乡镇用电动自行车的设计改进与人机分析

第10卷第2期　2007年6月
上海电机学院学报
J OU RNAL OF SHAN GHA I DIANJ I UN IV ERSIT Y
Vol.10No.2　
J un.2007　
收稿日期:2007205221
基金项目:上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金项目(29202822)作者简介:王　琦(1978-),男,助教,专业方向:工业设计。

文章编号　167122730(2007)022*******
乡镇用电动自行车的设计改进与人机分析
王　琦,　夏敏燕
(上海电机学院机械学院,上海200245)
摘　要:全面分析乡镇环境中对电动自行车的特殊需求和脚踏车辆的通行人机设计规范。

根据需求差异对电动车进行改进设计,并设计新的人体表面反求方法,得到近似实际受压情况下人体曲面的模型,改进设计座垫等关键部件。

关键词:电动车;反求;曲面拟合 中图分类号:U 484 文献标识码:A
Improvements and Man 2machine Analyze of
Motor 2assisted Bicycles in the Country Side
W A N G Qi ,　X I A M i n 2y an
(School of Mechanical ,Shanghai Dianji U niversity ,Shanghai 200245,China )
Abstract :Special requirement s of count ryside used elect ric bikes and widely used design standards are analyzed.Imp rovement s are made to t he design of motor 2assisted bicycles based on different re 2quirement s.New met hod of reverse engineering is p racticed to get t he shape of human body under p ress and critical part s of cushions are redesigned.
Key words :motor 2assisted bicycle ;reverse engineering ;surface fitting
电动自行车发展自1996年,目前在我国年产量已超过1×107辆,其速度和行驶半径介于自行车和摩托车之间,约15～20km/h [1]。

不仅在城市里被大量使用,在周边地区也有着广阔的市场发展空间。

1　乡镇用电动自行车的主要特点
1.1　需求特点
与城市相比,乡镇用电动自行车主要呈以下几
个特点:①乡村环境相对地广人稀,充电不便,对车辆行程要求高;②道路崎岖,通行性差;③不只是出行工具,常有载货需要;④维修不便,对耐用度要求较高;⑤用户对价格因素较城镇居民更为敏感。

1.2　改进方向
由以上特征及乡村环境中相关安全政策的差异不难看出,对乡村地区的电动自行车功能要求更趋近于摩托车,故应考虑作以下方面改进:①扩大电
池容量,以增加行驶范围,应对充电与维修带来的不便;②加大轮径和提高中轴,以应对复杂的道路情况;③减小自重以增加载重能力;④在成本允许的前提下提供减震功能;⑤结构简单易修理。

1.3　设计方案选择
目前主流的电动车外型设计思想脱胎于摩托车和自行车的设计。

效仿摩托车的设计往往用外壳包覆电机和电池,由于外壳部分设计空间较大,整体造型效果较好;与自行车相近,设计多为裸露式,可以直观地看到充电电池的位置与形状。

其结构类似于没有上管的休闲自行车;其最主要的优点在于节约成本,由于取消了外壳,还具有车体轻、结构简单、便于维修等优点。

这些优点正符合乡镇用电动车的使用需求。

因此,裸露式的设计方案成为必然选择。

2　电动车设计应遵循的一般人机规律分析
由于骑乘姿势相近,电动自行车的结构与女用休闲自行车相似,相比竞技用自行车坐垫低、重心低、立管短[2]。

立管和前管的角度,受姿势影响应取在65°～75°之间。

图1中前管和立管与水平所呈的角度分别是前管角和立管角[3]。

增大立管倾角有利于提高骑行效率,减小它有利于整车稳定性。

增大前管角
度有利于车架刚性,减小之则提高吸振性能。

图1　自行车示意图
Fig.1　Sketch of bike
出于通用性及安全等目的,电动车普遍不采用水平的上管。

电动车自重比非动力自行车重1倍以上,人力骑行机会较少,骑行效率往往不是主要考虑因素,而整车稳定性更重要,故前管角度较小,接近65°。

为提高吸振性能,应倾向于采用立管角度也较小的设计,如前文所介绍的,这样在一定程度上降低了骑行效率。

出于对乡村路况的适应性,中轴的高度应适当增加。

3　座垫和把手的设计
电动车上与人体长时间接触且压力较大的部分包括坐垫、把手和脚踏。

其中,坐垫部分接触面积大、承压时间长。

为达到理想的承压效果,对坐垫必须进行人体曲面的反求设计。

当人坐在坐垫上时,与坐垫接触最紧密的是坐骨结节,见图2。

坐骨结节处是人体最能承受压力的部位,这两个点周围约250mm2范围承受人体约70%的重量[4]。

适当加宽车座后端有助于增大坐骨结节与坐垫的接触面积,充分发挥坐骨结节的承载能力,可使压力远离控制会阴血液的血管和神经。

图2　座垫区域人体结构示意
Fig.2　Sketch of hum an body in cushion area
但人体要稳坐于宽大座椅上就必须上身直起,中心后移。

这样的坐姿在前进方向上的截面积较大。

电动自行车高速行进时空气阻力与截面积呈正比,而自行车在快速行驶时,风阻超过总阻力的50%。

由于风阻与速度的平方呈正比关系,速度越快,空气阻力在总阻力中占的比例越大。

虽然我国有相关法规限制,但实际使用中,电动自行车的平均速度比自行车快是不争的事实。

可见,大的截面积很不利于节能。

合理的设计方案应适当效仿运动自行车的设计方案,适当减少座垫与车把的高度差,使重心前移于上肢。

自行车运动的实践证明,这样的俯卧姿势可以有效减少阻力,但手臂的负荷增加了[5]。

使用目前长途旅行自行车上的蝴蝶把(见图3),可以把整个前臂放在车把上,从而解决了这一问题。

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图3　蝴蝶把设计示意
Fig.3　Sketch of
butterfly 2shaped h andle
4　人体接触曲面的拟合设计
如果只是原则性的的考虑优化曲面的人机特
性,主要考虑以下方面:①降低接触面的整体压强;②减小接触面峰值压强。

目前,主流的观点认为曲面形状人机设计的实质是根据已知人体体表的物理参数构造符合人机使用标准的产品曲面形态,这是一种映射行为。

以这种观点应用于产品设计过程则存在两种主要缺陷:即为达到设计的实际效果,还要考虑产品的使用者和使用方式分散度以及人体的生理特征。

使用者分散度指不同使用者的身体尺寸与形态的概率特性,这一特性体现出产品是否具有足够的代表性,以尽量适用于大多数用户群体。

使用方式的分散度是指使用者在使用产品时人机接触相对位置的分布特性,如敲键时,手指落点的分布特性。

一般情况下,使用分散度是呈正态分布的,分布参数可以通过实验或估算得到。

考虑使用方式分散度的产品曲面形状可以根据人体体表形状与人机接触的概率分布函数来计算得到。

考虑到人的生理特征特性,一般原则是在耐压处增加接触,人机接触曲面的设计比较复杂,难以用简单的函数模拟,因此通常选择造型可控性较好的自由曲面的形式,根据人体体表特征精确调整曲面的控制参数来实现受力的合理分布。

人机接触面的压力方向与接触面法向的夹角也是影响人体受力的重要因素。

如果夹角过大,虽然接触面积增大,人体受力的均布程度波动较大,且产生的切向力难以控制,因此一般产品的人机接触曲面都不会太陡峭。

常规的方式是根据接触式或非接触式的反求取点再进行曲面重构。

这些方法的优点是精确,但不利于测量处于压力下的人体体表状态。

笔者用加热
的油泥与人体拟合并加压。

压力大小采用人体正常使用重量。

泥的硬度可通过温度来调节至理想硬度值。

由于泥的硬度与温度呈不严格的线性正比关系,选择适当的油泥就可以在接近人体体温的范围内调节,获得合适的硬度。

在获得合适温度下的形状后,对油泥进行降温以提高其硬度。

本项目所用油泥为精雕油泥,15℃常温下硬度较高,夏季考虑放入普通冰箱降温,常用的办法是对油泥进行接触式的反求获取云点。

然后按照重构的较为常见的方式把云点导入Pro/E 或Rhino 等设计软件中进行重建,包括除去个别特殊
点、光顺、重构、拟合。

为了控制曲面的光顺程度,可以通过改变曲面的控制点数量和样条曲线的阶数来调节曲面的光顺程度(例如在Rhino 中使用Surface rebuilding 和2rail sweep )。

通过设计软件,也可以自由调节连续阶数(对于座垫,达到切线连续即可[6])。

对于大多数视觉效果要求高的外观零件,如汽车外部钣金,往往要求曲率连续。

在此过程中,最后转换为STL 文件,利用快速成型机成形。

搜集云点的方法精度较高,但测量工作量大,导致难以测量大量样本的数据,这对利用统计学的方法(如回归分析)进行分析不利。

所以本项目中对油泥模进行切片,再对切片进行拍照。

首先把照片与镜头的空间距离记录下来,再把照片上的油泥横切面尺寸与软件中的实际尺寸进行拟合。

这种方法可以跳过云点的采集部分,直接得到横截线,如图4所示。

利用横截线建立NU RBS 曲面(非均匀有理B 样条曲面),从而提高了数据处理的速度。

由于照片垂直于图4的距离已知,则截线在垂直于图4方向上的距离可知。

三维模型可以确定。

图4　横截线与控制点示意图Fig.4　Section curves and control points
在座垫部分的反求过程中,直接利用横截线进
行参数化建模,利用这种办法建模尤其适合对大量
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王　琦,等:乡镇用电动自行车的设计改进与人机分析
样本的处理,并利用回归分析的办法研究座垫上各主要尺寸对坐垫舒适性的影响和各尺寸之间的相关性。

对采集好的横截线,可利用移动控制点的空间位置对B样条曲线进行调节,因为在二维参数域中,曲面的拟合可以看成是曲线拟合的延伸,对于给定的数据点集{P kj|k=0,1,…,r;j=0,1,…,s}可以通过最小二乘法得到控制向量Q ij和权重函数W ij,控制点的向量方向和权重的调节,其实就是调解这两个参数。

拟合后可以直接在虚拟模型上增加产品的其他部分,如果用Rhino建模,必须考虑模型的封闭性,即所有曲面连续无破损,否则无法转换成STL格式并成形。

5　结　论
笔者分析了乡镇用电动自行车的使用特点和一般人机工程原则。

针对性地提出局部改进方案,令其更适应乡镇环境的需求,并对座垫进行负压反求设计,得到压力下的座垫形状。

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