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1、人自行车系统设计案例分析一、 人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可以看成一个人机系统,且人是最主要的因素,该人机系统中人自行车的界面关系分析如下。人车界面关系 传动部分 支撑部分 接受 动力部分 工作部分链轮链条鞍座车架轮胎人车把前叉 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,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,以及他们间的相互关系,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
2、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.人的作用力是通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.
3、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,其他身体的能力与H、H*
4、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,骨骼的截面空气阻力速度脚长荷重臂长体重姿势 踏力 脚力 合成重心手的大小、握力视觉、平衡感觉身长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
5、的机械能.自行车脚蹬的转动就是通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,通过一定训练的人可提高到65N. 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,一般脚踏以60r/min节奏转动较为合适。设计时以这一常用速度来
6、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.此外,影响出
7、力因素还有人的最大摄氧量.3、 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,以使人车协调。为此,以下分析与人体相关的结构要素。路面状态车闸情况荷重车轴距离车重骑行阻力轮胎特性速比三点的相互位置车架结构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,所以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,
8、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。通常曲柄长度的基准,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
9、法,AB和AC约等,一般AB=AC3cm,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
10、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闸把施闸力/N相对握力/%减速度说明6035050010701000.1g0.6g0.8g控制下坡速度全刹车紧急刹车注：1g=9.8m/s2四、人车动态特性分析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通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,自行车就可以转弯,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。
