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1、安全人机工程课程设计-自行车的设计 摘要:自行车是目前最流行、最便捷的交通工具之一,本着低碳环保的特点,越来越成为人们青睐的对象。本设计就是要运用安全人机工程学的相关知识对自行车的设计进行安全分析评价,为自行车设计提供参考,使自行车更加安全舒适,造福人群。关键词:自行车、低碳环保、安全人机工程学、安全分析评价、设计Abstract Bicycle is the most popular, the most convenient means of transport, in the low carbon environmental protection characteristics, is b
2、ecoming more and more popular object. This design is to use safety ergonomics knowledge of the bicycle design safety analysis and evaluation for the bicycle, to provide a reference for design, make the bike more safe and comfortable, to benefit the people.Key wards Bicycle、Low-carbonlife、Safety Ergo
3、nomics、Safety analysis and evaluation、Design目录0 前言11 课题简介11.1课题现状与问题11.2研究目的与意义12 自行车的结构尺寸13 坐垫23.1坐垫的人机关系23.2坐垫的人机评价33.3坐垫的优化设计44 车把54.1车把的人机关系54.2车把的人机评价54.3车把的优化设计55 车架65.1车架的人机关系65.2车架的人机评价65.3车架的优化设计76 脚蹬与曲柄76.1脚蹬与曲柄的人机关系76.2脚蹬与曲柄的人机评价77 结束语9参考文献90 前言 在现代提倡“低碳、绿色、环保”的口号下,自行车在冷淡了一段时期后重新成为了时代的潮流。
4、在现今这个机动车横行,环境受到污染的时代,自行车作为一种环保、节能兼锻炼身体的交通工具,越来越受到人们的青睐。随着原来越多的人使用自行车,自行车各方面的安全问题也成了人们关心的重点。 人们骑着自行车出行,自然希望是一路平安,不能在关键时候“掉链子”,在锻炼的同时保障安全。虽然,现代大多数的交通安全事故和隐患都是与人的违规操作和失误有关,但也不排除交通工具本身所存在的设计缺陷。1 课题简介 1.1课题现状与问题 随着交通工具的普及,街道上、马路上随处可见机动车的踪影,而自行车凭借其轻便与灵巧可以在拥堵的道路上可以行动自如,也因此越来越多的人出行选择自行车。而自行车本身作为一种环保的交通工具在设计
5、上却不尽如人意,很多的人买不到适合自己的自行车,虽其也起到了锻炼的目的,但不合理的设计会给人体带来伤害。 1.2研究目的与意义 安全人机工程学是从安全的角度和着眼点出发,运用人机工程学的原理和方法,去解决系统中人机结合面的安全问题的一门新兴科学。其研究的内容包括:1、研究人机系统中人的各种特性2、研究人机功能分配3、研究各类人机界面4、研究工作场所和作业环境5、研究安全装置6、研究人员选拔问题7、研究人机系统的可靠性,保证人机系统的安全8、研究人机系统整体安全性设计准则和方法以及安全性评价体系和方法(摘自安全人机工程学)。目的就是保障人安全、舒适、高效地生产生活。因此在自行车的设计过程中,我们
6、可以充分利用人机安全工程的原理和方法,设计出人车配合良好的自行车,极大满足人对车各方面的要求,消除自行车本身的缺陷,降低人的操作失误率,达到舒适、安全、高效的目的。2 自行车的结构尺寸 自行车主要由支撑部件(车架、前叉、鞍座、车把)、动力接受部件(脚蹬和曲柄)、滚动部件(车轮)、传动部件(滚珠、链条、链轮)等部件组成。具体测量数据如下: 表2-1 实测数据数据项数据单位(mm)车把宽530把手直径27刹车把手最大距离95刹车把手角度0坐垫宽240脚蹬宽度68脚蹬离地距离110脚蹬挡泥板最近距离150曲柄长度190轮胎外径485轮胎内径3953 坐垫 3.1坐垫的人机关系 骑车时,人与自行车接触
7、在三个部位:车把,脚踏板,坐垫。坐垫是接触人的最重要的部分,不同的骑行姿势需要的身体重心变化也和坐垫密切相关。如上坡、过弯、过障碍等臀部会随着身体重心变化,坐垫上前后的移动,不断的转髋。人体臀部组织在坐垫上的分布如图3-1所示。 图3-1 人体臀部组织在坐垫上的分布 其次,坐垫固有的角度和高度都对人体的臀部受力强度和受力分布有很大的影响,坐姿时坐垫上的体压分布如图3-2所示。 图3-2 坐姿时坐垫上的体压分布 以正确姿势骑车(图3-3)的前提下,坐姿时坐骨结节承受大部分的身体重量, 图3-3 正确骑车姿势臀部的受力前部是会阴,后部是坐骨,当座面接近水平状态时,位于坐骨结节外侧的股骨处于正常的位
8、置(如图3-4a)而不会受到过分压迫使人觉得舒适;而当座面呈斗型(凹式三角形)时,会时股骨因受到压迫而向上转动(如图3-4b)并承受载荷,会产生非常大的压强,压迫到毛细血管,影响了血液循环,且还会使髋部肌肉受压从而引起不舒适感。 图3-4 不同座面时股骨受力分析图 3.2坐垫的人机评价 此车的坐垫为一般传统式坐垫,首先,坐垫的高度和角度是可以自行调节,这样有利于不同的人根据不同的人体尺寸在多种骑行条件下调整以得到舒适的骑行姿势,减少缓解疲劳的产生。其次,其传统形式的坐垫相对于符合人体工效学的坐垫来说显得短而宽,对坐骨及髋骨的压迫较大,特别是会阴部的压力很大,会使正常的血液循环受到影响。加之其对
9、大腿内侧肌肉的摩擦,会使骑行者导致疼痛和擦伤。 对于符合人体尺寸参数的坐垫来说,应该能够尽量减轻会阴部的压力,使会阴部能够得到充分缓压而不至于运动伤害;且坐垫软硬适中,既能够保证使用时间,又能够保证坐骨与坐垫的接触面积,缓解坐骨承受的压力。重要的是根据不同人的不同人体尺寸,应该将坐垫设计为可调节高度和角度的坐垫,这种记忆坐垫能够依据个人臀宽而发生缓和而持久的形变。GB10000-88中国成年人人体尺寸给出我国成年人臀部尺寸如下: 表3-1我国成年人臀部参数年龄分组男(18-60岁)女(18-55岁)百分位数1 5 10 50 90 95 991 5 10 50 90 95 99臀宽mm273
10、282 288 306 327 334 346275 290 296 317 340 346 360坐姿臀宽mm284 295 300 321 347 355 369295 310 318 344 374 382 400臀围(mm)780 805 820 875 948 970 1009795 834 840 900 1000 10443.3坐垫的优化设计 坐垫(图3-5)的设计应采用局部凹陷的结构以减少对骑乘者坐骨生殖区造成的压迫。 座面宽度:根据人体测量学,50%的人群盆骨的坐骨结节间距约为200220mm,在设计时还需加上适当的设计余量(4060mm),以提高鞍座的舒适性,因此可确定普通
11、休闲自行车的鞍座后端宽度为240280mm为宜。由于女性的髋骨要宽于男性,在鞍座设计时,女士自行车的鞍座宽度要比男性的宽一些。为了减轻对下体的压力,可以在设计坐垫的时候将两侧垫高,这样就将更多的压力分散到两翼坐骨上,从而使得下体得到解放。 坐垫长度:据人体解剖学中人体结构尺寸可知,鞍座后端的长度应由坐姿状态下坐骨结节离臀部后缘的距离(100120mm)确定,鞍座总长度则由坐姿时会阴处离臀部后缘的距离(160190mm)再加上适当余量确定。 坐垫材料是影响鞍座舒适性的重要因素之一,同时也是骑行过程中减震元件之一。一般采用硬质座面包覆软硬适中的坐垫材料,同时还考虑到其透气性、防水性等特征。柔软度适
12、中的坐垫材料,还可减少骑行路面不平整时所产生的震动冲击,起到一定的减震避震作用,进一步增强骑行舒适性。鞍座的面料可采用透气性较好的皮革材料以利于散热。 图3-5 坐垫4 车把 4.1车把的人机关系 人身体在自行车上的位置直接影响到骑行,它影响到蹬踏力量的传导效率,也影响骑行中重心的移动及腰背和臀部承受力的大小,从而决定了骑行中的舒适度和疲劳的产生。而人在自行车位置由坐垫和车把共同决定,而且车把和坐垫一样是可调节的把位。骑行者可根据骑行条件和自身身体尺寸调节车把和坐垫的相对位置。车把位置越是靠前,在站立骑行和加速骑行的时候就会获得更多的力量,并且身体也就越符合空气动力学,高速骑行的稳定性也更佳。
13、车把越低,就能越在加速的情况下更好的制动。当车把和身体之间距离越短就能够挺直上身获得更好的视野。 一般传统的自行车都是可以调节的车把和坐垫,所以车把对骑行的影响最大,最符合人体匹配的把手可以让手臂手掌的肌肉能最舒服,降低疲劳感,而且能最快速施力和反应,其中做出正确反应的概率要高很多,在紧急情况下降低事故发生率。 4.2车把的人机评价 此车车把为组合平把,车把的宽度为530mm,手把的直径为27mm,手刹于把手最大距离为95mm,根据如上所述,这些参数与人体工效学原理不大相符,需要进行设计优化。此车手刹角度是零度,即手刹与把手持平,这样骑行时手腕承受着支撑身体前部的力量,容易引起手腕的酸痛和疲劳
14、。由GB10000-88中国成年人人体尺寸给出的手掌参数和肩宽数据如下:表4-1我国成年人肩部参数分组年龄男(18?60岁)女(18?55岁)百分位数1 5 10 50 90 95 991 5 10 50 90 95 99肩宽(mm)331 346 352 376 398 404 415304 320 328 351 371 377 387最大肩宽mm386 399 406 432 460 469 486347 363 371 397 428 438 458 表4-2我国成年人手掌参数分组年龄男(18?60岁)女(18?55岁)百分位数1 5 10 50 90 95 991 5 10 50 9
15、0 95 99手长(mm)164 170 173 183 193 196 202154 159 161 171 180 183 189手宽(mm)73 76 77 82 87 89 9167 70 71 76 80 82 84食指长(mm)60 63 64 69 74 76 7957 60 61 66 71 72 76 4.3车把的优化设计 车把宽度:经实践测量,当车把的宽度接近于骑车者的最大肩宽时,人能够自然舒适地握住车把,并能保持长时间不易疲劳,中等身材(50%的人群)的人最大肩宽,男为431mm,女为397mm,因此,车把的宽度可定为397431mm。 把手:现行自行车的把手很多都是橄榄
16、形的,其实这不符合人机工程学原理,因为当手握把手时,手的屈肌和伸肌共同完成握把,从手掌的解剖特征看,掌心部分的肌肉最少,指骨间肌和手指部分是神经末梢满布的部位,指球肌和大小鱼际是肌肉峰峰的部位,是受的天然减震器。橄榄形的把手将会使掌心受压受振,引起难以治愈的痉挛,也会引起疲劳和操纵失误。把手的设计应使操作者的掌心处略有空隙,以减少压力和摩擦力的作用。 车闸:刹车与车把平面的角度设计应该是35?45度之间,释放手腕的压力,最好是这个角度设计成可以调节的,而人的抓握直径在13cm左右,所以车闸直径可定位13cm以内,长度约等于把手长度。车闸与把手形成一个角度,此角度的设计因素是抓握空间,当抓握空间
17、宽度在4580mm时抓力最大,据此可算出车闸与把手的交角为40度,车把与车闸的表面设计要有一定粗糙度,防止打滑。 把手弯度:本单车的自行车把为水平,这不符合人机工程学原理,这样会使手腕处于背屈状态,手腕部酸痛,握力减小,长时间操作还会引起腕道综合征和腱鞘炎等症状,在拐弯时不易控制车身平稳,用力过猛导致摔倒。测试证明,把手与水平位置成10度左右效果最好,可降低疲劳,提高拐弯时的平稳度,使腕关节放松。5 车架 5.1车架的人机关系 车架作为整个车子的骨架,连接着车子的零部件,承载着骑车人的全部重量,最大程度地决定、影响了你骑行姿势的正确性和舒适性,所以选择一个合适的车架是至关重要的。 根据QB18
18、80-93中华人民共和国行业标准-自行车车架自行车车架高度应该在305mm到635mm之间,而且其末位数推荐位5或0的整数。对车架高度的选择做如下建议: 14寸: 160CM以下 15寸: 160CM以下 16寸: 160-175CM 17寸: 165-180CM 18寸: 170-185CM 19寸: 173-185CM 20寸: 185CM以上 21寸: 185CM以上 本课题研究的就是16寸的可折叠自行车。 5.2车架的人机评价 车架的尺寸极大程度地决定了一辆自行车性能的好坏与舒适程度。车架过长会造成脖子,肩,腰,手臂,手腕,屁股等处疼痛,而且徒增重量,不利于降低操控的灵活性。过高的车架
19、则会拉伸骑车者的肌肉,并且在骑行中要左右转髋,不利于其发力,同时又容易造成肌肉损伤;过低的车架则会给胳膊和腰施加过量的力,也容易造成肌肉疲劳。 自行车在骑行过程中遇到凹凸不平的路面不可避免的会受到震动,不同的人感知震动的能力不同。而长期处于高强度全身振动的环境下,人的腰部脊柱与相连神经会受到极大伤害。人在相同条件不同震动强度下的接受程度有很大差异表5-1振动与人的接受程度关系小于0.315感觉不舒适0.3150.63有点不舒适0.51相当不舒适0.81.6不舒适1.252.5非常不舒适大于1.25极不舒适 5.3车架的优化设计 自行车自发明以来一直在不断改进,不断优化设计,积淀了数十年的技术与
20、文化,故而车架本身设计并不需要再怎么优化,这里所谓的车架的优化设计就是指减震装置的优化设计。 在减震弹簧的上面可以加上一个套筒,这样在避免裤腿被弹簧夹着的同时,也可以防止弹簧夹带杂物。 弹簧与车架应该焊接起来,这样弹簧就不会与车架摩擦产生响声。6 脚蹬与曲柄 6.1脚蹬与曲柄的人机关系 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。 相信大多人都会有体会,在骑车过程中,特别是在下雨天和潮湿天气中,脚踏的固定由为重要。一个好的脚踏不会容易
21、脱落,相对来说能更容易掌握平衡和提高脚踏力的传输效率。 曲柄的长决定了脚蹬踏所产生的圆周直径,直径越大,膝盖和大腿内测的肌肉就要加大伸缩度才能蹬动曲柄,所耗费的力气比较大。但是当曲柄的直径过小时,骑行既定的就离曲柄需要转过的角度就增加。另外曲柄的长度还应该 到自行车在支撑的时候脚踏离地面的高度。所以,合适的曲柄直径既方便大腿肌肉的用力,又不会让大腿做太多的无用功。 6.2脚蹬与曲柄的人机评价 为了使自行车更符合人体工效学,脚蹬的宽度应该大于人体足部的宽度,中国成年人人体尺寸给出中国人足宽与足长尺寸如下:表6-1我国成年人足部参数分组年龄男(18?60岁)女(18?55岁)百分位数1 5 10
22、50 90 95 991 5 10 50 90 95 99足宽(mm)86 88 90 96 102 103 10778 81 83 88 93 95 98足长(mm)223 230 234 247 261 264 272208 213 217 229 241 244 251 另外GB3565-2005/ISO4210:1996自行车安全要求给出如下标准:自行车在无负载的状况下,将一只脚蹬出于其最低位置且使脚踩面与地面平行,如果只有一个脚踩面的话,该脚踩面要朝上,自行车应该能有垂直位置向一侧倾斜25度而脚蹬上的任何零件不触及地面。装有避震弹簧的自行车,在检测时应使避震弹簧处于压缩状态。不装有足
23、固装置的自行车,其脚蹬到前轮胎或前泥板之间的间隙最小不小于89mm。 本车的脚蹬宽度为68mm,曲柄长度为190mm,而脚蹬离地距离为110mm,这样当车倾斜31.7度时才会碰到地面,大于规定的25度。另外脚蹬距离挡泥板最近距离为150mm,大于规定的89mm,这样能保证骑行时脚不会碰到挡泥板。总体来说本车的脚蹬和曲柄的人机设计基本符合任何人体工效学的设计要求。 图6-1 设计后的自行车表6-2设计后自行车的相关尺寸数据项数据单位(mm)车把宽436把手直径27刹车把手最大距离75刹车把手角度40坐垫宽260脚蹬宽度68脚蹬离地距离110脚蹬挡泥板最近距离150曲柄长度190轮胎外径485轮胎
24、内径3957 结束语 通过本次设计,我对安全人机工程学有了进一步的认识,懂得了如何运用安全人机工程的相关原理和方法去分析和评价产品的性能,进一步优化其设计,达到人机的有效结合。在设计过程中也遇到了许许多多的问题,通过查阅相关资料和询问有关专业人士一一克服了。能将理论运用于实际,独立思考能力和动手能力的提高是我在本次设计中最大的收获。 然而本次设计任有许多不足之处,在车子的设计成本上很难有大突破,往往会“顾此失彼”,因此对于降低设计成本仍旧是今后课程设计中需要解决的难题。参考文献【1】张力,廖可兵 安全人机工程学M 中国劳动社会保障出版社【2】GB10000?1988 中国成年人人体尺寸【3】GB 3565-2005 自行车安全要求【4】GBT 19994-2005 自行车通用技术条件【5】自行车论坛相关资料
