【正文】 環(huán)境 環(huán)境 圖 21 人 機(jī) 環(huán)境系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖 根據(jù)系統(tǒng)學(xué)的第一定律，系統(tǒng)的整體屬性不等于部分屬性之和，其具體情況取決于系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)協(xié)同作用的程度，因此，對(duì)人機(jī)工程學(xué)而言，即需要對(duì)人機(jī)環(huán)境每個(gè)部分的屬性進(jìn)行深入的研究，又需要對(duì)人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及其屬性進(jìn)行研究，以達(dá)到整體優(yōu)化的目的。 總體上，人機(jī)工程學(xué)由以下兩個(gè)學(xué)術(shù)研究方向構(gòu)成； （ 1）研究和試驗(yàn) 確定工程設(shè)計(jì)所必須知道的有關(guān)人的特性具體特征參數(shù)。 （ 2）應(yīng)用和工程 設(shè)計(jì)宜人化的用品、工具、機(jī)器、環(huán)境程序、工作任務(wù)等。 1．人的特性的研究 人是人機(jī)系統(tǒng)中最重要的、最活躍的環(huán)節(jié)，同時(shí)也是最難控制的環(huán)節(jié)。對(duì)人的特性的研究，是人機(jī)工程學(xué)的基礎(chǔ)。人的特性研究可大體歸納為以下九個(gè)方面。 (1)人體尺寸及人體測量技術(shù) 人體尺寸包括靜態(tài)尺寸和動(dòng)態(tài)尺寸。研究人體尺寸及人體測量技術(shù)的基礎(chǔ)學(xué)科是人體測量學(xué)。 (2)人體的力學(xué)性能 人體力學(xué)性能包括人在各種狀況下，其質(zhì)量特性、質(zhì)心位置、肢體運(yùn)動(dòng)速度、人的體力和耐力等參數(shù)的變化規(guī)律。研究人體力學(xué)性能 的基礎(chǔ)學(xué)科是人體生物力學(xué) (3)人的勞動(dòng)生理能力 人的勞動(dòng)生理功能包括人的體力負(fù)荷、腦力負(fù)荷、人體反應(yīng)及疲勞機(jī)制等內(nèi)容。研究人的勞動(dòng)生理功能的基礎(chǔ)學(xué)科是勞動(dòng)生理學(xué)。 (4)勞動(dòng)中人的心理過程 主要研究勞動(dòng)中人的心理調(diào)節(jié)特點(diǎn)、心里反射的機(jī)制、心理負(fù)荷及疲勞的心理機(jī)制等內(nèi)容。研究勞動(dòng)中人的心理過程的基礎(chǔ)學(xué)科是勞動(dòng)心理學(xué)。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 (5)人的信息傳遞功能 主要研究人對(duì)信息的接受、傳遞、存儲(chǔ)、加工和輸出的能力及其機(jī)制，為系統(tǒng)的系統(tǒng)編碼、信息顯示及控制裝置的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。研究人的信息傳遞能力的基 礎(chǔ)學(xué)科是工程心理學(xué)。 (6)人的可靠性 主要研究人在正常情況下產(chǎn)生失誤的可能性，為系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。對(duì)人的可靠性的研究是人機(jī)工程學(xué)特有研究方向之一。 (7)人員選拔和訓(xùn)練 研究人的及本素質(zhì)的測試與評(píng)價(jià)、人員的選拔和訓(xùn)練等。 (8)人的動(dòng)作時(shí)間研究 研究人的操作動(dòng)作，尋求改善作業(yè)的途徑，進(jìn)行人的操縱動(dòng)作的合理設(shè)計(jì)。 (9)人體模型 研究人的數(shù)學(xué)模型、物理仿真模型、人體模板等。 2機(jī)的特性的研究 機(jī)的因素有很多，在此主要對(duì)機(jī)械、電氣系統(tǒng)進(jìn)行歸納，在 一定程度上也有普遍代表性。這方面的基礎(chǔ)學(xué)科主要有機(jī)械、電子、電器、儀表、材料、建筑等工程技術(shù)學(xué)科。 機(jī)的特性的研究內(nèi)容可概括為以下五個(gè)方面。 信息傳達(dá)技術(shù) 包括儀表顯示、聲音信息傳達(dá)、觸覺信息傳達(dá)、圖形符號(hào)傳達(dá)、編碼方法等。 操縱控制技術(shù) 包括操縱裝置、控制裝置、控制系統(tǒng)、鍵盤技術(shù)等。 安全保障技術(shù) 包括冗余性系統(tǒng)、機(jī)器保險(xiǎn)裝置、防止人的操作失誤及失職的設(shè)施、事故預(yù)警預(yù)防方法、救援方法、安全保護(hù)措施、機(jī)器的放錯(cuò)設(shè)計(jì)等。 動(dòng)力仿真技術(shù) 包括受控對(duì)象的動(dòng)力學(xué)建模、 數(shù)學(xué)仿真技術(shù)、物理仿真技術(shù)等。 宜人化技術(shù) 主要是改善人的舒適性及使用方便性技術(shù)，如振動(dòng)機(jī)噪聲的控制和隔離，座椅及用具的宜人化設(shè)計(jì)等。 3環(huán)境特性研究 環(huán)境是十分廣泛的概念，包括生產(chǎn)環(huán)境、生活環(huán)境、室內(nèi)環(huán)境、室外環(huán)境、自然環(huán)境、人造環(huán)境等。概括起來，可以將環(huán)境歸納為兩種形式；一是空間形式，即占有一定空間，包圍在人的周圍，給人以影響；另一種是實(shí)踐形式，它在人的活動(dòng)過程中發(fā)生、發(fā)展和變化，并給人以影響。這兩種形式在某些情況下可隨客觀條件的變化而相互轉(zhuǎn)化。有時(shí)可用延長作業(yè)時(shí)間的方法來彌補(bǔ)作業(yè)空間 的不足；反正，也可以用作業(yè)時(shí)間的緊迫。 環(huán)境特性的研究內(nèi)容可歸納為以下五點(diǎn)： （ 1） 作業(yè)空間 如場地、廠房、機(jī)器布局、作業(yè)線布置、道路及交通、緊急脫險(xiǎn)方法等。 （ 2） 物理環(huán)境 包括噪聲、震動(dòng)、照明、溫度、氣壓、輻射等各種物理?xiàng)l件。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 （ 3） 化學(xué)環(huán)境 包括有毒物質(zhì)、化學(xué)性有害氣體及水質(zhì)污染等。 （ 4） 生物環(huán)境 包括細(xì)菌污染及原微生物污染。 （ 5） 美學(xué)環(huán)境 如造型、色彩、背景、音樂等。 4人 機(jī)關(guān)系的研究 （ 1） 人機(jī)系統(tǒng)功能分配 研究系統(tǒng)中人的功能與機(jī)的功能之間的聯(lián)系和制約條件，研究人機(jī)之間的功能分配方法。 （ 2） 人機(jī)界面優(yōu)化匹配、 人機(jī)界面優(yōu)化設(shè)計(jì)等方法。 （ 3） 人機(jī)系統(tǒng)特性協(xié)調(diào) 研究機(jī)器的工作特性對(duì)操作之的身體、心理、文化素質(zhì)以及專業(yè)技術(shù)的要求，研究人的職業(yè)適應(yīng)性、事故傾向性等。 （ 4） 人機(jī)系統(tǒng)的可靠性 研究人機(jī)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法。 （ 5） 人機(jī)系統(tǒng)安全性 研究人機(jī)系統(tǒng)的安全性標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)方法、設(shè)計(jì)參數(shù)、以及典型安全防護(hù)技術(shù)等問題。 5人 機(jī) 環(huán)境系統(tǒng)總體性能的研究 研究人 機(jī) 環(huán)境系統(tǒng)的基本目的是為了獲得系統(tǒng)的最優(yōu)效果，即整個(gè)系統(tǒng)具有高的功效、高的安全性，對(duì)人有高的舒適度及很好的生命保障功能。最優(yōu)效果可概括為“安全、健康、舒適、高 效”八個(gè)字。 人 機(jī) 環(huán)境系統(tǒng)總體性能的研究內(nèi)容包括；系統(tǒng)總體性能的分析、評(píng)價(jià)：數(shù)學(xué)模型的建立：仿真技術(shù)的應(yīng)用；優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等。 綜上所述，人機(jī)學(xué)的主要研究內(nèi)容可以概括為： ① 機(jī)器系統(tǒng)中直接有人操作或使用的部件，應(yīng)設(shè)計(jì)成便于操作者有效使用，以保證人機(jī)系統(tǒng)的工作效能達(dá)到最優(yōu)。 ② 從保證人的安全、健康和舒適和高工作效率出發(fā)，提出環(huán)境控制和安全保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)要求。 ③ 人機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。 人機(jī)工程學(xué)的發(fā)展史 自人類社會(huì)開始，就有了原始的人機(jī)關(guān)系 —— 人與器物的關(guān)系。原始人狩獵用的棍棒、石塊或投槍，其尺寸、重量總是與人的體能相適應(yīng)。大約兩千四百多年以前的戰(zhàn)國時(shí)期，河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 我國就出現(xiàn)了第一部科技匯編名著《考工記》，它的歷史與科學(xué)價(jià)值遠(yuǎn)文中外。 第一次產(chǎn)業(yè)革命時(shí)期以蒸汽機(jī)的廣泛使用為標(biāo)志，以機(jī)器為主題的工廠取代了以手工勞動(dòng)為主體的手工工廠。生產(chǎn)技術(shù)發(fā)生了根本變化，從手工進(jìn)入了機(jī)械時(shí)代，這一時(shí)期，法國在紡織業(yè)機(jī)械上使用了穿孔卡片進(jìn)行程序控制和英國設(shè)計(jì)蒸汽機(jī)的調(diào)速器為代表，開始實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)。于此相適應(yīng)，人機(jī)工程學(xué)開始由經(jīng)驗(yàn)逐步上升為科學(xué)。德國學(xué)者進(jìn)行了著名的肌肉疲勞試驗(yàn)，他通過測量流經(jīng)人體的 微電流的變化對(duì)人體的勞動(dòng)疲勞進(jìn)行研究，該項(xiàng)研究可以說是科學(xué)人機(jī)工程學(xué)的開端。 第二次產(chǎn)業(yè)革命時(shí)期，以內(nèi)燃機(jī)賀電冬季的廣泛應(yīng)用為標(biāo)志，生產(chǎn)技術(shù)從機(jī)械時(shí)代進(jìn)入電氣時(shí)代。美國學(xué)者進(jìn)行了慕名的鐵鍬鏟沒作業(yè)的實(shí)驗(yàn)研究，從人機(jī)工程學(xué)的角度找出了鐵鍬的最優(yōu)設(shè)計(jì)及鏟運(yùn)松散顆粒材料是每一鏟最適宜的重量。 以電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用為標(biāo)志為主要標(biāo)志的第三次產(chǎn)業(yè)革命開始以來，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工程技術(shù)設(shè)計(jì)中與人的因素有關(guān)的問題越來越多，人機(jī)協(xié)調(diào)問題顯得越來越中藥，從而促進(jìn)人機(jī)工程學(xué)的研究和應(yīng)用得到廣泛而迅速發(fā)展。 人機(jī)工程學(xué)強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的“宜人性”，強(qiáng)調(diào)適合人的解剖、心理、生理?xiàng)l件，歸根結(jié)底，可以回歸為兩個(gè)極樸素的要求；第一，看到它，馬上知道他是做什么用的；第二，比較容易弄清楚該怎么用。這兩項(xiàng)要求是關(guān)于產(chǎn)品的“認(rèn)知”問題，現(xiàn)在已經(jīng)成了專門的研究方向，叫做“產(chǎn)品語言學(xué)”。其實(shí)從古代到近代機(jī)械科技的年代，產(chǎn)品的功能特征一般是很直觀的，并不存在多少突出的認(rèn)知問題。但是進(jìn)入電子科技年代以來，情況發(fā)生了比較大的變化，如今充滿市場的各種電子產(chǎn)品，幾乎全是大大小小的方盒子，如隨身聽、微波爐、洗衣機(jī)等。科教、工業(yè)、醫(yī)療機(jī)械、類似情 況更是比比皆是。產(chǎn)品的形象，失去了和他功能之間的聯(lián)系，這顯然不符合人們期望賦予物質(zhì)產(chǎn)品多一些精神價(jià)值的要求。產(chǎn)品的使用方法也存在同樣的狀況；大量的電子產(chǎn)品，其操作差不多都是按鈕，一些產(chǎn)品上一排排的按鈕常使人不知所措，有些產(chǎn)品的按鈕如果按錯(cuò)，還會(huì)引起事故。人機(jī)工程學(xué)家認(rèn)為，應(yīng)及時(shí)喚起設(shè)計(jì)界，、工業(yè)界對(duì)產(chǎn)品認(rèn)知問題的警覺。“產(chǎn)品語言學(xué)”的研究目前正方興未艾，將是人機(jī)工程學(xué)今后發(fā)展的重要方向之一。 機(jī)器設(shè)計(jì)中的人體因素 在機(jī)器設(shè)計(jì)中特別是機(jī)動(dòng)車輛設(shè)計(jì)中，著重考慮的人體因素大致可分為以下五個(gè)方面； （ 1） 人體做作業(yè) 負(fù)荷的耐受性 機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)及其工作環(huán)境條件對(duì)操作者造成的體力和精神上的負(fù)擔(dān)，叫做作業(yè)負(fù)荷。人體對(duì)作業(yè)符合的耐受性是機(jī)器設(shè)計(jì)中必須考慮的因素。機(jī)器的操作及機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)所造成的環(huán)境因素，都必須河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 合理控制，使之適合人的生理和心理特征，至少要為人體所能忍受，力爭處于人體舒適范圍以內(nèi)。 （ 2） 人體尺寸 人體尺寸的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量數(shù)據(jù)，是合理設(shè)計(jì)操作者的作業(yè)空間、操作姿勢、操縱機(jī)構(gòu)及操作座椅的基礎(chǔ)。只有充分考慮人體尺寸的設(shè)計(jì)，才能使操作者工作時(shí)處于舒適的狀態(tài)和適宜的環(huán)境之中，達(dá)到能量消耗最少，疲勞程度最低和工作效率最高的目標(biāo)。 （ 3） 人 體的生物力學(xué)特性 設(shè)計(jì)適合于操作者使用的操縱機(jī)構(gòu)，確定合理的操縱力、操縱速率、操縱位移、操縱節(jié)拍和操縱準(zhǔn)確度等，都必須以人的生物力學(xué)特性為依據(jù)，方能實(shí)現(xiàn)人機(jī)關(guān)系的優(yōu)化匹配。 （ 4） 人的感知響應(yīng)特性 人的感知響應(yīng)過程實(shí)質(zhì)是信息向人體的輸入、傳遞和人對(duì)信息的分析、處理并作出響應(yīng)的過程，是人 機(jī) 環(huán)境的中心環(huán)節(jié)。它關(guān)系到人與機(jī)器的安全、人的健康和舒適、操縱質(zhì)量及作業(yè)效率等一系列問題，是機(jī)器設(shè)計(jì)所必需考慮的重要因素。 （ 5） 人的適宜勞動(dòng)姿勢 操縱著在工作中保持舒適、自然和方便操縱的勞動(dòng)姿勢，將有利于身體健康、有助于減輕疲 勞、提高工作質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率。因此，機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)必須首先確定操縱著的工作姿勢和體位，然后按照使人體保持最適宜的勞動(dòng)姿勢要求，合理設(shè)計(jì)機(jī)器系統(tǒng)及其有關(guān)部件。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 第三章 車體部分 車體部分是整車的主體部分，既是全部零件的安裝主體，又是決定整車騎行性能的關(guān)鍵部分。其主要包括車架、前叉、車把三個(gè)部分。 車架結(jié)構(gòu)形式與安裝尺寸 車架時(shí)電動(dòng)自行車各零部件安裝依附的主體部件，車架的結(jié)構(gòu)決定了自行車的類型，也是人們選購電動(dòng)自行車的重要依據(jù)。 車架結(jié)構(gòu)形式 選擇剛性車架，結(jié) 構(gòu)類型為 U 形，車架結(jié)構(gòu)如圖 31 所示 圖 31 U 形剛性車架 車架的安裝尺寸 車架與其他零部件相配合部位的配合尺寸都有嚴(yán)格的規(guī)定如圖 32所示， A、 B、 C、 D四個(gè)部位尺寸都必須符合標(biāo)準(zhǔn)要求。 圖 32 車架結(jié)構(gòu)配合尺寸標(biāo)準(zhǔn) 1— 前管， 2— 上接頭， 3— 后接頭， 4— 立叉， 5— 后平叉， 6— 中接頭， 7— 下管， 8— 下接頭， 9— 立管 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 (1)前管 車架前管尺寸如圖 33 所示 圖 33 前管尺寸 (2)中接頭 車架中接 頭尺寸如圖 34 所示 圖 34 中接頭尺寸 (3) 平叉開檔 平叉開檔尺寸如圖 35所示 圖 35 平叉開檔尺寸 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 (4)后平叉接片開口 選擇后開口式， 后平叉后開口式尺寸如圖 36所示 圖 36 后開口尺寸 (5)后接頭、立管孔 車架后接頭、立管孔尺寸如圖 37 如圖 37 立管孔尺寸 車架前叉結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇 電動(dòng)自行車和自行車的用途不同，結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，但有一個(gè)共同的要求：騎行輕快。自行 車要求騎行輕快，盡可能減少騎行者的體能消耗。而電動(dòng)自行車同樣要求騎行輕快，并要達(dá)到兩個(gè)目的：減少蹬踏騎行時(shí)的體能消耗；在電動(dòng)或助動(dòng)騎行時(shí)盡可能減少蓄電池電量的消耗，延長一次充電后的續(xù)駛里程。因此，不論電動(dòng)自行車還是自行車，對(duì)車體性能設(shè)計(jì)的要求是一致的。 電動(dòng)自行車與自行車，車架與前叉設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)及各項(xiàng)參數(shù)的選擇基本相似。 整車設(shè)計(jì)應(yīng)該重點(diǎn)考慮： 立管傾斜角與立管高度；前管傾斜角；前叉翹度。 立管傾斜角（ A） 立管與夾角的大小決定于人體在自行車上騎坐的位置（重心的位置） ,該角度越大立河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 管就越向前傾斜， 導(dǎo)致人體重心就越向前移 ,在腳蹬著力點(diǎn)相同的情況下，就使騎車人感覺輕快省力。具體分析如圖 38 所示： 圖 38 立管角度分析 當(dāng)立管傾斜角由 A 增加到 A1 時(shí)，即立管 1 向前傾斜至立管 2 的位置，如此時(shí)保持對(duì)腳蹬的踏蹬力大小不變，從圖 9 中可以看出，由于立管位置的變化，就使得兩個(gè)不同位置所產(chǎn)生的合力方向發(fā)生變化，即合力 F 與 P。隨之，每個(gè)合力所分解的垂直分力和水平分力的大小都在變化。 其受力大小變化如下 。 (1)立管 1和立管 2 對(duì)腳蹬的合力 F=P。 (2)立管 1產(chǎn)生的合力分解的垂直分力 為 F1；分解的水平分力 F2。 (3)立管 2產(chǎn)生的合力分解的垂直分力為 P1