170以上，l至于180公分以上20英寸以上 人与支撑部件关系分析人与支撑部件关系分析l确保人上身有正确姿势确保人上身有正确姿势l正确的骑行姿势是正确的骑行姿势是:l上体较低，头部稍倾斜前伸；双臂自然弯屈，以作上体的良好支点，便于腰部弓屈，降低身体重心，同时l止由于车子颠簸而产生的冲击力传到全身；双手轻轻而有力地握把，臀 部坐稳车座位，使人和车子成“流线l型”体。正确的骑行姿势，在相当大的程度上决定于车辆的尺寸、车座和车 把的位置，运动员的身材大小及身体各部份的结构。要正确 处理车和人的关系 人与支撑部件关系分析人与支撑部件关系分析l手握车把的距离长度的合适度手握车把的距离长度的合适度l调整车把的宽度 应与运动员的肩宽大体相同，一般为3841公分；l车把的高度，应根据运动员上体尺寸臂长来决 定，并注意专项的特点；l合理的车把高度是使公路运动员的上体角度(即通过l髋关节的水平线和髋关节中心至颈 椎中心连线)保持在35度l45度之间；场地运动员的上体角度保持在2030度之间.人与动力接受部件关系分析人与动力接受部件关系分析l动力接受部件：脚蹬，曲柄动力接受部件：脚蹬，曲柄l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人与传动部件关系分析人与传动部件关系分析l传动部件：滚珠，链条，链轮l设计关键：要保证有较高的传动效率和可靠性，且有易操纵的变速机构，使人用一定的肌肉而获得较大的输出功率人与工作部件关系分析人与工作部件关系分析l工作部件：车轮（车圈，轮胎）l设计自行车各部分尺寸，车闸及变速器等时着眼骑车人-动力-传动-工作的连贯性（骑车人手的大小，握力相适应的闸把，刹车力适当的车闸）人机工程分析人机工程分析 -之影响自行车性能的人体因素之影响自行车性能的人体因素人的体格因素人的体格因素人的下肢肌力人的下肢肌力l自行车脚蹬由腿肌收缩出力完成，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4050N，训练后可达65N。人的输出功率人的输出功率l人的输出功率随人的体格，体力，骑车姿势，持续时间和速比等变化而变化l成年男人最大输出功率约为：0.7马力（0.51KW），持续时间为10S左右l如果持续时间长，其值要小的多，1h大约：0.10.2马力（0.070.15KW）人的脚踏速度人的脚踏速度l自行车运动与人的心脏节律保持一定关系。l健康人的心脏跳动为70次每分钟，脚踏则为：60r每分钟人的平衡机能人的平衡机能l骑车人的平衡机能是影响自行车性能的重要因素，骑车人有好的平衡机能可很好的掩盖自行车的某些缺陷。人的手和握力人的手和握力l人的手和握力影响刹车性能l男女性，成年人和儿童各不同l一般只想用10%左右的力量便达到必要的减速人的疲劳人的疲劳l影响人疲劳的因素：l 部分肌肉负担过大 l 骑车姿势不合适l 体重对鞍座的体压分体不合适l影响出力因素：l 人的最大摄氧量l 人机工程分析人机工程分析 -自行车设计结构要素分析自行车设计结构要素分析速比速比l大小链轮的齿数比，与链轮直径比相一致，一般控制在2.34.0范围内l利用速比关系可取得骑行时所必要的功率和必要的速度l速比应合适，不宜过小，也不宜过大：l 过小：不能充分提速，得不到最大输出功率l 在限定的曲柄转速下得不到必要的骑行速度（后轮速度）l 过大：踏力大，容易疲劳l以肌肉负担约为最大肌力的10%来选择速比和曲柄转速变速器的设计曲柄长度曲柄长度l按人的身长或下肢长来考虑曲柄长度l通常曲柄长度的基准为：取人体身长的1/10，相当于大腿骨长的1/2.曲柄设计：三接点位置三接点位置l鞍座位置A，车把位置B，脚蹬位置Cl按三点调整法：AB和AC约等 一般AB=（AC-3）cm A点略低于B点 约为5cm鞍座位置鞍座位置l分析：l 鞍座过低，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劳无力l 鞍座过高，骑行时腿部肌肉拉的过紧，脚趾用力过多，双脚也容易疲劳，骑车适当用力为脚掌。l原则：l 行驶较快的车，鞍座位置要向前移l 行驶较慢的车，鞍座位置要向后移鞍座位置鞍座位置鞍座位置高低设计或校正最常用方法：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。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。可调节式鞍座设计：车闸车闸l设计时，闸把开档.力率和闸把力要与人手的大小和握力相适应。l理想的施闸力和减速度闸把施闸力闸把施闸力/N相对握力相对握力%减速度减速度说明说明60 350 50010 70 1000.1g 0.6g 0.8g控制下坡速度控制下坡速度 全刹车全刹车 紧急全刹车紧急全刹车注：注：g=9.8m/s2人机工程分析人机工程分析 -人人-车动态特性分析车动态特性分析动态稳定性动态稳定性 自行车的稳定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。（图a） 稳定性是安全行驶时必不可少的特性设计时必须考虑其稳定性 力学特性力学特性l自行车行驶在平地上转弯的条件是侧向力（与离心力平衡）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。l自行车造型设计要适合这种力学特征设计转向特征转向特征l自行车转弯可能的三种情况（如图b. c d)l l人体和车身向内倾的角度相等。即骑车人身体的中心线和车子的中心线一致时，自行车就可以转弯，即所谓中倾旋转，见图(b) l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，见图（c） l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，见图(d)。