硕士论文基于人机工程学的新型人力传动机构的设计制造及应用.pdf

分类号 T H l 3 2 U D C 密级一一 7 8 6 3 0 1 学校代码 1 0 5 6 l 学号 2 0 0 2 3 0 0 0 0 2 0 1 0 3 5 华南理工大学硕士学位论文 基于人机工程学的新型人力传动机构的 设计 制造及应用研究 贾松 指导教师 翊壹查熬援扭越 捏芏隧 申请学位级剐 王堂亟 专业名称 扭毯遮丑 超理焦 论文提交日期 2 Q Q 5 3论文答辩日期 2 9 Q Q 学位授予单位和日期 坐直堡王太堂 答辩委员会主席 菱挝迎塾攫 论文评阅人 呈王塑攫 睦扬撞副数握 摘要 摘要 人力传动机构是日常生活中应用较为普遍的一种机械机构 自行车就是其中 应用最为典型的实例 自行车在我国是一种需求量很大的交通工具 同时又是健 身和休闲的良好工具 在我国较为落后的边远地区及广大的农村 自行车这种人 力传动机构还是一种常见的交通运输工具 本文针对传统自行车的传动机构及其传动特点进行分析 指出了传统自行车 的人力传动机构中存在的缺陷和不足 即当人体施加作用力使曲柄回转到垂直于 地面的上下位置时 机构中就出现了死点 机构中的死点造成了机构运动的不连 续 因此 为克服死点使运动继续 骑行者须施加额外的作用力 这就消耗了一 些不必要的体力 为了解决传统人力传动机构的上述缺陷 本文结合人机工程学的相关理论 设计出了一种新型的人力传动机构 把该新型的机构应用到自行车的传动系统上 不仅可以克服传统自行车传动时的缺陷 消除死点 而且还能节省人的体力 有 效利用人体的施力 提高自行车的传动性能 作为一种新型的人力传动机构 它 与以往的其它入力传动机构有所不同 它不是靠改变曲柄的长度或增加变速器来 达到省力节能的目的 机构中关键部分是一个椭圆齿轮轮系 传动原理是根据非 圆齿轮机构可以实现变传动比的传动特性来实现不等速运动 从而改变左 右两 I 描柄的转速 避免两边死点的同时出现 椭圆齿轮机构可以实现变传动比的运动 因此在新型传动机构中 两边曲柄的转角关系是非线性变化的 传动比的变化 使得曲柄在回转中有增速过程也有减速过程 从而可以合理分配人的体力 即在 应该施力时开始增速 在曲柄回程时减速 实现机构传动的关键是椭圆齿轮的设计和制造及正确的初始安装位置 本文 利用C A D 技术和数控技术 实现了椭圆齿轮的设计和制造的一体化 避免了一 般的复杂的编程过程 减少了大量复杂的计算工作 简化了设计过程 而且适用 于一般的非圆齿轮的设计 本新型人力传动机构在实际应用中具有很好的传动效果 实践证明 它能够 改变传统机构的传动规律 实现曲柄的不等速运动 有效避免了死点现象的发生 该新型传动机构还可以应用到其它人力传动机构的场合 如人力三轮车 脚蹬游 船等 具有良好的应用前景和很广的实用价值 关键词 人机工程 人力传动机构 非圆齿轮 设计 线切割 华南理工大学硕士学位论文 A b s t r a c t M a n p o w e rt r a n s m i t t i n gm e c h a n i s mi sag e n e r a lm e c h a n i s ma p p l i e di ne v e r y d a y a n db i c y c l ei st h em o s tr e p r e s e n t a t i v eo n e B i c y c l ei sam u c hd e m a n d e dv e h i c l ei no u r c o u n t r y a n di ta l s oi s ag o o dt o o lf o rb o d yb u i l d i n ga n dr e c r e a t i o n I no u rb a c k w a r d r e m o t ea r e aa n dw i d er u r a lc o u n t r y b i c y c l ei saf a m i l i a rt r a f f i ct 0 0 1 T h i sp a p e ra n a l y z e st h et r a n s m i t t i n gm e c h a n i s mc h a r a c t e r i s t i co fc o n v e n t i o n a l b i c y c l e a n di n d i c a t e st h ee x i s t i n gd e f i c i e n c y i nt h ed r i v i n gm e c h a n i s mo ft h e c o n v e n t i o n a lb i c y c l e W h e nm a nf o r c et h ec r a n kr o t a t et ot h eu p d o w nv e r t i c a lp l a c e t h e r ea p p e a r st h ed e a dc e n t e ri nt h em e c h a n i s m T h ed e a dc e n t e rm a k e st h em o v i n g c o m et oac e s s a t i o n T h e r e f o r e i no r d e rt oo v e r c o m et h ed e a dc e n t e rt h eo p e r a t o rh a s t oa p p l ya d d i t i o n a lf o r c e w h i c hl e a d st oc o n s u m es o m eu n n e c e s s a r yp o w e r T os o l v et h ep r o b l e me x i s t i n gi nt h ec o n v e n t i o n a lm a n p o w e rt r a n s m i t t i n g m e c h a n i s m t h i sp a p e ri n t e g r a t e st h et h e o r yo fe r g o n o m i c s d e v e l o p san e wt y p eo f m a n p o w e rt r a n s m i t t i n gm e c h a n i s m A p p l i e dt h en e wm e c h a n i s m t ot h eb i c y c l e i tc a n o v e r c o m et h ed r i v i n gh a n d i c a p r e l i e ft h ed e a dc e n t e r a n da l s os a v et h ep h y s i c a l e n e r g ya n di m p r o v et h et r a n s m i t t i n gp e r f o r m a n c e A san e wt y p eo ft r a n s m i t t i n g m e c h a n i s m i td i f f e r sf r o mt h eo t h e r sa n di t s a v e st h ee n e r g yn o td e p e n d i n go n c h a n g i n gt h el e n g t ho fc r a n k so ra d d i n gas p e e dv a r i a t o r T h ek e yc o m p o n e n ti s a n e l l i p t i c a lg e a rg e a r b o x T h et r a n s m i t t i n gp r i n c i p l ei st h a tn o n c i r c u l a rg e a rc a nr e a l i z e v a r i a b l em o v i n gb yc h a n g i n gt h et r a n s m i s s i o nr a t i o s oc h a n g i n gt h er o t a t i o n a ls p e e d o fl e f ta n dr i g h tc r a n k t h u sa v o i d sa p p e a r i n gt h ed e a dc e n t e ra tt h es a m et i m e E l l i p t i c a lg e a rd r i v i n gc a na t t a i nv a r i a b l et r a n s m i s s i o nr a t i o s oi nt h en e wm e c h a n i s m t h er o t a t i o na n g l eo ft w oc r a n k si sn o n l i n e a rv a r i a b l e B e c a u s eo ft h ev a r i a b l e t r a n s m i s s i o nr a t i o t h ec r a n k sh a v ea c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o ni nt h ec o u r s eo f r o t a t i n g A st h er e s u l t t h ep h y s i c a le n e r g yc a nb ea l l o c a t e da p p r o p r i a t e l y w h e nf o r c e i sn e e d e d t h ec r a n k sa c c e l e r a t ea n dw h e nt h ec r a n k sr e t u r n d e c e l e r a t e T h ek e yp a r ti sd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go fe l l i p t i c a lg e a r sa n di t se x a c ti n i t i a l i n s t a l l a t i o n U s i n gC A Dt e c h n o l o g ya n dn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y t h ei n t e g r a t i o n o fd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gf o r e l l i p t i c a lg e a r s i sr e a l i z e d T h u st h eu s u a l c o m p l i c a t e dp r o g r a m m i n gp r o c e s si sa v o i d e d l o t so fc o m p l e xc o m p u t a t i o na n dd e s i g n p r o c e d u r ea r er e d u c e d T h em e t h o di ss u i t a b l ef o rd e s i g n i n gg e n e r a ln o n c i r c u l a r g e a r s T h en e o t y p em a n p o w e rt r a n s m i t t i n gm e c h a n i s mo b t a i n sg o o dt r a n s m i t t i n ge f f e c t 摘要 i nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ti sp r o v e dt h a ti tc a l lc h a n g et h ek i n e m a t i cr e g u l a ro ft h e c o n v e n t i o n a lm e c h a n i s m r e a l i z ev a r i a b l e s p e e dm o t i o no fc r a n k sa n da v o i dt h ed e a d c e n t e re f f e c t i v e l y T h en e o t y p et r a n s m i t t i n gm e c h a n i s mc a na l s ob ea p p l i e dt oo t h e r m a n p o w e rd r i v i n gs i t u a t i o ns u c ha sp e d i c a ba n dp e d a l oe t c I th a sg o o da p p l i c a t i o n p r o s p e c ta n de x t e n s i v eu s ev a l u e K e yw o r d s M a n m a c h i n e e n g i n e e r i n g N o n c i r c u l a rg e a r D e s i g n M a n p o w e rt r a n s m i t t i n gm e c h a n i s m L i n e a rc u t t i n gm a c h i n i n g 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 二争泵 日期 j 越年 月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并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 本人授权华南理工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 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密口 在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密回 请在以上相应方框内打 作者签名 皆装 导师签名 日期 埘年多月争日 日期 旷年g 月户日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的提出背景及意义 目前 我国人力传动机构的应用还是很普遍的 如自行车 三轮车及各种类 型的脚蹬游船等 其中最为典型和应用最为广泛的就是自行车 因为我国由于生 活水平和经济条件的限制 不像一些发达国家那样 在我国 自行车还是一种比 较常见的重要的交通工具 我国不仅是一个自行车消费大国 同时也是制造大国 据有关部门统计资料显示 我国自行车年生产能力已达8 0 0 0 多万辆 年需求量约 2 5 0 0 万辆左右 自1 9 8 8 年起 我国自行车出口量一直位居全球第一 其中珠三 角地区的自行车产业独占鳌头 据统计 2 0 0 3 年全国自行车年产量7 8 0 0 万辆 占世界自行车总产量的l 3 而广东作为中国三大自行车生产的产业带之 全 省年产自行车2 4 0 0 多万辆 出口创汇占全国的6 0 以上 可以说 全球每生产9 辆自行车 就有l 辆来自广东珠三角地区 当今世界各国都共同面临的一个课题就是大气污染严重 造成这种污染的主 要根源之一就是汽车尾气排放 为减轻城市空气污染 创造空气新鲜 环境优美 噪声极低的生活 工作 休息条件 在城市必须发展绿色交通工具 如各类电气 化轨道车辆 商能电动汽车 太阳能汽车和自行车 其中自行车是首推的绿色交 通工具 根据不同出行方式与能量消耗和空气总排放量资料比较 按个人平均的承 担量来算 轿车的人一公里的废气排放量是公共汽车的1 9 倍 能源消耗是公共汽 车的1 5 2 0 倍 而自行车的废气排放量为零 这是当前任何一种交通工具都无 法相比的 1 自行车从最初出现一直到今天 己经经历了近2 0 0 年的历史 当今自行车产 业虽然处于一个供大于求的市场环境下 但从其存在的社会效益上看 它依然是 一种绿色清洁 经济和具有健身功能的短途代步工具 在我国白行车的拥有量约 5 亿辆 以自行车作为代步工具的人数在6 亿左右 可见自行车依然有着广阔的 发展前景 除此外 自行车比赛已经成为了一项国际性的运动项目 而运动学专 家也对自行车运动普遍看好 认为骑自行车与跑步 行走 游泳一样 具有锻炼 内脏器官的耐力和提高心肺功能的作用 由于骑自行车是异侧支配运动 两腿交 替蹬踏 还可使左右两侧的大脑功能均衡协调发展 从而提高神经系统的敏捷性 在我国广大的农村 山区 丘陵地带及边远山区 自行车的应用仍还是很重 要的交通工具 但这些地区的路况一般比较崎岖 有些地段坡度很大 往往给骑 行者带来诸多不便 消耗大量的体力也得不到理想的速度 尤其是在载物负重时 更是容易消耗体力 传统自行车上的入力传动机构是通过中轴连接的两个脚蹬曲 华南理T 大学硕十学位论文 柄 在人体施力传动过程中 人的脚掌通过作用在脚蹬上的力来驱动曲柄旋转 而脚掌作用在脚蹬的力随着曲柄位置的不同 其作用力的大小和方向也不同 该 作用力或为沿曲柄径向作用 或为沿曲柄切向作用 尤其当曲柄转动到与地面垂 直的上下两位置时 人们为了驱动车辆 除了对脚蹬施加垂直分力外 还要施加 一个水平的切向分力 方能使自行车向前行进 而此时由于人所骑行的鞍座的位 置相对于曲柄的位置是不变的 要施加一个驱动自行车前行的切向分力比较困难 此时 骑行者或者躬身屈腿 或者把身体向后移动一点距离 偏离鞍座 从而使 脚掌对脚蹬偏离一定角度产生水平方向的分力 而且一些鞍座位置的布置也不符 合人体结构功能的需要 很容易就会产生疲劳 因此 人们在骑车上坡或逆风行 驶时 往往会很费力 又针对我国白行车产业的进一步发展 有所创新 才能提 高市场竞争力 占据优势 这就需要一种轻便省力的简单人力工具 因此有必要 研究这种人力传动机构 使之既能符合人体生理功能的需要 又能最大程度的发 挥人体的功能 自行车具有灵活方便 自主性好 适应性强 造价低 经济耐用 便于维修 等优点 骑车不仅有利于身体健康 防病抗衰老 无废气 噪声 振动等公害 而且有利于环境保护 占地面积小 可缓解交通压力 功能多适合大众需要等 因此在未来的城市交通中具有相当重要的地位和作用 创新对今天的自行车的设 计和生产有着积极的意义 我国自行车出口量虽然很大 但是我国出口的自行车产品价格很低 技术含 量也低 其中可变速的车种比例非常少 这种产品的单一性和科技含量的不高性 严重影响了我国自行车产业的发展 我国虽然是世界上生产自行车的大国 但并 不是研制强国 我国自行车产品拥有的技术含量和创造的利润与它占有世界市场 的份额完全不符 因此 如何从 制造大国 向 研发强国 迈进 是我们自行 车产业面临的一项十分艰巨的课题 鉴于目前国内自行车的这种状况 广东康乾机床有限公司为推广自行车新品 种 开发新产品 增强自主创新能力 有意与我们联合开发一种新型的人力传动 机构 以改变自行车普通的传动方式 本文结合人机工程学理论 现代设计方法 和先进制造技术 从传动机构上入手 来开发一种新型的结合人机工程学理论的 传动机构装置 使之应用到自行车或其它人力传动的场合 以达到提高产品质量 增加科技含量和增强竞争能力的目的 同时 也是为了培育和增强珠江三角洲地 区自行车产业的技术研发能力 增加自行车的科技含量和知识产权含量 提高国 际市场竞争力 力争改变我国的自行车单纯依靠仿造 缺少自己知名品牌的落后 状况 2 第一章绪论 1 2 课题研究的国内外现状 1 2 1 人机工程学及其在机械工程领域中的应用状况 1 入机工程学的概念 人机工程学 M a n M a c h in eE n g i n e e r i n g 是近年来兴起的一门研究人 机 械及其工作环净值间相互作用的学科 主要研究分析入 机 环境三大要素之间 的关系 劳动过程中的心理和生理因素 作业范围 操作力 能量消耗与工作疲 劳 信息传递 操作控制等涉及产品开发 设计 制造和管理中人与机器相互关 系的问题 由此向设计人员提供必要的设计参数和数据 使设计趋于合理 为解 决系统中人的效能 安全舒适和健康等问题提供理论与方法 人机工程学是一门研究和应用范围都极为广泛的综合性边缘学科 因此 世 界各国对此学科的命名不尽相同 在美国被称之为 H u m a nE n g i n e e r i n g 人类 工程学 或 H u m a nF a c t o r sE n g i n e e r i n g 人因工程学 西欧国家大多称之为 E r g o n o m i C S 人类工效学 在日本 称为 人间工学 而其他国家大多引用 西欧的名称 E r g o n o m ic S 我国目前除使用上述名称外 还有译成工效学 宜人 学 人体工程学 人机学 运行工程学 机构设备利用学 人机控制学等 人体 工程不同的命名已经充分体现了该学科是 人体科学 与 工程技术 的结合 实际上 这一学科就是人体科学 环境科学不断向工程科学渗透和交叉的产物 它是研究人在某种工作环境中的解剖学 生理学和心理学等方面的各种因素 研 究人和机器及环境的相互作用 研究在工作中 家庭生活中和休假时怎样统一考 虑工作效率 人的健康 安全和舒适等问题的学科 2 0 0 0 年8 月 国际人机工程学学会 I n t e r n a t i o n a lE r g o n o m i C SA s S O C i a t i o i i 对本学科作的定义为 人机工程学是研究人与系统中其他因素之间的相互作用 以及应用相关理论 原理 数据 和方法来设计以达到优化人类和系统效能的学 科 人机工程学专家旨在设计和优化任务 工作 产品 环境和系统 使之满足 人们的需要 能力和限度 从科学性和技术性方面 人机工程学可以这样定义 人机工程学是研究 人一机 环境 系统中人 机 环境三大要素之间的关系 为 解决系统中人的效能 健康问题提供理论与方法的科学 2 人机工程学的发展 人机工程学的起源可以追溯到2 0 世纪初期 但作为一门独立完整的学科 则 是从2 0 世纪5 0 年代才发展起来的 在其产生 形成和发展的过程中 大致经历 了以下三个阶段 1 以机械为中心的经验人机工程学 从2 0 世纪初到第二次世界大战前 这一阶段是经验人机工程学的发展阶段 该阶段主要是人适应机器的被动阶段 此阶段的主要研究内容是 研究每一职业 华南理工大学硕十学位论文 的要求 利用测试来选择劳动者和安排工作 规划制定培训方案 使人得到有效 的发挥 研究工作机 促进工人和管理者之间的通力合作 在这一发展阶段 因为其研究者大多为心理学家 浚学科当时的研究偏重于 心理学方面 这一时期的特点是在人机关系上以运用心理学来选择和培训操作者 为主 使人适应于机器 这是人机工程学的萌芽阶段 2 以人为中心的科学人机工程学 人机工程学发展的第二阶段是第二次世界大战期间 该阶段主要是让机器适 应人的阶段 该阶段的发展主要是由于战争的需要 出现了许多新技术和新设备 科学技术的发展 使得机器的性能 结构越来越复杂 人与机器的信息交换量也 越来越大 这样单靠人去适应机器已很难达到目的 据统计 美国在第二次世界 大战中飞机事故率的8 0 是由于人机工程方面的原因造成的 因此 原先的那种 对操作人员实行严格的挑选或经过长期的训练来胜任复杂的操作的方法 显然己 不能适应战争的需要 此时 就应该从设计对象上研究 即武器设计一开始就应 考虑操作人员的生理 心理特点 要考虑 人的因素 这就促使工程设计人员必 须要有生理学 心理学 生物力学等学科方面的知识 或者聘请解剖学家 生理 学家 心理学家为机器设计出谋献策 提供适合操作人员生理 心理需要的设计 参数 因此 这种在军事领域中对 人的因素 的研究和应用 相继促生了 实 验心理学 人体测量学 等学科 使得科学人机工程学应运而生 战后 涉及 到与人的因素有关的问题如汽车 机械设备 建筑 生活设施及生活用具等越来 越多 让人机工程学得到了进一步的发展 L 9 5 7 年 美国的麦克考 米克发表了 第一部关于入机学的专著 E r g o n o m i c s 标志着这一学科已进入了较为成熟的阶 段 3 现代人机工程学 从6 0 年代至今 可称为现代人机工程学的发展阶段 这一阶段是将人一机一 环境作为一个系统来研究的阶段 这一时期 工业技术获得了很大的发展 机械 化与自动化已大规模地应用到生产中 由于科学技术的快速发展 各种机器的操 作和控制也变得越来越困难 人与机器乃至与环境之间的关系越来越复杂 同时 随着电子计算机的出现及控制论 信息论 系统论等学科中新理论的建立 人际 工程学的研究将更注重于人的信息处理能力 更注重人一机 环境关系的完整研 究 并应用这些新的理论来研究人机环境系统 以创造更适合于人工作的条件和 环境 使人机系统的效能达到最优水平 现代人机工程学的研究方向是 把人一机一环境系统作为一个统一的整体来 研究 以创造最适合于人操作的机械设备和作业环境 使人一机一环境系统相协 调 从而获得系统的最高综合效能 3 人机工程学的研究应用与国内外发展状况 4 第一章绪论 人机工程学经过半个多世纪的发展 其研究对象已十分广泛 可以说它是 一 门按照人类的各种特性来设计和改善与人类有直接关系的系统的工程学 这里的 系统 是指硬件系统和软件系统两个方面 硬件系统包括家具 住宅 工具 设 备 标谚 广告等一切与人有关的可见的实体 软件系统包括机械操作方法 程 序以及交通 医疗等社会系统 1 人机工程学的应用领域十分广泛 几乎涉及人 类劳动 工作和生活的每一个角落 只是表现形式不同而已 如驾驶员与操纵器 显示器之间 人与操纵台 座椅之间 人与环境之间 人与住房乃至日常使用的 水杯人与一只小小的茶杯之间的关系 都从不同的方面存在着不同的人机关系 人机关系实际上是解决人与物的关系 这里所指的 机 既可以狭窄的指机器和 工具 也可引伸为一切与人有关系的制造品 实物和结构 主要应用方向集中在 以下几大类 1 人体工作行为解剖学和人体测量 工作事故 健康与安全 包括人体测 量和工作空间设计 姿势和生物力学负荷研究 与工作有关的骨骼 肌肉管理问 题 健康人机工程 安全文化与安全管理 安全文化评价与改进 2 认知工效学和复杂任务 环境人机工程 认知技能和决策研究 环境状 况和因素分析 工作环境人机工程 3 计算机人机工程 显示与控制布局设计 人机界面设计与评价 软件人 机工程 计算机产品和外设的设计与布局 办公环境人机工程研究 人机界面形 式 4 工业设计应用 医疗设备 座椅设计与舒适性研究 家具分类与选择 工作负荷分析 5 管理与人机工程 人力资源管理 工作程序 人机规则和实践 手工操 作负荷 6 办公室人机工程与设计 医学人机工程 办公室和办公设备设计 心理 生理学 行为标准 三维人体模型 7 系统分析 产品设计与顾客 军队系统 组织心理学 产品可靠性与安 全性 服装人机工程 三维人体模型 军队人机工程 自动语音识别 人机工程学的研究内容和应用范围虽然极其广泛 但此学科的根本研究方向 是通过揭示人 机 环境之间相互关系的规律 以达到确保人机环境系统总体性 能的最优化 人机工程学研究在设计人机系统时如何考虑人的特性和能力 以及入受机器 作业和环境条件的限制 人机工程学研究指出 人和机器各有自己的特点 各有 所长和所短 在产品设计全过程的各个阶段 都必须进行人机工程学设计 以保 证产品的使用功能得以充分发挥 如何在人机系统中充分发挥各自的特点和优势 取长补短 有机地配合则是人机系统中人机功能合理分配的关键问题 1 5 华南理工大学硕士学位论文 人机工程技术是2 l 世纪信息领域需要解决的重大课题 美国2 l 世纪信息技 术计划中的基础研究内容为4 项 软件 人机交互 网络 高性能计算机 其中 人机建模研究在信息技术中被列为与软件技术和计算机技术等并列的六项国家关 键技术之一 并被认为 对于计算机工业有着突出的重要性 对其它工业也很重 要 美国国防关键技术计划不仅把人机交互列为软件技术发展的重要内容之一 而且还专门增加了与软件技术并列的人机界面这项内容 日本也提出了F P I E N D 2 1 计划 F u t u r eP e r s o n a l i Z e dI n f o r m a t i o nE n v i r o n m e n tD e v e l o p m e n t 其目标就 是要开发2 l 世纪个性化的信息环境 我国9 7 3 S 8 6 3 十五计划及未来的十一 五计划均将人机交互列为主要内容 我国的人机工程学研究是从2 0 世纪三十年代开始的 但系统和深入的开展则 在改革开放以后 1 9 8 0 年4 月 国家标准局成立了全国人类工效学标准化技术委 员会 1 9 8 4 年 国防科工委成立了国家军用人一机一环境系统工程标准化技术委 员会 这两个技术委员会的建立 有力地推动了我国入机工程学研究的发展 1 9 8 9 年又成立了中国人类工效学学会 再在1 9 9 5 年9 月创刊了学会会T f J 人类工效学 季刊 如北京航空航天大学设立了人机环境专业的教学和科研 北京医科大学公 共卫生学院也开展了包括坐姿作业导致的肌肉骨骼劳损 粉尘污染致癌等职业病 学的研究 同时也就涉及到作业姿势 作业环境评价等方面的人机工程学的研究 人机工程学在中国的进展和发达国家相比有相当大的距离 随着我国科技和 经济的发展 人们对工作条件 生活品质的要求也逐步提高 对产品的人机工程 特性也会日益重视 虽然现代生活中 包括各种商品 日常用品 器具等到处都 体现着人机工程学的设计观念 但是 我们应该看到 人机工程学在我国不仅有 待研究和提高 更需要宣传和普及 在二十一世纪 随着计算机技术和网络技术的发展 人类开始步入信息时代 人机工程学的发展必然向着信息化 智能化 网络化的方向发展 基于人机工程 学的虚拟设计和测试评价己经成为可能 这不仅可以节省大量的时间和资源 而 且可以增强企业的竞争能力 使产品更具有使用性和人性化 人机工程学作为应 用性学科 与人的工作生活息息相关 设计生产出更加人性化 高效能的设备 工具和日常用品则是其未来努力发展的目标 1 2 2 人力传动机构的研究现状 机械传动技术是机械制造工业中最重要的领域之一 一个机械系统离不开传 动机构来传递由原动机提供的能量和动力 传动机构就是把原动机的能量和运动 转化为工作机的各种运动 无论何种形式的能量 如想变为特定的运动 实现特 定的功能 就必须通过传动装置来实现预定的转速 扭矩 运动形式和运动方向 因此 对传动系统的研究对于改善机械系统的性能十分重要 6 第一章绪论 在各种传动机构中 其传递的动力和能量一般是各种机械系统提供的能量 如电动力 热动力 液压力等 由于这些机械系统适应的场合多是代替人的劳动 适合人需求的 随着人的需求的不断变化和更高的追求 与机械系统相应的传动 技术也在不断的发展 对于以人力作为主要能量传递的传动机构 则显得尤为重 要和特殊 因为它所消耗的是人体原始的体力和能量 机械传动技术的发展经历 的较长的历史时期 在世界范围内已是达到了较高的水平 但我国的机械水平与 世界上的发达国家如西欧 日本等还有 定差距 在这些机械水平发展较高的发 达国家 它们仍追求机械传动装置的高性能 低成本和轻量化的要求 而与这些 要求相适应的研究内容主要有m 1 新型传动方式的研究 探索传动装置的新类型和新方式 或对原有的传 动机构原理进行创新 或从结构上进行改进 研究开发出具有高效 承载大 体 积小 成本低或宜人化的新型传动 2 传动装置的制造技术研究 能够降低传动装置的加工成本又能提高传动 性能的加工技术 则对传动系统的发展致关重要 随着计算机技术的发展 许多 高精度 高效率 高性能的数控加工设备正在被普遍地应用 这对于一些具有复 杂曲面和复杂几何形状的元件的加工 则是一个需要研究和解决的方法 3 传动副的新材料和表明处理技术研究 采用高硬度 高强度的新型材料 可提高传动副的承载能力和使用寿命 从而可以减小传动系统的体积和重量 采 用喷丸 表面涂层 渗透工艺等可提高传动副的表面强度和抗磨损性能 从而提 高承载能力和使用寿命 4 传动系统动力学特性及减振降噪的研究 这些内容有传动副 轴与箱体 共同作用下的动力学特性和振动控制 载荷波动及传动误差对振动特性的影响 传动系统噪声传递建模及噪声控制 传动副啮合齿面齿形设计与齿问载荷及承载 能力的关系等等 在对以人力为主的传动方式或传动系统的研究上 国内外在这方面的研究也 比较多 其中对自行车的传动系统研究的较为集中一些 因为自行车是人力传动 中应用最为广泛和最为普遍的机械产品 而同时也是一个最为典型的结合人机工 程应用的机械产品 自行车作为人机工程学研究中一种有力的工具和手段 它可 以使研究者在实验室进行大量的模拟实验丽获得接近于实际情况的资料和数据 从而便于发现一些潜在的规律 利用这些获得的数据和规律又可以指导自行车和 类自行车传动机构的设计 国内外研究者主要针对普通自行车运动过程中的力学 性能和速度特性进行分析 以人为中心 从舒适 健康 安全 省力等方面考虑 对传统的自行车从结构外观上 传动机构上或功能上进行改进 创新 设计制造 出许多不同类型的品种 如德国W U L F H O R S T 公司生产的适合健身或旅游之用的 双座串列式自行车 靠背式自行车及多功能载重自行车 日本丸石公司推出的无 华南理上大学硕士学位论文 链条自行车 美国研制的装有动力凸轮装置的自行车 其中从人机工程学的角度 考虑对传动机构方面进行创新设计或改进的类型主要有以下几个方面 1 改变传动机构中链轮的形状 由传统的圆链轮改为非圆链轮 从而可以 合理分配传动过程中的作用力 如日本岛野公司推出的一种非圆链轮一一B i o p a c e 链轮 也称为具有人体工程力学特性的链轮 并把它用在了自行车的传动系统中 用这种非圆链轮来传动的自行车 其传动系统是非匀速比的 可以改善行使过程 中的动力性能 但是由于这种非圆链轮的节曲线与普通圆链轮的节曲线不同 所 以其设计和加工过程比较复杂 用这种链轮做成的自行车 为了保证行驶中传 动的稳定性 一般还需要设置张紧机构 这种链轮在国内自行车上的应用不是很 常见 2 改变脚蹬曲柄的形状或长度 自行车逆风或上坡行驶的助力问题一直是 人们不断进行研究的课题 为了改变了白行车在上坡或逆风行驶费力的问题 有 人提出从力学原理出发 类似于杠杆原理 通过增加曲柄的长度 即相当于增长 驱动力臂 从而达到省力的目的u 有的针对曲柄的形状进行分析改进 以方便 行驶中不对人体产生干扰 1 曲柄长度增加后 为了不使脚蹬碰到前泥板或车轮 就不得不增加中轴至前轴的距离 这样势必要加长车架 影响了人体正常的坐车 姿势 容易使人体感到不适 3 增加可调变速器或采用可调档多片链轮 在骑行过程中以适合不同路况 和行驶环境的需要 随时调节分配人体的施力状态 产生不同的行驶速度 这种 可调速的外变速自行车在我国已经相当普遍了 常见的就是多片链轮外变速自行 车 但由于不同变速场合的切换 为使链轮保持一定的张力 需增加一个张紧装 置 加之多片链轮的制造和安装 使得传动系统较复杂 成本相应增高 见图l l 4 脚踏上下往复式传动机构 改变传统的圆形回旋运动形式为上下脚踏式 运动 模拟人体正常行走时的状态 以适合人体生理习惯 这种踏板式传动自行车在美国 日本 德国和加拿大等国研制的较早 而在 国内 清华大学曾于L 9 8 8 年研制过一种踏板车 并获得了专利 踏板式传动的方 式有杠杆式 皮带传动式和齿轮齿条式 分别如图卜2 卜3 和卜4 所示 图1 一L 多链轮变速式 F i g I 一1M u l t is p r o c k e tv a r i a b l e s p e e dp e d a 吲l 一2 杠杆式 F ig1 2L e v e r t y p ep e d a l 第一章绪论 图卜3 皮带传动式图l 一4 齿轮齿条式 F i g 1 3B e l td r i v e np e d a lF i g 1 4P i n i o n a n d r a c k p e d a l 以上各传动结构的主要不足是后轴系均采用双飞轮或双棘轮结构 使后轴系 加宽 倒车困难 而且驱动结构较为复杂 给维修和制造成本带来一定的问题 这种踏板式摆动在上坡或路面状况较差的情况下行驶有一定困难 而且由于是长 时间的摆动 使人腿无法得到伸展 容易疲劳 5 电动自行车 这种自行车是人力和电力混合驱动的新型电动助力自行车 骑行中主要利用电能驱动自行车前行 但还保留了可以人力驱动的功能 以备在 某些特殊情况下的使用 这种电力助动车的问世 改变了自行车一百多年来传统 的结构形态 节省了人们上坡和逆风时骑行时的体力 使自行车更趋向于摩托车 严格来讲 已不再是传统意义上的 自行 车 6 新型中轴传动机构 奥地利自行车传动件制造公司在传统的中轴和链轮 之涮装上一个弹簧装置 由此产生了 一种新型的中轴传动机构 这种新 型中轴传动机构可通过变换骑行中的 传动力 使骑行功率得到提高 最大 可提高2 0 由于装有特殊的弹簧装 置 如图卜5 所示 骑车者双脚旌加 于脚蹬的力所产生的功率 就可明显 提高 图l 一5 新碰中轴传动机构 F i g I 5N e w t y p em i d d l ea x l e 1 3 本课题的主要研究内容 本课题以自行车上的传动机构作为基础研究对象 同时结合人机工程学的应 E f j 要求 设计出一种符合人体功能需要的轻便 舒适 宜人化的新型人力传动机 构 由于该传动机构是以人力作为基础的动力 对于其它运用人力传动的场合 仍具有普遍的适用性 因此 把该机构装置安装到其它人力传动机械上 仍可发 9 华南理J 大学硕士学位论文 挥其功能 目前人力传动机械在我国还具有很大的普遍性 所以这种机构装置的 应用前景还是十分广阔的 由于本文的新型传动机构包含了人机工程学的设计思想 所以具有一定的新 颖性 其具体的研究内容为 论文第一章绪论部分主要论述了国内外有关人力传动机构的发展和应用情 况 对本论文所涉及到的一些基础理论作了简要的论述 对人力传动机构的一些 新的发展作了归纳和总结 并针对其中几种较为典型的机构作了分析 结合传统 机构的一些特点 提出了本文所研究的方向和目标 第二章以自行车作为本实验研究的工具和基础研究对象 通过对传统自行车 上的传动机构运动的特点进行分析 指出其运动过程中存在的不足和缺陷 提出 需要解决的关键问题并论述新型人力传动机构的原理与特点 从人机系统设计的 观点出发 建立了骑行过程中 人腿一自行车 的平面机构运动模型 第三章主要研究新型人力传动机构的设计原理及机构中关键构件一一椭圆齿 轮的设计与加工方法 同时 对椭圆齿轮的基础理论一一非圆齿轮传动技术的发 展和研究作了一定的简述 并以此确定机构中所用的关键构件的漫计方面与加工 技术 第四章根据人机工程方面的需要和机构设计的相关准则 进行传动方案的设 计 并对提出的各传动方案进行对比分析 选出了最适于人机关系需要的方案 然后又对机构进行相关的理论计算与强度分析 第五章的内容主要是运动分析与应用研究 利用现有的实验条件 以自行车 作为实验工作台 进行实验数据的测试与分析 测量机构传动过程中的运动性能 及与传统人力传动机构相比所具有的特点 l O 第二章新型人力传动机构的原理与总体没计 第二章新型人力传动机构的原理与总体设计 传统自行车上的传动机构是一对绕中轴旋转的脚蹬曲柄机构 人的作用力是 通过链轮 链条传动而带动飞轮转动 从而驱使后轮前行 该机构具有结构简单 经济实用 维修方便等特点 因而得到广泛的应用并一直延续至今 但由于曲柄 是靠人体的脚掌施力而旋转的 在曲柄回旋一周的过程中 人体对脚蹬所施加的 作用力是不均匀的 这其中必然会造成一部分不必要的施加力 因此 就要对传 动机构在运动过程中的受力情况进行分析 获得机构运动的特点 以此对传统人 力传动机构提出创新设计 2 1 传统人力传动机构的特点与分析 传统自行车的传动机构是两个曲柄通过中轴连接 人靠脚掌踩在脚踏上施力 驱动两个曲柄旋转 带动其上的链轮 通过链条的连接从而带动后面的飞轮一起 旋转 促使后轮旋转带动自行车前行 在人脚作用在脚蹬上驱动曲柄回转的过程 中 脚掌作用在脚蹬上的力 随着曲柄位置的不同 其大小和方向也不相同 这 种连续脚蹬踏板的圆周运动使脚蹬力分布不均匀 消耗的人体功率大 自行车骑行的原动力 主要是骑车人的下肢肌力 人骑车时 人体通过脚掌 施力于脚蹬来带动曲柄回转 驱动链轮转动 由链条把动力传递到后轴上的飞轮 带动后轮 驱使自行车前进 自行车的传动部件主要有链条 链轮 脚蹬和曲柄 图2 1 是一个普通自行车的传动机构原理图 图中l 和3 分别是自行车的链轮和 飞轮 它们都是圆链轮片 链轮l 固连在右曲柄上 随着曲柄一起旋转 是主动 链轮 飞轮3 紧旋于后轴身右端 是自行车的从动链轮 通过链条与链轮1 相连 接 当脚掌作用在脚蹬上 带动相连的左 右曲柄回转 通过车架上的中轴 链 条 飞轮传动到后轮时 就推动自行车前进 7 t 链轮2 链条3 飞轮4 后轴5 中轴6 曲柄7 脚蹬 图2 1 普通自行车的传动机构 F i g 2 1A c t u a t i n gm e c h a n i s mo fg e n e r a 华南理丁大学硕十学位论文 在驱动曲柄回转过程中 由于左 右曲柄均通过车架上的中轴相连 二者的 回转中心同轴 故任意时刻 在相等的时间内 左 右曲柄转过的角度都相等 以垂直于地面且通过中轴回转中心O 的直 线方向为Y 轴 与水平地面平行的过O 的直 线方向为x 轴 建立直角坐标系x O Y 如图 2 2 所示 当左曲柄从X 轴正方向作为起始 位置 开始旋转一个角度口时 与其同轴心 的右曲柄则从x 轴负方向转过相等的臼角 由图中可看出 左 右两曲柄转角口的相位 相差1 8 0 在相同时间内 无论左曲柄转过 多少角度 右曲柄均转过等量的角度 两曲 柄转角之间的关系是线性的 y 代 弋 k 一一L 一L 一 挂 N j I 汊 一珞怖 图2 2 左 右曲柄的转角关系 F i g 2 2A n g e lr e l a t i o nb e t w e