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时间:2018-07-28
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1、自行车设计中人机工程学案例分析一、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1-1来进行分析。1.人与支撑部件关系人-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。2.人与动
2、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.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.人与工作部件关系
3、 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传动一工作的连贯性,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。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很多,如图1-2所示。现主要分析下述几点:1.人的体格因素以身高H为基本因素,其他身体的
4、能力与H成比例,并有与H2、H3成比例的特性。如手 臂、腿、气管等的长度与身高成比例,从而以骨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H2成比例。肺活量、血液量、心脏容量等都可看成与H3成比例。体格对出力性能的影响,从理论上讲,弹跳能力与H成比例,速度能力与H2成比例,作功能力和H3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换为肌肉收缩的机械能。自行
5、车脚蹬的转动就是通过腿肌收缩出力而完成的,一般说腿肌长的人比腿肌短的人有利。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。 影响自行车性能的人体因素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(0.51kw),能持续10s左右。如果持续时间长,其值要小得多,持续lh,大约只有1.0-0.7马力(0.07-0.15kw)。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
6、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稳行驶;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。7.人
7、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。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,如图1-3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。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
8、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。也由于速比小,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%
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