人自行车人机工程设计案例分析样本
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人一自行车系统设计案例分析
工业设计F1002 赵土豆48262500
一、人一自行车系统组成
自行车的功能是供人骑行，人在骑行过程中人和自行车能够看成一个人机系统，且人是最主要的因素，该人机系统中人一自行车的界面关系分析如下。
人一车界面关系
传动部I 链轮__链
脚蹬曲柄
1. 人与支撑部件的关系
支撑部件主要有车架，前叉,鞍座和车把等，是自行车的构架。
支撑部分将其它零部件固定在相互间正确的位置上，保证自行车的整体性，实现自行车的功能。
从人机关系来看，鞍座,车把和车架等的位置和大小，以及她们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着密切的联系.人坐的位置怎样更合适，车架多高使人脚蹬起来用力才方便，如何保证人的上身有正确的姿势，手握车把的距离多长才合适等，都决定于人体特性的设计参数.
2. 人与动力接收部件的关系
动力接收部件主要是脚蹬和曲柄.动力是靠骑车人的双脚踩在脚蹬上，下肢运动的力使曲柄转动产生的.为了使人省力和有舒适感,必须在骑自行车人的体格和体力与自行车元件的尺寸关系上下功夫, 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关系.
3. 人与传动部件关系
传动部件主要是滚珠, 链条和链轮. 人的作用力是经过链条和链轮传动而带动后轮转动, 从而使自行车前移. 传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性, 且有易操纵的变速机构. 保证较高的传动效率, 才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率.
4. 人与工作部件的关系
工作部件就是车轮, 即车圈, 轮胎等. 绝大部分轮胎是充气的, 少数是实心的. 车轮一方面把骑车人的肌肉力量, 有效地转化为同
地面接触而向前运动的力; 另一方面将骑车人的握力转换为与接地部分所产生的刹车阻力. 在设计自行车的各部分尺寸, 车闸及变速器等时, 应该着眼于骑车人-动力-传动-工作的连贯性, 才可能设计出同骑车人手的大小或握力相适应的闸把, 刹车力适当的车闸, 才不会发生刹车阻力不够的现象.
二、影响自行车性能的人体因素
影响自行车性能的人体因素: 人的体格因素、下肢肌力、输出功率、脚踏速度、平衡机能、人的手和握力、人的疲劳等。
1. 人的体格因素
以身高H为基本因素，其它身体的能力与H H*H、H*H*H成比例的特征.如手臂, 腿, 气管等的长度与身高成比例, 从而以关节为中心所产生的力矩，步幅等，都取决于H的大小•肌肉，大动脉，骨
积以及肺泡的表面积等都可看成与 H*H 成比例.肺活量，血液量，心 脏容量等都可看成与 H*H*H*成比例.体格对处出力性能的影响，从 理论上讲，弹跳能力与H 成比例，速度能力与H*H 成比例，作功能力 和H*H*H 成比例.但实际上因每个人身体素质不同，常有20%以上的 偏差. 2. 人的下肢肌力
自行车骑行的原动力，主要是骑车人的下肢肌力.人骑车时，骨 骼肌肉内部的化学能转化为肌肉收缩的机械能 .自行车脚蹬的转动
就是经过肌肉收缩出力而完成的
，一般说肌肉长的人比肌肉短的人
有利.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 40-50N, 经过一定训练的人可提高到 65N.
骼的截面
身长
体重 姿势 臂长
h
脚长
空气阻
手的大小、
合成重心
视觉、平衡感 脚力 踏
3. 人的输出功率
人输出的功率随着骑车人的体格, 体力, 骑车姿势, 持续时间和速比等的变化而变化.一般成年男人的最大输出功率约为0.7 马力, 能持续10 秒左右.如果持续时间长, 其值要小得多, 持续1 小时, 大约只有0.1-0.2 马力.
4. 人的脚踏速度
自行车运动是很有节奏的, 其节奏常常与人的心脏节律保持一定关系.健康人的心脏跳动为70次/min, —般脚踏以60r/min节奏
转动较为合适。
设计时以这一常见速度来确定相关设计参数。
5．人的平衡机能
骑车人本身的平衡机能是影响自行车性能的重要因素, 如果缺少平衡机能, 哪怕是运动性能很好的自行车也不能平衡行驶; 若人有很好的平衡机能, 却可掩盖自行车设计上的某些缺陷.
6. 人的手和握力
影响刹车性能的人的主要是人的手和握力, 男性和女性, 成年人和儿童的手的大小和握力都不相同. 据试验, 为了长时间捏闸而不致使手有疼痛的感觉, 希望只用最大握力的10%左右便能得到必要
的减速度.
7. 人的疲劳
人体疲劳和疼痛是对骑车出力性能的不利因素, 其产生原因有人体因素, 也有自行车结构因素. 疲劳和疼痛一般是由于部分肌肉
负担过大，骑车姿势不合适，以及体重对鞍座的体分压不合适等引 起的.另外,影响出力因素还有人的最大摄氧量 . 三、自行车设计结构要素分析
影响自行车性能的因素除了上述人的因素外 ，还有许多机械因素' 为了获得自行车较佳的性能 ，必须把人的因素和机械因素有机地 结合起来，以使人一车协调。
为此，以下分析与人体相关的结构要 素。
1. 速比
大小链轮的齿数比 ，与链轮直径比相一致
，一般控制在
2.3-4.0的范围内。
利用速比关系可取得骑行时所必要的功率和必 要的速度。
速比要合适，如果太小，无论人的肌力有多大，由于不能充 分提高转速，因此就得不到大的输出功率。
也由于比速小，在限定 的曲柄 转速下 , 得不到必要的骑行速度 , （ 后轮转速 ） 。
速比过大时
,
-----
车闸情况
三点的相互位
'、车轴距
离 车重 轮胎特性
凍比
要求的踏力也大, 容易使人疲劳。
为了保持不疲倦的持续骑行, 希望
肌肉的负担约为最大肌力的10%, 按此选择速比和曲柄转速, 可得到比较好的效果。
2. 曲柄长度
传统的自行车设计, 一般从杠杆原理考虑得较多, 对人研究少, 认为曲柄越长越有力。
但曲柄过长后, 为了不使脚踏碰到前泥板, 不得不加大中轴至前轴的距离（前心距）。
这样势必加长车架影响了正确的坐车姿势, 使人感到臀部痛。
若能按人的身长或下肢长来考虑曲柄长度, 则可使人省力和舒适。
一般曲柄长度的基准, 取人身长的1/10, 相当于大腿骨长的1/2 。
3. 三接点位置
正确的骑车姿势, 是由汽车人和自行车三个接点位置决定的, 如图中所示的鞍座位置A车把位置B、脚蹬位置C。
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
5cm。
1.鞍座位置
鞍座装得过低，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软无力；鞍座装得过高，骑行时腿部的肌肉拉得过紧，脚趾部分用力过多，双脚也容易疲劳。
骑车时适当的用力部位是脚掌。
设计或矫正按座位置高低最常见的方法，是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。
人体各部尺寸都有一定的联系，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。
行驶较快的车，鞍座位置要向前移动，行驶较慢的车，鞍座位置要向后移动，否则都不利于骑行，如下图所示。
2.车闸
设计时，闸把开挡、力率和闸把力要与人手的大小和握力相适应。
灵敏度高的车闸，随着闸把上力的增大，刹车力也按比例的增加。
如果闸把力到达某一程度不发生刹车作用，继而又骤然生效说明这种车闸设计不良。
在紧急情况下操纵时，理想的施闸力和减速度见下表
表1理想的施闸力和减速度
注：1g=9.8m/s
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四、人一车动态特性分析
1. 动态稳定性
自行车的稳定性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。
显然，稳定性对安全行驶是必不可少的特性。
1. 力学特性
自行车行驶在平地上转弯的条件是侧向力（于离心力平衡）与自行车总重量（人和车的重量）的合力作用线要经过轮胎与地面的接触点。
这当然与骑车人有关，但最重要的是自行车的造型要有适合这种力学特征的结构形式。
2. 转向特性
自行车转弯时可能有三种情况：
人体和车身向内倾的角度相等。
即骑车人身体的中心线贺车子的中
心线一致时，自行车就能够转弯，即所谓中倾旋转；骑车人的倾斜角比车子的倾斜角大时，此时的转弯即所谓内倾旋转；骑车人的倾斜角比车子的倾斜角小时，此时的转弯即所谓外倾旋转。
