自行车的人机工程学研究26873.docx

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1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.自行车的人机工程学研究摘要：未来的城市交通应是洁净、快速便捷的轨道交通为主，公交及自行车为辅，轿车及出租车适量控制的可持续发展的交通模式。自行车交通在未来的交通系统中应起到越来越重要的作用。关键词：人体；自行车；机械；特性前言自行车是真真正的绿绿色交通通工具，自自行车是是现有的的最清洁洁方便的的交通工工具。它它与其他他交通工工具相比比有以下下优点：它的价价格低廉廉，养护护和维修修都较简简单，而而且受地地域限制制小，使使用也比比其他交交通工具具简单得得多。1自

2、行车系系统组成自行车车的功能能是供人人骑行，就就发挥自自行车的的功能作作用而言言，把人人看作自自行车的的组成部部分是完完全合理理的。因因此，人人在骑车车时组成成了人一一车系统统，该人人一车系系统中的的人一车车界面关关系可由由图1-1来进进行分析析。 1.1人与与支撑部部件关系系 图1-11 人-车界面面关系 支撑部件主主要有车车架、前前叉、鞍鞍座和车车把等，是是自行车车的构架架。支撑撑部分将将其他零零部件固固定在相相互间正正确的位位置上，保保证自行行车的整整体性，实实现自行行车的功功能。从从人机关关系来看看，鞍座座、车把把和车架架等的位位置和大大小，以以及它们们间的相相互关系系，与骑骑车人的的

3、位置和和肌肉的的动作有有着性的的设计参参数。1.2人与与动力接接受部件件关系动力接接受部件件主要是是脚蹬和和曲柄。动动力是靠靠骑车人人的双脚脚踩在脚脚蹬上，下下肢运动动的力使使曲柄转转动而产产生的。为为了使人人省力和和有舒适适感，必必须在骑骑自行车车人的体体格和体体力与自自行车元元件的尺尺寸关系系上下功功夫，即即研究人人体下肢肢肌肉的的收缩运运动与曲曲柄转动动之间的的能量转转换问题题。1.3人与与传动部部件关系系传动部件主主要是滚滚珠、链链条和链链轮。人人的作用用力是通通过链条条和链轮轮传动而而带动后后轮转动动，从而而使自行行车前移移。传动动部分的的设计关关键是要要有较高高的传动动效率和和可靠

4、性性，且有有易操纵纵的变速速机构。保保证较高高的传动动效率，才才能使人人用一定定的肌力力而获得得较大的的输出功功率。1.4人与与工作部部件关系系工作部部件就是是车轮，即即车圈、轮轮胎等。绝绝大部分分轮胎是是充气的的，少数数是实心心的。车车轮一方方面把骑骑车人的的肌肉力力量，有有效地转转换为同同地面接接触而向向前运动动的力；另一方方面将骑骑车人的的握力转转换为与与接地部部分所产产生的刹刹车阻力力。在设设计自行行车的各各部分尺尺寸、车车闸及变变速器等等时，应应该着眼眼于骑车车人一动动力一传传动一工工作的连连贯性，才才可能设设计出同同骑车人人手的大大小或握握力相适适应的闸闸把、刹刹车力适适当的车车闸

5、，才才不会发发生刹车车阻力不不够而造造成失误误现象。2影响自行行车性能能的人体体因素影响自行车车性能的的人体因因素很多多，如图图1-22 所示示。现主主要分析析下述几几点：2.1人的的体格因因素 以以身高 H 为为基本因因素，其其他身体体的能力力与 HH 成比比例，并并有与HH2、 H33成比例例的特性性。如手手臂臂、腿、气气管等的的长度与与身高成成比例，从从而以骨骨关节为为中心所所产生的的力矩、步步幅等，都都取决于于H的大小小。肌肉肉、大动动脉、骨骨骼的截截面积以以及肺泡泡的表面面积等都都可看成成与 HH2成比比例。肺肺活量、血血液量、心心脏容量量等都可可看成与与 H33成比例例。体格格对出

6、力力性能的的影响，从从理论上上讲，弹弹跳能力力与H成比例例，速度度能力与与 H22成比例例，作功功能力和和 H33成比例例。但实实际上因因每个人人身体素素质不同同，常有有20以以上的偏偏差。2.2人的的下肢肌肌力 自自行车骑骑行的原原动力，主主要是骑骑车人的的下肢肌肌力。人人骑车时时，骨骼骼肌肉内内部的化化学能转转换为肌肌肉收缩缩的机械械能。自自行车脚脚蹬的转转动就是是通过腿腿肌收缩缩出力而而完成的的，一般般说腿肌肌长的人人比腿肌肌短的人人有利。肌肌肉收缩缩时产生生的力，一一般与肌肌肉的截截面积成成比例，约约为每平平方厘米米40-500N ，通通过一定定训练的的人可提提高到665N 。 图1-

7、22 影响响自行车车性能的的人体因因素2.3人的的输出功功率 人人输出的的功率随随着骑车车人的体体格、体体力、骑骑车姿势势、持续续时间和和速比等等的变化化而变化化。一般般成年男男人的最最大输出出功率约约为 00.7 马力（ 0.551 kkw ) ，能能持续 10ss左右。如如果持续续时间长长，其值值要小得得多，持持续 llh ，大大约只有有 1.0-00.7马马力（00.077-0.15kkw）。2.4人的的脚踏速速度 自自行车运运动是很很有节奏奏的，其其节奏常常常与人人的心脏脏节律保保持一定定关系。健健康人的的心脏跳跳动为770 次次miin ，一一般脚踏踏以 660r/minn 节奏奏转

8、动较较为合适适。设计计时以这这一常用用速度来来确定相相关设计计参数。2.5人的的平衡机机能 骑骑车人本本身的平平衡机能能是影响响自行车车性能的的重要因因素，如如果缺少少平衡机机能，哪哪怕是运运动性能能很好的的自行车车也不能能平稳行行驶；若若人有很很好的平平衡机能能，却可可掩盖自自行车设设计上的的某些缺缺陷。2.6人的的手和握握力 影影响刹车车性能的的人的因因素主要要是人的的手和握握力，男男性和女女性，成成年人和和儿童，手手的大小小和握力力都不相相同。据据试验，为为了长时时间施闸闸而不致致使手有有疼痛的的感觉，希希望只用用最大握握力的110左左右便能能得到必必要的减减速度。2.7人的的疲劳 人人

9、体疲劳劳和疼痛痛是对骑骑车出力力性能的的不利因因素，其其产生原原因有人人体因素素，也有有自行车车结构因因素。疲疲劳和疼疼痛一般般是由于于部分肌肌肉负担担过大，骑骑车姿势势不合适适，以及及体重对对鞍座的的体压分分体不合合适等引引起的。此此外，影影响出力力因素还还有人的的最大摄摄氧量。3自行车设设计结构构要素分分析 影响响自行车车性能的的因素除除了上述述人的因因素外，还还有许多多机械因因素，如如图1-3所示示。为了了获得自自行 车较较佳的性性能，必必须把人人的因素素与机械械因素有有机地结结合起来来，以使使人一车车协调。为为此，着着重分析与人体相相关的结结构要素素。3.1速比比 大大小链轮轮的齿数数

10、比，与与链轮直直径比相相一致，一一般控制制在2.3-44.0的的范围内内。利用用速比关关系可取取得骑行时所所必要的的功率和和必要的的速度。速速比要合合适，如如果太小小，无论论人的肌肌力有多多大，由由于不能能充分提提高转速速，所以以就得不不到大的的输出功功率。也也由于速速比小，在在限定的的曲柄转转速下，得得不到必必要的骑骑行速度度（后轮轮转速）。速速比过大大时，要要求的踏踏力也大大，容易易使人疲疲劳。为为了保持持不疲倦倦的持续续骑行，希望肌肌肉的负负担约为为最大肌肌力的110% ，按此此选择速速比和曲曲柄转速速，可得得到比较较好的效效果。3.2曲柄柄长度传统的自行行车设计计，一般般从杠杆杆原理考

11、考虑比较较多，对对人研究究少，认认为曲柄柄越长越越有力。曲曲柄过长后，为为了不使使脚蹬碰碰到前泥泥板，不不得不加加大中轴轴至前轴轴的距离离（前心心距）。这这样势必必加长车车架，影影响了正正确的坐坐车姿势势，使人人感到臀臀部痛。若若能按人人的身长长或下肢肢长来考考虑曲柄柄长度，则则可使人人省力和和舒适。通通常曲柄柄长度的的基准，取取人体身身长的 110 ，也相相当于大大腿骨长长的 112 。3.3三接接点位置置正确的的骑车姿姿势，是是由骑车车人和自自行车三三个接点点位置决决定的，如如图1-4(aa）中所所示的鞍鞍座位置置 A 、车把把位置BB 、脚脚蹬位置置C 。按按三点调调整法，AB 和AC

12、约等，一般 AB = ( AC 一 3 ) cm , A点略低于B点，约约为5ccm 。 图1-3 影响自自行车的的机械因因素3.4鞍座座位置鞍座装得过过低，骑骑行时双双脚始终终呈弯曲曲状态，腿腿部肌肉肉得不到到放松，时时间长了了就会感感到疲软软无力；鞍座座装得过过高，骑骑行时腿腿部的肌肌肉拉得得过紧，脚脚趾部分分用力过过多，双双脚也容容易疲劳劳。骑车车时适当当的用力力部位是是脚掌。设设计或校校正鞍座座位置高高低最常常用的方方法，是是使手臂臂的腋窝窝部位中中心紧靠靠鞍座中中部，使使手的中中指能触触到装配配链轮的的中轴心心为宜。人人体各部部尺寸都都有一定定的联系系，只要要腋窝中中心至中中指的长长

13、度确定定下来，鞍鞍座高度度便可大大致确定定。行驶驶较快的的车，鞍鞍座位置置要向前前移动，行行驶较慢慢的车，鞍鞍座位置置要向后后移动，否否则都不不利于骑骑行，如如图1-4 ( b ）、（ c ）所所示。3.5车闸闸设计时，闸闸把开挡挡、力率率和闸把把力要与与人手的的大小和和握力相相适应。灵灵敏度高高的车闸闸，随着着闸把上力的增大大，刹车车力也按按比例地地增加。如如果闸把把力到达达某一程程度不发发生刹车车作用，继继而又骤骤然生效效，说明明这种车车闸设计计不良。在在紧急情情况下操操纵时，理理想的施施闸力和和减速度度见表11-1 。 图1-44自行设设计的结结构要素素 表1-11理想想的施闸闸力和减减

14、速度闸把施闸力力/N相对握力%减速度说明6035005000107011000.1g00.6gg0.88g控制下坡速速度全刹刹车紧急急全刹车车注：g=99.8mm/s224人一车动动态特性性分析4.1动态态稳定性性自行车车的稳定定是行驶驶过程中中的稳定定，是一一种动态态平衡的的稳定性性。动态态稳定性性影响到到自行车车骑行中中的动作作，包括括直进稳稳定性和和前后左左右方向向的稳定定性，见见图 11-5(a）。显显然，稳稳定性对对安全行行驶是必必不可少少的特性性。4.2力学学特性 自行行车行驶驶在平地地上转弯弯的条件件是侧向向力（与与离心力力平衡）与与自行车车总重量量（人和和车的重重量）的的合力作

15、作用线要要通过轮轮胎与地地面的接接触点。这这当然与与骑车人人有关，但但更重要要的是自自行车的的造型要要有适合合这种力力学特征征的结构构形式。4.3转向向特性 自行行车转弯弯时可能能有三种种情况： 图1-55 人-车系统统动态特特性 人人体和车车身向内内倾的角角度相等等。即骑骑车人身身体的中中心线和和车子的的中心线线一致时时，自行行车就可可以转弯弯，即所所谓中倾倾旋转，见见图1-5(bb) ；骑车人人的倾斜斜角比车车子的倾倾斜角大大时，此此时的转转弯即所所谓内倾倾旋转，见见图（cc）；骑骑车人的的倾斜角角比车子子的倾斜斜角小时时，此时时的转弯弯即所谓谓外倾旋旋转，见见图(dd)。 参考文献：1赵江江洪编译译.普通人人体工程程学.长沙：湖南科科学技术术出版社社，199882吴宗宗泽主编编.机械结结构设计计.北京：机械工工业出版版社，1198883许喜喜华编.工业造造型设计计.杭州：浙江大大学出版版社，1199114卢玉玉明编.机械零零件的可可靠性设设计.北京：高等教教育出版版社，1198335（美美）E.J.豪豪格等著著.使用最最优设计计.郁永熙熙等译.北京：科学出出版社，19856（美美）D.J.奥奥博尼著著.人类工工程学及及其应用用.岳从风风，孙仁仁佳译.北京：科学普普及出版版社，119888