（机械制造及其自动化专业论文）电动自行车的人机工程分析研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 随着我国经济、社会的发展和城市面积的增加，居民出行距离增大，电动 自行车以本身的灵活、省力、经济、环保健身等特点，与现有的交通工具相比 具有明显的优势，越来越受到人们的青睐。然而，电动自行车近来年的高增长掩 盖了行业发展中一些不尽如人意的状况，特别是电动自行车人性化设计，没引 起人们的足够重视。不符合人机性能的电动自行车结构，一方面使人在骑行时 产生疲劳和不适，严重的还会影响到人们的身体健康；另一方面，不合理的结 构设计，也降低了电动自行车的稳定性和安全性。自行车与人体有多个部位紧 密接触，在设计时应统筹考虑电动自行车的结构和骑车人的生理和心理特点， 才能做到人与自行车的协调统一，保证人骑行的舒适和安全。在电动自行车设 计中考虑人的因素，对其进行人机工程学设计是电动自行车发展的必由之路。 基于人机工程学的电动自行车设计研究成为电动自行车设计研究领域的一个 重要课题。正是基于此，本文首先分析电动自行车的结构和人体特性，应用人 机工程学的相关理论分析二者之间的关系，并依此进行了电动自行车设计。本 文主要做了了以下几方面的研究工作： ( j ) 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，分 析了与电动自行车骑行相关的人体部位的生理特性、电动自行车骑姿的特点、 蹬踏运动的用力特性，找出其中存在的人机工程学方面的问题，进而阐述了电 动自行车车架、鞍座、车把等部件的形状与结构参数对骑行舒适性的影响。 ( 2 ) 影响电动自行车行驶稳定性和安全性的因素的分析。依据人机工程学 的原理，分析了电动自行车结构设计、转向机构、操控机构、制动部分以及电 动自行车的车速与重量对行驶平稳性及安全性的影响。 ( 3 ) 自行车车架及部件造型设计。讨论了自行车车架设计的主要结构参数， 并给出了自行车车架设计的具体流程。依据人机工程学的相关知识，以城市里 代步用的男式电动自行车为例，依据人体参数和自行车零部件设计标准为参 考，进行骑姿设计，得到各部件的取值范围，完成了电动自行车的造型设计。 关键词：人机工程学；电动自行车设计，舒适性7 安全性 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sc h i n e s ee c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n ta n du r b a nf r a m e w o r kf o r w i d e n i n g ，r e s i d e n t s t r i pd i s t a n c ei n c r e a s e ，t h ee l e c t r i cb i c y c l ea st h ef l e x i b i l i t y a n ds t r e n g t h - s a v i n g ，e c o n o m i c ，a n de n v i r o n m e n t a lf i t n e s s ，a n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n gm e a n so ft r a n s p o r th a v eo b v i o u sa d v a n t a g e s ，i s i n c r e a s i n g l yb e i n gf a v o r e db yp e o p l eo fa l la g e s h o w e v e r ，t h eh i g h - g r o w t hd e v e l o p m e n to fe l e c t r i cb i c y c l ei nr e c e n ty e a r s c o v e r e du ps o m eu n s a t i s f a c t o r yc o n d i t i o n s ，e s p e c i a l l yn o tu s e r - f r i e n d l ye l e c t r i c b i k ed e s i g n ，w h i c hd o e sn o ta r o u s ee n o u g ha t t e n t i o n h u m a n - m a c h i n ep e r f o r m a n c e d o e sn o tm e e tt h eb i c y c l es t r u c t u r e ，w h i c hn o to n l yl e a d st of a t i g u ea n dd i s c o m f o r t a sp e o p l ei nt h er i d i n g ，b u ta l s os e r i o u s l ya f f e c tp e o p l e sh e a l t h w h a ti sm o r e ，t h e u n r e a s o n a b l es t r u c t u r a l d e s i g n a l s or e d u c e st h ee l e c t r i c b i c y c l es t a b i l i t ya n d s e c u r i t y e r g o n o m i c s b a s e dd e s i g ns t u d yo fe l e c t r i cb i c y c l eb e c o m e sa ni m p o r t a n t t o p i ci nt h ef i e l d c o n s i d e r i n gt h e r ea r es e v e r a lp a r t so ft h eb o d yi nc l o s ec o n t a c t w i t hb i c y c l e ，c o - o r d i n a t i o ns h o u l db ec o n s i d e r e di nt h ed e s i g no ft h eb i c y c l e s t r u c t u r ea n dp h y s i o l o g i c a la n dp s y c h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc y c l i s t s ，i no r d e r t oa c h i e v et h eh a r m o n i z a t i o no fp e o p l ea n db i c y c l e st og u a r a n t e er i d ec o m f o r ta n d s a f e t y i ne l e c t r i cb i c y c l e sd e s i g n e dt ot a k ei n t oa c c o u n tt h eh u m a nf a c t o r ，i t s e r g o n o m i cd e s i g ni st ob i k er o u t et od e v e l o p m e n t b a s e do nt h i s ，t h i sp a p e rf i r s t a n a l y z e st h es t r u c t u r eo fe l e c t r i cb i c y c l e sa n dh u m a nf e a t u r e s ，a p p l i c a t i o n sr e l a t e d t oe r g o n o m i c st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n ds oa sab a s i sf o r d e s i g no fe l e c t r i cb i c y c l e s i nt h i sp a p e r ，t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r kh a sb e e n d o n e ( 1 ) a f f e c t i n g o fb i k e t i d i n g c o m f o r tf a c t o r a n a l y s i s c o m b i n e d w i t h e r g o n o m i c s - r e l a t e dt h e o r y ，s u m m e d u pt h ee l e c t r i cb i c y c l er i d i n gp o s t u r e ，p e d a l i n g ， a sw e l l 勰i nc l o s ec o n t a c tw i t ht h eb o d yp a r t so fv a r i o u se l e m e n t so ft h et i d i n g c o m f o r to ft h ei m p a c ta n a l y s i so ft h em o v e m e n tf o r c ea n de l e c t r i cb i c y c l et i d e p o s t u r ec h a r a c t e r i s t i c o fd e t e r m i n a n t s ，f i n do u tt h ee x i s t e n c eo fe r g o n o m i c p r o b l e m s a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eh u m a n b o d yc l o s ec o n t a c t e dw i t ht h e b i k et oe x p l a i nt h es a d d l e ，h a n d l e b a r s ，a n dt h es e t so fp a r a m e t e r sa f f e c t i n go nr i d e i i 山东大学硕士学位论文 c o m f o r t ( 2 ) t h ei m p a c to fe l e c t r i cb i c y c l ed r i v i n gs t a b i l i t ya n ds a f e t yf a c t o ra n a l y s i s t h ei m p a c t i o no nt h ed r i v i n gs t a b i l i t ya n ds a f e t yi m p a c t sb yt h es t r u c t u r a ld e s i g n ， s t e e r i n g ，h a n d l i n ga g e n c i e s ，b r a k ep a r t sa n de l e c t r i cb i c y c l es p e e da n dw e i g h to f e l e c t r i cb i c y c l ew a sa n a l y z e di nt h i sp a p e r ( 3 ) b i c y c l ef r a m ea n dc o m p o n e n t sd e s i g n t h eb i c y c l ef l a m ed e s i g np a r a m e t e r s o ft h em a i ns t r u c t u r eh a sb e e nd i s c u s s e d ，a n dr i d i n gp o s t u r ed e s i g np r o c e s sa n dt h e b i k ef r a m ed e s i g n e df o ras p e c i f i cp r o c e s sb e e ng i v e n t a k i n gt h em e n se l e c t r i c b i c y c l er i d i n gi n s t e a do fw a l ki nt h ec i t yu s i n ga se x a m p l e ，r i d i n gp o s t u r ew a s d e s i g n e dt og e tc o m f o r t a b l er a n g eo fc o m p o n e n t s a n dab i c y c l em o d e ld e s i g nh a s b e e na c c o m p l i s h e d ，b a s e do ne r g o n o m i c sa n db i o m e c h a n i c so ft h er e l e v a n t k n o w l e d g e ，a n do nt h eh u m a nb o d yp a r a m e t e r sa n db i c y c l es p a r ep a n sr e f e r e n c e s t a n d a r d k e y w o r d s ：e r g o n o m i c s ；e l e c t r i cb i c y c l ed e s i g n ；c o m f o r t ；s a f e t y i i i 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 拟蓬 日 期：盆鲤：丝丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盛导师签名 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 随着我国经济、社会的发展和城市面积的扩展，居民出行距离逐年增加， 自行车越来越不能满足居民出行需求，迫切需要寻求替代自行车的交通工具。 现阶段，私家乘用汽车成本高出大多数普通居民购买力水平，而且中国的交通 设施现状，以及中国城市人口拥挤的状况，空气污染等因素，也决定了私家车 不可能成为大多数普通居民交通工具，而公交系统又不能保障出行需求的时 候，加之很多城市对摩托车进行限制，使得电动自行车逐渐发展成为城市道路 交通中不可忽视的交通工具。 电动自行车在使用上具有灵活、经济、和省力的特点，适宜于较长距离的 出行，与现有的交通工具相比电动自行车在经济性、舒适性和方便性等方面具 有全方位的竞争优势。电动自行车的推广使用，不仅能减少污染，保护环境， 更符合老百姓经济性要求和国家建设节约型社会的政策要求，还兼有运动和健 身的功能。因此，无论从节能、环保的角度，还是从服务大众的角度，电动自 行车都有广阔的发展前景。我国是自行车大国，脚踏自行车曾经是城市居民出 行的主要交通方式。随着收入水平的提高和城市扩展引起的居民出行距离的延 长，脚踏自行车迅速向电动自行车转换，从而促使电动自行车总量快速增长。 中国电动自行车产业近年来发展迅猛，根据中国自行车协会的统计数据， 自1 9 9 8 年起中国已成为全球最大自行车与电动自行车生产及外销基地，也是 全球最大消费市场。我国轻型电动车产业年产值保持8 0 以上的增长速度， 2 0 0 6 年电动自行车产销量达到1 9 5 0 万辆，2 0 0 7 年，市场保有量己达5 0 0 0 多 万辆。2 0 0 4 年中国自行车、电动自行车制造商合计约6 2 0 家，2 0 0 5 年估计 自行车制造商为4 2 6 家，较前一年增加3 9 7 ，电动自行车制造商达4 1 8 家较 前一年增加4 6 2 招1 。无论从产值，还是从市场规模来看，我国现在都已经成为 电动自行车大国。目前我国自行车用户约4 5 亿，全国自行车保有量在6 亿辆 左右。随着部分自行车用户转为电动自行车用户，中国电动自行车产业蕴藏近 千亿元人民币的市场。可以预见，未来几年，中国电动自行车产业必将迎来一 个竞争激烈、快速发展的时期。 山东大学硕士学位论文 但是连年的高增长掩盖了行业发展中一些不尽如人意的状况。由于我国电 动自行车发展时间较晚，发展速度过快，进入门槛较低在市场需求的驱动下， 一些缺乏技术实力的小厂一哄而上，仅靠简单拼装、仿冒名牌、低价销售取得 生存。到目前为止，市场上有几百个品牌、上千种型号的电动自行车，企业生 产能力参差不齐，真正具备产品开发能力、形成生产规模的企业为数不多，因 而造成产品质量不尽如人意。即使有研发能力的企业，对产品的研发也主要是 集中在电气技术方面的改进，而对产品的整体造型设计缺乏足够的重视与系统 的研究，电动自行车成在造型方面成为了普通自行车或者摩托车的改型，缺乏 电动车自身应有的特点。其结果是要么使电动自行车成为自行车加装电气驱动 的简单改造，忽视了人们对电动自行车舒适性，安全性的需求；要么是模仿摩 托车，盲目追求产品的豪华外形以及高的行驶速度，以达到人们的视觉上的满 足，不但缺乏对以人为本的因素的考虑，也造成了交通安全事故的频发。随着 人们生活水平的提高，消费者购买行为更加理性，对电动自行车产品的舒适性、 安全性等有着更高的要求，电动自行车的人性化设计不能满足人的生活需要。 如今随着一批品牌企业的崛起，电动自行车行业正处在产品升级的关键时期， 开始了规模实力、核心技术、品牌、网络等全方位竞争，企业在大浪淘沙中加 速优胜劣汰。能否提高产品的人机性能，将严重影响电动自行车企业的生存与 发展。为此，本文就电动自行车舒适性、安全性等方面进行人机工程分析与研 究，针对一些人机方面共性的问题提出解决的方法与思路。在电动自行车行业 还未见有人运用人机工程学对其进行系统研究，因此，本课题研究具有深刻的 理论与现实意义。 1 2 本课题的主要研究内容 ( 1 ) 分析当前电动自行车设计中存在的问题，阐述课题研究的意义。 ( 2 ) 课题所涉及人机工程学的基本理论与知识 ( 3 ) 电动自行车的人机工程分析 电动自行车的舒适性的人机工程分析：通过对人体数据的分析来对车架、 鞍座、脚蹬、仪表、电池配置的设计进行分析。 从人机工程角度对电动自行车安全性的分析：从人机安全的角度分析电动 自行车的转向系统、制动系统、速度与重量等方面对电动自行车的安全性影响。 山东大学硕士学位论文 第二章电动自行车综述 2 1 电动自行车的发展历史 电动自行车是在自行车脚踏驱动基础上，增加电力驱动及控制系统的新型 自行车产品，它的实质是对自行车驱动系统改进和创新。它使得自行车由单纯 的人力脚踏驱动形式改进为脚踏与电力交替驱动或电力助动的混合型驱动形 式，从而进一步扩大了自行车的性能，是自行车发展史的一个重大飞跃 电动自行车的发展可追溯到1 0 0 多年前，当时欧洲有人把电池和电动机装 到自行车上，改装为电动自行车。然而限于当时电池和电动机水平，加上后来 摩托车和汽车工业的飞速发展，使电动自行车在当时并未得到发展与普及3 。 电动自行车重新引起人们重视，并成为研究热门，始于上世纪六十年代末期， 当时全球发生石油危机，使得能源问题越来越成为制约一个国家发展的重要因 素。人们处于对能源及环保的考虑，重新开发电动自行车。上世纪九十年代以 来，全球经济和工业持续快速的发展，导致了全球环境加速恶化。石油燃烧排 放的大量废气的大量排放所引起温室效应越来越严重，城市燃油交通工具废气 排放造成了城市空气的严重污染，直接威胁着人类的身体健康，人类的环保意 识越来越强。因而，电动自行车以及各种不同类型的电动车辆以其零污染、无 废气排放的突出优点成为世界各国解决环境污染和节省能源的重要手段。电 机、电池技术及电气控制技术的迅速发展，也为电动自行车的发展与普及提供 了技术上的支持，使电动自行车技术逐步走向成熟，并进入了实用化阶段，世 界各国迅速掀起了一股电动自行车开发的热潮。近年来，作为一种绿色交通工 具，电动自行车以其利于保护环境和节约能源，而且方便快捷的特点，正被越 来越多的人所接受。 我国电动自行车的开发研制始于上世纪7 0 年代后期，当时在自行车的基 础上增加了辅助电力驱动系统，以适应长途骑行、减少体能消耗。由于当时科 学技术滞后，整车结构不协调，体积大，质量也大，蓄电池续行里程短等缺点。 蓄电池使用汽车蓄电池：电机使用通用小型直流电机并与车轮采用摩擦传动或 简单的链条传动：控制器则只是对电源的接通和切断，没有调速功能和对电器 部件的保护功能。初期的研制，虽然不够成功，难以形成产品的商品化，但为 后来电动自行车的研制积累了经验。上世纪9 0 年代以来，随着我国经济的快 山东大学硕士学位论文 速发展和科学技术水平的提高，城市面积的增大，人们生活水平的提高及环保 意识的增强，电动自行车行业有新的发展的空间，功能也不断完善，较大程度 地满足了人们对这种新型交通代步工具的需求。到目前，中国电动自行车产业 得到快速发展，中国成为世界最大的电动自行车产销地，2 0 0 6 年，有营业许可 的厂家已发展到2 7 0 0 余家，2 0 0 8 年全国电动自行车产量达到近2 1 0 0 万辆， 占全球销量的9 0 。电动自行车在中国的发展，使中国大大缓解了城市交通拥 挤、空气污染及噪音污染的压力，使中国在绿色交通发展方面走在了世界前列。 正如通用汽车前工程师弗兰克一詹姆森说：“电动自行车在中国大流行很可能成 为人类未来交通问题的解决之道，中国的今天很可能就是世界的明天”。h 1 2 2 电动自行车的概念及工作原理 ( 1 ) 电动自行车的概念 按照国家标准，电动自行车是指以蓄电池、锂电池等电能作为辅助能源， 具有两个车轮，能实现人力骑行、电动或电助动功能的特种自行车h 1 。它一般 具有普通自行车的主要结构与外表特征，通过安装电机、控制器、电池、调速 把等电子器件，使自行车不但能人力踏行，还可以实现电动或电力助动骑行功 能，使自行车形成完美结合的机电一体化的个人交通工具。 按照国家标准，电动自行车仍旧是自行车的一种，人力骑行功能仍然是电 动自行车的一种基本功能。电动自行车与自行车的区别在于：自行车只有人力 蹬踏骑行功能，而电动自行车不但要具备良好的人力蹬踏骑行功能，还必须具 备完善的电机驱动控制系统和电助动骑行功能，给人的骑行提供了更高的舒适 性，但其本质上仍然属于自行车的范畴。 ( 2 ) 电动自行车各组成部分及其作用 动力部分，其通常由蓄电池和电机构成，是电动自行车的电力驱动的动力 来源。 传动部分，其作用是将动力部分输出的功率传递给驱动轮，驱使电动自车 行驶。 电动自行车在电动助力行驶时，由电动机发出动力，传给驱动轮而产生牵 引力。 行车部分，其作用是使电动自行车构成一个整体，支撑全车的总重量，将 传动部分传递的扭矩转换成驱使电动自行车行驶的牵引力，同时承受吸收和传 4 山东大学硕士学位论文 递路面作用于车轮上的各种反力，确保电动自行车正常安全行驶，它主要由车 架、前叉( 前减震器) 、前后轮、座垫等组成。 操纵制动部分，作用是直接控制行车方向、行驶速度、制动等，以确保电 动自行车行驶安全，它由车把、制动装置、调速手把等组成。 电气及仪表部分，用于保证车辆安全行驶并反映车辆运动状态的主要装 置，它使骑行者能正确、有效地对车辆行驶进行适时的控制，它由数据显示装 置、充电器等组成。 在电力驱动时，电动自行车由蓄电池提供电能，通过电气控制机构将受控 电流输送到电动机，使电动机旋转，驱动自行车启动、加速、减速或停车等。 如图2 1 所示： l 左右车闸、一调速器 签制器 il i 电动机 电源开关 i t。 上 。 i 蓄电池组 图2 - 1 电动自行车的电力驱动原理 电动自行车由于增加了电力驱动，使得电动自行车骑行更省力，更舒适， 其在结构及骑行功能上形成了与普通自行车不同特点，从而决定了电动电动自 行车在造型方面与普通自行车的不同。 2 3 电动自行车的类型 ( 1 ) 按传动方式分 我国国家标准规定电动自车按电动机与驱动轮之间的传动方式分为五种 类型：轴传动，代号为z ：链传动，代号为l ：皮带传动，代号为p ：摩擦传动， 代号为m ：其它传动，代号为q 。 ( 2 ) 按按驱动方式分 按驱动方式电动自行车可分为两大类全电动自行车和智能助动型电 动自行车。 m 学目i ：学位电丈 全电动自行车：可以脚踏骑行也可以靠纯电力驱动，利用手把控制速度 实现o 2 0k m h 的无级变速。 智能助动型电动自行车：具有与普通自行车相似的操作方式可以人力骑 行也可以电力助动没有纯电动功能。以人力为主电力为辅，由人力骑行 力的大小控制电流供应的太小实现人力与电力的组合骑行 藩觉轻松，当 达到设计速度时，电力停止供应。 ( 3 ) 按结构复杂程度分 i ) 标准型电动自行车( 如图2 - 2 ) ，此类电动 自行车i 乜机功率一股为1 5 0 1 8 0 w ，特点是造型 流畅，续行里程4 0 - - 5 0 k m ，操作简便价值适中 较适台上下班距离较长工作、生活有一定机动 性的用户使用。这种车具有堆基本的功能，价格 便宜，但辅助功能相应较少是比较适用于工薪 阶层的车型。 2 ) 多功能型电动自行车( 如图z 一3 ) ，此类电 动自行车一般在标准型基础上增加了前叉避震、 座垫避震、前照灯、电喇叭等。它的特点是功能 较多，骑行时比较舒适，夜间使用比较方便，价 格中等。 3 ) 蠹华型电动自行车( 如图2 4 ) ，豪华型电 动自行车的特点是造型比较新颖豪华，功能更全 通常在手把上增 殳了仪表盘以显示速度、里程、 电压、电流等，有的还装有转向灯、语音报警嚣、 后视镜、工具箱、安全网板等外形美观，功能 齐全，价格较高。 另外，近些年出现的轻摩化型电动自行车( 如 图2 - 5 ) ，它的整车造型的设计是仿摩托车的形蒙 幽2 - 2 韧：准喇l u 动自行车 州2 - 4 豪华 i ! 电动白行乍 行车 有豪华的外形常采用全塑抖外壳，加宽加长的座位，宽大的挡风板，较多的 附城功能漂亮外观整体质量较重，车子的时速高其有较好的电动骑行功 能，但人力骑行时性能比较差及安全性较差，一般不具备人力蹬精骑行的功能。 按倒家标准，这种电动车已经超出国家标准关于电动自行车的定义的范围应 j 渗 懿一馘 m 东大学碰学位论立 属于机动车范畴。 2 4 电动自行车的优越性 电动自行车以节能、环保、轻捷、小巧、无噪 音、无尾气的形象出现，由于价格适中，深受老百 姓的欢迎，被誉为真正的“百姓车”。 电动自行车的优势主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 环保节能 首先具有“绿色交通工具”之称的电动自行 车，电力驱动或助力行驶时使用的是蓄电池的能量， 没有任何有害气体排放，对大气不构成污染。因此也 不会产生摩托车那种轰轰作响的噪声。它的推广使用 浊的空气产生有利的影响。 幽2 1 5 轻摩化电动白行午 必将对改善城市日趋污 第二，电动车没有漏油及油污，不会出现摩托车修理部门前那种油污满地 的情景，有利于环境保护及骑行者个人的卫生保持。 第三能源消耗少。以石油作为主要燃料的资源危机一直威胁着人类，特 别是我国人口众多，人均石油资源的占有率低于世界平均水平。燃油设备对资 源的消耗大开发替代能源已是动力设备发展不可逆转的趋势。电动自行车以 电能为动力，可间接取白于多种能源，并且每百公里仅消耗l 千瓦时电能，能 源利用率高它的推广使用可缓和能源危机。 ( 2 ) 价格低廉、使用方便 据清华大学交通研究所的调查统计，全国的电动白行车的使用者7 0 以上 都属于中低收入阶层。电动自行车比汽车、摩托车更便宜，目前市场价为2 0 0 0 元左右，也没有其他的税费更适合中国广大消费者的购买力。 电动自行车车体轻骑行和搬运比摩托车轻便得多。人们使用电动自行车 的主要用途是上班和上学。电动自行车一次充电能行驶4 0 至6 0 公旱，出行方 便，能有效解决城市骑车上班族及接送小孩上学的需要，适合于城市个体交通。 ( 3 ) 骑行舒适 相对于自行车，电动自行车可以电动助力，减轻人的体力消耗。适用于较 长距离骑行，并且还具有骑坐舒适，美观度提高等特点。 ( 4 ) 符合我国国情，市场广阔 山东大学硕 学位论文 为了出行需要随着收入水平的提高和城市扩展引起的居民出行距离的延 长，脚踏自行车逐渐不能满足人们的需求，而燃油机动车因为过高的使用成本、 严重的环境污染而受到限制，因而，电动自行车作为一种经济实惠、方便快捷、 环保节能的代步工具，是取代自行车的一种理想工具，深受消费者的喜爱，也 是城市工薪阶层个人交通工具的最佳选择。我国是自行车的消费大国，自行车 社会保有量近5 亿辆，潜在用户数量巨大，随着越来越多的自行车被电动自行 车所替代，我国电动自行车市场具有广阔的发展空间。强大的消费吸引力和日 益成熟的市场销售网络，使电动车呈现出强劲的发展势头，也成为了一个飞速 发展的朝阳行业。 2 5 本章小结 电动自行车是在普通自行车功能的基础上增加了电力驱动的特种自行车。 电动自行车以的舒适、节能、经济、环保、有利于缓解交通拥挤等优点，特别 符合我国情，深受普通居民的喜爱，近年来在我国得到了迅速发展，并且具有 广阔的发展前景。借助于电动驱动，电动自行车比普通自行车更加节省体力， 得到更快的速度和舒适性，功能与结构上与普通自行车也有了很大区别。由于 静态骑姿时间相对更长，舒适性要求更高，借助于摩托车的造型设计有利于提 高电动自行车的舒适性。电动自行车虽然增加了电力驱动，类型与结构各异， 但是仍然属于非机动车，人力骑行仍然是电动自行车基本功能之一，因而盲目 追求豪华的外观及速度的提高，照搬摩托车造型，不但不符合国家标准要求， 降低了人力骑行功能，也给电动自行车带来不安全因素。 8 山东大学硕士学位论文 第三章人机工程学简述 3 1 人机工程学简述 3 1 1 人机工程学及其内容 人机工程学是2 0 世纪4 0 年代后期跨越不同学科领域、应用多种学科的原 理、方法和数据发展起来的一门新兴的边缘学科。在我国人机工程学定义为： 以人的生理心理特性为依据，运用系统工程的观点分析研究人与机械、人与环 境以及机械与环境之间的相互作用，为设计操作简便省力、安全舒适、人一机一 环境的配合达到最佳状态的工程系统，提供理论和方法的科学。呻1 人机工程学最突出的特点是把人的因素作为产品设计的重要因素，把人与 机、与环境统一考虑，寻找人与产品之间的最佳的协调关系，为人提供更舒适、 安全和科学的产品，真正实现“以人为本 。因此，人机工程学是按照人的特 性设计和改善人一机一环境系统的科学吣1 。 作为一门涉及多门学科的交叉学科，人机工程学的研究方法和评价手段涉 及心理学、生理学、医学、人体测量学、美学和工程技术的多个领域，其研究 的核心问题是在不同条件下的作业时，如何做到人、机器及环境三者间的协调， 其目的在于通过各学科知识的综合应用，指导机器、工作方式和工作环境的设 计和改造，使人的作业效率、安全、健康、舒适等几个方面的特性得以提高。 人机工程学研究的主要内容可概括为以下几个方面： ( 1 ) 人体特性的研究 人机工程学主要研究对象是在工业设计中与人体有关的问题，包括人体形 态特征参数、人的感知特性、人的反应特性以及人在劳动中的心理特征等。研 究的目的是使各种产品如何与人的生理、心理特点相适，从而才有可能为使用 产品的人创造安全、舒适、健康、高效的工作条件。 ( 2 ) 人机系统的整体设计 人机工程学是在认真研究人、机及人与机所处的环境三个要素本身特性的 基础上，将三者作为一个系统来研究。这个系统中，人、机、环境三个要素之 间相互作用、相互依存从而形成一个有机整体。系统的工作效能就取决于整体 的设计。本学科就是科学地利用三个要素间的有机联系来寻求系统的最佳设计 9 山东大学硕士学位论文 参数，在充分考虑人的生理与心理健康的前提下，使得人与机在其所处的特定 环境中充分发挥各自的优点，合理分工，互补彼此的不足，取长补短。 ( 3 ) 工作场所和信息传递装置的设计 作业场所设计就是使工作场所适合于人体的特点，使人以无害于健康的姿 势从事劳动，既能高效地完成工作，又感到舒适。 信息传递装置的设计，一是指各种显示面板等信息显示装置的研究，一是 指研究各种控制装置的形状、大小、位置如何符合人的生理与心理特征以及人 的习惯和定型动作等，以达到高效安全的工作。 ( 4 ) 环境控制与安全保护设计 人机工程学研究要求产品应用环境不存在对健康有害的影响，使作业环境 条件适合操作人员的要求。 保护操作者在作业过程中避免因操作而引起病痛、疾患、伤害或伤亡也是 产品设计的主要任务之一。因而应将安全防护装置做为产品的一部分在设计过 程中给予考虑。 3 1 2 人机工程学在产品人性化设计中的地位 许多产品在投入使用后不能达到预期的效果，其原因不仅与产品的工艺、 性能、材料、可靠性等有关，更为重要的是设计的产品与人的生理特性不适应 有关，如电动自行车的结构、鞍座的形状、操控装置的布置、信息显示方式与 操作者的操作者的身高、操作时的动作特性、反应能力、操控准确度等不相适 应阳1 。这些问题的产生，均可归属于在产品设计阶段未能进行人机工程设计所 致。在产品设计阶段，如若不充分注意操作者的生理、心理特性，忽视人的因 素，即使设计的机器本身具有很好的物质功能，投入使用后也不可能得到充分 发挥，甚至还可能导致事故的发生。由此可见，在产品设计中不进行人机工程 设计，产品的使用功能将无法得到保证。 人机工程学为坚持以“人 为核心的设计思想提供工作程序，以“人 为 核心的主导思想具体表现在各项设计均以人为主线，将人机工程学理论贯穿于 设计的全过程。人机工程学在产品人性化方面主要有五个方面的内容。 ( 1 ) 安全性：产品的形态和使用方式应避免对操作者和其他人造成身体上 的损伤。 ( 2 ) 健康性：产品的形态和使用方式应符合人体生理特性，消除或降低对 1 0 山东大学硕士学位论文 人体健康的不利影响。 ( 3 ) 高效率：产品的形态和使用方式应尽量提高工作效率，减少人力与 物力的投入。 ( 4 ) 舒适性：产品的形态和使用方式应尽量满足使用者生理上的舒适感。 ( 5 ) 宜人性：产品的形态和使用方式应尽量满足使用者心理上的需求，能 使人产生愉悦感。 ( 6 ) 环境：人机工程学通过研究产品使用过程中温度、湿度、照明、噪声、 振动、色彩、空气污染等一般工作与生活环境条件对人作业活动和健康的影响， 以及控制和改善不良环境的措施，来保护操作者免遭因作业而引起的病痛、疾 患、伤害。 人机工程学对人性化设计的指导意义，最终体现在人机系统的设计，人和 机是构成人机系统的两个组成部分。工业设计师在掌握人体主要尺寸的基础 上，要根据各种作业的不同特点进行人性化设计，使其能最大程度地满足操作 的舒适性，方便性，安全性。只有在人机工程学的指导下，才n p a ；i j 造出人一机一 环境相互协调而舒适高效的工作环境，从而使产品更加人性化。由此可见，现 代产品设计中，运用人体工程学进行技术分析，包括系统分析、参数选择及运 算，是非常必要的。随着社会的发展人们将会更加注重生活方便、舒适，可靠、 价值、安全、和效率等方面的评价，人机工程学的研究，会不断推动产品设计 水准的提高。 3 1 3 人体测量学及其应用 为了提高电动自行车的舒适性和宜人性，减小人在使用过程中的疲劳，保 证电动自行车在骑行中的稳定性与安全性，就需要在设计中考虑人体的各种尺 寸，考虑并获得这些尺寸的的依据就是人体测量学。 人体测量学就是通过测量人体各部分的尺寸来确定个体之间和群体之间 在人体尺寸上的差别，用以研究人的形态特征，从而为各种工业设计和工程设 计提供人体测量数据的一门科学，它是实施人机工程学设计的有力参考引。 人体测量数据主要有两类，即静态人体尺寸和动态人体尺寸。静态人体尺寸又 称人体构造尺寸，是指那些与动作状态无关的尺寸，如身高、上臂长、前臂长 等。静态尺寸又分为立姿人体尺寸、坐姿人体尺寸两种。动态人体尺寸又称人 体功能尺寸，是指人在某种姿势下的测量尺寸，如肢体的活动范围以及各种姿 山东大学硕二 学位论文 势的出力大小等。例如，电动自行车鞍座的高度必须与人体的高度相适应，车 把及其上各种操控装置的位置必须在人的上肢与手舒适状态下活动所能触及 范围之内，且应符合人的操作习惯，以提高操作舒适性与准确性、尽量减少误 操作以保证安全等。 国标g b l 0 0 0 0 8 8 中国成年人人体尺寸是1 9 8 9 年7 月开始实施的我 国成年人人体尺寸国家标准，它根据人机工程学的要求为产品设计、建筑设计、 军事工业等领域提供了我国成年人人体尺寸的基础数据。正常成年人人体各部 分之间存在一定的比例关系，因此，当现有的测量数据无法满足使用需求时， 可根据现有基础数据，利用经验公式推算出所需的数据。 在g b t 1 2 9 8 5 9 1 标准中，依据产品使用者人体尺寸的设计上限值和下 限值对产品尺寸设计进行了分类，分为双限值设计、单限值设计、大尺寸设计、 小尺寸设计、平均尺寸设计五种。产品按其重要程度分为涉及人的健康、安全 的产品和一般工业产品两类。设计需要使用人体测量数据时，设计人员应先确 定产品设计所需数据以及这些数据的含义和使用条件等，在确定所发属类别的 情况下，合理地选择百分位。百分位的选取应综合考虑产品的使用特性、产品 的制造工艺性和经济性，以达到最优化的设计效果。为了扩大产品的适用人群 范围，可考虑使产品尺寸可调节来扩大使用者的范围。 人体测量值是在着装很少的情况下测得的，而使用者在使用产品时都穿衣 服、穿鞋其至戴着手套和帽子等，所以在实际应用这些尺寸数据时，必须考虑。 以上所提及的标准中的数据及使用原则是获得电动自行车造型设计参数 的主要依据。 3 2 电动自行车与人机工程 产品是为人所用的，特别是对消费类产品，“人一机 关系更为直接，一个 好产品应该是功能合理，使用方便，安全舒适n 引。由于电动自行车是由人操 控骑行并用于承载人的一种交通工具，它的多个部位都与人体直接密切接触， 其造型设计与人的舒适性与身体健康有着直接关系，是一种典型的与人机工程 学密切相关的产品。一部真正的好车应能达到人车结合的高度和谐统一，对于 电动自行车来说，在安全的前提下舒适骑行应是其主要任务之一，因而，电动 自行车的设计必需以人作为考虑的核心要素，为绕人的生理健康及舒适性来进 行设计。 山东大学硕士学位论文 电动自行车的人机工程分析是将电动自行车、人和环境三者作为一个整体 系统来考虑，研究在设计电动自行车时如何统一考虑人的骑行效率、身体健康、 安全和舒适等问题。使电动车的结构与人的生理结构有机的结合，更适应人的 舒适与安全要求，使骑行者的体力和精力的耗损最小，能够安全、舒适、方便 地骑行。其应用主要体现在以下几个方面。 ( 1 ) 与人体学相符合的实现 电动自行车的结构与造型最终是由其骑行功能决定的。其外观造型设计不 仅要符合形式美的规律，更重要的是还要符合人体各项生理功能的要求。设计 者首先要了解人体各部尺寸和活动范围，人在骑行时坐姿及骑行活动的舒适性 要求。根据人机工程学原理对电动自行车的结构与布置进行合理设计，从而确 定车架、鞍座、车把等部件的结构尺寸与造型设计，使电动自行车的设计适应 人的生理特性，以有利于使骑行者的身体健康，并使得骑行安全、舒适、快捷、 方便。 ( 2 ) 操作稳定性、安全性的实现 对影响稳定与安全性性的车体结构、转向系统、刹车系统、车速及车重等 一些重要参数给予优化，提高电动自行车的稳定性、安全性，是电动自行车人 性化设计的另一重要任务。在电动自行车设计中切忌盲目追求豪华外观、高车 速与大功率，也避免不顾安全而盲目追求舒适性提高。 ( 3 ) 优越性能的实现 除了舒适性及安全性的基本需要外，电动自行车的设计还要满足骑行、操 控、保养与维修等方面的方便性，外观审美的协调性，以达到人机的协调统一， 充分发挥电动自行车优越性。对电动自行车是一类特种自行车，电动驱动系统 是区别普通自行车的主要部件，电动驱动系统的选择与配置上要体现续行路程 长、安全可靠、经济环保、全自动和助力行的“人车合一”的人性化设计要求， 电动四大件的选择和配置应根据不同品牌的外形、功能、结构和性能而定。 ( 4 ) 不同用户个性化要求的实现 无论是哪一种设计都有一定的优缺点，由于人的个体生理特点的差异，人 们对骑行要求，操控习惯及审美观念的不同，每个个体对电动自行车性能需求 是不完全一样的，具体的设计要考虑对骑行者的细分，根据不同消费层次、不 同年龄、不同性别的人对产品的需求，使产品的品种做到多样化，以满足不同 客户的需求。 山东大学硕士学位论文 电动自行车要符合人体工程学，操作稳定，安全轻快，性能优越，这是广大 设计制造者追求的目的。要做到上述几点，要求设计人员必须遵循人机工程学 的原理，遵循“功能决定形式”的原则，设计造型应与操纵稳定性和骑行舒适 性等实用功能相吻合。一切以人的生理与安全需要为出发点，以“以人为本 为指导思想，使产品最大限度地满足人的自身要求，努力实现“人性化设计”。 造型要符合电动自行车自身的特点，既要避免照搬自行车的设计，又要避免对 摩托车的过于模仿，避免过分追求外形而忽略产品的本身的功能需求。 3 3 本章小结 人机机工程学是人机工程学是按照人的特性设计和改善人一机一环境系统 的科学。它以“人为中心，将人的生理与心理因素作为产品设计一个重要依 据，为人更高效、更舒适、更安全健康地操作与使用产品提供了科学理论与依 据，而体测量学则为人机工程在产品设计中的应用提供了数据方面的基础。 电动自行车做为一种高度人机一体化的产品，其车架结构、车把、鞍座、 曲柄等部件的结构形式及尺寸都是与人体的生理特征相关的，必须符合人体生 理功能要求。普通自行车