（机械工程专业论文）基于骑行安全性与舒适性的邮政自行车设计方法研究.pdf

摘要 论文结合某邮政局提出的对现用邮政投递自行车的改进需求，探讨了基于骑 行安全性与舒适性的自行车设计方法。 全文研究内容及结论概括如下： 一、利用有限元方法，分别对国外某型邮政自行车和国内邮政自行车在不同 骑行条件和载货条件下进行了强度分析。利用分析数据，将两种车型进行对比， 结果显示：虽然两种邮政自行车均符合强度要求，但是在应力分布、结构合理性 等方面，该国外邮政自行车的设计优于国内邮政自行车。 二、基于骑行安全性要求，结合邮递员工作特点，对现用邮政投递自行车的 车架结构及相关零部件设计提出了合理的改进方案。 三、对国内邮政自行车的前叉进行了有限元强度分析，找出了其容易失效的 原因。同时，以降低最大应力值和轻量化为目标，提出了两种改进方案，并进行 了对比分析，给出了合理方案。 四、借助表面肌电信号测试手段，对不同受试者在骑行过程中下肢表面肌电 信号进行了采集。通过对信号的时域、频域分析，验证了基于人体生物力学的自 行车仿真设计方法的有效性。通过分析实验数据，提出了频域指标m f 的线性拟 合方程的斜率可以作为自行车骑行舒适性的评价指标。采用该指标对国外和国内 邮政自行车的骑行舒适性进行了对比，结果表明：前者的骑行舒适性优于后者。 该论文的研究成果对于自行车的自主创新设计具有重要的理论意义和实际 应用价值。 关犍词：邮政自行车有限元分析表面肌电信号骑行舒适性 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ep o s t0 f f i c e sn e e dt o i m p r o v et h em a i lb i c y c l e ， d e s i g nm e t h o do f m a i lb i c y c l eb a s e do nr i d i n gs a f e t ya n dc o m f o r ti sd i s c u s s e d t h em a i nr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa r es h o w na sf 0 1 1 0 w s ： 1 b a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o no fr i d i n gs a f e t y , f a t i g u es t r e n 舒ho fc h i n e s ea n d a n o t h e rc o u n t r y sm a r lb i c y c l e su n d e rd i f f e r e n tc y c l i n ga n dl o a d i n gc o n d i t i o n sa l e c h e c k e du s i n gf h l 沁e l e m e n tm e t h o db e f o r et h ef o l l o w i n gc o n t r a s t t h er e s u l ts h o w s t h a ta l t h o u g ht h et w o p r o d u c t sb o t hm e e tt h ef a t i g u es t r e n g t hr e q u i r e m e n t , t h ea n o t h e r c o u n t r y so n ei sa p p a r e n t l ys u p e r b ri nd i s t r m u t i o no f s t r e s s ，s m a e t u r a l r a t i o n a l i t y , e t c 2 c o n s i d e r i n gt h er e c e n tb i c y c l es l r u c t u r ea n dw o r k i n ge n v i r o n m e n tofm a r l c a r r i e r su n d e rt h ep r e c o n d i t i o n so fr i d i n gs a f e t y , s o l n et e a m m b l ep l a n so fb i c y c l e s t r u c t u r ea n d s p a r ep a r t sa r ep m p o s e d 3 a c c o r d i n gt ot h ep o s to f f i c e sr e a ln e e d , t h ec h i n e s eb i c y c l e sf r o mf o r ki s c h e c k e di nf i n i t ee l e m e n tm e t h o di no r d e rt of i n do u tt h er e a s o no fi t sb r e a k a tt h e m e a nt i m e ，t w on e wi m p r o v e m e n tp l a t oa r eb r o u g h tf o r w a r dt or e d u c em a x i m u m s t r e s sa sw e l la s q u a a t y t h eb e s tp l a nw h i c hc a nn o to n l yi m p r o v et h es 缸e s s d i s t r i b u t i o no ff r o n tf o r kl l l x l e rh e a v yl oa d i n gc o n d i t i o n s ，b u ta l s om a k et h eq u a l i t y r a n g eu n d e rc o n t r o li ss e a r c h e di nd i f f e r e n tw a y s 4 i no r d e rt os t u d yt h er i d i n gc o m f o r to fm a i lb i c y c l e ，t h ec y c l i n ge x p e r i m e n t w i t hs u r f a c ee l e c t r o m y o g r a p h ya n a l y z i n gm e t h o di sm a d ew h i c hi n v o l v e sd i f f e r e n t c y c l e r s t i m ea n df r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i sa r em a d et ot e s t k f yt h ev a l i d i t yof s i m u l a t i o nw h os ep u r p os ei st om e a s u r et h em u s c l ef o r c e sa sw e l la st o i m p r o v e b i c y c l ed e s i g n i n gt h e o r y a tt h es a m et i m e ，t h ec o n c l u s i o ni sd r a w nt h a ta n o t h e r c o u n u - y sb i c y c l ei ss u p e r i o rt ot h ec h i n e s eo n ei nt h ec o n s i d e r a t i o no f m u s e l ef a t i g u e t h r o u g ht h es b p eo fl i n e a rf i t t i n ge q u a t i o no f m fw h i c hi ss e e na sa ne v a l m t i o ni n d e x f o rm u s c l ef a t i g u e t h i se v a l u a t i o ni n d e xi su s e dt om a k eac o m p a r i s o nb e t w e e nt h e r e c e n ta n da n o t h e rc o u n t r y sm a i lb i c y c l e so nr i d i n gc o m f o r ta n di ts h o w st h a tt h e f o r m e ro n ei ss u p e r i o rt ot h eb i t e ro l l e t h ea c h i e v e m e n to ft h i sp a p e ro f f e r sag r e a tv a l u et ot h ei n n o v a t i o no fb i c y c l e d e s i g n i n gm e t h o di nt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lw a y s 一i i k e y w o r t l s ：m a i lb i c y c l e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s u r f a c ee l e c t r o m y o g r a p h ys i g n a l ( s e m g ) ，g i d i n gc o m f o r t i i i 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 1 1 1 自行车发展简介及国内自行车发展现状 自行车从诞生至今已有2 0 0 2 年历史1 1 矧。从最早1 8 世纪末由法国人西夫拉克 发明的木质自行车开始，自行车的发展历程包括了1 8 1 7 年的第一辆带车把的自行 车、1 8 3 0 年的邮差专用自行车、1 8 3 9 年的铁质自行车、1 8 6 9 年诞生的雷诺型自行 车、1 8 8 7 年由劳森设计的链条驱动自行车以及1 8 8 8 年由j o h n l 3 0 y a d u n l o p 发明设 计的第一款配备橡皮充气轮胎的自行车。可以说，自行车伴随着人类历史的脚步 正在迅速的发展着。现如今，从世界范围来看，各主要发达国家均采取鼓励自行 车行业发展的政策。比如：在美国，自行车道在交通系统中所占比例逐年增加， 8 0 的城市准备修建新的自行车道【5 】；在英国，各地现均有为骑车者开辟的自行 车道，覆盖英国城市和乡村的“全国自行车专用道网络”长度大约为9 0 0 0 公里， 为实现在2 0 1 2 年骑自行车的人数比1 9 8 6 年增加3 倍，英国政府不仅将兴建新的1 万公里的自行车专用道，而且对骑车上班采取鼓励和补贴政策【6 】；在温哥华，市 政府计划在大力改造和完善现有自行车专线道的同时，在自行车专线道旁，每隔 一段距离布置骑车族用的休息站【7 l ；在韩国首都首尔，政府在2 0 0 7 年9 月底前已 经将交通道宽度缩减，专门设置了自行车专用道，以此鼓励自行车交通的发展、 提高市民的身体素质 引。由此可见，自行车行业在全世界范围内都受到了社会各 界广泛的重视与大力的支持。 自行车行业的发展具有广阔的前景。2 0 0 9 年，我国自行车产量已达7 6 0 6 多 万辆，占世界总产量的2 3 9 。虽然随着前几年全球经济下滑，中国自行车和电 动车的出口总量有所下降，但我国仍是全球范围内自行车的生产和出口大国。 2 0 1 0 年，我国向世界1 9 8 个国家和地区出口自行车整车5 2 0 1 6 万辆，同比增长 5 5 ；金额2 2 3 5 亿美元，同比增长6 1 ；整车及零部件出口额3 5 0 6 亿美元， 同比增长8 6 ；平均单价4 2 7 美元，同比增长3 5 ；我国的电动自行车的保 有量接近1 6 亿辆【1 0 。可见，我国的自行车市场无论是在国际还是国内，都是极 具吸引力的。 在自然环境恶化、原油价格飞涨、城市拥堵加剧的今天，自行车行业将迎来 又一个发展的契机。随着科技的发展，自行车不论从种类方面还是从材料方面都 第一章绪论 有了极大地丰富和拓展。自行车的种类大致可以分为公路自行车、山地自行车、 场地自行车、小轮车、技巧车。而制造材料也从当初的木质或是铁质，演变为碳 钢、铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维等高端材料。各国都在积极地推进自行车 的研发以满足不同的需求。 然而，虽然近年来我国自行车制造业发展很快，但国产自行车的设计开发能 力和产品技术含量较低。不能自主进行产品设计开发，是我国自行车行业普遍存 在的问题。目前，大部分国内生产厂家的生产模式还停留在贴牌生产和改造图纸 的阶段。由于企业缺乏系统的理论计算与校核，自行车在使用过程中出现安全问 题的情况时有发生。中国大陆在自行车领域尚未形成自主设计体系，生产基本限 于o e m ( o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r ) 模式，使得产品技术附加值很低， 出口单价仅为台湾地区的1 6 1 1 】。所以，面对国际市场的激烈竞争，企业应该采 用先进的设计手段和方法，提高产品自主研发能力，这样才能使我国保持最重要 的自行车产业中心的地位、继续我们的竞争优势。 1 1 2 国内外邮政自行车发展及现状简介 邮政自行车作为自行车在邮政领域的应用，主要用于邮政公司日常报刊、信 件的投递，投递员每天使用它穿梭于城市的大街小巷，为家家户户提供邮递业务 服务，因此，它与我们每个人的生活都息息相关。在设计方面，邮政自行车是根 据邮政业务特点而专门设计的自行车，它必须要满足在重载、路况复杂、制动频 繁等特殊条件下能够持续、安全使用的要求。这也正符合了当今社会生产由粗放 型向集约型转变、产品由流水线大批量生产向客户化定制过渡的时代趋势。 1 9 6 2 年5 月，上海永久自行车厂为了生产出更符合载重要求的自行车，对 国内各种类型自行车进行分析、选型、设计，并对车架、前叉、车把等1 3 种部 件重新设计，制造出了一款经典的z a 5 1 型载重车，一经问世便广受好评。同年 1 2 月，永久自行车厂的设计人员走访邮电部门后，总结出邮电用车的特殊要求 耐磨、耐刹、耐颠、功能齐全，并且既要载货又要骑行轻便。于是，他们以 z a 5 1 型载重车为模型，把前泥板由普通型改为“钢盔式”，并略为放长，前后泥 板均喷上金黄的“邮电”二字，车把正中间刻上邮电专用标记，研制并生产出国 家邮电部需要的邮政用车，并一直沿用至今。该车具备自行车统一零部件规格的 互换和通用条件，价格相宜，零件易于采购，结构简单，便于骑行。图1 1 所示 为永久经典z a 5 1 型载重车和国内目前在用邮政自行车。 然而，随着社会的发展、报刊杂志数量及重量的急剧增加，邮递员的劳动强 度、载重量日益加大，日常所骑行的普通邮政投递自行车在承重、安全、道路适 用性等方面己不能适应社会发展的需要。实际上，随着我国自行车业的激烈竞争， 1 第一章绪论 市场上也出现了一些贴牌产品，这些产品的质量存在一定的问题，骑行安全得不 到保障。例如，根据某邮政局提供的资料显示，其投递部门曾经出现过一年 图1 1 永久经典乙够1 型载重车及国内目前在用邮政自行车 7 次的前叉断裂事故，给邮递员的安全带来了严重的威胁。另外，随着报刊杂志 数量日益增加等因素，目前邮政投递自行车普遍存在着安全性低、上下车困难、 骑行不便等多方面的问题。根据某邮局反映的具体情况，将突出的几个方面配以 实际图片说明，如表1 1 所示： 表1 - 1 实际使用问题 载重需求量过大 质量低下，损毁率高 结构不合理，断裂频发 安全问题总结如下： 1 ) 接口和零件过多，维修率过高，维护成本大； 2 ) 载重量达不到要求，前叉、车架等处发生断裂的现象比较普遍； 3 ) 上下车不便，无法满足载重时频繁上下车的工作需求； 4 ) 可使用的载货部分少，无法满足邮袋携带的数量： 第一章绪论 5 ) 制动装置故障频繁且损坏严重； 6 ) 轮胎不适应复杂的路面，漏气或磨损等现象严重。 由此提出邮政局对于邮政投递自行车的改进需求：1 ) 骑行舒适省力；2 ) 载 重量大；3 ) 结构牢固、维修方便；4 ) 成本低；4 ) 安全性高。因此，在结构、 选材等方面对邮政自行车进行优化改进必须引起全社会的广泛关注。 其实邮政自行车的改进工作在全球范围内早己展开。英国是邮政行业的发源 地。伴随着人们日益增长的信息需求，报刊杂志的日均投递量也在逐渐的增加。 面对这种情况，2 0 1 0 年，英国皇家邮政联合多家设计机构为邮递员设计出了一 款新式邮政投递自行车，如图1 2 所示。这款车不仅样式新颖，而且车架选用了 铝合金材料，大大减轻了车体重量，投递袋与车架直接相连，增加的辅助轮架大 大地提高了车体的稳定性，邮递员的安全得到了进一步的保障。在日本，邮政自 行车也在与时俱进地发展变化着，低碳、环保的理念也融入其中，使得人性化设 计这一理念得到了极大的发挥【1 2 】。 图1 - 2 英国皇家邮政投递自行车2 0 1 0 款 由此可见，在全球邮政自行车不断变革的今天，我国的邮政自行车依旧沿用 1 9 6 2 年投入生产的老式自行车，这不符合以人为本、坚持科学发展的社会大背 景。因此，根据实际情况改进我国邮政自行车、改善邮递员工作环境势在必行。 1 2 国内外研究现状 鉴于本文研究内容主要涉及自行车结构强度分析、实验测试技术以及运动生 物力学等方面，故本文在此仅对相关领域国内外研究状况作如下回顾。 4 第一章绪论 在自行车结构强度方面，研究工作主要集中在对前叉j 车架等主要零部件的 受力和强度分析上。1 9 9 8 年，意大利的c f e r r a r e s i 掣1 3 】用试验方法和有限元方 法研究了自行车车架结构对其模态参数的影响。2 0 0 1 年，法国的rp c a r r e i r a 等 1 4 】用有限元方法分析了自行车车架在标准载荷工况下的应力分布，并通过实验 对该模型进行了验证，然后在该模型的基础上，对其在实际工况下的应力分布进 行了预估。同年，加拿大的y c h a m p o u x 等【”- 1 6 】研究了全减振类型山地自行车在 崎岖路面上行驶时车架的受力情况，并在之后的2 0 0 4 年，通过实验模态分析揭 示出人体对自行车模态参数的影响以及模态参数与车架振动强度之间的关系。 2 0 0 4 年，内华达大学的c h a r f i ec a r p e n t e r 掣17 】在2 0 0 4 年度人力车大赛( h u m a n p o w e r e dv e h i c l ec o m p a n i o n ) 中，设计了一款新型人力自行车，并对其进行了 有限元强度分析。2 0 0 7 年，钟佩思等【l8 】对某自行车车架进行了c a e 分析，分析 中车架载荷假定为前管6 0 0 n 和脚蹬2 0 0 n 的两个垂直分力。同年，l o t h a ri s s l e r 等【1 9 对山地车前管的疲劳行为进行了研究，但并未给出具体的载荷数据。h o l g e r b r a c k e m a n n 等【2 0 】对自行车的疲劳强度进行了研究，并指出目前的自行车疲劳强 度标准不能充分地评价自行车的疲劳行为，自行车安全水平的提高必须借助先进 的测试技术，但文中并未给出具体的载荷数据。2 0 0 8 年，项忠霞等【2 1 】基于振动 舒适性对山地自行车后悬架参数进行了设计，其中车架载荷根据自行车检测标准 分配，分别为前管5 0 n ，鞍座4 0 0 n ，脚蹬2 0 0 n 的垂直分力。2 0 0 9 年，赵德斌 等四】基于a n s y s 有限元软件及理论对自行车车架拓扑结构进行了优化，在进行 分析时，车架载荷假定为作用于鞍座5 0 0 n 和脚蹬5 0 n 的两个垂直分力。同年， 张功学等l 2 3 j 基于a n s y s 平台对变速自行车车架进行了有限元分析，其中车架载 荷假定为作用于鞍座6 0 0 n 和脚蹬2 0 0 n 的两个垂直分力。天津大学的许文【2 4 通 过动力学仿真得到的数据，利用有限元方法对一款自行车车架进行了不同条件下 的静强度和疲劳强度分析，并提出了利用人体生物力学方法设计自行车的新思 路。随后，孙波【2 5 】等人对某便携式自行车车架进行了有限元分析，其中车架载 荷假定为仅作用于鞍座1 0 0 n 的垂直力。2 0 1 0 年，m b l u m e l 掣2 6 】对运动自行车 在骑行过程中的载荷进行了研究，并指出大量的场地车失效问题显示出，目前的 自行车疲劳测试标准不能保证运动员的骑行安全。 综上所述，结构强度分析的有限元法是目前比较前沿的科学有效的分析方 法，国际上普遍采用了这种方法进行结构强度分析和优化设计工作。但是，不论 是研究自行车车架强度还是其他领域，在进行计算机虚拟仿真之前，通过实验测 试等方法获得比较准确的加载数据才是最行之有效的途径。 第一章绪论 1 2 2 实验测试技术 获得反映客观骑行状态的实验数据是检验系统设计方法有效性的重要手段。 2 0 0 2 年，北京体育大学的赵芳等【2 7 】采用视讯录像解析系统与平面定点拍摄 方式的多点测量方法，以1 5 名九运会场地自行车女子5 0 0 m 计时赛的运动员为 研究对象，分别对她们的出发动作做出了详细的运动生物力学分析。这种定量的 分析通过对比等实验手段，有效地计算出更加合理的运动姿态，对以提高成绩为 目的的专项训练提供了科学依据。 2 0 0 3 年，美国空军学院的r o b i n c r e d f i e l d 掣2 8 珈】在研究山地车在大振幅运 动过程中的动态特性时，提出了一种基于图像处理的实验方法：在人体和自行车 关键部位粘贴标记点，利用光学跟踪设备记录人一车系统在运动过程中的视频图 像，用图像处理软件识别标记点的运动轨迹，计算并描绘出各点的位移、速度和 加速度曲线。 2 0 0 6 年，天津大学的项忠霞和刘晗等【3 坞3 】借鉴国家相关检验标准开展了全 悬架山地自行车车架的振动实验。测试对象为带有前后悬架的车架部分，人体以 集中载荷的形式加载于车把、中轴和鞍座部位，前轴允许水平方向的位移，后轴 激励由快速振动疲劳试验机提供。在之后的2 0 11 年，他们又通过动作捕捉与人 机动力学仿真实验，探究了在不同骑行速度和骑行姿态下自行车车架载荷的分布 情况，指出了在不同骑行条件下车架所受载荷的大小及分布存在着明显的差异。 2 0 0 9 年，黑龙江省射自剑训练中心的曹成珠【3 4 】利用鞋垫式足底压力传感器 与视频解析手段相结合的方法，以0 0 1 s 为一个步长记录力量数据，以0 0 4 s 为 一个步长记录视频数据，对黑龙江省场地自行车运动员进行专项骑行测试，在数 据同步的基础上研究踏蹬力量变化与踏蹬角度变化的特点和关系。 2 0 1 0 年，首都体育学院的周志雄等【3 5 】通过实验对我国1 1 名公路自行车运动 员进行膝关节力量测试和无氧功测试，利用等速力量测试仪主要测试膝关节屈、 伸肌群不同角速度的向心收缩力量，利用功率自行车进行无氧功测试，得到运动 员的最大无氧功量等指标，测定出运动员的无氧能力指标。 2 0 1 1 年，苏州大学的范育飞【3 6 】利用等速肌力测试与训练系统，以1 8 0 0 s 、 1 2 0 0 s 、6 0 0 s 的三种角速度对2 6 名自行车运动员左腿髋关节进行了等速向心收 缩测试，获得相应的等速向心收缩的伸屈肌峰值力矩、平均功率等指标，并结合 项目特点等分析各角速度下指标的差异。 综上所述，如果想获得尽可能准确的测试数据，既要保证测试自行车与受试 者( 即骑行者) 尽可能真实的骑行状态，又要保证测量数据来源的可靠性及准确 性。 6 第一章绪论 1 2 3 运动生物力学 随着自行车运动的生物力学研究在国内外的广泛深入，利用表面肌电信号 ( s e m g ) 的研究方法日趋成熟，更多的热点集中在骑行时人体肌肉的功能水平 和工作状态的研究上。 早期的很多研究为肌电信号的日趋成熟提供了理论和实践意义上的参考。 1 9 5 9 年，h o u t z 和f j s h e i l 3 7 】首次在自行车研究中运用了肌电技术，对骑行者下肢 1 4 块肌肉的基本功能进行了分析。1 9 7 8 年，f a r i a 3 8 】首次利用神经肌肉协调观点 研究了平地坐位骑行时肌肉活动和神经肌肉系统协调。1 9 8 6 年，g r e g o r t 3 9 】较早 地采用了肌电图分析方法，研究了自行车运动员部分下肢肌肉在骑行动作中的协 调变化关系。而在1 9 9 3 年，同济大学的吴月明等【加】也较早的提出了用肌电信号 的f f t 功率谱分析法、数学模型拟合法方法来进行自行车运动员等人群的肌肉 疲劳定性以及定量的研究。 随着肌电信号的研究方法日趋成熟，这种方法被更多的学着采用于与自行车 有关的研究中。 2 0 0 5 年，大连大学的彭如心掣4 l 】为了解释运动训练对股四头肌s e m g 指标 与输出功率的影响，利用无氧功率自行车，对5 2 个健康受试者测试3 0 s 全力踏 蹬自行车过程中的功率输出，并记录运动过程中的肌电变化。结果显示前5 s 的 肌电图指标可反映训练水平，后5 s 的单谱肌电图指标可反映疲劳程度。 2 0 0 6 年，法国的s d u c 掣4 2 】对上山骑行过程进行了模拟实验。他们选取l o 名基本特征相似的男性，利用跑步机等实验设备进行骑行的上山过程模拟。受试 者被分别要求以站姿、坐姿、变换扶把位置以及左右摇摆等情况下进行有氧骑行。 最后通过从1 2 块肌肉获取的肌电信号对不同骑行条件下的肌肉行为做对比分 析，找出它们之间的量化关系。同年，里昂第一大学的d a v i d 等【4 3 】通过实验验证 了力矩电压测试可以将肌电信号在生物学整体架构上进行规范化。在实验中， 受试者在臀大肌、股外侧肌、股直肌、股二头肌、腓肠肌和比目鱼肌等6 块肌肉 上安置电极片，然后利用一台自制的带有角度测量器和测力计的自行车踏蹬装置 进行骑行实验，角度测量器用来保证设置坐标轴的稳定性以及测量脚蹬的转速， 测力计则用来测量脚蹬处的受力变化。 2 0 0 7 年，江苏省体育研究所的袁鹏、吴翠娥等 4 4 4 6 】结合场地自行车4 千米 比赛的专项特点，首先对1 0 名运动员在5 0 0 w 负荷下以1 0 0 r p m 、1 2 0 r p m 、1 3 0 r p m 、 1 4 0 r p m 四种频率稳态骑行过程进行研究，找出了下肢7 块肌肉肌电信号的变化 规律，然后在s r m 功率自行车上进行恒定踏蹬频率的递增负荷试验，分别采集 稳定骑行的踏蹬力数据和下肢部分肌肉的表面肌电信号，专项研究部分肌肉的工 作特征。同年，北京体育大学的孙科【4 7 】以座高为变量，对自行车运动员的下肢 7 第一章绪论 进行表面肌电测试与录像解析，通过对膝、踝关节轨迹特征以及下肢关节角度的 分析，研究、对比不同座高对自行车运动员下肢工作状态的影响。同样在2 0 0 8 年，加拿大u b c 大学的d a v i d 等【4 8 】也以相同的实验手段选取了1 3 名女性实验 者，利用肌电信号数据的获取与后期处理，对座高与肌肉能力表现的相关性开展 了相关研究。 2 0 1 0 年，西南大学的罗炯【4 9 】为了研究自行车骑行过程中频率及生理节律对 下肢肌电的影响，对6 位拥有至少3 年以上骑车经历的大一男生进行“无暗示” 骑行实验，即在实验中不给予其任何约束或暗示，先让受试者凭自我感觉选择踏 蹬频率，然后逐渐达到稳定骑行状态后，在其“自选频率”的激励下做运动学及 肌电信号的同步测试。同年，同济大学的黄勇等、王乐军等【5 0 。5 1 】利用肌电测试仪 和功率自行车对8 名自行车运动员进行6 0 s 和1 0 s 全力踏蹬的负荷试验，采用时 域分析、频域分析、小波包分析、非线性分析等方法，揭示出自行车运动员下肢 肌肉表面肌电特征及输出功率的相关性，证明了利用表面肌电信号的中值频率指 标可以较好地反映不同阶段肌肉的功能状况。 近几年来，对表面肌电信号( s u r f a c ee l e c l r o m y o g r a p h ys i g n a l , s e m g ) 的分 析方法主要集中在时域和频域两个方面【乾5 叼。为了要探讨s e m g 变化的原因以 及如何应用其变化有效反映肌肉的活动和功能，需要对s e m g 的时、频域特征、 肌肉结构、肌肉活动状态及功能状态之间的关联性进行深入研列5 7 】：2 0 0 8 年， d i s s e l h o r s t - k l u g 等【5 8 】利用时域方法( 平均值) 提取s e m g 的特征值，研究了s e m g 与肌肉力之间的关系；2 0 0 7 年，r e d d y 等【5 9 】利用时域方法( 均方根值) 提取s e m g 的特征值，研究了s e m g 与运动位移的关系，进而实现了手指与腕关节模型的 控制；2 0 0 3 年，s b r k ：c o l i 等【6 0 】分别利用时域方法( 均方根值) 和频域方法( 中 位频率) 提取出s e m g 的特征值，研究了肱二头肌表面肌电信号频谱特征：2 0 0 8 年，罗志增等【6 1 】利用时一频域方法的小波变换对s e m g 特征进行提取，实现了 肌电假肢的控制和s e m g 的模式分类。 综上所述，随着自行车运动的生物力学研究在国内外的广泛深入，利用表面 肌电信号的研究方法日趋成熟，出现了很多可以参考的理论与实践意义上的研究 成果。 1 2 4 研究现状总结 针对上述国内外现状的回顾可见： 1 ) 结构强度分析的有限元法是目前比较前沿的科学有效的分析方法，国际 上普遍采用了这种方法进行结构强度的分析和优化设计工作。 2 ) 随着近年来科学仪器的迅速发展，实验测试技术更加趋于成熟，获得的 第一章绪论 测试数据与真实情况的拟合度也越来越高。但是，在有自行参与的骑行实验中， 绝大多数的受试者为自行车运动员，这也与大部分研究都集中在自行车场地运动 上有关。针对普通人群的骑行实验寥寥无几。 3 ) 随着自行车运动的生物力学研究在国内外的广泛深入，利用表面肌电信 号的研究方法日趋成熟。但是，大部分的热点集中在了骑行时人体肌肉的功能水 平和工作状态的研究上，利用表面肌电信号的研究手段对自行结构等方面的设计 领域几乎是空白的。 4 ) 对于邮政投递自行车这类专项用途自行车的研究和改进工作几乎没有开 展起来。使用途径的差异导致载荷分布和使用要求上的差异，进而导致整个车架 的承载分析、实验方式以及最后的改进思路都会有较大的区别。因此，我国对于 专项用途自行车，尤其是邮政投递自行车的研究以及行业标准的制定工作还处于 缓慢发展的阶段，这必将成为制约某个行业发展的瓶颈之一。 根据上述研究现状及存在的问题，提出本文的研究内容。 本课题目标是结合某邮政局提出的对现用邮政投递自行车的改进要求，对于 目前国内现用的邮政投递自行车进行三维造型和有限元分析。然后参照国外某型 邮政专用自行车进行比较分析，通过实验数据和结果对比，找出存在的问题，对 现用邮政自行车结构等方面的优化提供合理建议。同时，深入考虑邮政行业的工 作需求，从邮递员的切身利益出发，基于提高现用车安全性和舒适性的原则，利 用表面肌电信号反映人体肌肉活动功能的原理，借助表面肌电信号测试手段进行 骑行实验的同时，提出了一种基于表面肌电信号的骑行舒适性评价指标，旨在为 现用邮政投递自行车的设计提出一些合理的创新建议，同时也为我国专用自行车 行业标准化的制定进行探索。主要内容总结如下： 第一章阐述课题的研究背景和意义，综述国内外有关自行车结构强度分析、 实验测试技术以及运动生物力学等方面的研究现状及存在的问题，提出本文主要 研究内容。 第二章对国内现用邮政投递自行车进行实体测绘与三维造型，根据某邮政 局提供的实际骑行情况，利用有限元方法分别在不同骑行条件和载货需求等要求 下，对模型进行有限元强度分析，为后面的强度校核与结果讨论提供数据支持。 第三章针对国内现用邮政投递自行车的易损件前叉进行有限元分析， 根据得到的应力、变形分布图，找出应力集中的区域，并在改变壁厚等结构参数 的前提下，提出前叉的可行性改进方案。 第一章绪论 第四章对国外某型邮政投递自行车进行实体测绘与三维造型，根据某邮政 局提供的实际骑行情况，利用有限元方法，分别在不同骑行条件和载货需求等要 求下，对模型进行有限元强度分析。然后，利用分析数据，将国内现用邮政自行 车与国外邮政自行车的强度进行对比，找出问题所在，并在考虑安全性和舒适性 的前提下，针对现用邮政投递自行的车架结构、邮递员的工作需要等方面提出合 理的改进方案。 第五章首先基于人体生物力学理论，借助表面肌电信号测试手段，通过骑 行实验，对已提出的一些研究成果，尤其是仿真实验，进行实验验证与讨论，然 后利用基于表面肌电信号特征分析理论的肌肉疲劳程度评价方法，提出了一种基 于表面肌电信号的骑行舒适性评价指标，利用这一指标对不同实验条件下的人体 疲劳程度进行比较与讨论，旨在为自行车、尤其是邮政投递自行车在考虑骑行舒 适性等方面的设计理论提供新的参考。 第六章对全文研究内容及结论进行总结，并提出今后工作的展望。 第二章国内邮政自行车车架强度分析 2 1 引言 第二章国内邮政自行车车架强度分析 本章将根据某邮政局提供的实际情况，结合自行车车体结构设计等方面的经 验，利用有限元的方法对车体的关键部件车架进行强度分析。 2 2 自行车车体结构设计原贝0 简介 车体部分是整车的主体部分，是全部零件的安装主体，又是决定整车骑行性 能的关键部分。主要包括：车架、前叉、车把三个部件。车架是自行车各零部件 安装依附的主体部件，车架的结构决定了自行车的类型、功能和性能，也是人们 选购自行车的重要依据。车架的常见结构形式如表2 1 所示。 表2 1白行车车架常见结构 类犁 结构型式 诬翅讼 菱形 双档菱形四边形 刚性车架 蚣铋 弯曲四边7 髟l形h，髟 在结构设计时，不管产品的形状如何改变，必须要遵循以下原则： 第二章国内邮政自行车车架强度分析 1 ) 不同类型车架的几何形状决定了骑行的轻快、舒适程度和人体重心的位 置。因此，不同类型的车架，必须考虑不同的结构参数。 2 ) 自行车是耐用消费品，不但要求使用方便，还要考虑维护保养的方便。 3 ) 自行车行业生产特点是专业化分工，不同工厂生产的零部件各有不同特 点，但必须达到可以互换的要求。 因此，车架与其它零部件的配合尺寸也有严格的规定。车架的各部分名称如 图2 1 所示。 l 一前管；二一上接头；二一上管； 一上管衬管；5 一后接头；6 一立 叉；了一平叉；g 一中接头；9 一下 管；1 0 - - - 下接头；ll 一立管 图2 - 1 车架构成部分名称 车架结构对骑行性能的影响因素主要包括： 1 ) 合理选择车架结构型式。不同类型自行车功能不同，结构型式尺寸亦不 相同。轻便车要求骑行舒适、轻快；运动车不但要骑行轻快更要便于运动员的体 能达到最大的发挥；而电动自行车同样也要求骑行轻快以减少电池能量的消耗， 同时要减少由于高速骑行对稳定性的影响。因此，不同功能的车架结构不同，车 架几何形状的各项参数要求不同。 2 ) 车架制造精度的影响。车架制造质量是自行车骑行轻快、平稳的重要保 证。车架是由多根不同规格、不同形状的管材组合焊接而成，成型后质量最基本 的精度要求是：车架体要正，不能歪斜。为此，就需要考核组成车架各个管子的 相互位置是否正确。首先要确立一个考核的基准，即“车架中心基准面( 由前 管、上管、立管及下管的中心线所构成的平面) ”。最终要以“车架中心基准面” 为标准考核各管子的形位公差是否达到合理要求。任何一点偏斜误差都将在整车 装配后反映到前、后两车轮的偏斜程度，偏斜过大在骑行中不但难以保持直线行 驶，而且影响骑行的轻快与稳定。 3 ) 安全要求。自行车是人们交通代步、娱乐健身的重要工具，用途和使用 第二章国内邮政自行车车架强度分析 环境都会有所差异。因此，车架结构的适应性是安全骑行的重要保证之一。如车 架强度，骑行中不应发生断裂、开焊；中接头距地面的高度直接影响脚蹬与地面 的距离，脚蹬过低在坑洼不平的地面上骑行容易与地面或障碍物碰撞发生危险 等，要求在自行车设计过程中予以全面考虑。 车架强度是保证骑行安全的重要条件。车架的选材及加工工艺决定了车架的 强度，车架强度要经多方面的试验考核，具体的检验方法有： 1 ) 车架振动试验。它是一种耐久性强度试验。试验时将车架安装在专用振 动试验机上，按要求在车架不同部位加载不同负荷( 1 0 n ，5 0 n ，2 5 n ) ，然后进 行上、下振动试验，在规定的振幅和震动次数( 1 5 1 0 4 次) 内车架各部位不得 有破损、明显变形或松动。 2 ) 车架落重冲击强度试验。它的目的在于考核车架突然受到外界撞击的承 受能力。试验是在车架、前叉组合件上进行，包括重物落下试验和冲击试验。 3 ) 车架动负荷试验。 2 3 国内都政自行车车架有限元强疫分析 二十世纪中期，随着电子计算机的诞生，有限元方法在计算数学、计算力学 和计算工程科学领域里发挥了举足轻重的作用。经过不断的发展，有限元方法变 得越来越丰富，理论基础也愈发完善。汽车的机械结构复杂，用有限元法不但能 完成车身、车架等结构的静力学分析，还能进行动力学分析，因此是汽车设计的 重要工具。近年来，由于电子计算机应用的快速发展，数值分析在弹性力学中的 作用显得更为突出，使得一些复杂的问题能够得到精确的数值解，这也是有限元 法得到广泛应用的重要原因。 有限元分析方法在解决工程问题上发挥了很大的作用，被广泛应用于弹性静 力学、动力学、流体力学和热力学等领域，尤其在强度计算的应用上具有相当高 的可靠性和实用性。 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的， 只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为：1 ) 问 题及求解域定义；2 ) 求解域离散化；3 ) 确定状态变量及控制方法；4 ) 单元推 导；5 ) 总装求解；6 ) 联立方程组求解和结果解释。简言之，有限元分析可分成 三个阶段，即前置处理、计算求解和后置处理。前置处理是建立有限元模型，完 成单元网格划分；计算求解是用直接法、选代法和随机法等方法求解方程组；后 第二章国内邮政自行车车架强度分析 置处理则是采集处理分析结果，通过对于分析条件有效的计算和分析结果有效的 陈列，使用户能简便提取信息，了解计算结果。 可以看出，有限元法的基本思想是“一分一合”，分是为了进行单元分析， 合则是为了对整体结构进行综合分析。 对于自行车的强度分析，由于车架结构的千变万化，应力分布情况复杂，依 靠传统的材料力学方法几乎无法获得准确结果，因此利用有限元法进行静力学分 析是必要的选择。 2 3 2 三维实体造型 本文首先针对某邮政局现用的投递自行车进行实体测绘，然后利用三维绘图 软件s o l i d w o r k s 对其进行三维实体建模。图2 2 所示为自行车实物图和三维模型， 表2 2 为取出关键部件后的各部件细节图。 、 图2 - 2 国内邮政自行车实体图与三维模型 表2 2 国内邮政自行车三维模型关键部件细节 部件名称 细节图部件名称细节图 j-|一j 。j _ 前管 一 中接头一 _黜嘲鼬糍嘛 、溺 _ k。渊 k 、 ”零灞 妻一一 噫、 爪 t 玺滔蕊圈眦 立叉 1 后接头 _ 僵从譬事 ，- 1 l 第二章国内邮政自行车车架强度分析 暇 n 一一 v 。、1 一镧闷敝恕 2 0 0 6 年，天津大学的许文【2 4 】在他的硕士论文中，对于现用的自行车车架检 验试验中人体对车架的载荷分布情况产生了质疑，他认为现行的自行车车架检验 试验中的载荷分布只是人体质量的简单分配，与实际骑行过程的数据相去甚远。 而且人体在不同的骑行姿态下对于自行车各个部分所施加的载荷是不同的。为了 达到尽可能真实的载荷分布情况，他做了以下工作： 1 ) 他首先利用m o t i o n a n a t y s i s 系统建立了进行人体骑行姿态捕捉的实验平 台，：对影响骑行姿态的人体相关关节点进行了详细介绍，并按照标准对人体关节 点进行了标定，通过骑行实验获得了人体按不同姿态骑行时身体各关节的运动位 置数据。 2 ) 利用l i f e m o d 软件，对人体模型中的1 9 个人体片断( 人体各肢段模型) ， 1 8 个关节以及1 1 8 块主要肌肉进行建模。 3 ) 建立人一自行车动力学系统模型，并对运动捕捉系统所获得的人体骑行 姿态数据利用a d a m s 软件进行动力学仿真，人一车耦合系统动力学模型建立 效果图2 3 下所示： 图2 - 3 人一车耦合系统动力学模型 第二章国内邮政自行车车架强度分析 最终得到不同骑行姿态下，人体对于中轴、鞍座和前叉三个部位的载荷分布 情况，结果如表2 3 所示： 表2 3不同骑行条件下车架各处所受载荷 在前述的冲击实验与车架振动实验中分别在中轴、鞍座、前叉处加上砝码， 与仿真结果相比，国标规定的检测方法与前面仿真的结果相差甚远，而这些检测 方法针对任意骑行者、任意型号、任意车型的自行车，是根据经验对体重的简单 分配，没有经过力学分析。经过与前述实验的结果对比后发现，动力学仿真结果 与检测标准相差较大，其中中轴处仿真结果普遍高于检测标准，最大误差达到 9 5 5 ；鞍座处仿真结果小于检测标准；前叉处差异最大，特别是在人体姿态为 趴姿和大幅度姿态时。可见人体的不同骑行姿态对其施加于车架上鞍座、前叉、 中轴处的载荷分配影响很大，即对车架上的应力分布影响很大。 因此，在参考了许文的论文以后，认为他的分析结果和数据更加贴近现实情 况。本文决定参照上述数据，首先对某邮局现用邮政自行车进行加载，以便得出 更加贴合实际的分析结果。 2 3 4 车架强度准则 1 ) 疲劳强度准则 人在骑行中由于路面的颠簸等原因，人体会在车架上做小幅