基于人机工程学的健身踏步滑板车的设计与应用_图文

1、第31卷第5期2009年10月沈 阳 工 业 大 学 学 报Journal of Shenyang Un i v ersity of Tec hnologyV o l 131No 15Oct 12009文章编号:1000-1646(2009 05-0544-04基于人机工程学的健身踏步滑板车的设计与应用孙学雁, 王赫莹, 曹 辉(沈阳工业大学机械工程学院, 沈阳110870摘 要:为了解除踏板车在速度和使用人群上所受到的限制, 满足人们使用的需要, 基于人机工程学的原理和方法, 利用人体自身重力作为动力来源, 采用踩踏运动方式, 设计出结构简单的健身踏步滑板车. 该车传动装置主要由主轴系和联动

2、轴系组成, 通过链传动保证一定的工作行程和速度, 具有足够的强度和稳定性; 采用离合装置使主轴的运动灵活、可靠, 避免倒车不畅的问题. 实际应用表明, 该车弥补了传统滑板车和踏步机的不足, 集健身、休闲、娱乐于一体, 且操作方便, 安全可靠, 寿命长.关 键 词:人机工程学; 踏步; 滑板车; 离合装置; 传动装置中图分类号:TS 952 文献标志码:ADesign and app lica tion of fitness step sli d i ng p late veh i cle ba sed on ergono m icsS UN X ue 2yan, WANG H e 2y i n

3、 g , CAO H u i(Schoo l of M echan i ca l Eng i nee ri ng , Shenyang U niversity of T echnology , Shenyang 110870, Ch i naAbstr act :To avoi d the li m itation of sli d i n g plate vehic le i n t h e speed and user cr ow d , a fitness step sli d i n g plate vehic le w it h si m p l e structure w as d

4、e signed based on t h e princi p le and m ethod of ergonom ics . I n the designed veh icle , the grav ity of hu m an body was taken as the driving f orce and the treadi n g m ode w as adopted . The trans m issi o n device of the veh icle consists of the m ain sp i n d le and motion axes units . The

5、app li c ation of the cha i n trans m ission can ensure the operating stroke and speed as w ell a s suffic ient strength and stab ility . The app licati o n of the clutch device can ensure the flexible and re liable operation of t h e m a i n sp i n dle and can avoid the uns mooth reverse . The desi

6、gned veh i c le overcom es the d isadvantages of the trad itiona l scooter and stepper , and its operati o n is conven i e n, t safe and re li a ble . K ey w ord s :ergonom ics ; step ; sli d i n g p late vehic l e ; c l u tch dev ice ; trans m issi o n dev ice 近年来, 随着生活水平的不断提高, 健身、休闲、娱乐已成为人们追求的时尚,

7、各种相应的健身娱乐器械随之涌现1-2一种新型的健身运动器械为大众服务, 具有重要的实际意义.目前, 我国专利介绍的踏板自行车在制作和使用中存在诸多不当之处, 如用皮带轮传动, 极易变形和磨损, 使用寿命短, 且无法倒车, 车体平衡性差等. 经过分析和调研, 研发出了一款健身踏步滑板车. 健身踏步滑板车以人自身的重力作为动力来源, 与人有着十分密切的关系, 因此, 在健身踏步滑板车的设计与使用过程中, 包含着大量的7-8人机工程学问题.人机工程学把人的因素作为产品设计的重要. 滑板车作为时尚运动器械的代表受到广大青少年的青睐, 其作为极限运3-4动的一个分支更是风靡世界. 而新型的健身运动器械

8、$踏步机, 以其独特的使用方式和适中的运动量, 同样受到了健身人群广泛的欢迎5-6. 然而, 二者均存在一定的局限:前者在速度和适用人群上存在一定局限性; 后者的运动形式过于单一, 只能在室内使用. 因此, 将上述两种运动器械的性能有机结合起来, 保留其优点, 研制收稿日期:2009-01-28.基金项目:沈阳工业大学博士启动基金(521101302.作者简介:孙学雁(1957-, 男, 辽宁沈阳人, 副教授, 主要从事体育健身器材设计等方面的研究.条件和原则, 研究人2机2环境的相互作用, 以达到人2机2环境系统总体性能的最优化. 研究表明, 在设计和生产中应用人机工程学是必要和有效9的.

9、在这样一种人2机系统中, 人是核心因素, 踏步滑板车的设计应符合人的生理、心理特点. 将健身踏步滑板车置于人2机2环境系统中, 按人机工程学原理进行设计, 主要从传动系统和整体结构等方面探讨健身踏步滑板车的人机工程学设计问题, 以使健身踏步滑板车的设计更成熟, 使用者在操作时更方便、舒适.器上安装有销, 与轮盘上的孔对应, 常态时离合器在弹簧的压力下与轮盘销连接, 轮盘、后轴飞轮和后轮链条构成链传动. 联动轴固定在车架上, 且与中轴平行, 其上有联动套, 联动轴与联动套之间有联动轴承, 联动套上固定有左右链轮. 左右两根链条分别连接在左右踏板上, 经过各自飞轮、联动轴上的左右链轮, 左右两链条

10、的另一端分别固定在左右两链轮上, 不同的是左右两根链条经过左右飞轮后与左右链轮的连接方向相反. 离合器的作用是解决倒车的问题:拉动拨叉右移, 带动离合器1 结构设计111 总体结构设计健身踏步滑板车主要包括:车把、前轮、车体、左右踏板、传动装置和后轮, 如图1所示 .图1 健身踏步滑板车结构图F i g 11 Struc tur e char t of fitness step sli d i ng p la te veh i c le前轮与车把连接, 铰接在车架前部, 由车把控制踏步滑板车的转向, 后轮安装在车架的后部, 作为驱动轮. 车架中部安装左右两个踏板, 两踏板前端铰接在车架的踏板轴

11、上, 两踏板后端分别连接传动机构的左右两根链条上, 由传动机构后轮链条带动后轴飞轮驱动踏步滑板车前行. 传动机构安装在两踏板与后轮之间车架上, 由中轴系和联动轴系构成. 中轴系主要包括:左右链条、中轴、中轴套、左右飞轮、轮盘、离合器、弹簧和后轮链条; 联动轴系主要包括:联动轴、联动套和左右链轮. 中轴固定在车架上, 其上有中轴套, 中轴套与中轴之间有中轴轴承, 中轴套上由螺纹连接左右飞轮, 中轴套上右端空套轮盘, 而离合器与中轴套采用键连接, 实现离合器在中轴套上的左右滑动. 离合向右, 使离合器上的销脱离轮盘, 即可实现自由倒车. 该健身踏步滑板车采用双链轮链条, 结构简单合理, 传动平稳可

12、靠.112 车把及踏板结构设计健身踏步滑板车的使用者在立姿状态下使用, 为了使用者在使用时处于舒适的状态和适宜的环境中, 在设计时必须充分考虑人体立姿尺寸. 在车把及踏板结构设计时, 主要考虑车把高、宽及踏板位置的设计尺寸.车把高是车把与踏板面之间的垂直距离, 按人机工程学的要求应考虑立姿人体身高和肘高的尺寸. 正常成人男女人体主要尺寸按GB10000288标准进行选择, 如表1、2所示7. 考虑到不同的人都能在舒适的状态下使用, 车把高设计成可调节的, 其调节范围按成人女子肘高第10百分数值到成人男子肘高第95百分数值进行设计, 可调范围设计为:9201100mm.表1 我国成人男子1860

13、岁人体主要尺寸T ab 11 M a i n body size of 18to 60yea r s old C h i n eseadu lt m enmm 百分数151050909599206216220237253258268表2 我国成人女子1855岁人体主要尺寸T ab 12 M a i n body size of 18to 55yea r s old C h i n eseadu lt wo m enmm 百分数151050909599185193198213229234242车把宽是车把左、右扶手之间的水平距离, 按人机工程学的要求应考虑立姿人体最大肩宽尺寸. 为满足大多数使用

14、者需要, 肩宽以成人女子第95百分数值为设计依据, 同时考虑适当的活动空间, 车把宽设计为440mm.踏板定位尺寸是踏板中心与车把的垂直距离, 按人机工程学的要求应考虑人体前臂长的尺寸, 以成人女子第95百分数值为设计依据, 同时考虑余量, 踏板定位尺寸设计为240mm .图3 离合装置工作原理F ig 13 O per a ti n g pr i nc i p le of c l u tch device当离合开关复位时, 伸张的弹簧也复位, 从而带动拔叉复位, 使离合器与大链轮重新连接, 传动2 工作原理211 动力来源动力来源于人体自身的重力, 当使用者双脚交替踩踏滑板车左、右两踏板时,

15、 重心产生偏移, 从而实现重力势能与动能的连续转换, 以产生滑板车运动持续的驱动力, 人和车体便可向前连续稳定地滑行.212 传动装置工作原理在人体自身重力作用下拉动左(或中 链条向下运动, 然后经过两条路线传递运动:一条是通过左(或右 飞轮将运动传递给主轴, 再通过大链轮将运动传递给后轴, 从而驱动后轮前行; 另一条是通过左(或右 链轮将运动传递给联动轴, 再通过右(或左 链轮将运动传递给右(或左 飞轮. 由于左、中两根链条经过左、右飞轮后, 与左、右链轮的连接方向相反, 因而产生向上的拉力, 从而带动右(或左 踏板向上运动, 实现两个踏板的联动, 如图2所示 .图2 传动路线图F ig 1

16、2 Tr an s m issi on pa th213 离合装置工作原理离合装置主要解决因传动装置结构而造成的倒车不畅问题. 通过拉动离合开关, 使压缩弹簧伸张, 推动拨叉运动, 从而带动离合器运动, 使离合器上的销与大链轮脱离. 由于大链轮空套在主轴上, 因而传动装置失效, 可实现自由倒车, 如图3所示 .装置正常工作.3 传动机构设计311 传动装置设计传动装置主要由主轴系和联动轴系组成, 主轴系主要由主轴、主轴套、左飞轮、右飞轮、大链轮和离合器组成, 如图4所示. 主轴固定在车架上, 主轴套与左、右飞轮分别用螺纹连接, 大链轮空套在主轴套上, 离合器与主轴套用键连接, 并可在主轴套上左

17、右滑动. 离合器上安装销, 与大链轮上的孔对应, 二者通过销进行连接. 正常行使状态下, 离合器在弹簧的压力作用下与大链轮保持销连接, 大链轮、后轴飞轮和右链条构成链传动. 联动轴系主要由联动轴、联动轴套和左、右链轮组成, 如图5所示. 联动轴与主轴平行固定在车架上 ,图4 主轴系示意图F ig 14 Sche m a tic sp i nd le un it图5 联动轴系示意图F ig 15 Sch e m a tic m oti on axes un it左、右链轮固定在联动轴套上. 左、中两根链条一端分别连接在左、右踏板上, 经过左、右飞轮, 另一端反向分别固定在左、右链轮上.传动装置与

18、踏板、联动轴、后轴通过左、中、右3根链条进行连接.逆时针转动, 从而给整个车体以向前的驱动力. 同时, 左链条还有一条传递路线, 即带动左链轮逆时针旋转, 与其连接的右链轮也逆时针旋转; 右链轮上的中链条向下运动, 带动右飞轮顺时针旋转, 从而带动右踏板向上运动, 实现了一个踏板向下运动时另一个踏板向上运动, 即实现了两个踏板的联动. 这样使用者双脚交替踩踏滑板车左、右两踏板, 自如地上下运动, 人和车体便可获得连续稳定的动力, 就可以轻松地向前滑行了. 通过以上两条传递路线便实现了滑板车的两大工作行程, 即驱312 离合装置设计离合装置主要由离合器、拨叉、复位弹簧、离合开关和钢丝绳组成, 如

19、图6所示. 用车把上的闸线拉动拨叉, 使离合器上的销与大链轮分离, 实现大链轮在主轴套上的空转, 即可实现自由倒车 .图6 离合装置示意图F ig 16 Sche m a tic clutch d ev i ce4 传动过程传动过程如图7所示, 当左脚踩踏左踏板时(右脚踩踏右踏板同理, 靠人体自身重量使左踏板向下运动; 左踏板带动左链条向下运动, 从而带动左飞轮逆时针旋转; 左飞轮再带动主轴套逆时针旋转, 然后通过连接在主轴套上的离合器带动大链轮逆时针旋转; 大链轮通过链条将运动传递到后轴飞轮, 带动后轴逆时针旋转; 后轴带动后轮图7 传动过程示意图F i g 17 S chem a tic

20、tr ans m issi on process动后轮和踏板联动. 该车前后轮都装有车闸, 使人们使用时更加安全可靠.5 应用实例及特点按照上述工作原理和组成结构, 设计制造了一台健身踏步滑板车, 该车的主要技术参数如下:总重量:15kg外形尺寸:1400mm 500mm 900mm 速度范围:9. 3418. 46km /h(踩踏频率为60120次/mi n 转向半径:800mm.该健身踏步滑板车具有如下特点:1 使用范围广. 作为一种健身娱乐工具, 对使用者要求较低. 由于该滑板车采用人体自身重力作为车体运动的动力来源, 使用者双脚交替踩踏滑板车左右两踏板, 人和车体便可向前连续稳定地滑行

21、.2 传动平稳可靠. 传动机构采用双链轮链条结构, 简单合理, 传动平稳可靠, 使用方便, 寿命长.3 操作灵活. 离合装置的安装, 使得主轴的运动较为灵活, 实现了自由倒车.4 功能多. 健身踏步滑板车集健身、娱乐、代步功能于一体, 既保留了滑板车的轻便灵活、休闲娱乐的特点, 又具有踏步机健身的功能, 且运动幅度适中.6 结 语健身踏步滑板车为户外健身爱好者提供了一种有效的运动器械, 集健身、休闲、娱乐为一体. 健身踏步滑板车在运动和动力的传动机构上采用双链条传动, 使结构简单合理, 传动平稳可靠. 该车操作简便、外观新颖, 既保留了滑板车轻便灵活、休闲娱乐的特点, 又拥有踏步机健身的功能,

22、 而且可作为出行的交通工具.(下转第552页6Schoppne r V, L i m pe r A, R ubbel ke I , 等. 旋转分配法模具概念几何学研究C /第66届塑性工程协会年度学术会议. 美国:塑性工程协会, 2008:197-201.(Schoppner V, L i m per A, R ubbe l ke I , e t a. l D eve l op 2m ent of a die concep tw it h a rota ti ng d istr i but or geo m 2etry C /66thA nnua l Technical C onfe renc

23、e of the Soc i e ty of P lasti c s Engineers . USA:Soc iety of P lastics Eng i neers , 2008:197-201. (ZHAO X ia , FU Jian , YU L i ng , e t a. l App licati on of nu m erical si m u l a ti on i n auto m ob ile cover i ng parts form i ng proce ss J.Forg i ng &S ta m p i ng Technolo 2gy , 2006, 31(

24、1:18-20. 10梁忠伟, 马正元, 任建民. 逆向工程中自由曲面测量规划与重建研究J.沈阳工业大学学报, 2006, 28(1:11-13. (L I ANG Zhong 2w e, i MA Zheng 2yuan , R E N Ji an 2m i n . R esearch of curved surface m ea s ure m ent plan 27何金保, 孙东明, 肖阳, 等. DYNAFORM 2PC 在板料成形的应用J.昆明理工大学学报:理工版, 2004, 29(6:46-49.(HE Ji n 2bao , SUN D ong 2m i ng , X I AO

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