人机工程学 自行车课件

1、自行车设计中人机工程学案例分析自行车设计中人机工程学案例分析 自行车的简单介绍自行车的简单介绍自行车简介 自行车，又称脚踏车或单车，通常是二轮的小型陆上车辆。人骑上车后，以脚踩踏板为动力，是绿色环保的交通工具。英文bicycle或bike的bi意指二，而cycle意指轮。在日本称为“自耘车”；在中国大陆、台湾、新加坡，通常称其为“自行车”或“脚踏车”；在港澳则通常称其为“单车”。有单人自行车，还有双人或多人自行车。 自行车的系统结构 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

2、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、牙盘、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，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、停驶、确保行车安全。 此外，为了安全和美观，以及从实用出发，还装配了车灯，支架，车铃等部件。 自行车系统结构图自行车的分类健身自行车健身自行车山地自行车山地自行车旅行自行车旅行自行车自行车的分类死飞自行车死飞

3、自行车多人自行车多人自行车折叠自行车折叠自行车第一节人和自行车系统第一节人和自行车系统人和自行车系统 组成自行车的功能是供人骑行，就发挥自行车功能作用而言，把人看作自行车的组成部分是完全合理的。因此，人在骑车时组成了人一车系统，该人一车系统中的人一车界面关系可由图来进行分析。 本节大纲本节大纲1.1 人与支撑部件关系人与支撑部件关系 1.2 人与动力接受部件关系人与动力接受部件关系1.3 人与传动部件关系人与传动部件关系 1.4 人与工作部件关系人与工作部件关系1.1 1.1 人与支撑部件关系人与支撑部件关系支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等，支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等，是自行

4、车的构架。支撑部分将其他零部件固定是自行车的构架。支撑部分将其他零部件固定在相互间正确的位置上，保证自行车的整体性，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、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，以及它们间的相车把和车架等的位置和大小，以及它们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着密互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着密不可分的关系。不可分的关系。1.2 1.2 人与动力接受部件关系人与动力接受部件关系动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力是靠骑车人的动力接受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

5、力使曲柄转动而产生的。双脚踩在脚蹬上，下肢运动的力使曲柄转动而产生的。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，即研究人体下体力与自行车元件的尺寸关系上下功夫，即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问题。肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换问题。 1.3 人与传动部件关系人与传动部件关系传动部件主要是滚珠、链条和链轮。传动部件主要是滚珠、链条和链轮。 人的作用力是通过链条和链轮传动人的作用力是通过链条和链轮传动 而带动后轮转动，从而使自行车前而带动后轮转动，从而使自行车前 移。传动部分的

6、设计关键是要有较移。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。保证较高的传动效纵的变速机构。保证较高的传动效 率，率，才能使人用一定的肌力而获得才能使人用一定的肌力而获得 较大较大的输出功率。的输出功率。1.4 人与工作部件关系人与工作部件关系 工作部件就是车轮，即车圈、轮胎等。绝大工作部件就是车轮，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，有效地转换为同方面把骑车人的肌肉力量，有效地转换为同地面接触而向前运动的力；另一方面将骑车地面接触而向前运动的力；另

7、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，应该着眼于骑车人一动力一传动速器等时，应该着眼于骑车人一动力一传动一工作的连贯性，才可能设计出同骑车人手一工作的连贯性，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而造成失误车闸，才不会发生刹车阻力不够而造成失误现象。现象。第二节 影响自行车性能的人体因素影响自行车性能的人体因素影响自行车性能的人体因素影响自行车性能的人体因素很多，如图所示。

8、 本节大纲本节大纲2.1 人的体格因素人的体格因素 2.2 人的下肢肌力人的下肢肌力2.3 人的输出功率人的输出功率2.4 人的脚踏速度人的脚踏速度2.5 人的平衡机能人的平衡机能2.6 人的手和握力人的手和握力2.7 人的疲劳人的疲劳2.1 2.1 人的体格因素人的体格因素以身高以身高 H H 为基本因素，其他身体的能力与为基本因素，其他身体的能力与 H H 成比例，成比例，并有与并有与H2H2、 H3H3成比例的特性。如手臂、腿、气管等成比例的特性。如手臂、腿、气管等的长度与身高成比例，从而以骨关节为中心所产生的力矩、的长度与身高成比例，从而以骨关节为中心所产生的力矩、步幅等，都取决于步幅

9、等，都取决于H H的大小。肌肉、大动脉、骨骼的截面的大小。肌肉、大动脉、骨骼的截面积以及肺泡的表面积等都可看成与积以及肺泡的表面积等都可看成与 H2H2成比例。肺活量、成比例。肺活量、血液量、心脏容量等都可看成与血液量、心脏容量等都可看成与 H3H3成比例。体格对出力成比例。体格对出力性能的影响，从理论上讲，弹跳能力与性能的影响，从理论上讲，弹跳能力与H H成比例，速度能成比例，速度能力与力与 H2H2成比例，作功能力和成比例，作功能力和 H3H3成比例。但实际上因每个成比例。但实际上因每个人身体素质不同，常有人身体素质不同，常有2020以上的偏差。以上的偏差。2.2 2.2 人的下肢肌力人的

10、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换为肌肉收缩的机骑车时，骨骼肌肉内部的化学能转换为肌肉收缩的机械能。自行车脚蹬的转动就是通过腿肌收缩出力而完械能。自行车脚蹬的转动就是通过腿肌收缩出力而完成的，一般说腿肌长的人比腿肌短的人有利。肌肉收成的，一般说腿肌长的人比腿肌短的人有利。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，约为每平方厘米平方厘米40-50N 40-50N ，通过一定训练的人可提高到，通过一定训练的人可提高到65N 65N 。2.3 2.3 人

11、的输出功率人的输出功率人输出的功率随着骑车人的体格、体力、骑车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成年男人的最大输出功率约为 0.7 0.7 马力马力（ 0.51 kw ) 0.51 kw ) ，能持续，能持续 10s10s左右。如果持续左右。如果持续时间长，其值要小得多，持续时间长，其值要小得多，持续 lh lh ，大约只有，大约只有 1.0-0.71.0-0.7马力（马力（0.07-0.15kw0.07-0.15kw）。）。2.4 2.4 人的脚踏速度人的脚踏速度自行车运动是很有节

12、奏的，其节奏常常与人的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心脏节律保持一定关系。健康人的心脏跳动为70 70 次次min min ，一般脚踏以，一般脚踏以 60r/min 60r/min 节奏转动节奏转动较为合适。设计时以这一常用速度来确定相关较为合适。设计时以这一常用速度来确定相关设计参数。设计参数。2.5 2.5 人的平衡机能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稳行驶；若人有很好的很好的自行车

13、也不能平稳行驶；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。平衡机能，却可掩盖自行车设计上的某些缺陷。2.6 2.6 人的手和握力人的手和握力影响刹车性能的人的因素主要是人的手和握力，影响刹车性能的人的因素主要是人的手和握力，男性和女性，成年人和儿童，手的大小和握力男性和女性，成年人和儿童，手的大小和握力都不相同。据试验，为了长时间施闸而不致使都不相同。据试验，为了长时间施闸而不致使手有疼痛的感觉，希望只用最大握力的手有疼痛的感觉，希望只用最大握力的1010左左右便能得到必要的减速度。右便能得到必要的减速度。2.7 2.7 人的疲劳人的疲劳人体疲劳和疼痛是对骑车出力性能的不利因素，人

14、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。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压分体不车姿势不合适，以及体重对鞍座的体压分体不合适等引起的。此外，影响出力因素还有人的合适等引起的。此外，影响出力因素还有人的最大摄氧量。最大摄氧量。第三节自行车设计结构要素分析第三节自行车设计结构要素分析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，如图所示。为了获得自行车较佳的性能，必须把人的因素与机械因素有机地结合起来

15、，以使人一车协调。为此，着重分析与人体相关的结构要素。本节大纲本节大纲3.1 速比速比3.2 曲柄长度曲柄长度3.3 三接点位置三接点位置3.4 鞍座位置鞍座位置3.5 车闸车闸3.1 3.1 速比速比 大小链轮的齿数比，与链轮直径比相一致，一般控制在大小链轮的齿数比，与链轮直径比相一致，一般控制在2.3-4.02.3-4.0的范围内。速比要合适，如果太小，无论人的肌的范围内。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，所以就得不到大的输力有多大，由于不能充分提高转速，所以就得不到大的输出功率。也由于速比小，在限定的曲柄转速下，得不到必出功率。也由于速比小，在限定的曲柄转速

16、下，得不到必要的骑行速度。速比过大时，要求的踏力也大，容易使人要的骑行速度。速比过大时，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，肌肉的负担约为最大疲劳。为了保持不疲倦的持续骑行，肌肉的负担约为最大肌力的肌力的10% 10% ，按此选择速比和曲柄转速，可得到比较好的，按此选择速比和曲柄转速，可得到比较好的效果。效果。3.2 3.2 曲柄长度曲柄长度传统的自行车设计，一般从杠杆原理考虑比较多，对人传统的自行车设计，一般从杠杆原理考虑比较多，对人研究少，认为曲柄越长越有力。曲柄过长后，为了不使脚研究少，认为曲柄越长越有力。曲柄过长后，为了不使脚蹬碰到前泥板，不得不加大中轴至前轴的距离

17、（前心距）。蹬碰到前泥板，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。通常曲柄长度的基准，取人体身长的人省力和舒适。通常曲柄长度的基准，取人体身长的 1 110 10 ，也相当于大腿骨长的，也相当于大腿骨长的 1 12 2 。3.3 3.3 三接点位置三接点位置正确的骑车姿势，是由骑车人和自行车三个接点位置决正确的骑车姿势，是由骑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定的，如

18、图中所示的鞍座位置 A A 、车把位置、车把位置B B 、脚蹬位、脚蹬位置置C C 。按三点调整法，。按三点调整法，AB AB 和和AC AC 约等，一般约等，一般 AB = ( AC AB = ( AC 一一 3 ) cm , A3 ) cm , A点略低于点略低于B B点，约为点，约为5cm 5cm 。 3.4 3.4 鞍座位置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；鞍座装得过高，骑行时腿部的肌肉拉得过得不到放松；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，双脚容易疲劳。骑车时适当的紧，脚趾部分用力过

19、多，双脚容易疲劳。骑车时适当的用力部位是脚掌。设计或校正鞍座位置高低最常用的方用力部位是脚掌。设计或校正鞍座位置高低最常用的方法，是使手臂的腋窝部位中心紧靠鞍座中部，使手的中法，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，鞍座位置向后移动，否则都不利于动，行驶较慢的车，鞍座位置向后移动，否则都不利于骑行骑行正确鞍座位置正确鞍座位置合适座垫高度的调节合适座垫高度的调节3.5 3.5 车闸车闸设计时，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，刹车力也按比例地增加。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。正确的车闸使用在紧急情况下操纵时，理想的施闸力和减速度见下表第四节人和车动态特性分析第四节人和车动态特性分析本节大纲本节大纲4.1 动态稳定性动态稳定性4.2 力学特性力学特性4.3 转向特性转向特性4.1 4.1 动态稳定性动态稳定性自行车的稳定是行驶过程中的