人機(jī)工程學(xué)課程論文—自行車騎姿分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)

1、課 程 論 文人 機(jī) 工 程 學(xué)自行車騎姿分析與改進(jìn)設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 教 師 學(xué) 院 名 稱專業(yè)及班級(jí)提 交 日 期答 辯 日 期年月目 錄1概述32與自行車騎姿相關(guān)的因素分析32.1車把與鞍座之間的相對(duì)位置32.2鞍座與腳踏之間的相對(duì)位置42.3鞍座42.4中軸43 現(xiàn)行騎姿人機(jī)特性分析53.1蹬踏運(yùn)動(dòng)53.2休閑車騎姿54 自行車騎姿的改進(jìn)設(shè)計(jì)64.1鞍座64.2中軸與鞍座之間的相對(duì)位置64.3把手與鞍座之間的相對(duì)位置74.4設(shè)計(jì)計(jì)算方法75設(shè)計(jì)實(shí)例106結(jié)束語(yǔ)101概述自行車騎姿是由騎乘者與自行車的把手、鞍座以及腳踏板的相對(duì)位置來(lái)決定的。騎乘者的手、臀部、腳在車上的相對(duì)位置決定了騎行的舒適程

2、度和騎行的效率。從人機(jī)工程學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，要提高自行車騎行時(shí)的舒適性，應(yīng)該合理定位把手、鞍座以及腳踏板三者之間的位置，讓騎行者在騎行過(guò)程中身體各部位盡可能處于自然狀態(tài)。車架是自行車的骨架，在很大程度上決定了自行車的結(jié)構(gòu)和性能，進(jìn)而決定了自行車的騎姿和騎行舒適性?，F(xiàn)在的車架設(shè)計(jì)多采用經(jīng)驗(yàn)法，即以現(xiàn)有的車型為參考來(lái)確定車架的關(guān)鍵參數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行形態(tài)創(chuàng)新。這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的車架延續(xù)了以往的騎姿，未能真正做到設(shè)計(jì)以人為本。本文從人體尺寸、動(dòng)作范圍以及運(yùn)動(dòng)生理等方面出發(fā)，改進(jìn)設(shè)計(jì)影響騎姿的三大部件之間的相對(duì)位置。改進(jìn)后的騎姿在身體各部分之間進(jìn)行合理的功能分配，腳踩踏板驅(qū)動(dòng)自行車前行，臀部和腰支撐上體的體重，

3、手操縱把手控制前行方向。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的車架設(shè)計(jì)能提高騎行的舒適度。2與自行車騎姿相關(guān)的因素分析正確的騎姿可以提高騎行效率，使騎行不易產(chǎn)生不適和疲勞，同時(shí)還能降低危險(xiǎn)發(fā)生的幾率。騎姿設(shè)計(jì)是自行車設(shè)計(jì)工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。與自行車騎姿相關(guān)的因素主要有：2.1車把與鞍座之間的相對(duì)位置車把與鞍座之間的相對(duì)位置決定了騎乘者上半身的姿勢(shì)。車把過(guò)低會(huì)使騎行者的上肢承受很大的靜壓，時(shí)間稍長(zhǎng)手臂和手掌易發(fā)生疲勞，同時(shí)過(guò)低的上身也會(huì)壓迫腹部，但力容易傳遞到車。提高車把高度可使背部彎曲度變淺，可以避免對(duì)腹部的壓迫，但力不易傳遞到前輪。從生物力學(xué)角度來(lái)看，當(dāng)人體脊柱處于非自然彎曲狀態(tài)時(shí)，會(huì)引起椎間盤壓力改變，致使腰

4、部疼痛。所以良好的騎姿應(yīng)使騎乘者脊柱接近正常形態(tài)。在腰部增加適當(dāng)?shù)目勘晨梢愿纳仆尾渴芰?，維持脊柱的正常形態(tài)，并有利于腿部蹬力的發(fā)揮。2.2鞍座與腳踏之間的相對(duì)位置鞍座與腳踏之間的相對(duì)位置直接影響蹬踏方式，由鞍座相對(duì)中軸軸心的位置和曲柄長(zhǎng)度決定。鞍座相對(duì)中軸軸心的位置是決定下肢肌肉群的肌力能否有效利用的一個(gè)關(guān)鍵，即是影響踏力和踏速能否獲得最佳配合的關(guān)鍵。鞍座的位置由鞍座的高度和坐管傾角共同決定。鞍座的高度與胯高關(guān)系緊密。大的坐管傾角使騎乘者重心靠前，有利于高速騎行，但不能長(zhǎng)時(shí)間騎行。曲柄長(zhǎng)度決定了大腿骨的運(yùn)動(dòng)角度和有關(guān)肌肉群的收縮程度。過(guò)長(zhǎng)的曲柄將引起肌肉的過(guò)度伸長(zhǎng)和過(guò)度縮短。曲柄過(guò)短將使寶貴的

5、肌肉收縮力不能被充分利用。此外，曲柄的長(zhǎng)度還直接影響合理的踏速?，F(xiàn)在有兩種比較流行的確定曲柄長(zhǎng)度的方法，一種是從股骨的頂端到地面距離的18.5%為所需曲柄的長(zhǎng)度，還有一種是取為身高的1/10。2.3鞍座當(dāng)人坐在坐墊上時(shí)，與坐墊接觸最緊密的是坐骨結(jié)節(jié)。坐骨結(jié)節(jié)處是人體最能承受壓力的部位，在這兩個(gè)點(diǎn)周圍約250mm2范圍承受人體約70%的重量，其受力情況如圖1。車座后端寬度過(guò)小就會(huì)使坐骨結(jié)節(jié)處于鞍座邊緣或緊貼邊緣的位置，導(dǎo)致身體重量落到會(huì)陰上。適當(dāng)加寬車座后端，有助于增大坐骨結(jié)節(jié)與坐墊的接觸面積，充分發(fā)揮坐骨結(jié)節(jié)承載能力，使壓力遠(yuǎn)離控制會(huì)陰血液的血管和神經(jīng)。圖1 坐姿下的坐面力分析2.4中軸 中軸

6、是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)承受騎車者的部分體重。中軸高度應(yīng)根據(jù)自行車的使用環(huán)境來(lái)決定，高中軸自行車適用于凹凸不平的路面，低中軸自行車在失控時(shí)具有更大的穩(wěn)定性。3 現(xiàn)行騎姿人機(jī)特性分析3.1蹬踏運(yùn)動(dòng)假定蹬踏力F豎直向下，如圖2所示，當(dāng)踏板處于最高位置A 和最低位置C 時(shí)，蹬踏力F通過(guò)中軸軸心，此時(shí)力臂d 為零，力矩M=F×d 也為零，F(xiàn)不做功，無(wú)法驅(qū)動(dòng)自行車前行。位置A和C分別為上死點(diǎn)和下死點(diǎn)。從A點(diǎn)到C點(diǎn)，蹬踏力F可分為F1（與曲柄垂直）與F2（沿曲柄軸線）兩個(gè)分力。分力F2通過(guò)中軸軸心，力矩等于零，只有F1做功。此時(shí)，力矩M=F1×d。因此，要獲得更大的力矩，就應(yīng)該增大F1。由此可

7、知，要提高騎行效率，腳的用力方向應(yīng)盡量與曲柄垂直。在實(shí)際騎行過(guò)程中，蹬踏力的方向不斷改變，蹬踏上死點(diǎn)和下死點(diǎn)的位置不一定在最高點(diǎn)和最低點(diǎn)處，它們主要由鞍座和腳蹬之間的位置決定。 圖2 蹬踏運(yùn)功的受力分析 圖3 休閑車騎姿3.2休閑車騎姿圖3為休閑車常見(jiàn)騎姿。在這種騎姿下騎行者上體稍向前傾，前傾的騎姿改變脊柱的自然彎曲為后凸，時(shí)間一長(zhǎng)容易引起背部酸疼。手臂除了控制行進(jìn)方向外，還要承受部分體重，靜態(tài)受力加速了手臂及肩關(guān)節(jié)的疲勞。落在鞍座上的體重由會(huì)陰和臀部共同承擔(dān)，為了防止騎乘者從鞍座上滑下，鞍座通常向后仰一定角度，這導(dǎo)致會(huì)陰與鞍座之間的摩擦加劇，危害騎乘者的健康。由人機(jī)工程學(xué)可知，人在垂直平面內(nèi)

8、顏色辨別界限在標(biāo)準(zhǔn)視線以上30°和標(biāo)準(zhǔn)視線以下40°，站立時(shí)人的自然視線低于標(biāo)準(zhǔn)視線10°，坐著時(shí)低于標(biāo)準(zhǔn)視線15°。所以在這種騎姿下騎乘者脖子需后仰20°30°以看清道路。4 自行車騎姿的改進(jìn)設(shè)計(jì)由人機(jī)工程學(xué)知，在肢體活動(dòng)的最大角度范圍內(nèi)存在一個(gè)舒適的調(diào)節(jié)范圍，是指人體處于某種姿勢(shì)時(shí)對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)處于舒適的調(diào)節(jié)范圍。舒適調(diào)節(jié)范圍對(duì)人機(jī)界面的工效設(shè)計(jì)影響甚大。在自行車騎姿設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以人體尺寸為基礎(chǔ)，以蹬踏的用力階段關(guān)節(jié)處于舒適的活動(dòng)范圍為出發(fā)點(diǎn)，來(lái)確定影響騎姿的三個(gè)部件之間的相對(duì)位置，以提高騎行的舒適性。具體的設(shè)計(jì)參數(shù)為圖4中的。圖4 自行

9、車設(shè)計(jì)參數(shù)4.1鞍座座面稍向后傾，可防止騎乘者從鞍座上滑下，同時(shí)使得人體與腰靠的接觸面積增大，騎乘者的上體體重由鞍座和腰靠來(lái)承擔(dān)，減小對(duì)手臂的壓力，體重由鞍座和腰靠來(lái)承擔(dān)，減小對(duì)手臂的壓力，讓騎乘者感覺(jué)更安穩(wěn)。工作椅座面傾角一般小于3°，實(shí)際計(jì)算時(shí)可取2°?？勘撑c座面的夾角小于90°會(huì)讓騎乘者腹部受壓，太大會(huì)讓人處于松弛狀態(tài)，容易釀成交通事故，綜合考慮可取靠背與座面的夾角為98°。這個(gè)角度既可以使上體略向后傾，人體重量由鞍座和靠背共同來(lái)支撐，同時(shí)可保持脊柱的正常自然形態(tài)和良好的視野。4.2中軸與鞍座之間的相對(duì)位置中軸與鞍座之間的相對(duì)位置由圖4中的H和T來(lái)

10、確定。其中A為坐骨結(jié)節(jié)與鞍座的接觸點(diǎn)，B為把手抓握的中心點(diǎn)。根據(jù)大腿、小腿的尺寸以及讓各關(guān)節(jié)在蹬踏的工作階段處于舒適角度范圍內(nèi)可以計(jì)算出中軸與鞍座之間的相對(duì)位置。4.3把手與鞍座之間的相對(duì)位置把手與鞍座之間的相對(duì)位置由圖4中的M和N來(lái)確定。根據(jù)上肢的尺寸和舒適的手臂姿勢(shì)可以計(jì)算出把手與鞍座之間的相對(duì)位置范圍。4.4設(shè)計(jì)計(jì)算方法假定座面的后傾角為2°，靠背與座面的夾角為98°。如圖5所示，首先假設(shè)手、腳和軀干都是剛性結(jié)構(gòu)。為中軸軸心，為曲柄的軸線。為曲柄長(zhǎng)度，為大腿長(zhǎng)度，為為脛骨點(diǎn)高加修正量再加上腳蹬厚度的一半。為軀干軸線與大腿軸線間的夾角，為大腿軸線與小腿軸線間的夾角，為大

11、腿軸線之間的夾角，為與垂直線之間的夾角，軀干軸線與水平線之間的夾角為。在騎自行車的時(shí)候，騎乘者的上體幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)，大腿在一定的角度范圍內(nèi)擺動(dòng)，腳繞中軸軸心做圓周運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)小腿運(yùn)動(dòng)。由此，下肢可簡(jiǎn)化成由組成的四桿機(jī)構(gòu)，其中固定。 圖5 蹬踏用力的主要階段 圖6 處于上死點(diǎn)的下肢示意圖在從上死點(diǎn)到下死點(diǎn)的過(guò)程中，當(dāng)腳處于上死點(diǎn)時(shí)，如圖6 所示，取得最小值，取得最小值；當(dāng)曲柄與共線時(shí)，取得最大值；當(dāng)腳處于下死點(diǎn)時(shí)，取得最大值。與自行車騎乘相關(guān)的人體關(guān)節(jié)舒適角度為：肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)。如圖6死點(diǎn)時(shí)，膝關(guān)節(jié)取得最小值，即，可求得L最小值。 （1）如圖7曲柄與共線時(shí)，膝關(guān)節(jié)取得最大值即，可求得L

12、最大值。 （2）在圖6的中，當(dāng)L取時(shí)，取得最大值；當(dāng)L取時(shí)，取得最小值。 （3）當(dāng)踏板處于上死點(diǎn)時(shí)，大腿與上體之間的夾角為最小值，取為95°可避免壓迫腹部，由上式求得的的最大值和最小值帶入下式可求得和。 （4）進(jìn)而確定T和H （5）（65為大腿厚度一半） （6）按GB 3565-93自行車安全要求，處于最高位置時(shí)的把套上端面和處于最低位置是的鞍座面之間的垂直距離不應(yīng)超過(guò)，即。自行車車架的上管上，在鞍座和鞍座前處之間不應(yīng)有突出物，考慮到鞍座的尺寸，取。 圖7 取得最大值時(shí)的下肢 圖8 上肢各關(guān)節(jié)示意圖在圖8中為坐姿肩高，為上臂長(zhǎng)，為前臂功能長(zhǎng)，可由肘高減去受功能高得到。取得最小值時(shí)，當(dāng)

13、上臂與下臂在一條直線上時(shí)，取得最小值。將代入式（7）求得，再把代入式（8）可計(jì)算得： （7） （8）取得最大值時(shí)，當(dāng)上臂與下臂在一條直線上時(shí)，取得最大值。將代入式（9）求得，再把代入式（10）可計(jì)算得： （9） （10）5設(shè)計(jì)實(shí)例以50%男性的人體測(cè)量數(shù)據(jù)為例來(lái)計(jì)算調(diào)整后的鞍座、中軸、把手之間的相對(duì)位置。取、。將代入式（1），可得。將代入式（2），可得。將代入式（3），可得。將代入式（3），可得。將代入式（4），可得。將代入式（4），可得。將代入式（5），可得；代入式（6），可得。將代入式（5），可得；代入式（6），可得。將代入式（7），可得，再將代入式（8），可得。將代入式（9），可得，再將代入式（10），可得。得計(jì)算結(jié)果為：取值范圍為；取值范圍為；取值范圍為；取值范圍為。通過(guò)驗(yàn)證，當(dāng)在以上各自的取值范圍內(nèi)取值時(shí)，各關(guān)節(jié)都在與自行車騎乘相關(guān)的人體關(guān)節(jié)舒適角度范圍內(nèi)。6結(jié)束語(yǔ)本文結(jié)合與騎姿相關(guān)的因素，分析討論了現(xiàn)有騎姿人機(jī)特性，給出了重新確定了中軸、鞍座、把手之間的相對(duì)位置的方法。調(diào)整后的騎姿在騎行過(guò)程中各關(guān)節(jié)處于舒適的角度范圍內(nèi)；鞍座設(shè)計(jì)可防止騎乘者從鞍座上滑下，上體的體重由鞍座和靠背來(lái)支撐，減少對(duì)會(huì)陰的壓力以及手的負(fù)擔(dān)，手操縱行駛方向，腳踩踏板驅(qū)動(dòng)自行車，各部分分工明確