人機(jī)工程學(xué)在自行車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

人機(jī)工程學(xué)在自行車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用摘要：人機(jī)工程學(xué)是人體科學(xué)、工程技術(shù)、環(huán)境科學(xué)、安全科學(xué)和社會(huì)科學(xué)交叉形成的一門重要學(xué)科。它以人的生理、心理特征為依據(jù)，以提高人的工作、生活質(zhì)量為目的運(yùn)用系統(tǒng)工程、信息理論和工程技術(shù)的觀點(diǎn)和方法，研究人與機(jī)器，人與環(huán)境和機(jī)器與環(huán)境之間的相互關(guān)系，把人的因素作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要條件和原則，為機(jī)器設(shè)計(jì)成操作簡便、省力、安全。本文注重在人機(jī)工程的基礎(chǔ)上研究自行車的構(gòu)造，分析自行車的結(jié)構(gòu)，選擇最適合人騎行的自行車構(gòu)造體體系。關(guān)鍵字:人機(jī)工程學(xué)自行車系統(tǒng)設(shè)計(jì)人的因素人體工程學(xué)心理特征騎行姿勢(shì)人一機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)正文：人機(jī)工程學(xué)作為一門新興的學(xué)科，在認(rèn)真研究人，機(jī)，環(huán)境三要素自身特性的基礎(chǔ)上，科學(xué)地利用三要素之間的相互作用，相互依存的有機(jī)聯(lián)系來尋求系統(tǒng)的優(yōu)化。最重要的關(guān)鍵在于車體尺寸的大小，能否有效均勻地分散騎乘者的重量，同時(shí)又可保持良好的平衡。座墊要調(diào)整到正確的高度，曲柄要與地面平行，如此膝蓋下方突出的骨塊就會(huì)直接位于腳踏軸心的上方。背部應(yīng)該向前傾斜到至少45角，背部臀部及下背部強(qiáng)壯的臀肌才能在踩踏時(shí)有效施力。這種姿勢(shì)會(huì)使身體重量移至雙臂，此時(shí)手肘微微彎曲，手腕要打直，才能減緩行車時(shí)的震動(dòng)。在自行車的設(shè)計(jì)過程中，也或多或少產(chǎn)生了一些不符合人機(jī)工程學(xué)的問題，比如有一種比賽用的山地自行車沒有裝剎車，結(jié)果在某場比賽中發(fā)生碰撞，導(dǎo)致多人受傷；還有一些自行車設(shè)計(jì)得人車騎行設(shè)計(jì)不佳，造型結(jié)構(gòu)不夠美觀，出現(xiàn)諸多問題。因此我們有必要對(duì)自行車的具體結(jié)構(gòu)和人車系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析，從而使自行車的設(shè)計(jì)更人性化，合理化，也更加美觀，符合人的理想人車環(huán)境。一、人一自行車系統(tǒng)。組成自行車的功能是供人騎行，就發(fā)揮自行車的功能作用而言，把人看作自行車的組成部分是完全合理的。因此，人在騎車時(shí)組成了人一車系統(tǒng)，該人一車系統(tǒng)中的人一車界面關(guān)系可由下圖來進(jìn)行分析。人與支撐部件關(guān)系支撐部件主要有車架、前叉、鞍座和車把等，是自行車的構(gòu)架。支撐部分將其他零部件固定在相互間正確的位置上，保證自行車的整體性，實(shí)現(xiàn)自行車的功能。從人機(jī)關(guān)系來看，鞍座、車把和車架等的位置和大小，以及它們間的相互關(guān)系，與騎車人的位置和肌肉的動(dòng)作有著性的設(shè)計(jì)參數(shù)。人與動(dòng)力接受部件關(guān)系動(dòng)力接受部件主要是腳蹬和曲柄。動(dòng)力是靠騎車人的雙腳踩在腳蹬上，下肢運(yùn)動(dòng)的力使曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的。為了使人省力和有舒適感，必須在騎自行車人的體格和體力與自行車元件的尺寸關(guān)系上下功夫，即研究人體下肢肌肉的收縮運(yùn)動(dòng)與曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)之間的能量轉(zhuǎn)換問題。人與傳動(dòng)部件關(guān)系傳動(dòng)部件主要是滾珠、鏈條和鏈輪。人的作用力是通過鏈條和鏈輪傳動(dòng)而帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使自行車前移。傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要有較高的傳動(dòng)效率和可靠性，且有易操縱的變速機(jī)構(gòu)。保證較高的傳動(dòng)效率，才能使人用一定的肌力而獲得較大的輸出功率。人與工作部件關(guān)系工作部件就是車輪，即車圈、輪胎等。絕大部分輪胎是充氣的，少數(shù)是實(shí)心的。車輪一方面把騎車人的肌肉力量，有效地轉(zhuǎn)換為同地面接觸而向前運(yùn)動(dòng)的力；另一方面將騎車人的握力轉(zhuǎn)換為與接地部分所產(chǎn)生的剎車阻力。在設(shè)計(jì)自行車的各部分尺寸、車閘及變速器等時(shí)，應(yīng)該著眼于騎車人一動(dòng)力一傳動(dòng)一工作的連貫性，才可能設(shè)計(jì)出同騎車人手的大小或握力相適應(yīng)的閘把、剎車力適當(dāng)?shù)能囬l，才不會(huì)發(fā)生剎車阻力不夠而造成失誤現(xiàn)象。二、影響自行車性能的人體因素影響自行車性能的人體因素很多，如圖所示?，F(xiàn)主要分析下述幾點(diǎn)：

身長人在垂宜而內(nèi)配野身長人在垂宜而內(nèi)配野1.人的體格因素1.以身高H為基本因素，其他身體的能力與H成比例，并有與H2、H3成比例的特性。如手臂、腿、氣管等的長度與身高成比例，從而以骨關(guān)節(jié)為中心所產(chǎn)生的力矩、步幅等，都取決于H的大小。肌肉、大動(dòng)脈、骨骼的截面積以及肺泡的表面積等都可看成與H2成比例。肺活量、血液量、心臟容量等都可看成與H3成比例。體格對(duì)出力性能的影響，從理論上講，彈跳能力與H成比例，速度能力與H2成比例，作功能力和H3成比例。但實(shí)際上因每個(gè)人身體素質(zhì)不同，常有20%以上的偏差。人的下肢肌力自行車騎行的原動(dòng)力，主要是騎車人的下肢肌力。人騎車時(shí)，骨骼肌肉內(nèi)部的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為肌肉收縮的機(jī)械能。自行車腳蹬的轉(zhuǎn)動(dòng)就是通過腿肌收縮出力而完成的，一般說腿肌長的人比腿肌短的人有利。肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的力，一般與肌肉的截面積成比例，約為每平方厘米40--50N，通過一定訓(xùn)練的人可提高到65N。人的輸出功率人輸出的功率隨著騎車人的體格、體力、騎車姿勢(shì)、持續(xù)時(shí)間和速比等的變化而變化。一般成年男人的最大輸出功率約為0.7馬力（0.51kw），能持續(xù)10s左右。如果持續(xù)時(shí)間長，其值要小得多，持續(xù)lh，大約只有1.0-0.7馬力（0.07-0.15kw）。人的腳踏速度自行車運(yùn)動(dòng)是很有節(jié)奏的，其節(jié)奏常常與人的心臟節(jié)律保持一定關(guān)系。健康人的心臟跳動(dòng)為70次/min，一般腳踏以60r/min節(jié)奏轉(zhuǎn)動(dòng)較為合適。設(shè)計(jì)時(shí)以這一常用速度來確定相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。人的平衡機(jī)能騎車人本身的平衡機(jī)能是影響自行車性能的重要因素，如果缺少平衡機(jī)能，哪怕是運(yùn)動(dòng)性能很好的自行車也不能平穩(wěn)行駛；若人有很好的平衡機(jī)能，卻可掩蓋自行車設(shè)計(jì)上的某些缺陷6.人的手和握力影響剎車性能的人的因素主要是人的手和握力，男性和女性，成年人和兒童，手的大小和握力都不相同。據(jù)試驗(yàn)，為了長時(shí)間施閘而不致使手有疼痛的感覺，希望只用最大握力的10%左右便能得到必要的減速度。人的疲勞人體疲勞和疼痛是對(duì)騎車出力性能的不利因素，其產(chǎn)生原因有人體因素，也有自行車結(jié)構(gòu)因素。疲勞和疼痛一般是由于部分肌肉負(fù)擔(dān)過大，騎車姿勢(shì)不合適，以及體重對(duì)鞍座的體壓分體不合適等引起的。此外，影響出力因素還有人的最大攝氧量。人的視覺人在垂直平面內(nèi)的最大視區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)線以上50°和標(biāo)誰視線以下70°。在一般狀態(tài)下，站立時(shí)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°，在松馳狀態(tài)下，站著和坐著的自然視線偏離標(biāo)準(zhǔn)視線分別為30°和38°,觀看展示物最佳視區(qū)在低于標(biāo)準(zhǔn)視線30區(qū)域內(nèi)。三、自行車設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要素分析影響自行車性能的因素除了上述人的因素外，還有許多機(jī)械因素。為了獲得自行車較佳的性能，必須把人的因素與機(jī)械因素有機(jī)地結(jié)合起來，以使人一車協(xié)調(diào)。為此，著重分析與人體相關(guān)的結(jié)構(gòu)要素。速比大小鏈輪的齒數(shù)比，與鏈輪直徑比相一致，一般控制在2.3-4.0的范圍內(nèi)。利用速比關(guān)系可取得騎行時(shí)所必要的功率和必要的速度。速比要合適，如果太小，無論人的肌力有多大，由于不能充分提高轉(zhuǎn)速，所以就得不到大的輸出功率。也由于速比小，在限定的曲柄轉(zhuǎn)速下，得不到必要的騎行速度（后輪轉(zhuǎn)速）。速比過大時(shí)，要求的踏力也大，容易使人疲勞。曲柄長度傳統(tǒng)的自行車設(shè)計(jì)，一般從杠桿原理考慮比較多，對(duì)人研究少，認(rèn)為曲柄越長越有力。曲柄過長后，為了不使腳蹬碰到前泥板，不得不加大中軸至前軸的距離（前心距）。這樣勢(shì)必加長車架，影響了正確的坐車姿勢(shì)，使人感到臀部痛。若能按人的身長或下肢長來考慮曲柄長度，則可使人省力和舒適。通常曲柄長度的基準(zhǔn)，取人體身長的1/10，也相當(dāng)于大腿骨長的1/2。三接點(diǎn)位置正確的騎車姿勢(shì)，是由騎車人和自行車三個(gè)接點(diǎn)位置決定的。鞍座位置鞍座裝得過低，騎行時(shí)雙腳始終呈彎曲狀態(tài)，腿部肌肉得不到放松，時(shí)間長了就會(huì)感到疲軟無力；鞍座裝得過高，騎行時(shí)腿部的肌肉拉得過緊，腳趾部分用力過多，雙腳也容易疲勞。騎車時(shí)適當(dāng)?shù)挠昧Σ课皇悄_掌。設(shè)計(jì)或校正鞍座位置高低最常用的方法，是使手臂的腋窩部位中心緊靠鞍座中部，使手的中指能觸到裝配鏈輪的中軸心為宜。人體各部尺寸都有一定的聯(lián)系，只要腋窩中心至中指的長度確定下來，鞍座高度便可大致確定。行駛較快的車，鞍座位置要向前移動(dòng)，行駛較慢的車，鞍座位置要向后移動(dòng)，否則都不利于騎行。車閘設(shè)計(jì)時(shí)，閘把開擋、力率和閘把力要與人手的大小和握力相適應(yīng)。靈敏度高的車閘，隨著閘把上力的增大，剎車力也按比例地增加。如果閘把力到達(dá)某一程度不發(fā)生剎車作用，繼而又驟然生效，說明這種車閘設(shè)計(jì)不良。四、人一車動(dòng)態(tài)特性分析動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性自行車的穩(wěn)定是行駛過程中的穩(wěn)定，是一種動(dòng)態(tài)平衡的穩(wěn)定性。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性影響到自行車騎行中的動(dòng)作，包括直進(jìn)穩(wěn)定性和前后左右方向的穩(wěn)定性，見圖1-5（a）。顯然，穩(wěn)定性對(duì)安全行駛是必不可少的特性。力學(xué)特性自行車行駛在平地上轉(zhuǎn)彎的條件是側(cè)向力（與離心力平衡）與自行車總重量（人和車的重量）的合力作用線要通過輪胎與地面的接觸點(diǎn)。這當(dāng)然與騎車人有關(guān)，但更重要的是自行車的造型要有適合這種力學(xué)特征的結(jié)構(gòu)形式。轉(zhuǎn)向特性自行車轉(zhuǎn)彎時(shí)可能有三種情況：人-車系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性人體和車身向內(nèi)傾的角度相等。即騎車人身體的中心線和車子的中心線一致時(shí)，自行車就可以轉(zhuǎn)彎，即所謂中傾旋轉(zhuǎn)，見圖（b）；騎車人的傾斜角比車子的傾斜角大時(shí)，此