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谢启源火灾科学国家重点实验室案例1自行车设计人一自行车系统组成自行车的功能是供人骑行，就发挥自行车的功能作用而言，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下图来进行分析。人一自行车系统：人与支排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紧密关系。人一自行车系统：人与动力接受部件关系动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。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。人一自行车系统：人与传动部件关系传动部件主要是滚珠、链条和链轮。人的作用力是通过链条和链轮传动而带动后轮转动，从而使自行车前移。传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性，且有易操纵的变速机构。保证较高的传动效率，才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率。人一自行车系统：人与工作部件关系工作部件就是车轮，即车圈、轮胎等。绝大部分轮胎是充气的，少数是实心的。车轮一方面把骑车人的肌肉力量，有效地转换为同地面接触而向前运动的力；另一方面将骑车人的握力转换为与接地部分所产生的刹车阻力。在设计自行车的各部分尺寸、车闸及变速器等时，应该着眼于“骑车人一动力一传动一工作”的连贯性，才可能设计出同骑车人手的大小或握力相适应的闸把、刹车力适当的车闸，才不会发生刹车阻力不够而造成失误现象。影响自行车性能的人体因素（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。影响自行车性能的人体因素（1）人的体格因素。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。影响自行车性能的人体因素（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。影响自行车性能的人体因素（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（0.51kw)，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0.1-0.2马力（0.07-0.15kw）。影响自行车性能的人体因素（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。影响自行车性能的人体因素（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。影响自行车性能的人体因素（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。影响自行车性能的人体因素（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布不合适等引起的。此外，影响出力因素还有人的最大摄氧量。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，如下图所示。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。自行车设计结构要素分析（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。利用速比关系可取得骑行时所必要的功率和必要的速度。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。自行车设计结构要素分析（1）速比也由于速比小，在限定的曲柄转速下，得不到必要的骑行速度（后轮转速）。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，希望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。自行车设计结构要素分析（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，为了不使脚蹬碰到前泥板，不得不加大中轴至前轴的距离（前心距）。这样势必加长车架，影响了正确的坐车姿势，使人感到臀部痛。自行车设计结构要素分析（2）曲柄长度若能按人的身长或下肢长来考虑曲柄长度，则可使人省力和舒适。通常曲柄长度的基准，取人体身长的1／10，也相当于大腿骨长的1／2。自行车设计结构要素分析（3）三接点位置正确的骑车姿势，是由骑车人和自行车三个接点位置决定的，如下图所示，鞍座位置A、车把位置B、脚蹬位置C。按三点调整法，AB和AC约等，一般AB=(AC一3)cm,A点略低于B点，约为5cm。自行车设计结构要素分析（4）鞍座位置鞍座装得过低，骑行时双脚始终呈弯曲状态，腿部肌肉得不到放松，时间长了就会感到疲软无力；鞍座装得过高，骑行时腿部的肌肉拉得过紧，脚趾部分用力过多，双脚也容易疲劳。骑车时适当的用力部位是脚掌。设计或校正鞍座位置高低最常用的方法，是使手臂的腋窝部位中心紧靠鞍座中部，使手的中指能触到装配链轮的中轴心为宜。自行车设计结构要素分析（4）鞍座位置人体各部尺寸都有一定的联系，只要腋窝中心至中指的长度确定下来，鞍座高度便可大致确定。行驶较快的车，鞍座位置要向前移动，行驶较慢的车，鞍座位置要向后移动，否则都不利于骑行，如下图所示。自行车设计结构要素分析（5）车闸设计时，闸把开挡、力率和闸把力要与人手的大小和握力相适应。灵敏度高的车闸，随着闸把上力的增大，刹车力也按比例地增加。如果闸把力到达某一程度不发生刹车作用，继而又骤然生效，说明这种车闸设计不良。自行车设计结构要素分析（5）车闸在紧急情况下操纵时，理想的施闸力和减速度见下表所示。人一车动态特性分析（1）动态稳定性自行车的稳定是行驶过程中的稳定，是一种动态平衡的稳定性。动态稳定性影响到自行车骑行中的动作，包括直进稳定性和前后左右方向的稳定性。显然，稳定性对安全行驶是必不可少的特性。人一车动态特性分析（2）力学特性自行车行驶在平地上转弯的条件是侧向力（与离心力平衡）与自行车总重量（人和车的重量）的合力作用线要通过轮胎与地面的接触点。这当然与骑车人有关，但更重要的是自行车的造型要有适合这种力学特征的结构形式。人一车动态特性分析（3）转向特性自行车转弯时可能有三种情况：①人体和车身向内倾的角度相等。即骑车人身体的中心线和车子的中心线一致时，自行车就可以转弯，即所谓中倾旋转；②骑车人的倾斜角比车子的倾斜角大时，此时的转弯即所谓内倾旋转；③骑车人的倾斜角比车子的倾斜角小时，此时的转弯即所谓外倾旋转。案例2商船床铺设计设计原则（1）人机工程学设计基准就人机工程学观点，建议该设计尺寸采用如下推荐值：最佳值——最适合于人的各种特性的推荐值；最小值——人能正常进行必要活动时所需的最小值；最大值——人能进行必要活动时所需的最大值；设计原则（1）人机工程学设计基准上述最佳值与最小值或最大值之差，称为依赖于人的特性容许值。如果由于人机工程学以外的其它设计条件限制，不能采用最佳值时，则可增加到最大值或减小到最小值。设计原则（2）人体尺度基准设计床铺的形状与尺寸时所采用的人体各部分的基准尺寸，应以相应的国家人体测量尺寸标准中的有关数据为基准，同时还需采用部分实验数据和相关的参考资料。由于对床铺尺寸要求不是特别精确，因而有关的人体尺寸相近的国家商船中亦可适用。设计原则（2）人体尺度基准这里的设计仅为商船的一般船员使用的单人床，不要求考虑船长级和高级船员使用的双人床和加宽单人床。床铺尺寸设计（1）确定床铺长度因船员的作业环境较为特殊，必须保证其休息环境的舒适性，因而所设计的床铺尺寸应有较高的满足度。床的最佳长度和最小长度的确定如下图所示，是以人体身高测量值加上三项裕量来确定的。床铺尺寸设计床铺长度计算的具体计算方法如下表所示。床铺尺寸设计（2）确定床铺宽度下图是确定床铺宽度尺寸示意图。床的最佳宽度和最小宽度是由侧卧的肩宽尺寸加上实验测得的侧卧时膝部突出尺寸所组成。床铺尺寸设计床铺宽度计算的具体计算方法如下表所示。床铺尺寸设计（2）确定床铺宽度如从人机工程学的角度考虑，床的最佳宽度应是900mm。为了定出人可以忍受的床的最小宽度，进行了简单的实验。实验的结果表明：由于人的习性，即使在睡眠时，身体一碰到什么东西便会无意识地卷缩起来。床铺尺寸设计（2）确定床铺宽度而且，船上的床，大多数一面靠墙壁，一面敞开，故侧卧时膝盖弯曲后的突出尺寸，在面向墙壁侧卧时可只考虑为85mm；在面向敞开的一面侧卧时，膝盖能伸出床沿，故可不予考虑。同样，被子的折叠尺寸亦只需考虑一边，取为25mm。床铺尺寸设计（2）确定床铺宽度实验的结果还指出：人的熟睡程度与床的宽度有密切关系，狭的床熟睡程度就差。综合考虑，可以认为睡眠时必需的最小宽度应取790mm，如果加上裕量10mm，则最小宽度取为800mm。床铺尺寸设计（3）确定床铺高度床的高度按有无抽屉、抽屉的层数以及船舶设备规范的要求分别确定如下：①无抽屉并兼作沙发用床的高度从人机工程学角度其最适合的高度是，人的小腿加足高的测量值，再加上穿鞋的修正量。为供不同身材的人使用，应平均地取小腿加足高的P50为设计依据，查表得P50为413mm；着鞋修正量为25mm，所以，床高应为438mm，选用450mm，如上图所示。床铺尺寸设计（3）确定床铺高度②有一层抽屉的床的高度如果考虑这类床铺坐的功能，则其高度应与无抽屉床铺高度相同，即为450mm。但其存放衣物的空间较小。考虑到船上放衣物的地方少，需增加存放衣物空间，故有一层抽屉的床的高度常常增加到550mm，见上图。从人机工程学角度分析，较高的床铺，其坐的舒适性较差。床铺尺寸设计（3）确定床铺高度③有两层抽屉的床的高度是根据实际存放衣物高度来确定，而完全不考虑坐的功能。因此从地面到床垫表面为700mm。床铺尺寸设计（3）确定床铺高度④双层床的高度最佳高度及最小高度确定见下图（c）和（d）所示。床铺尺寸设计（3）确定床铺高度从地面到下铺床垫下表面的高度按船舶设备规范规定应在300mm以上，该高度再加上垫子的厚度150mm，正好是人机工程学角度所确定的最佳高度450mm上铺与下铺的间距以及上铺到天花板的高度按船舶设备规范规定应在750mm以上。床铺尺寸设计（3）确定床铺高度但从人机工程学角度考虑，最合适的高度查表可知，P95的人体直正坐时的坐高为899mm，实验测得：在曲背随便坐时的坐高则为812mm左右。现取实验结果的平均值832mm，再考虑人坐时地垫子下陷20-30mm的裕度，那么，从人机工程学角度看来，上下铺间距以及从上铺到天花板的最佳高度应为930mm，最小高度应为800mm左右。床铺尺寸设计（4）挡板与床栏尺寸适当考虑了人的胸厚和肩厚，挡板和床栏在床垫表面以上的高度取150mm可以认为是最合适的。挡板中部