（机械制造及其自动化专业论文）基于catia的电动自行车优化设计与制造.pdf

摘要 摘要 电动自行车行业最近十几年的迅猛发展，为人们提供了一种轻便、节能、环保型的 交通工具。作为电动自行车行业来说，提高设计速度与降低设计成本、优化设计结构和 设计参数、快速完成电动自行车设计与制造等等都可以为企业降低设计成本、提高设计 效率与可靠性、缩短产品投放周期、获得市场认可带来极大的推动作用。通常对于电动 自行车设计采用的都是经验性设计，很少在设计之初就对电动自行车的人机关系、结构 性能进行一个综合的考虑。并且，样车覆盖件的制造速度和精度很大程度上依赖于快速 成型制造的翘曲变形的大小。因此，本文对电动自行车的人机分析、结构优化、样车覆 盖件快速制造与精度提高三个方面进行了研究。 本文基于c a t i a 对电动自行车的优化设计与快速制造进行了研究，主要包括以下 内容：( 1 ) 分析了电动自行车各部件位置尺寸与人体尺寸之间的关系并对结构尺寸进行 了改进，通过c a t i a 建立了符合中国人体特征数据的人体模型，对人体姿态进行研究 和优化，使改进后的电动自行车更加适合目标人群的人体尺寸特征和动作习惯；( 2 ) 使 用c a t i a 对车架结构进行了有限元分析，并进行了结构优化和轻量化设计，对车架结 构进行了模态分析，并对其外部激励引起的共振速度进行了探讨，从而证明了车架结构 在正常速度范围内的行驶平稳性；( 3 ) 从几何角度和形能关系角度对s l s 快速成型方式 的翘曲变形机理进行了深入分析，总结出了翘曲变形公式，得出了各影响因素与翘曲变 形量之间的关系；( 4 ) 通过翘曲变形公式找到了从扫描方式上提高快速成型精度的方法， 提出了一种新的复合扫描方式，并通过了试验验证，以电动自行车前罩覆盖件的制造实 例验证了前论。 关键词：电动自行车、c a t i a 、人机工程、优化设计、结构分析、快速制造、s l s 摘要 a b s t r a c t e - b i k e si n d u s t r yl a s t10y e a r so f r a p i dd e v e l o p m e n t , p r o v i d i n gp e o p l e 丽mal i g h t w e i g h t , e n e r g y - s a v i n ga n de n v i r o n m e n t - f r i e n d l ym p d l l l so ft r a n s p o r t a st h ee b i k e si n d u s t r y , i m p r o v e t h ed e s i g ns p e e da n dr e d u c et h ed e s i g nc o s t s ，o p t i m i z et h ed e s i g no ft h es t r u c t u r ea n dd e s i g n p a r a m e t e r s ，a n dr a p i dc o m p l e t i o no ft h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fe - b i k e s ，e t c t h a t e n t e r p r i s e sc a nr e d u c ed e s i g nc o s t sa n di m p r o v ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y , s h o r t e n p r o d u c td e l i v e r yc y c l e a c c e s st o t h em a r k e tr e c o g n i z e dg r e a tr o l ei np r o m o t i n g u s u a l l y d e s i g n e df o re - b i k e sa r eu s e di ne m p i r i c a ld e s i g n , v e r y l i t t l ei nt h eb e g i n n i n go ft h ed e s i g no f e - b i k e so nt h e e r g o n o m i c sr e l a t i o n s h i p ，s t r u c t u r a lp r o p e r t i e s o fa c o m p r e h e n s i v e c o n s i d e r a t i o n a n d , e - b i k e sm o d e lc o v e rt h em a n u f a c t u r es p e e da n da c c u r a c yt oal a r g e e x t e n td e p e n do nt h er a p i dp r o t o t y p i n gw a r p a g eo ft h es i z e t h e r e f o r e ，t h i sp a p e r , t h e e r g o n o m i c sa n a l y s i s ，s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n , e b i k em o d e lc o v e r a g eo fr a p i dm a n u f a c t u r i n g a n di m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ef o l l o w i n gt h r e ea r e a sw e r es t u d i e da n dc a r r i e do u ta g a i n s ta n e w a p p l i c a t i o n , a c h i e v e dg o o dr e s u l t s i nt h i sp a p e r , t h eo p t i m a ld e s i g na n dr a p i dm a n u f a c t u r i n go fe - b i k e sh a v eb e e ns t u d i e d i nc a t i a , i n c l u d i n gt h ef o l l o w i n g ：( 1 ) a n a l y s i so ft h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h ee b i k e ss i z e o ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb o d ys i z ea n ds t r u c t u r es i z ew i l l si m p r o v e dt h r o u g ht h e e s t a b l i s h m e n to ft h ec a t i ac h i n a sh u m a nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh u m a nm o d e lt os t u d yt h e h u m a nb o d yp o s t u r ea n do p t i m i z a t i o n ，t oi m p r o v et h ee - b i k e sm o r es u i t a b l ef o rt h et a r g e t p o p u l a t i o ns i z eo ft h eh u m a n c h a r a c t e r i s t i c sa n dh a b i t so fa c t i o n ；( 2 ) t h ef r a m es t r u c t u r eo ft h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sh a sb e e nc a r r i e do u ti nc a t i a ，a n dt h es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o na n d l i g h t w e i g h td e s i g n , t h ef r a m es t r u c t u r eo ft h em o d a la n a l y s i s ，a n dt h er e s o n a n c ec a u s e db y e x t e r n a li n c e n t i v e ss p e e dw a sd i s c u s s e d ，t h u sp r o v i n gt h a tt h ef r a m es t r u c t u r ei nt h en o r m a l s p e e do ft r a f f i cw i t h i nt h es c o p eo fas m o o t h ；( 3 ) f r o mt h ep e r s p e c t i v eo f t h eg e o m e t r i cs h a p e a n dp e r s p e c t i v et ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns l sr a p i dp r o t o t y p i n ga p p r o a c hw a r p a g eo ft h e m e c h a n i s mo fa ni n - d e p t ha n a l y s i s ，s u m m e du pt h ew a r pd i s t o r t i o nf o r m u l a ：( 4 ) w a r p a g eo f t h ef o r m u l aa d o p t e df r o mt h es c a nf o u n daw a yt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h er a p i d p r o t o t y p i n gm e t h o d ，an e ww a yo fs c a n n i n g ，a n da d o p t e dt h et e s tv e r i f i c a t i o n , t h ee b i k e h o o dt oc o v e rt h em a n u f a c t u r eo fa ne x a m p l eo ft h ef o r m e r k e y w o r d s ：e - b i k e s ；c a t i a ；e r g o n o m i c s ；o p t i m i z e dd e s i g n ；s t r u c t u r ea n a l y s i s ；r a p i d p r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g ；s l s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：卫篁至! 銎堇鱼 日期：如多年 关于论文使用授权的说明 6 月铀 | 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：l 础导师签名： j 泵珐 日期细g 年铜7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外电动丰发展概况及研究现状 1 1 1 国内外电动车发展概况 电动车( 如无特别说明，本文中的电动车均指电动自行车) 的最早研制开始于1 8 3 0 年。由于电池和电动车设计与制造技术尚不成熟，所以这种笨重且性能不佳，没有足够 的先进技术支持的电动车在相当长的时间内是停滞不前的。1 8 6 0 年，法国出现了原始型 的铅酸电池，1 8 6 6 年电动机研制成功，1 8 7 3 年装载铅锌一次电池的电动车在英国首先 试车成功。1 8 9 2 年，美国在芝加哥展出第一辆电动车，1 9 0 5 年，爱迪生发明了镍铁 碱性蓄电池。至此，电动车开始实际应用于生活中，1 9 1 5 年，美国已经有5 0 0 0 多辆电 动车，比当时的汽车要多的多【i j 。 随后，由于内燃机的出现和石油能源的开发，汽车进入了快速发展时期，从此，在 马路上行驶的马车和电动车被汽车排出的黑烟和嘈杂声所湮没。自此，电动车的绝大部 分的研究工作停止了，电动车业的水平进入停滞状态，汽车成了城市的主宰。2 0 世纪中 期出现的伦敦烟雾事件和后来的洛城烟雾事件及愈演愈烈的机动车污染伤害事件【2 1 ，使 人们更加的呼唤一种无污染无躁声的绿色机动车的出现。 电动自行车是随着电动汽车的发展而发展起来的。在原有的自行车的基础上，添加 了电机结构，使其骑行更加方便。近年来，自行车市场不断变化，电动自动车因舒适、 便捷而时尚起来，很快风行全国! 与自行车一样能到“汽车不能到的地方 、“没有公汽 的地方 、“机动车禁行的地方”、“厂矿、社区、学校不让进的地方 。人骑、电动随意， 来去自由，灵活方便。 近年来，因对环保要求的提高，很多地方开始对9 0 年代兴起的交通工具摩托 车进行了限制，甚至禁行。其主要原因为摩托车排放污染严重，噪音超标，也不便存放。 因此发展一种新型的环保型交通工具成为时代迫切的需求【3 l 。 电动自行车正是适应了时代的要求而发展起来的一种新型的环保型交通工具。电动 自行车作为自行车的延伸产品之一，是以蓄电池作为辅助能源，能实现人力骑行、电动 或电助功能，可以在非机动车道上行驶的特种自行车。电动自行车保留了自行车轻便、 灵活、机动的特点，具有零排放、低噪声、低能耗、低故障、低使用费、安全易骑的优 点【4 】o 随着全国各地交通道路的发展改善，世界各地能源资源的紧张，轻便省力、环保节 能，价格适中的电动自行车，被越来越多的中国人购买，其出口量和国外市场区域也在 不断扩大。据统计，我国电动车年产销量达到1 2 5 0 力辆，电动自行车的出口也屡创新 高。电动自行车以其省力、环保、造型美观、使用方便、骑车安静等特点受到消费者的 广泛青睐。电动自行车自2 0 世纪8 0 年代面市，9 0 年代改进，2 0 0 0 年后得以迅速发展， 且随着越来越多的城市对环境保护的重视，电动自行车越来越多地引起人们的关注，近 江南大学碰学位论文 年来，电动车行业发展迅猛、欣欣向荣，年增长率高达1 5 2 0 t ”。 目前，世界电动车生产区域主要可以划分为亚洲( 以中国大陆( 图1 - 1 ) 、台湾、日 本为主) 、欧洲、北美三大区域【2 】。亚洲是世界上最大的电动自行车生产基地和最具发展 潜力的消费市场，日本是电动车商品化比较早的国家之一，如雅马哈、松下自行车工业 等公司生产的电动车在九十年代就开始风摩当前，日本的电动车产业年产量已达二十 多万辆。随着技术的不断完善及消费者对电动车提出的要求，目前日本的电动车行业逐 渐朝着轻型化、动力混合化、高效节能方向发展。囤l - 2 为日本生产的轻便型电动车。 移ih o 图1 3 欧洲的代步型电动自行车图1 4 美国运动型电动自行车 中国仍然是世界最大的电动自行车生产和销售市场，它拥有45 亿自行车使用者， 很多人已经或j 下在考虑把自行车换成电动自行车。此外，在越南、泰国、南非、澳大利 潞褊 第一章绪论 亚和东欧国家，电动自行车的销量也有所上升。在自行车盛行的荷兰，很多上了年纪的 人选择用电动自行车代替自行车，以节省体力。所以电动车的发展无论是在亚洲还是 欧洲、北美都极其迅速，具有极大的市场潜力 1 1 2 国内外电动车的研究现状 关于电动车的研究内容，国内外在侧重点上有所不同i s 一。国外的研究以电动车实 现某种功能、新材料应用、改善电机控制系统等内容为主。比如研究新型的健身型电动 车、旅游型电动车、越野型电动车等等；使用r t m 技术改进电动车车架性能。而中国、 日本等亚洲国家对电动车的使用主要集中在代步工具功能上，因此，更注重对电动车的 整体研究。目前，国内外对电动车的研究主要包括以下内容及方向。 ( 1 ) 电机与传动方面 目前，中国在电机传动方面的研究走在世界前列，中国生产的轮毂式电机是世界上 应用最为广泛的电动车电机【1 0 】，大量出口欧洲、美国等电动车主要消费国。在电机方面 的研究主要集中在轻量化、效率的提高、调速性能的优化等方面。 ( 2 ) 控制器与控制技术 控制器是电动自行车的大脑，其主要作用是控制电机转速、提高电机效率以及在一7 定情况下保护电机和电池。目前主要有单片机及d s p 两种控制方式，以d s p 的研究为 重点【1 。 ( 3 ) 电池 电池是电动车的动力之源，电池质量的好坏直接影响着电动车的行驶里程及使用寿 命，当前应用较为广泛的为铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等等，而燃料电池及太阳能 电池也逐渐地成为研究的方向，尤其是太阳能电池，更加适应当前对环保的要求，因此 各国都在加大太阳能电动车的研究与投入【2 】。 ( 4 ) 电动车结构分析 电动车在结构方面做出的研究目前较少。2 0 0 6 年，由国家自行车检测中心、天津大 学、常州奥斯共同承担的一项关于电动车前沿技术的重大课题正式启动，这也是目前中 国对电动车领域的一次大的投入【眩】。该课题研究电动自行车主要结构的疲劳设计分析及 相关实验、电动自行车主要结构的动静态及整车结构分析与研究。致力于解决目前电动 自行车存在的质量和安全性问题。 ( 5 ) 电动车人机工程学的研究 人机工程学应用于电动车上的研究文献或者记载在国内较少。李松赞、旷红梅对人 机工程学应用于自行车进行了初步的研究【1 3 】。日本对人机工程学应用于自行车进行了深 入的研究，这一项研究也改变了同本以往的自行车设计模式，使得同本人骑行自行车的 姿势得到了改进和优化【】。目前，人机工程学应用于电动车的技术正处于发展阶段，将 人机工程学的理论应用于电动车的设计过程中，可以有效地改善电动车与人的适应关 系，使人骑行电动车更具有舒适性。 江南大学硕士学位论文 ( 6 ) 电动车快速制造的研究 电动车的快速制造的研究目前主要集中在电动样车覆盖件的快速制造上【”】，电动样 车的快速制造直接加快了电动车的定型生产，缩短了样车生产周期，并可有效地降低风 险。目前对覆盖件快速制造的研究主要集中在油泥模型的三维数据采集、重构，利用3 d 模型进行快速制造。而对快速制造本身引起覆盖件翘曲变形的研究较少。使用快速成型 机对覆盖件进行快速制造时出现的翘曲变形采用的方法基本都是从加强支撑、改善温度 环境等方面来考虑，而没有从扫描方式上做出改进，这使得加工出的零件依然具有微小 翘曲变形，影响样车组装。 ( 7 ) 电动车优化设计的研究 目前针对电动车的优化设计，主要集中电动车驱动系统及主体构件的优化上面。对 电动车进行结构上的改进型优化设计，对电动车结构整体进行轻量化设计【1 6 l ，对电动机 系统进行驱动优化设计等等都是当前对电动车优化设计的研究内容和方向。 ( 8 ) 电动车新材料新工艺的应用 电动车新材料的应用主要集中在车架新材料、电源新材料等应用上面，包括使用镁 合金、钛合金、r t m 增强塑料来制造轻质且性能优异的车架【1 7 叫引，使用新的p e m 燃 料电池等等。采用新工艺，使用变截面的材质来替代原有的同一截面的管材和板材来制 造电动车骨架，使电动车骨架造型优美、性能可靠且材料使用最优化。 1 2 课题来源及现存问题 1 2 1 课题来源 无锡市小黑马车辆有限公司是一家生产电动摩托车、自行车的公司，年生产能力十 万余辆。公司所生产的“骑得乐一牌电动车以质量稳定，品质优良的清新形象在同行业 中独占鳌头。随着电动车行业的竞争同趋激烈，如何更好、更准、更迅捷的响应市场的 需求成为公司追求的目标。而制约电动车更新周期的是如何设计结构可靠、性能优良、 外观吸引眼球的电动车产品以及能否拥有快速的将设计思想转化为实际产品的能力。因 此，充分应用现代设计及制造手段来提高产品设计与制造效率，改善产品性能，快速响 应市场，提高核心竞争力成为公司的共识。 无锡市小黑马车辆有限公司正在将农村作为其拓展市场的又一个领域，这就要求所 开发的电动车在满足骑手骑行的基础上，还要兼具载货的功能，且电动车的续行罩程要 长，这就必然加大电池体积与重量。因此，如何使电动车的结构符合整体性能要求成为 研究的课题之一；另一方面，要快速响应市场，就必须使样车制造快速且精准化，而当 前r p 技术在电动车样车覆盖件上的应用较为成熟，但是随之而带来的问题也是严重的， 经常会出现由于样车覆盖件的翘曲变形导致的样车组装与预先设计的不一致，从而降低 样车的参考价值。因此，如何使样车覆盖件的翘曲变形减小，以使样车覆盖件快速制造 精准化已经成为需迫切解决的问题。 4 第一章绪论 1 2 2 现存问题 依据现有情况来看，存在的问题主要可以归结如下： ( 1 ) 电池及电机性能 当前电池的续行里程较短，经常需要充电，这也限制了电动车的推广使用，电池的 比能量和比功率还有待进一步提高。电机性能对于电动车来说是至关重要的，如何进一 步减小电机空间体积，使人和电机协同出力等等问题还需进一步研究。 ( 2 ) 人车系统协调性问题 电动车的使用者为人，因此电动车的结构设计必须将人作为其中的一个组成部分来 考虑，而当前的电动车设计采用的往往都使简要的二维图纸设计，覆盖件采用的也是普 通的油泥模型，然后再依据市场需求选型，一些公司对于电动车质量方面把关较差，而 且一些公司模仿其他公司车型，拼装车架，导致组装的结构不合理，与人体尺寸不相适 应，从而出现人车不协调的情况，使电动车在市场的推广和应用受到限制【1 9 1 。 ( 3 ) 整车结构可靠性问题 当前的电动车车架结构设计凭借经验的情况比较多，对车架的强度、动态性能并没 有一个准确的判断，某些结构设计不合理严重影响着整装车的质量，这也是电动车在非 机动车交通事故中所占比例高居不下的一个重要原因。据统计，无锡的非机动车造成的 交通事故电动车占六成。因此，有必要对电动车的结构进行静态和动态的分析，并进行 必要的优化，以达到结构稳定可靠且减轻重量的目的。 ( 4 ) 市场响应速度较慢 利用数字模型通过i 冲技术直接制作出样车覆盖件，进而组装成样车，但是由于r p 技术使用激光烧结来制造零件，加工过程存在加热烧结不均匀的情况，从而引起r p 制 件翘曲变形的缺陷，而对于薄壁件，这种变形尤为明显。正是由于翘曲变形较大，电动 车的样车覆盖件的快速制造精度较差，从而为样车的组装制造困难，降低样车的可靠性 和使用价值，从而影响后续的大批量生产加工，因此，如何将样车覆盖件的翘曲变形降 到最低成为研究的内容之一。 1 3 研究内容 本课题将立足于电动车车架等主要结构及覆盖件两部分，通过对这两部分的优化设 计以提高整车的匹配性能，降低因结构设计不合理造成的交通事故和人身伤亡，并充分 利用现代制造手段，快速的将优化设计思想转化为样品，进而为批量化生产提供基础。 研究内容主要可分为以下三方面。 ( 1 ) 人机工程优化设计 结合人机工程学对主要结构进行优化设计，使电动车主要结构适应于目标人群的身 体特征及动作习惯。从目标人群的人体测量尺寸出发，对电动车的结构尺寸进行细部优 化，如车把至车座尺寸如何与人体尺寸相配，脚蹬位置与车座位置关系等等。通过对电 江南大学硕士学位论文 动车的脚蹬位置、仪器仪表位置进行合理布局，不致出现骑行时，由于脚蹬位置不优出 现的费力且骑行速度不快的情况发生：通过对视野的优化设计，使仪器仪表位置显而易 见；对人体姿态进行评估及优化，以最大程度优化电动车结构，使之适应于目标人群。 ( 2 ) 结构动静态响应分析及优化设计 电动自行车的车架结构不仅仅承担这电动车各部件重量，而且还承担着骑手及货物 的重量，在骑行过程中还有可能会出现瞬间的冲击力过大的情况。因此，对电动自行车 主要结构的静态性能进行分析，能够在设计之初就避开应力集中点，并对车架薄弱位置 进行改进设计，对材料富余的位置进行轻量化设计；对车架结构进行动态性能分析，能 够寻找到车架结构的模态数据，避免车架与电机共振，影响舒适性，同时对动态响应进 行分析，以验证车架在冲击条件下的安全性，从而为车架在各种不同工况下都能保证安 全提供基础。 ( 3 ) 样车覆盖件快速制造与精度提高 电动车的大批量生产需要有样车产品作为基础，而样车的快速制造将直接加快整个 生产流程。在本课题中，电动车覆盖件设计采用正向设计方法，在软件中直接依据效果 图建立数字模型，再进行产品结构设计。利用此数字模型进行r p 样件制造，进而组装 样车。具体过程如图1 5 所示。 图卜5电动车主要结构及覆盖件正向设计流程图 然而，无论是正向的设计方式还是逆向的设计方式，对样车覆盖件制造使用的均为 快速成型加工方法，此方法在制造样车覆盖件的过程中扮演着极其重要的作用，但是， 快速成型由于某些工艺性原因而导致所烧结的样件存在着较大的翘曲变形，严重时会连 续出现废品，影响着样车的生产周期。因此，有必要对翘曲变形的机理进行研究，并期 望寻找到翘曲变形的影响因素及变形公式，从而通过控制这些因素来达到降低翘曲变形 的目的。 6 第一章绪论 1 4 课题意义 本课题从现实生产中遇到的问题出发，着重从人机工程、车架c a e 分析及样车覆 盖件快速制造与精度提高三部分来考虑，结合c a t i a 软件，做出数字样车，使设计及 快速制造全数字化成为可能，尤其是在覆盖件的设计与样件快速制造中 通过对电动车的人机工程学分析，设计出符合目标人群的最优结构，可避免结构设 计与人相脱离的情况发生，使电动车结构更适合消费者。在新车的开发过程中，可以直 接调用人体数据模型进行人机工程学设计与优化，避免生产出的样车因为不符合人机工 程学设计而需要返工，这不仅降低了人机系统分析的成本，而且大大缩短了电动车样车 定型的周期。 通过对结构进行有限元分析来对车架等结构进行优化设计，可有效避免因结构设计 不合理出现的交通事故。并可以适时的修改电动车车架数据，以得到动静态性能都很可 靠的结构参数。并通过结构分析，对车架进行轻量化设计，在保证车架性能的同时最大 限度的节约材料成本。 通过对快速成型翘曲变形机理的研究，进而找出影响翘曲变形的原因并分析各原因 对翘曲变形的影响效果，通过改变扫描方式来提高制件的精度，减小翘曲变形。进而提 高样车覆盖件快速制造的精度，减少因为翘曲变形而导致的废品概率，节省了大量时间 的同时也提高覆盖件制造的精度，从而有效地加快电动车样车的开发流程，快速响应市 场。 本课题研究为电动车的开发设计与制造做出有益探索及实践，具有一定的现实意 义。 7 江南大学硕士学位论文 第二章电动车人机工程学分析 2 1 电动车人机工程学概述 电动车作为一种常用的交通工具，其作用是供人骑行，因此电动车的设计与其使用 者人有密切的关系。单就发挥电动车的功能作用而言，把人作为电动车的组成部分是 完全合理的。因此，人在使用电动车的时候组成了人_ 车系统，而电动车的舒适性与其 在设计之初就考虑人机关系有密不可分的关系【2 0 1 。 人机工程学是八十年代末九十年代初才在国内起步的新兴交叉学科，是研究人、机 械及其工作环境之间相互作用的学科。人机工程学通过揭示人、机、环境三要素之间相 互关系的规律，从而确保人一机一环境系统总体性能的最优化，是“人体科学 、“技术 科学”和“环境科学 之间的有机融合。人机工程学应用人体测量学、人体力学、劳动 生理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺 寸、体重、体表面积、比重以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构 特征参数；还提供人体各部分的出力范围、活动范围、动作速度、动作频率、中心变化 以及动作习惯等人体机能特征参数；分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感受器官的 机能特征；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负 荷的适应能力等等【2 i l 。 人机工程学是一门涉及诸多方面的边缘学科。它是以人、机、环境的和谐统一作为 研究的基本对象，通过研究人、机、环境之间相互作用的关系，以达到人、机、环境系 统的最优化。不论机器达到了怎样高的自动化水平，机器始终处于为人服务且为人控制、 使用的地位。因此，人机工程学的任务就在于：使机器的设计和环境条件的设计适应于 人，以保证人使用方便、迅速准确、安全舒适，同时充分发挥人、机、环境系统的最佳 经济效益。 电动车的人机工程学分析能够在设计之初就考虑电动车与其使用者人之间的关系， 这种关系不仅包括两者尺寸上的相互吻合，还要求电动车的结构尺寸满足人体的动作习 惯。这为电动车的设计过程提供了保障，避免在样车造成后才发现结构尺寸与人体尺寸 不协调，从而加大了新车的开发成本并严重影响新车的上市周期。 电动车的人机工程学分析在对自行车人机工程学分析的基础上发展起来的。在这一 方面起步较早的是同本【l4 1 。在日本，以前的自行车曲柄很长，而同本人的下肢却很短， 这就造成了r 本人骑行自行车的姿态不f 确，并责难自行车不好骑。后来，日本引进了 人机工程学分析的理论，对自行车设计之初就考虑与本国国民的身体尺寸关系，在确保 曲柄结构的长度能满足人体正常骑行姿态的情况下尽量加大曲柄的长度，从而改善了日 本人骑行自行车的姿态。同样的，人机工程学分析理论也开始应用于电动车领域，以保 证电动车在使用过程中和人具有协调一致的结构。国内对电动车的人机工程学研究起步 较晚，基本上也是从对自行车的人机工程学研究而发展起来的【i3 1 ，具有很大的发展空间。 8 第二章电动车人机工程学分析 人在使用电动车的过程当中，电动车与人组成了一个人机系统，该人机系统的界面 关系可以由图2 1 来进行分析。 人 鞍座一车架 车把一前叉 支撑部分r n 传动部分 脚蹬一曲柄机构i - i 动力接受部分 工作部分( 车轮) 仪器仪表广1 骑行参数视觉传递广1 人机系统整体性能 图2 - 1 人一电动车界面关系图 电动车的人机工程学分析主要是研究骑行电动车时的人体相关结构处于合适的状 态，以确定电动车的曲柄尺寸、把手位置及形状等等与人体尺寸相关的结构，以达到骑 行方便、舒适和安全。 2 1 1 人与支撑部件关系 支撑部分主要包括车架、前叉、鞍座等结构 2 2 】。支撑部分的任务是将其它构成元件 牢固地固定在相互间的正确位置上。各构成部件的质量和性能无论如何优异，如果不能 正确地将其固定在相关位置，就整体来说，也不能满足机能和性能的要求。 将电动车看成是一个人一车系统，人也是其中的一个组成部件，所以，骑车人的位 置和人体动作，即决定人体动作的鞍座和车把对中轴的相对位置至关重要。在电动车的 设计过程中，不能单独考虑车架，而应同时考虑作为动力源之一的人，他坐的位置怎样 才更为合适? 如此考虑才能使车架的设计符合人体尺寸及动作习惯，从而实现良好的输 出性能。 2 1 2 人与动力接受部分关系 动力接受部件主要包括脚蹬、曲柄等机构。电动车是以电为主要动力来源的，电能 耗尽后还可以实现人力骑行，所以当处于人力骑行工作状态时，人与电动车的动力接受 部分一曲柄脚踏装置形成一个系统。作为一个机械的电动车，从效率的观点上看，应该 要求在同等骑行条件下，从骑车人身上消耗最少的能量。因此，必须要考虑人体与自行 车尺寸参数关系，即要以人体各部位的协调尺寸和曲柄转动之间的关系为重点来对电动 车进行优化设计。 2 1 3 人与电动车议衷盘关系 电动车是一种典型的机电产品，使用仪表盘将速度、剩余电量、转向提示、里程等 参数显示出来，给骑行者提供准确的电动车运行信息【2 3 1 。因此，电动车的仪表盘等结构 的布黄要根据人的视觉特点，按最佳观察方式进行，才能提高视觉认读效率和精度。 9 江南大学硕士学位论文 2 2 人的因素在电动车设计中的影响 在人与电动车构成的人机系统中，人为主要因素【2 4 1 ，电动车的设计要考虑到目标人 群的特点，不仅仅要包括人的结构尺寸( 如身高、肢体长度等) ，还要考虑到人的某些 动作习惯，比如脚掌向下的蹬力最大，向两侧的拨力较小，在操作力要求较大的控制机 构上就不能采用向两侧拨的机构；另外，还要考虑到人的一些生理特点，比如关节处的 转动角度所能达到的范围，在什么样的角度范围内是处于最佳状态等等。因此，在研究 人与电动车的关系中，就必须考虑到人与电动车相互作用的几个方面。 人在使用电动车过程中，与电动车发生关系的主要有人的四肢结构尺寸与各关节的 转动自由度和转动范围、眼睛的视野大小和转动幅度、臀部位置等等方面。坐姿状态下 手掌能否有效控制方向把手及把手上的众多操纵机构，骑行电动车过程中下肢是否能够 有效控制曲柄机构并且使下肢各关节处于舒适的位置，视野大小及方向能否有效分清仪 表盘和路面状况所要传达的信息，这些都是电动车人机工程学分析中的重点。 2 2 1 人体测量数据 由于人体各部位的尺寸比例因人而异，而且人体的工作姿势随着作业对象或者动作 过程不同而不断变化，因而要从理论上解决人机相关位置问题比较困难，为了解决这个 问题，于1 9 8 9 年制定了我国成年人人体尺寸国家标准g b l 0 0 0 0 8 8 。该标准根据人机工 程学要求提供了我国成年人人体尺寸的基础数据，以用于工业产品设计【2 5 1 。 该款电动车的目标人群为成年男子，在人与电动车组成的人机系统中，与电动车之 问发生直接关系的人体尺寸如图2 1 所示，依据g b l 0 0 0 0 8 8 ，1 8 6 0 周岁的成年男性 与电动车直接相关的主要人体尺寸见表2 1 。 图2 - 1与电动车设计直接相关的人体尺寸图 人与电动车相关的尺寸不仅只有表2 1 所示的数据，事实上，要建立一个人体模型 数据，需要众多的尺寸作为依据和参考，但是国标中给出的尺寸只是人体主要尺寸，而 1 0 第二章电动车人机t 程学分析 有些人体尺寸只能通过人体生物力学参数的计算公式来获得，进而得到人体各部位的尺 寸，来建立人体模型比如，要对电动车的方向把手和人的手部进行人机分析，不仅仅 要知道食指长、手宽、手长，还需要知道食指近位指关节宽、食指远位指关节宽、拇指 长等等一系列参数，这些手部控制部位的尺寸，依据g b t1 6 2 5 2 1 9 9 6l ：成年人手部号 型，其他手部的控制尺寸依据两个参数的回归方程来确定【2 们。比如拇指长的回归方程 为y = - 4 9 6 + 0 3 2 五，其中，】，为拇指长，五为手长。 表2 11 5 6 0 周岁的男性人体主要尺寸( 衄) 测量项目 3 6 - 6 0 岁 i p 1p 5p 1 0p 5 0p 9 0p 9 5p 9 9 1 1 1 身高 1 5 4 31 5 8 31 6 0 41 6 7 81 7 5 41 7 7 51 8 1 4 1 1 2 体重，k g 4 44 85 05 97 17 58 3 1 1 3 上臂长 2 7 92 8 92 9 43 1 3 3 3 3 3 3 83 4 9 1 1 4 前臂长 2 0 62 1 62 2 02 3 72 5 32 5 8 2 6 8 1 1 5 大腿长 4 1 3 4 2 84 3 64 6 54 9 65 0 55 2 3 1 1 6 小腿长 3 2 43 3 83 4 43 6 93 9 64 0 34 1 9 1 1 7 臀宽 2 7 32 8 22 8 83 0 63 2 73 3 43 4 6 1 2 1 足宽 8 68 89 09 61 0 21 0 31 0 7 1 3 1 食指长 6 06 36 46 97 47 67 9 1 3 2 手宽 7 37 67 78 28 78 99 1 1 3 3 手长1 6 41 7 01 7 31 8 31 9 31 9 62 0 2 2 2 2 人与曲柄、脚踏板、脚蹬人机分析 电动车在使用过程中，存在两种工作状态，即人力骑行和电动辅助。当处于人力骑 行状态时，此时电动车的动力来源是从骑车人身体上发出的能量，它是通过两脚上下往 复运动和踝子骨的运动使曲柄转动而起作用的。 在传统的电动车设计中，一般会从杠杆原理来考虑曲柄的长度，但是曲柄的长度如 果过长，则会使脚在骑行过程中碰到前挡泥板，因此不得不加大中轴到前轴的距离，这 样会加大车体长度，不仅使人在骑行过程中身体过分前倾，影响了正确的骑车姿势，而 且车体重量加大，增加成本的同时也降低了电动车的灵活性。有的车辆试图加长上管， 这样又会使车把的位置远离于人，就会出现由于胳膊短而够不着把手，只好又将车把高 度调高，使把手靠近手，这样下去，人的上身就接近于直立状态，时间久了会导致姿势 僵化、臀部因受力大而疼痛的情况出现。因此，要是能以人的身体尺寸为依据来考虑曲 柄的长度，即在保证人体舒适的前提下，尽量加大曲柄的长度，以达到省力的目的。 影响人骑行电动车时的脚踏效率的尺寸主要如图2 2 及图2 3 所示。l 4 表示的是坐 垫位置与中轴垂直距离，l 5 表示的是坐垫与中轴的水平距离，两个尺寸组合，对人骑行 电动车时下肢各关节的转动幅度和范围产生影响，从而影响人在骑行电动车时的舒适度 和输出效率。 江南太学碗掌论文 柳 蹄扳月十o 2 0 趾 图2 - 4 水平位置不同体住下的蹬力囤2 - 5 脚宽度随长度而变化 脚踏扳的宽度主要由足宽柬决定圳f 的成年男性的足宽为1 0 3 m m ，取一定的裕量， 脚踏板的般边宽度l 应该大r - 2 2 0 m m 。但是如果脚踏板的宽度人于2 2 0 r a m ，那么脚蹬 第二章电动车人机工程学分析 中心的水平距离即人在骑行电动车时的脚蹬踏力的施力点水平距离l 9 一l 8 至少为 2 2 0 m m + 1 0 3 m m ( 足宽) 。单边的蹬踏施力点位于中心线水平距离至少为1 6 1 5 m m 。人的 脚蹬力在水平方向上的蹬踏力与距离关系如图2 _ 4 所示【1 9 1 ，最佳的施力点应该位于8 0 1 2 0 m m 之间，而1 6 1 5 m m 远大于1 2 0 m m ，这就使人在骑行电动车的时出现大小腿外拐 的情况，不仅影响骑行姿态，更影响骑行效率。 经过分析发现，人脚在站立或者放置在脚踏板上时，会呈现自然外伸的现象，且脚 跟的尺寸要远小与脚的最大宽度，往往脚跟的宽度尺寸约为脚宽的6 0 ，如图2 - 5 所示， 且长度约为脚长的3 5 ，可将曲柄处的踏板宽度适当减小，而踏板前端宽度适当增大。 曲柄处的踏板宽度为l u = 2 x 1 0 3 x 6 0 + 裕量，若取裕量为2 0 ，则曲柄处的踏板宽度为 1 4 3 6 m m ，加上脚踏宽度约为l o o m m ，则蹬踏力施力点约离中心水平位置1 2 0 m m ，比 较1 6 0 m m 而言，更加符合人体舒适骑行的姿态。前端踏板宽度为厶= 2 x1 0 3 + 前立管覆 盖件水平宽度+ 裕量。这样得出的踏板形状就成为一个弧形，不仅美观，且适用。 另外，脚蹬的长度也要以脚宽来作为设计依据，一般取为脚宽值，脚蹬的宽度是增 大受力面积，改善脚底受力状况的重要尺寸，一般取为脚宽的7 0 - - 一8 0 。 2 2 3 操纵机构与人之间关系 骑手在骑行电动车时，不仅仅要握住方向把手，控制电动车的行驶方向，还要观察 周围的环境、道路情况。同时，手要依据环境、路面状况协调地配合方向把手、车闸、 喇叭、各种灯等操作机构和部件，这就要求骑手在骑行过程当中能够准确、高效地操作 这些控制机构。同时，这些操纵结构也是整车的一部分，其形状和位置至关重要。因此， 操纵机构的位置要处于骑手的舒适活动范围内，使骑手在尽量少地移动肢体的情况下， 方便准确地操纵各种操纵机构与部件。 方向把手与坐垫的水平位置是坐姿时，人的髋关节与方向把手的水平距离为l l ，它 实际上表示了人在坐姿状态下，操作手臂应处于的水平长度，这个位置一般依据人的手 臂长短、舒适平面作业范围、与整车协调一致等因素来设计。 依据图2 2 ，方向把手的相对垂直距离有方向把手与坐垫的垂直高度为l 2 ，方向把 与车体踏板垂直高度为l 3 。方向把手与坐垫垂直高度k 一定程度上表示手臂所处的姿 势，其大小与手臂的舒适关节角度、人体坐高、坐姿等有关，一般为2 0 0 - - - 2 5 0 m m 之间， 如果太矮，则骑车时人上身就要下弯，时间久了就会感觉腰酸，胳膊疲劳，若太高则人 手臂要向上抬起，会引起胳膊的不舒适感觉。方向把手与车体踏板垂直高度一定程度上 表示了人的下肢所处的姿势，其大小与下肢的关节舒适角度、下肢长、两腿叉开角度有 关。车把的宽度l ，应该接近于骑行者的最大肩宽，这样，人在握住方向把手时，手自 然向外略张，符合人上肢动作习惯，依据p 9 5 人体标准肩宽数据，l 7 应该在4 0 3 m m 左 右。 方向把手不仅仅是电动车骑行过程中使用频繁的一个部件，更是安装多数操纵按钮 和控制机构，如车闸、喇叭按钮、变速器、转向丌关等等，因此，要按照人的手部活动 1 3 南太 学位论文 范围的生理特点，使这些操纵机构处于舒适的作业范围内。 骑行电动车时，转向开关、鸣笛按钮及变速转把属于经常操作的控制器，尤其是转 向开关和变速转把因此转向开关必须位于大拇指活动范围内，以使在转弯时能准确地 控制，变速器更是如此，因此置于右部，通过旋转来控制电量输出，从而控制行驶速度， 这两个重要操纵装置都位于易操控位置；另外，电源、车闸、鸣笛、太灯等操纵装置也 都位于拇指可咀轻松触及的位置，减少了在行驶过程种要将手移开方向把手的可能性， 提高行驶安全系数。 车闸的设计精度要求较高，而人手的抓握直径约在1 3 r a m 左右，所以车闸的有效部 分的直径也应该在1 3 r a m 左右，长度约等