人机工程学自行车设计专题讲座PPT

1、人机工程学人机工程学 -自行车设计研究自行车设计研究 设计主题： 踏雪无痕 工业设计091 陈骏勇 26号 主题：踏雪无痕主题：踏雪无痕 l仿如卧虎藏龙中众多高手那绝世的轻功，身轻如燕，踏过雪地却丝毫不留下任何的痕迹。 l以此主题进行自行车设计，主要把设计重点放在自行车轻巧，便利，快捷的特点。 人机工程分析人机工程分析 -自行车设计必要条件自行车设计必要条件 l一：设计自行车目的：助行，代步 l二：机动性：便捷式的越野山地自行车 人机工程分析人机工程分析 -自行车设计环境自行车设计环境(内部环境）内部环境） l内部环境分析： l 振动： 骑山地时，振动大些；骑平坦道路时振动小 l 噪声： 属于

2、非机动性车辆，无噪声污染 l 人机工程分析人机工程分析 -自行车设计环境（外部环境）自行车设计环境（外部环境） l外部环境分析： l 山地行驶 面对的环境是崎岖不平，坑坑洼洼的山路，陡峭的坡度，山路滑。 l 容易遭遇多的粉尘，颗粒，尘埃及落叶等植物残骸，甚至大山深处变幻无常的天气。 l 城市行驶 城市复杂的交通状况（交通堵塞，拥挤），人多，车多，噪声污染等，道路较为平坦 l 空气质量较差，气温比郊区偏高，光照强烈。 人机工程分析人机工程分析 -之人之人车系统分析车系统分析 人与支撑部件关系 人与支撑部件关系分析人与支撑部件关系分析 l支承部件：车架，前叉，鞍座，车把 l人坐位置的合适度：人坐位

3、置的合适度： l高低：高低：当脚蹬到最低点时，腿应正好伸直，既不感到 l过分伸脚，也不使膝关节有弯曲运动员在踏蹬中；踏 l蹬到曲柄与地面平行的位置时，膝关节垂直线能正好通过脚蹬 轴的中心； 踏蹬到最低点时，膝关节能稍有弯 l屈，以利肌肉在紧张之后可得到暂时休息 l前后：前后：车座固定在水平线上，根据运动员大腿长度， l把座子前端调整到中轴 垂直线后25公分处。大腿 l长，车座应多向后移动，大腿短，车座稍向前移动， l但车座前端一般不超过中轴垂直线后2公分 人与支撑部件关系分析人与支撑部件关系分析 l车架高度与脚蹬用力关系车架高度与脚蹬用力关系 l车架高度：车架高度：14英寸逐渐大至22英寸共5

4、个尺寸 l约为14英寸为155公分以下、 l16英寸者为155-170公分、 l18英寸为170以上， l至于180公分以上20英寸以上 人与支撑部件关系分析人与支撑部件关系分析 l确保人上身有正确姿势确保人上身有正确姿势 l正确的骑行姿势是正确的骑行姿势是: l上体较低，头部稍倾斜前伸；双臂自然弯屈，以作上体的良好支点，便于腰部弓屈，降低身体重心，同时 l止由于车子颠簸而产生的冲击力传到全身；双手轻轻而有力地握把，臀 部坐稳车座位，使人和车子成“流 线 l型”体。正确的骑行姿势，在相当大的程度上决定于车辆的尺寸、车座和车 把的位置，运动员的身材大小 及身体各部份的结构。要正确 处理车和人的关

5、系 人与支撑部件关系分析人与支撑部件关系分析 l手握车把的距离长度的合适度手握车把的距离长度的合适度 l调整车把的宽度 应与运动员的肩宽大体相同，一般为3841公分； l车把的高度，应根据运动员上体尺寸臂长来决 定，并注意专项的特 点； l合理的车把高度是使公路运动员的上体角度(即通过 l髋关节的水平线和髋关节中心至颈 椎中心连线)保持在35度 l45度之间；场地运动员的上体角度保持在2030度之间. 人与动力接受部件关系分析人与动力接受部件关系分析 l动力接受部件：脚蹬，曲柄动力接受部件：脚蹬，曲柄 l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 人与传动部件关系分析人与传动部件关系分

6、析 l传动部件：滚珠，链条，链轮 l设计关键：要保证有较高的传动效率和可靠性，且有易操纵的变速机构，使人用一定的肌肉而获得较大的输 出功率 人与工作部件关系分析人与工作部件关系分析 l工作部件：车轮（车圈，轮胎） l设计自行车各部分尺寸，车闸及变速器等时着眼骑车人-动力-传动-工作的连贯性（骑车人手的大小，握力相 适应的闸把，刹车力适当的车闸） 人机工程分析人机工程分析 -之影响自行车性能的人体因素之影响自行车性能的人体因素 人的体格因素人的体格因素 人的下肢肌力人的下肢肌力 l自行车脚蹬由腿肌收缩出力完成，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 4050n，训练后可达6

7、5n。 人的输出功率人的输出功率 l人的输出功率随人的体格，体力，骑车姿势，持续时间和速比等变化而变化 l成年男人最大输出功率约为：0.7马力（0.51kw），持续时间为10s左右 l如果持续时间长，其值要小的多，1h大约：0.10.2马力（0.070.15kw） 人的脚踏速度人的脚踏速度 l自行车运动与人的心脏节律保持一定关系。 l健康人的心脏跳动为70次每分钟，脚踏则为：60r每分钟 人的平衡机能人的平衡机能 l骑车人的平衡机能是影响自行车性能的重要因素，骑车人有好的平衡机能可很好的掩盖自行车的某些缺陷。 人的手和握力人的手和握力 l人的手和握力影响刹车性能 l男女性，成年人和儿童各不同

8、l一般只想用10%左右的力量便达到必要的减速 人的疲劳人的疲劳 l影响人疲劳的因素： l 部分肌肉负担过大 l 骑车姿势不合适 l 体重对鞍座的体压分体不合适 l影响出力因素： l 人的最大摄氧量 l 人机工程分析人机工程分析 -自行车设计结构要素分析自行车设计结构要素分析 速比速比 l大小链轮的齿数比，与链轮直径比相一致，一般控制在2.34.0范围内 l利用速比关系可取得骑行时所必要的功率和必要的速度 l速比应合适，不宜过小，也不宜过大： l 过小：不能充分提速，得不到最大输出功率 l 在限定的曲柄转速下得不到必要的骑行速度（后轮速度） l 过大：踏力大，容易疲劳 l以肌肉负担约为最大肌力的

9、10%来选择速比和曲柄转速 变速器的设计 曲柄长度曲柄长度 l按人的身长或下肢长来考虑曲柄长度 l通常曲柄长度的基准为：取人体身长的1/10，相当于大腿骨长的1/2. 曲柄设计： 三接点位置三接点位置 l鞍座位置a，车把位置b，脚蹬位置c l按三点调整法：ab和ac约等 一般ab=（ac-3）cm a点略低于b点 约为5cm 鞍座位置鞍座位置 l分析： l 鞍座过低，骑行时双脚始终呈弯曲状态，腿部肌肉得不到放松，时间长了就会感到疲劳无力 l 鞍座过高，骑行时腿部肌肉拉的过紧，脚趾用力过多，双脚也容易疲劳，骑车适当用力为脚掌。 l原则： l 行驶较快的车，鞍座位置要向前移 l 行驶较慢的车，鞍座

10、位置要向后移 鞍座位置鞍座位置 鞍座位置高低设计或校正最常用方法： 使手臂的腋窝部位中心紧靠鞍座中部，使手的中指能触到装配链轮的中轴心为宜。 只要腋窝中心至中指的长度确定下来，鞍座高度便可大致确定。 可调节式鞍座设计： 车闸车闸 l设计时，闸把开档.力率和闸把力要与人手的大小和握力相适应。 l理想的施闸力和减速度 闸把施闸力闸把施闸力 /n 相对握力相对握力 % 减速度减速度说明说明 60 350 500 10 70 100 0.1g 0.6g 0.8g 控制下坡速度控制下坡速度 全刹车全刹车 紧急全刹车紧急全刹车 注：注：g=9.8m/s2 人机工程分析人机工程分析 -人人-车动态特性分析车动态特性分析 动态稳定性动态稳定性 自行车的稳定是行驶过程中的稳定，是一种动态平衡的稳定性 动态稳定性影响到自行车骑行中的动作，包括直进稳定性和前后左右方向的稳定性。（图a） 稳定性是安全行驶时必不可少的特性 设计时必须考虑其稳定性 力学特性力学特性 l自行车行驶在平地上转弯的条件是侧向力（与离心力平衡）与自行车总重量（人和车的重量）的合力作用线 要通过轮胎与地面的接触点。 l自行车造型设计要适合这种力学特征设计 转