下载文档原格式
摘要形形色色的自行车，它们的基本构架都一样，可是不同款式的自行车社会需求量就不一样，自行车的市场根据不同的人群也有多种多样，如对于小孩，自行车后轮处有两个小轮来支持其平衡，而对于都市女性，自行车却设置的矮小美观，而对于喜爱运动的年轻一辈来说，自行车却有省力而且易于在山地处行走的多功能。
作为大学生这个大群所偏爱的山地自行车，有些自行车并不是最佳的，为此，我们用我们的基础专业知识对其评析，也便在以后的购买自行车时我们能够选择更好的、更合人的因素的自行车！运用人机工程学原理和方法解决系统中人机结合面的安全问题的一门新兴学科。
在自行车的设计过程中，我们可以通过安全人机工程学的知识使自行车与人能够更好的配合，相互兼容；将受环境的影响降到最低，或是更好的适应环境，从而使人有更安全更舒适的骑行，尽量消除机器本身的缺陷，降低人操作的失误率，最终达到提高安全，降低疲劳，增加舒适度的要求。
关键词：人机工程学自行车车架造型计算机辅助设计人机评析错误!未指定书签。
目录摘要 (1)一、引言 (3)1.1研究背景 (3)1.2研究意义 (3)1.3评析内容 (4)1.4 研究目的 (5)1.5研究方法 (6)二、相关尺寸（以山地自行车为例） (7)三、自行车人-机评析 (7)3.1人一自行车系统 (7)3.2影响自行车性能的人体因素 (7)3.3自行车设计结构要素分析 (9)3.4具体部件的人-机评析 (11)四、总结 (17)五、参考文献 (18)六、小组成员分工情况 (19)一、引言1.1研究背景自行车的普及能够实质性地缓解石油类矿产资源存量、钢铁类材料消耗等等问题，符合绿色设计的长久可持续发展理念，自行车车架造型设计的研究就显得尤为重要。
而在工业产品的开发与研制中，人机工程学的应用显得举足轻重且极富挑战性，能够提升产品的使用舒适度和市场竞争力。
两者的结合更将推动任何一种工业产品的有机发展进程。
在欧洲，很多人为了减少因驾车带来的空气污染而愿意骑自行车上班，这样的人被视为环保卫士而受到尊敬。
人机工程学课程设计自行车的人机系统评析摘要不同款式的自行车适用于不同的人群和社会需求，如小孩的自行车后轮处有两个小轮来支持其平衡，都市女性的自行车设置矮小美观，年轻人喜欢省力且易于在山地行走的多功能自行车。
作为大学生，我们需要评析山地自行车并选择更好的、更合人的自行车，以此提高安全，降低疲劳，增加舒适度。
一、引言1.1研究背景随着人们对健康和环保意识的提高，自行车作为一种环保、健康的交通工具越来越受到人们的青睐。
1.2研究意义在自行车的设计过程中，运用人机工程学原理和方法可以使自行车与人更好地配合，相互兼容，降低环境的影响，提高安全性和舒适度。
1.3评析内容本文主要评析山地自行车的设计结构要素，以及人体因素对自行车性能的影响。
1.4研究目的通过评析山地自行车的设计结构要素和人体因素对自行车性能的影响，提高自行车的安全性和舒适度。
1.5研究方法采用人机工程学原理和方法，结合计算机辅助设计进行评析。
二、相关尺寸（以山地自行车为例）在山地自行车的设计中，需要考虑车架的高度、长度、角度等尺寸，以及车轮和刹车等相关尺寸。
三、自行车人-机评析3.1人一自行车系统自行车是人与机器的一个系统，需要考虑人体因素和机器因素的相互作用。
3.2影响自行车性能的人体因素人体因素包括身高、体重、力量、灵活性等，需要考虑这些因素对自行车的影响，如车架高度和长度需要适合骑车者的身高和体重，刹车的力度需要适合骑车者的力量等。
3.3自行车设计结构要素分析自行车设计结构要素包括车架、车轮、刹车、变速器等，需要考虑这些要素的相互作用，以及如何使它们更好地适应环境和人体因素，提高自行车的安全性和舒适度。
人体疲劳和疼痛是影响骑车出力性能的不利因素，其产生原因既有人体因素，也有自行车结构因素。
肌肉负担过大、不合适的骑车姿势以及体重对鞍座的体压分配不合适等都可能导致疲劳和疼痛。
此外，人的最大摄氧量也会影响出力因素。
山地自行车是喜爱运动的人们主要的运动工具，尤其是长途游玩的驴友。
课程论文人机工程学自行车骑姿分析与改进设计指导教师学院名称专业及班级提交日期答辩日期年月目录1概述 (3)2与自行车骑姿相关的因素分析 (3)2.1车把与鞍座之间的相对位置 (3)2.2鞍座与脚踏之间的相对位置 (4)2.3鞍座 (4)2.4中轴 (4)3 现行骑姿人机特性分析 (5)3.1蹬踏运动 (5)3.2休闲车骑姿 (5)4 自行车骑姿的改进设计 (6)4.1鞍座 (6)4.2中轴与鞍座之间的相对位置 (6)4.3把手与鞍座之间的相对位置 (7)4.4设计计算方法 (7)5设计实例 (10)6结束语 (10)1概述自行车骑姿是由骑乘者与自行车的把手、鞍座以及脚踏板的相对位置来决定的。
骑乘者的手、臀部、脚在车上的相对位置决定了骑行的舒适程度和骑行的效率。
从人机工程学观点出发，要提高自行车骑行时的舒适性，应该合理定位把手、鞍座以及脚踏板三者之间的位置，让骑行者在骑行过程中身体各部位尽可能处于自然状态。
车架是自行车的骨架，在很大程度上决定了自行车的结构和性能，进而决定了自行车的骑姿和骑行舒适性。
现在的车架设计多采用经验法，即以现有的车型为参考来确定车架的关键参数，在此基础上进行形态创新。
这样设计出来的车架延续了以往的骑姿，未能真正做到设计以人为本。
本文从人体尺寸、动作范围以及运动生理等方面出发，改进设计影响骑姿的三大部件之间的相对位置。
改进后的骑姿在身体各部分之间进行合理的功能分配，脚踩踏板驱动自行车前行，臀部和腰支撑上体的体重，手操纵把手控制前行方向。
在此基础上进行的车架设计能提高骑行的舒适度。
2与自行车骑姿相关的因素分析正确的骑姿可以提高骑行效率，使骑行不易产生不适和疲劳，同时还能降低危险发生的几率。
骑姿设计是自行车设计工作中的一项重要内容。
与自行车骑姿相关的因素主要有：2.1车把与鞍座之间的相对位置车把与鞍座之间的相对位置决定了骑乘者上半身的姿势。
车把过低会使骑行者的上肢承受很大的静压，时间稍长手臂和手掌易发生疲劳，同时过低的上身也会压迫腹部，但力容易传递到车。
前言自行车在我国是很普及的代步和运载工具。
它到今天已经有两百多年的发展历史，同时，自行车也被认为是环保交通工具的代表。
传统自行车的结构已基本定型，其市场也趋于饱和。
新型自行车结构的研发设计是自行车生产商提高市场竞争力的关键，但生产厂商主要在制造及管理过程中追求利润，不注重产品的创新,在产品的研发设计上与国际水平有着较大的差距。
自行车产品设计的发展趋势应该是多品种、小批量、个性化的生产。
在新产品的开发与研制中，创新的作用举足轻重且极富挑战性。
越来越多的国内外人士已将目光投向产品创新与技术创新这一领域。
本文以自行车结构为设计对象，首先归纳了相关的创新思维和创新设计的理论及方法，分析了现代自行车的主要形式，为自行车创新设计奠定了理论基础。
并介绍了新型自行车结构的设计过程，从人机工程学的角度，考虑自行车车架造型的创新设计。
并在人机工程学和机械设计的基础上,采用了基于坐标尺寸的参数化设计,较好地解决了自行车车架设计中结构和形状上的问题。
随着社会的发展，人们生活水平的提高，人们从而可以花费更多的时间和金钱来改善自己的出行。
本产品就是着力与娱乐、休闲方面进行设计的。
其采用了与以往自行车不同的车架结构设计，让人骑行时更加的舒适。
本文全面介绍了所用到的材料及所用到的部件，主要包括自行车设计的技术经济指标，使用要求，设计步骤及相关的阻力的计算等。
由于时间紧促、资料不足，以及自己知识和经验有限，设计和介绍中难免有不足之处，恳请各位老师批评指教。
1 自行车的总体设计方案自行车的发明已经有两百多年的的历史了，1790年，法国人西夫拉克研制成木制自行车，无车把、脚蹬、链条。
车的外形像一匹木马的脚下钉着两个车轮，两个轮子固定在一条线上。
由于这辆自行车没有驱动装置和转向装置，座垫低，西夫拉克自己骑在车上，两脚着地，向后用力蹬，使车子沿直线前进。
1817年，德国的冯·德莱斯男爵发明了一种能自由活动的车把，使他的自行车转变比较方便。
基于人机工程学的自行车骑姿改进设计基于人机工程学的自行车骑姿改进设计自行车骑姿是由骑乘者与自行车的把手、鞍座以及脚踏板的相对位置来决定的。
骑乘者的手、臀部、脚在车上的相对位置决定了骑行的舒适程度和骑行的效率。
从人机工程学观点出发，要提高自行车骑行时的舒适性，应该合理定位把手、鞍座以及脚踏板三者之间的位置，让骑行者在骑行过程中身体各部位尽可能处于自然状态。
一．与自行车骑姿相关的因素分析正确的骑姿可以提高骑行效率，使骑行不易产生不适和疲劳，同时还能降低危险发生的几率。
与自行车骑姿相关的因素主要有：（1）车把与鞍座之间的相对位置车把与鞍座之间的相对位置决定了骑乘者上半身的姿势。
车把过低会使骑行者的上肢承受很大的静压，时间稍长手臂和手掌易发生疲劳，同时过低的上身也会压迫腹部，但力容易传递到车。
提高车把高度可使背部弯曲度变浅，可以避免对腹部的压迫，但力不易传递到前轮。
所以良好的骑姿可使骑乘者脊柱接近正常形态。
在腰部增加适当的靠背可以改善臀部受力，维持脊柱的正常形态，并有利于腿部蹬力的发挥。
（2）鞍座与脚踏之间的相对位置鞍座与脚踏之间的相对位置直接影响蹬踏方式，由鞍座相对中轴轴心的位置和曲柄长度决定。
鞍座相对中轴轴心的位置是决定下肢肌肉群的肌力能否有效利用的一个关键，即是影响踏力和踏速能否获得最佳配合的关键。
鞍座的位置由鞍座的高度和坐管倾角共同决定。
鞍座的高度与胯高关系紧密。
大的坐管倾角使骑乘者重心靠前，有利于高速骑行，但不能长时间骑行。
曲柄长度决定了大腿骨的运动角度和有关肌肉群的收缩程度。
过长的曲柄将引起肌肉的过度伸长和过度缩短。
曲柄过短将使宝贵的肌肉收缩力不能被充分利用。
（3）鞍座当人坐在坐垫上时，与坐垫接触最紧密的是坐骨结节。
坐骨结节处是人体最能承受压力的部位，在这两个点周围约250mm2范围承受人体约70%的重量，其受力情况如图1。
车座后端宽度过小就会使坐骨结节处于鞍座边缘或紧贴边缘的位置，导致身体重量落到会阴上。
人机工程学在自行车设计中的应用研究作者：李一达来源：《现代装饰·理论》2013年第04期本文基于美国KB公司提出的五通中心点自行车尺寸关系，通过对人体尺寸的分析，完整描述自行车骑行姿势和整车尺寸的关系，并通过分析出人与自行车的相互关系来归纳出符合人机工程学的自行车设计方法步骤。
自行车部分是专为激烈的骑车运动而设计。
最重要的关键在于车体尺寸的大小，能否有效均匀地分散骑乘者的重量，同时又可保持良好的平衡。
座垫要调整到正确的高度，曲柄要与地面平行，如此膝盖下方突出的骨块就会直接位于脚踏轴心的上方。
背部应该向前倾斜到至少45度角，背部臀部及下背部强壮的臀肌才能在踩踏时有效施力。
这种姿势会使身体重量移至双臂，此时手肘微微弯曲，手腕要打直，才能减缓行车时的震动。
当跨立在自行车上方推动自行车时，车子的高度不会撞伤大腿，而且也确保摔车时不会受到严重伤害。
座管：座管应伸长 15-20 公分（6-8英寸）。
若要使踩踏发挥最高效率，座垫高度在公路及越野时的高度应该保持一致。
陡降坡时，要降低座垫，才能放开车尾。
车把：车把应比座垫低约2.5-5公分（1-2 英寸），宽度为53.3-70公分（21-24 英寸）。
宽车把在低速时控车效果较好；窄车把在高速时较易操控。
胯下空间：越野骑车时，胯下与上管应管应保持 8-10 公分（3-4英寸）的距离。
较高的上管适用于下坡及平顺的路面，但胯下仍应保持 2.5公（1英寸）的距离。
较低的上管有利于表演骑车特技，但是除非骑行者身材很矮，否则手伸出去的距离会太短，骑乘的感觉会不舒服。
在车把手与骑乘的操控设计方面，美国 Klein bicycle公司，创新的提出了五通中心点（BB Center）到骑乘时手握持点的关系，称之为Direct fit length及 Direct fit angle，来完整描述骑姿和车架尺寸的关系。
从座垫到手把位置是有身体的尺寸，如躯干长，上臂长，小臂长及手腕尺寸所决定，因为有四个角度变化，纵使有人体的尺寸，设计者也很难依照四个长度及四个角度去决定座垫和手把的相对位置。
基于人机工程学的自行车骑姿改进设计自行车骑姿是由骑乘者与自行车的把手、鞍座以及脚踏板的相对位置来决定的。
骑乘者的手、臀部、脚在车上的相对位置决定了骑行的舒适程度和骑行的效率。
从人机工程学观点出发，要提高自行车骑行时的舒适性，应该合理定位把手、鞍座以及脚踏板三者之间的位置，让骑行者在骑行过程中身体各部位尽可能处于自然状态。
一．与自行车骑姿相关的因素分析
正确的骑姿可以提高骑行效率，使骑行不易产生不适和疲劳，同时还能降低危险发生的几率。
与自行车骑姿相关的因素主要有：（1）车把与鞍座之间的相对位置
车把与鞍座之间的相对位置决定了骑乘者上半
身的姿势。
车把过低会使骑行者的上肢承受很大的静
压，时间稍长手臂和手掌易发生疲劳，同时过低的上
身也会压迫腹部，但力容易传递到车。
提高车把高度
可使背部弯曲度变浅，可以避免对腹部的压迫，但力
不易传递到前轮。
所以良好的骑姿可使骑乘者脊柱接近正常形态。
在腰部增加适当的靠背可以改善臀部受力，维持脊柱的正常形态，并有利于腿部蹬力的发挥。
（2）鞍座与脚踏之间的相对位置
鞍座与脚踏之间的相对位置直接影响蹬踏方式，由鞍座相对中轴轴心的位置和曲柄长度决定。
鞍座相对中轴轴心的位置是决定下肢肌
肉群的肌力能否有效利用的一个关键，即是影响踏力和踏速能否获得最佳配合的关键。
鞍座的位置由鞍座的高度和坐管倾角共同决定。
鞍座的高度与胯高关系紧密。
大的坐管倾角使骑乘者重心靠前，有利于高速骑行，但不能长时间骑行。
曲柄长度决定了大腿骨的运动角度和有关肌肉群的收缩程度。
过长的曲柄将引起肌肉的过度伸长和过度缩短。
曲柄过短将使宝贵的肌肉收缩力不能被充分利用。
（3）鞍座
当人坐在坐垫上时，与坐垫接触最紧密的是坐骨结节。
坐骨结节处是人体最能承受压力的部位，在这两个点周围约250mm2范围承受人体约70%的重量，其受力情况如图1。
车座后端宽度过小就会使坐骨结节处于鞍座边缘或紧贴边缘的位置，导致身体重量落到会阴上。
适当加宽车座后端，有助于增大坐骨结节与坐垫的接触面积，充分发挥坐骨结节承载能力，使压力远离控制会阴血液的血管和神经。
二．现行骑姿人机特性分析
（1）蹬踏运动
假定蹬踏力F竖直向下，如图2所示，当踏板处于最高位置A 和最低位置C 时，蹬踏力F通过中轴轴心，此时力臂d 为零，力矩
M=F×d 也为零，F不做功，无法驱动自行车前行。
位置A和C分别为上死点和下死点。
从A点到C点，蹬踏力F可分为F1（与曲柄垂直）与F2（沿曲柄轴线）两个分力。
分力F2通过中轴轴心，只有F1做功。
此时，力矩M=F1×d。
因此，要获得更大的力矩，就应该增大F1。
由此可知，
要提高骑行效率，脚的用力方向应尽量与曲柄垂直。
（2）休闲车骑姿
图3为休闲车常见骑姿。
在
这种骑姿下骑行者上体稍向前
倾，前倾的骑姿改变脊柱的自然
弯曲为后凸，时间一长容易引起
背部酸疼。
手臂除了控制行进方向外，还要承受部分体重，静态受力加速了手臂及肩关节的疲劳。
落在鞍座上的体重由会阴和臀部共同承担，为了防止骑乘者从鞍座上滑下，鞍座通常向后仰一定角度，这导致会阴与鞍座之间的摩擦加剧，危害骑乘者的健康。
由人机工程学可知，人在垂直平面内界限在标准视线以上30°和标准视线以下40°，站立时人的自然视线低于标准视线10°，坐着时低于标准视线15°。
所以在这种骑姿下骑乘者脖子需后仰20°～30°以看清道路。
三．自行车骑姿的改进设计
由人机工程学知，在肢体活动的最大角度范围内存在一个舒适的调节范围，是指人体处于某种姿势时对应的关节处于舒适的调节范围。
舒适调节范围对人机界面的工效设计影响甚大。
在自行车骑姿设
计时应以人体尺寸为基础，以蹬踏的用力阶段关节处于舒适的活动范围为出发点，来确定影响骑姿的三个部件之间的相对位置，以提高
骑行的舒适性。
具体的设计参数为图4中的M、N、H、T。
（1）鞍座
座面稍向后倾，可防止骑乘者从鞍座上滑下，同时使得人体与腰靠的接触面积增大，骑乘者的上体体重由鞍座和腰靠来承担，减小对手臂的压力，体重由鞍座和腰靠来承担，减小对手臂的压力，让骑乘者感觉更安稳。
工作椅座面倾角一般小于3°，实际计算时可取2°。
靠背与座面的夹角小于90°会让骑乘者腹部受压，太大会让人处于松弛状态，容易酿成交通事故，综合考虑可取靠背与座面的夹角为98°。
这个角度既可以使上体略向后倾，人体重量由鞍座和靠背共同来支撑，同时可保持脊柱的正常自然形态和良好的视野。
（2）中轴与鞍座之间的相对位置
中轴与鞍座之间的相对位置由图4中的H和T来确定。
其中A 为坐骨结节与鞍座的接触点，B为把手抓握的中心点。
根据大腿、小腿的尺寸以及让各关节在蹬踏的工作阶段处于舒适角度范围内可以
计算出中轴与鞍座之间的相对位置。
（3）把手与鞍座之间的相对位置
把手与鞍座之间的相对位置由图4中的M和N来确定。
根据上肢的尺寸和舒适的手臂姿势可以计算出把手与鞍座之间的相对位置
范围。
（4）设计计算方法
假定座面的后倾角为2°，靠背与座面的夹角为98°。
如图5所示，首先假设手、脚和躯干都是刚性结构。
O1为中轴轴心，O1A为
曲柄的轴线。
L0为曲柄长度，L1为大腿长度，L2为为胫骨点高加修正量再加上脚蹬厚度的一半。
θ1为躯干轴线与大腿轴线间的夹角，θ2为大腿轴线与小腿轴线间的夹角，θ3为大腿轴线O1O2之间的夹角，θ为O1O2与垂直线之间的夹角，躯干轴线与水平线之间的夹
角为θ4=180°－2°－98°＝80°。
在骑自行车的时候，骑乘者的上体几
乎处于静止状态，大腿在一定的角度
范围内摆动，脚绕中轴轴心做圆周运
动，并带动小腿运动。
由此，下肢可
简化成由O1O2、O1A、AB、BO2组
成的四杆机构，其中O1O2固定。
在从上死点到下死点的过程中，当脚处于上死点时，如图6 所示，θ1取得最小值，θ2取得最小值；当曲柄与O1O2共线时，θ取得最大值；当脚处于下死点时，θ1取得最大值。
与自行车骑乘相关的人体关节舒适角度为：肩关节35°～90°、肘关节95°～180°、膝关节60°～130°。
如图6死点时，膝关节取得最小值，即θ2min=60°，可求得L最小值。
L min2=L12+(L0+L2)2-2L1(L0+L2)COSθ2min
如图7曲柄与O1O2共线时，膝关节取得最大值即θ2max=130°，可求得L最大值
（L max+L0）2=L12+L22-2L1L2COSθ2max
在图6的△O1BO2中，当L取L min时，θ3取得最大值θ3max；当L取L max时，θ3取得最小值θ3min
cosθ3=[L12+L2-（L0+L2）2]/2L1L
当踏板处于死点时，大腿与上体之间的夹角为最小值，取为95°可避免压迫腹部，由上式求得的θ3的最大值和最小值带入下式可求得θmin和θmax
θ=270°-θ4-θ1min-θ3
进而确定T和H
T=sinθ×L
H=cosθ×L-65（65为大腿厚度一半）
4设计实例
以50%男性的人体测量数据为例来计算调整后的鞍座、中轴、把手之间的相对位置。
按设计计算方法计算，得计算结果为：M取值范围为400～435mm；N取值范围为338～400mm；H取值范围为485～537mm;T取值范围为189～334mm。
通过验证，当M、N、H、T在以上各自的取值范围内取值时，各关节都在与自行车骑乘相关的人体关节舒适角度范围内。
5结束语
本文结合与骑姿相关的因素，分析讨论了现有骑姿人机特性，给出了重新确定了中轴、鞍座、把手之间的相对位置的方法。
调整后的骑姿在骑行过程中各关节处于舒适的角度范围内；鞍座设计可防止骑乘者从鞍座上滑下，上体的体重由鞍座和靠背来支撑，减少对会阴的
压力以及手的负担，手操纵行驶方向，脚踩踏板驱动自行车，各部分分工明确；挺直上身、获得良好的视野;中轴前移有助于腿部力量的发挥，同时便于骑乘者利用脚蹬地反力起步前行。
参考文献
[1]丁玉兰人机工程学[M].北京：北京理工大学出版社.2005.
[2]阮宝湘.工业设计人机工程[M].北京：机械出版社.2005.
[3]周美玉.工业设计应用人类工程学[M].北京：中国轻工业出版社.2001.
[4]翟风奎.I-DEAS机械设计[M].北京：机械工业出版社.2004.。
