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中国地质大学安全工程系 自行车设计中人机工程学案例分析 自行车的简单介绍 自行车简介 自行车的系统结构 自行车系统结构图 自行车的分类 自行车的分类 第一节　人和自行车系统 人和自行车系统 组成自行车的功能是供人骑行，就发挥自行车功能作用而言，把人看作自行车的组成部分是完全合理的。因此，人在骑车时组成了人一车系统，该人一车系统中的人一车界面关系可由图来进行分析。 本节大纲 1.1 人与支撑部件关系 1.2 人与动力接受部件关系 1.3 人与传动部件关系 1.4 人与工作部件关系 1.1 人与支撑部件关系 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密不可分的关系。 1.2 人与动力接受部件关系 1.3 人与传动部件关系 1.4 人与工作部件关系 第二节 影响自行车性能的人体因素 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，如图所示。 本节大纲 2.1 人的体格因素 2.2 人的下肢肌力 2.3 人的输出功率 2.4 人的脚踏速度 2.5 人的平衡机能 2.6 人的手和握力 2.7 人的疲劳 2.1 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。 2.2 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 。 2.3 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）。 2.4 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确定相关设计参数。 2.5 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。 2.6 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。 2.7 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。 第三节　自行车设计结构要素分析 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。 本节大纲 3.1 速比 3.2 曲柄长度 3.3 三接点位置 3.4 鞍座位置 3.5 车闸 3.1 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。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。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，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。 3.2 曲柄长度 传统的自行车设计，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