产品工学基础-结构、人机分析.ppt

专题案例专题案例-自行车自行车结构分析、人机分析、产品发展史结构分析、人机分析、产品发展史学习目标: 通过对普通自行车通用结构的讲解，加强同学们对非动力交通工具的理解、设计的综合认识 ，从而提升自主设计的技能和水平。自行车的结构分析自行车产品机构自行车产品机构自行车是一种简单而精巧的机械，它可以使你更快到达自己想去的地方，自行车的所有组自行车是一种简单而精巧的机械，它可以使你更快到达自己想去的地方，自行车的所有组件都直接展现出来，没有盖板或金属壳把任何部件隐藏起来。件都直接展现出来，没有盖板或金属壳把任何部件隐藏起来。自行车的主要部件包括：自行车的主要部件包括：1.车架车架自行车的车架由金属管焊接而成。每根管都有一个名称，如图所示：自行车的车架由金属管焊接而成。每根管都有一个名称，如图所示： 前叉是可拆卸的车架部分，用于把持前轮前叉是可拆卸的车架部分，用于把持前轮2.车轮车轮车轮由轮毂、辐条、金属轮圈和橡胶轮胎组成。车轮由轮毂、辐条、金属轮圈和橡胶轮胎组成。3.车座座杆车座座杆4.车把和将车把与车架相连的把手柱车把和将车把与车架相连的把手柱5.曲柄和脚踏板曲柄和脚踏板6.车闸车闸由车把上的车闸把手、闸线、闸钳和闸皮组成由车把上的车闸把手、闸线、闸钳和闸皮组成7.链条和齿轮链条和齿轮由前链轮、后飞轮、前变速器、后变速器、车把上的变速杆和拉由前链轮、后飞轮、前变速器、后变速器、车把上的变速杆和拉线组成线组成二、自行车工作原理二、自行车工作原理自行车的车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等自行车的车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等25个部件中，其基本部件缺一不可。其中，车个部件中，其基本部件缺一不可。其中，车架是自行车的骨架，它所承受的人和货物的重量最大。按照各部件的工作特点，大致可将架是自行车的骨架，它所承受的人和货物的重量最大。按照各部件的工作特点，大致可将其分为导向系统、驱动系统、制动系统：其分为导向系统、驱动系统、制动系统：1.导向系统：由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。乘骑者可以通过操纵车把来导向系统：由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。乘骑者可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。改变行驶方向并保持车身平衡。2.驱动（传动或行走）系统：由脚蹬、中轴、链轮、曲柄、链条、飞轮、后轴、后驱动（传动或行走）系统：由脚蹬、中轴、链轮、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。人的脚的蹬力是靠脚蹬通过曲柄、链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动的，轮等部件组成。人的脚的蹬力是靠脚蹬通过曲柄、链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动的，从而使自行车不断前进。从而使自行车不断前进。3.制动系统：它由车闸部件组成、乘骑者可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、制动系统：它由车闸部件组成、乘骑者可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、停驶、确保行车安全。停驶、确保行车安全。行车的车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等行车的车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等25个部件中，其基本部件缺一不可。其中车架是个部件中，其基本部件缺一不可。其中车架是自行车的骨架、它所承受的人和货物的重量最大。自行车的骨架、它所承受的人和货物的重量最大。三、产品的构造以及产品结构、材料、工艺对设计的影响三、产品的构造以及产品结构、材料、工艺对设计的影响自行车的功能是供人骑乘，人与自行车相互运动，驱动车辆前进，构成了自行车的功能是供人骑乘，人与自行车相互运动，驱动车辆前进，构成了人人-车车系统。系统。自行车的人机分析1、车体部分：包括、车体部分：包括车架、前叉、车把、鞍座和前叉合件等，是自行车的主体。传动部分包括脚蹬、曲柄、链车架、前叉、车把、鞍座和前叉合件等，是自行车的主体。传动部分包括脚蹬、曲柄、链轮、链条、中轴和飞轮等，由人力踩动脚蹬，通过以上传动件带动车轮旋转，驱车前行。轮、链条、中轴和飞轮等，由人力踩动脚蹬，通过以上传动件带动车轮旋转，驱车前行。2、行动部分：即前后车轮、包括前后轴部件、辐条、轮辋（车圈）、轮胎等。、行动部分：即前后车轮、包括前后轴部件、辐条、轮辋（车圈）、轮胎等。3、安全装置：包括制动器（车闸）、车灯、车铃、反射装置等。、安全装置：包括制动器（车闸）、车灯、车铃、反射装置等。根据需要，还可增加一些附件，如支架、衣架、保险叉、挡泥板、气筒等。另外，装有变根据需要，还可增加一些附件，如支架、衣架、保险叉、挡泥板、气筒等。另外，装有变速机构的运动车、竞赛车、山地车等还装有变速控制器和前后拨链器等。速机构的运动车、竞赛车、山地车等还装有变速控制器和前后拨链器等。4、手脚双动力自行车的组成：在传统自行车的车架上增加了一个合金制成的盒子，盒子内、手脚双动力自行车的组成：在传统自行车的车架上增加了一个合金制成的盒子，盒子内包含着各种传动零件，通过力的相互作用，从而实现了手脚双动力，简单的推拉车把动作，包含着各种传动零件，通过力的相互作用，从而实现了手脚双动力，简单的推拉车把动作，从而实现用车把就能让车子前进，不仅省力，还能健身。从而实现用车把就能让车子前进，不仅省力，还能健身。1.前叉部分前叉部分自行车设计国家标准规定：车把前叉轴线与通过轮心的地面垂直线的交点到地面的距离不自行车设计国家标准规定：车把前叉轴线与通过轮心的地面垂直线的交点到地面的距离不小于轮半径的小于轮半径的15%，不大于轮半径的，不大于轮半径的60%。2.车把部分车把部分这是关系到操纵和制动性能的主要部件。例如山地车，车把的宽度以中青年男子的肩宽这是关系到操纵和制动性能的主要部件。例如山地车，车把的宽度以中青年男子的肩宽480mm，手掌宽度，手掌宽度100mm为参照，设计时考虑手掌中央与车把把套的中央为接触点，这为参照，设计时考虑手掌中央与车把把套的中央为接触点，这样可使整车受力平衡，具备安全可靠的操纵车把和刹车制动的有利条件。样可使整车受力平衡，具备安全可靠的操纵车把和刹车制动的有利条件。3.鞍座部分鞍座部分人处于坐姿状态时，由人体组织的解剖学特性可知，与鞍座紧密接触的是最能承受压力的人处于坐姿状态时，由人体组织的解剖学特性可知，与鞍座紧密接触的是最能承受压力的臀部的两块坐骨结节，时间久了便会感到疲劳，造成臀部疼痛。臀部的两块坐骨结节，时间久了便会感到疲劳，造成臀部疼痛。坐姿时坐骨结节承受大部分的身体重量，当座面接近水坐姿时坐骨结节承受大部分的身体重量，当座面接近水平状态时，位于坐骨结节外侧的股骨处于正常的位置平状态时，位于坐骨结节外侧的股骨处于正常的位置（如图（如图3a）而不会受到过分压迫使人觉得舒适；而当座）而不会受到过分压迫使人觉得舒适；而当座面呈斗型（凹式三角形）时，会时股骨因受到压迫而向面呈斗型（凹式三角形）时，会时股骨因受到压迫而向上转动（如上转动（如3b）并承受载荷，且还会使髋部肌肉受压从）并承受载荷，且还会使髋部肌肉受压从而引起不舒适感。而引起不舒适感。1）鞍座结构设计鞍座结构设计鞍座的设计应采用局部凹陷的结构以减少对骑乘者坐骨生殖区造成的压迫。鞍座的设计应采用局部凹陷的结构以减少对骑乘者坐骨生殖区造成的压迫。2）鞍座尺寸设计鞍座尺寸设计座面宽度：根据人体测量学，座面宽度：根据人体测量学，50%的人群盆骨的坐骨结节间距约为的人群盆骨的坐骨结节间距约为200220mm，在设计时还，在设计时还需加上适当的设计余量（需加上适当的设计余量（4060mm），以提高鞍座的舒适性，因此可确定普通休闲自行车的），以提高鞍座的舒适性，因此可确定普通休闲自行车的鞍座后端宽度为鞍座后端宽度为240280mm为宜。由于女性的髋骨要宽于男性，在鞍座设计时，女士自行车为宜。由于女性的髋骨要宽于男性，在鞍座设计时，女士自行车的鞍座宽度要比男性的宽一些。的鞍座宽度要比男性的宽一些。鞍座长度：据人体解剖学中人体解构尺寸可知，鞍座后端的长度应由坐姿状态下坐骨结节离臀鞍座长度：据人体解剖学中人体解构尺寸可知，鞍座后端的长度应由坐姿状态下坐骨结节离臀部后缘的距离（部后缘的距离（100120mm）确定，鞍座总长度则由坐姿时会阴处离臀部后缘的距离）确定，鞍座总长度则由坐姿时会阴处离臀部后缘的距离（160190mm）再加上适当余量确定。）再加上适当余量确定。3）材料选取材料选取坐垫材料是影响鞍座舒适性的重要因素之一，同时也是骑行过程中减震元件之一。一般采用硬坐垫材料是影响鞍座舒适性的重要因素之一，同时也是骑行过程中减震元件之一。一般采用硬质座面包覆软硬适中的坐垫材料，同时还考虑到其透气性、防水性等特征。柔软度适中的坐垫质座面包覆软硬适中的坐垫材料，同时还考虑到其透气性、防水性等特征。柔软度适中的坐垫材料，还可减少骑行路面不平整时所产生的震动冲材料，还可减少骑行路面不平整时所产生的震动冲击，起到一定的减震避震作用，进一步增强骑行舒适性。鞍座的面料可采用透气性较好的皮革击，起到一定的减震避震作用，进一步增强骑行舒适性。鞍座的面料可采用透气性较好的皮革材料以利于散热。材料以利于散热。4.车架车架车架是自行车的主要部件，它与车把、前叉和前后车轮连接，承载着骑车人的全部重量，分前车架是自行车的主要部件，它与车把、前叉和前后车轮连接，承载着骑车人的全部重量，分前三角和后三角两部分。车架的前后部分都应具有一定的刚性和弹性。从而确保不同的道路，安三角和后三角两部分。车架的前后部分都应具有一定的刚性和弹性。从而确保不同的道路，安全稳定的行驶。全稳定的行驶。车架的前三角部分：车架的前三角部分：上管、下管、立管组成了一个封闭的前三角，是决定骑行者操纵性能的主要部件。上管、下管、立管组成了一个封闭的前三角，是决定骑行者操纵性能的主要部件。车架的后三角部分：车架的后三角部分：立管的长度、角度决定鞍座的位置，其位置与曲柄的长度等因素决定了骑行动力立管的长度、角度决定鞍座的位置，其位置与曲柄的长度等因素决定了骑行动力的输出大小。决定输出效率的传动部分的输出大小。决定输出效率的传动部件由链轮和飞轮的的输出大小。决定输出效率的传动部分的输出大小。决定输出效率的传动部件由链轮和飞轮的大小即速比而定。大小即速比而定。自行车立管角度的大小，关系到骑行重心的位置和输出效力。角自行车立管角度的大小，关系到骑行重心的位置和输出效力。角度越大，即立管越往前倾，骑行速度越快。度越大，即立管越往前倾，骑行速度越快。多次实验得知：立管角如果大于多次实验得知：立管角如果大于80，结合人体工程学的原理，结合人体工程学的原理，骑行者的大腿骨、小腿骨的动作反而受到约束、动作不灵活、有骑行者的大腿骨、小腿骨的动作反而受到约束、动作不灵活、有效肌力难以发挥。因此，要以舒适出发、速度相结合的思路出发，效肌力难以发挥。因此，要以舒适出发、速度相结合的思路出发，依据实际情况选择角度问题。依据实际情况选择角度问题。据有关资料分析：当人呈水平状态，小腿与水平的大腿基本垂直，据有关资料分析：当人呈水平状态，小腿与水平的大腿基本垂直，而另一小腿能自然垂直于地面、此时的曲柄应转到呈而另一小腿能自然垂直于地面、此时的曲柄应转到呈60时用脚时用脚掌蹬力最舒适位置。掌蹬力最舒适位置。曲柄过长，会导致转弯时膝关节碰到车把，骑行发生困难，影响曲柄过长，会导致转弯时膝关节碰到车把，骑行发生困难，影响骑行者的输出性能。骑行者的输出性能。根据自行车国家标准：根据自行车国家标准：1、脚蹬面朝上放置时，自行车向一倾斜、脚蹬面朝上放置时，自行车向一倾斜25，脚蹬上的零部件不触及地面。，脚蹬上的零部件不触及地面。2、脚蹬中心与泥板转到任意、脚蹬中心与泥板转到任意角度时的间隔距离必须大于或等于角度时的间隔距离必须大于或等于89mm。选取曲柄为。选取曲柄为165mm170mm时为最适合，使骑行者即省力又舒适。时为最适合，使骑行者即省力又舒适。5.车轮部分车轮部分车轮部分分前轮和后轮，它是由前、后轴、辐条、内外胎组成，以承受自行车和骑行者的总车轮部分分前轮和后轮，它是由前、后轴、辐条、内外胎组成，以承受自行车和骑行者的总重量，并通过脚蹬驱动，推动车辆前进。重量，并通过脚蹬驱动，推动车辆前进。据有关资料介绍，脚踏力和车轮启动力距是据有关资料介绍，脚踏力和车轮启动力距是1：20。为了更好地发挥车轮的气动力，则要提。为了更好地发挥车轮的气动力，则要提高车轮部件的质量，就应选用高韧性、高弹性的轻质耐磨轮胎。高车轮部件的质量，就应选用高韧性、高弹性的轻质耐磨轮胎。案例：大型折叠自行车案例：大型折叠自行车优点：优点：(1) 好骑：把手、坐垫无须任何工具高低可自由调整，男女老幼，皆可乘骑。轮盘飞轮尺比好骑：把手、坐垫无须任何工具高低可自由调整，男女老幼，皆可乘骑。轮盘飞轮尺比加大，同等频率下，速度可等同或超过大轮径普通车辆，由于车身轻于普通的自行车，加大，同等频率下，速度可等同或超过大轮径普通车辆，由于车身轻于普通的自行车，骑行更加轻便。骑行更加轻便。(2) 好折：大行折叠车是市场上唯一能做到不需要任何工具在短时间内完全折叠的自行车，好折：大行折叠车是市场上唯一能做到不需要任何工具在短时间内完全折叠的自行车，折叠、展开仅需折叠、展开仅需10s。(3) 好收：折叠后方方正正，体积小，收藏方便。外观漂亮，可作为摆设。好收：折叠后方方正正，体积小，收藏方便。外观漂亮，可作为摆设。(4) 好用：休闲、运动皆适宜，也可作礼品赠送，放置汽车后行李箱，郊游时即可享受汽车好用：休闲、运动皆适宜，也可作礼品赠送，放置汽车后行李箱，郊游时即可享受汽车的便利，又可拥有大自然中骑行的乐趣。的便利，又可拥有大自然中骑行的乐趣。(5) 好提：比一般自行车轻。提上楼，上电梯，上公车，坐地铁，不费劲，是公共交通的最好提：比一般自行车轻。提上楼，上电梯，上公车，坐地铁，不费劲，是公共交通的最佳伴侣。佳伴侣。缺点：缺点：（1）结构强度不高。结构强度不高。（2）易被盗。易被盗。