自行车人机关系分析报告及改进方案

1、自行车人机关系分析报告及改进放方案导论人机关系是研究人的特性及工作条件与机器相匹配的科学。它把人和机器视为一个有机结合的系统，指出 机器应该具有什么样的条件才能使人付出适宜的代价后可获得整个系统的最佳效益。人机工程学不仅涉及 到工程技术理论，还涉及到人体解剖学、生理学、心理学以及劳动卫生学等。认真研究这门科学，可以创 造出最佳设计和最适宜的条件，使人机实现高度协调统一，形成高效、经济、安全的有机系统。1人机匹配与人机系统总体设计人机匹配是指人的特性与机器特性的适当配合。在人机系统中，人是系统的主体，机器是人创造出来 的，机器当然应该适应人的特点。如操作空间应与人体外形测量尺寸相适应；操作机构应与人的形体和最 佳用力范围相适应，指示仪表及信号应适合人的视觉、听觉和触觉的常规要求等。操纵机构是人将信息传给机器的工具。因为人输出信息的部位（口、手、足等）不同和操作要求不同, 所以操作机构的种类也很多。在设计时要考虑机器的动作方向、阻力、速度和安全等因素。如果操纵机构 的运动方向与被控制对象的运动方向及仪表显示方向保持一致，操作就会准确及时；也可简化培训过程， 改善调节的速度和精度，并减少事故

2、。 操纵机构存在摩擦、弹性、粘性和惯性等阻力是必要的，这可以 产生“操纵直接感觉”，使操作连贯，减少振动和过载造成的干扰，保证操作控制的准确性。控制动作分为行程调节和微量调节。行程调节可使控制器迅速接近所需位置。微量调节则使控制器准 确地置于所需位置。设计时应使操纵机构与仪表显示的位移有合适的比率。在仪表指示设计中，视觉显示装置最多。人的正常视距为46cm71cm，视角为3941。仪表应设 置在操作者正面视野内，最佳视距为50cm55cm;重要仪表不得超出40视角的范围，常用仪表必须在3 0视角内。仪表高度最好与眼睛相平，上下视线在1045范围内。指针刻度间距摆角不得小于10，指 针的宽度为1.0mm2.5mm，并应贴近刻度盘表面，以减少误差。当有多个仪表并列时，其正常位置变化 所对应的指针方向应该相同，闪光信号不要太多，闪光频率以0.67Hz1.67Hz为宜。由于作为人机系统主体的人有易出错误的特性，除通过训练提高其可靠性外，在操作机构和指示仪表 设计中还需采取安全措施，以防偶然错失而造成严重后果。预防方法很多，常用的有顺序自锁、锁定、阻 尼、槽卡、定向、定位等物理方法。综上所述，以

3、装运设备为例，当总体设计时就应考虑以下几点：1.60m1.90m身高的驾驶员操作 位置有最佳选择，既有合适的操作空间，也有足够的自由空间；转向机构、液压操纵杆、制动器和踏板 等操作机构的排列布置，对于驾驶员应是最方便、最舒适的区域；应有与机器性能相适应的操作特性和 制动力最佳值范围，为改善操作进程，可配备导向辅助装置；操作者的脚、头、手臂各部位有足够的运 动空间，坐姿应符合人体解剖学和生理学特点；减少机器的振动性及对操作者的噪声危害，要降低和控 制振动源和噪声源的强度，必要时可采取个人防振和防噪措施；在操作者所期望的最佳视野，要使视线 不被大体积货载遮挡，必要时可偏置操作者及助手的座位。应特别指出，良好的视野状况意味着操作工作的安全可靠性，也关系到操作者的舒适程度。图1所示为H20型叉车根据人机工程学确定的最佳操作位置。2人机结合和人机功能分配人与机器的结合形式，依复杂程度不同可分为“劳动者一工具”、“操作者一机器”、“监控者一自动机图 1H20型叉车的操作位置器”和“监督者-智能机器”等几种。机器的自动化和智能化使其操纵复杂程度提高， 对操作者提出了严格要求，操作者的人体功能限制也对

4、机器设计提出了特殊要求。人机结合的原则改变了 传统的只考虑机械性能的设计思想，提出了同时考虑人与机器两方面因素、以获取最佳技术经济效果的设 计思想。人体的功能动作具有对称性及协调性。操作动作的设计应使操作简便、连贯、协调和省力。在人机系 统中，岗位设计要同人机界面设计结合起来。岗位设计主要应考虑工作空间、工作姿势、座椅型式、工作 台面、照明及工具安放位置等合理性；人机界面设计主要应考虑控制装置集中方便、仪器显示明显、人机 信息交换迅速及时等。通过人机结合的合理设计，可以有效地提高人机系统效率。通过对人体特性和机器特性的权衡分析，将人机系统的不同功能恰当地分配给人或机器，称为功能分 配。功能分配是提高人机系统效率的关键，例如设计时应考虑人的姿势不同，所能付出的力量也不同；拉 力大于提力，提力大于握力，膝部屈曲160时蹬力最大（人腿输出力值分布见图2）。此外还应考虑人体 无条件反应时间为0.1s0.15s等。纵观人类机械设计史可知，造成产品与人体能力之间不甚一、人一自行车系统组成自行车的功能是供人骑行，就发挥自行车的功能作用而言，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

5、了人一车系统，该人一车系统中的人一车界面关系可由图 1-1来进行分析。1. 人与支撑部件关系图1-1人-车界 面关 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，以及它们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的 动作有着性的设计参数。2. 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。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。4 .人与工作部件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

6、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 着眼于骑车人一动力一传动一工作的连贯性，才可能设计出同骑车人手的大小或握力相适应的 闸把、刹车力适当的车闸，才不会发生刹车阻力不够而造成失误现象。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很多，如图1-2所示。现主要分析下述几点：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成比例，并有与H2、H3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、 步幅等，都取决于H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H2 成比例。肺活量、血液量、心脏容量等都可看成与H3成比例。体格对出力性能的影响，从理 论上讲，弹跳能力与H成比例，速度能力与H2成比例，作功能力和H3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 化学能转换为肌肉收缩的机械能。自行车脚

7、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。身长图1-2影响自行车性 能的人体因素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(0.51 kw )，能持续10s左右。 如果持续时间长，其值要小得多，持续lh，大约只有1.0-0.7马力(0.07-0.15kw)。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，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。6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， 手的大小和握力都不相同。据试验，为了长时间施闸

8、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 鞍座的体压分体不合适等引起的。此外，影响出力因素还有人的最大摄氧量。三、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1-3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，以使人一车协调。为此， 着重分析与人体相关的结构要素。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。也由于速比小，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，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

9、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1/10，也相当于大腿骨长的1/2。3 三接点位置正确的骑车姿势，是由骑车人和自行车三个接点位置决定的，如图1 -4（a ）中所示的鞍 座位置A、车把位置B、脚蹬位置C。按三点调整法，AB和AC约等，一般AB = （ AC 一 3 ） cm , A点略低于B点，约为5cm。荷重车重速比三点的相互拉置轮胎特性车闸情况车轴距离一骑行阻力路面状态车架结构图1-3影响自行车的机 械因素4 .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，如图1-4 ( b )、( c )所示。5 .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。在紧急情况下操纵时，理想的施闸力和减速度见表1-1。图1-4自行设计的结构要素表1-1理想的施闸力和减速度闸把施闸力/N相对握力减速度

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