自行车踏力与速度之最佳化 - 工程设计实验室.PDFVIP

第一章 簡介 1.1 前言 人們生活水平愈來愈高，休閒活動相對的也跟著愈受重視，而各 種休閒中，自行車運動是廣受各年齡層喜愛的活動之一。其受歡迎的 原因，就因為它具有舒適、便利、花費低、提供運動功能等效果。而 便利與低耗費，又是自行車大行其道的主因。由於一般車輛所消耗的 能源，皆以燃油為主，但天燃原油的蘊藏量有耗盡的一天，且燃燒汽 油所排放的廢氣亦造成空氣污染，對人體更是傷害很大，所以能不使 用燃油方式就盡量避免，這也是許多政府機構提倡自行車運動的另一 個原因。 早期的自行車多著重在其主要性能的表現上，發展至今已經不只 有這 方面的考量，更加入了人的感受在裡面，如電動自行車，自行車 的避震器、懸吊系統、改良式變速控制器、人體工學座墊…等特殊設 計；在速度變換系統上也朝無段變速的方向研究，主要目的在使騎者 在行駛過程中，能以最適合本身的變速比來行進；這個前題就是要讓 騎者感到最舒適的狀態。因此，在設計無段變速器的同時，要能使騎 乘者舒適，又要有最佳動力傳輸，就需要有人體騎車時在不同車速、 轉速下的主觀感受資料。 為了要建立上述之資料，我們需要設計建立一能夠控制車速、轉 速，且能調整各主結構尺寸、位置的人因工程測試平台，並建立完整 之舒適性問卷，在車速與轉速搭配控制下，讓受測者騎乘實驗平台， 並在測試之後填寫問卷。將所有的測試者騎乘的量測資料及問卷加以 統計、歸納，畫出量測圖表，則這些資料、問卷、統計分析圖表，即 是提供給無段變速器設計時有用的資訊。 1 1.2 文獻回顧 研究自行車之踏力狀況， Soden 和 Adeyefa 【1】在 1979 年即發表 了一般腳踏車在正常踩踏狀況時的受力情形，包括起步、平面及爬坡 （1:10 ）三種騎乘狀況。實驗中不考慮剎車、路面不規則及其它細部 環境因素影響，而將滾動阻力及空氣阻力納入加速時之慣性力與爬坡 時之重力中。實驗後得到以下結論：在自行 車起步時，將距離（ D ） 視為時間（ t ）之函數[ D(t) ] ，所得的曲線趨近於一拋物線，此時踏力 約為體重之 3 倍。在相同齒數比下，踩踏之轉速愈快，所產生之踏板 正向力及剪力都愈高。 Hull 和 Davis 【2 】【3 】於 1981 年發表的論文中，主要強調可以用 騎者自己平常所騎乘之車輛做實驗，去除因不熟練而造成實驗誤差之 可能性。量測踏力之裝置可做三個自由度之調整。其量測設備主要以 每 個 踏 板 利 用 八 個 應 變 規 （ strain gage ） 組 成 二 組 惠 氏 橋 電 路 （Wheatstone bridge circuits ）來進行量測，並以一校正平台來計算校 正矩陣，以求出精確之踏力值。論文中提出用以計算扭力、行進效率 （motive efficiency ）及性能指數（performance index ）的計算式，可 供往後計算相關數值之依據。實驗中採用三種腳掌 / 踏板連接型式： a . 一般運動鞋與一般踏板、 b. 一般運動鞋與加裝腳趾套（ toe clip ）之踏 板、 c. 自行車專用鞋與加裝腳趾套之踏板。實驗結果顯示出 a.與 b. 之 行進效率相差不大，只有 c.才有明顯之效能提升。且踩踏技巧亦對效 能有重大影響。 Ericson 和 Nisell 【4 】在踩踏效益(efficiency of pedal forces) 的研 究中指出，其主要受工作負載(work load) 和腳掌踩踏位置所影響。不 過此篇的踏板是用一般的踏板( 沒有裝設腳趾套 ) ，相較於有裝設者， 影響則變得不明顯。踏板所受合力均接近為垂直方向，主要原因可能 2 為肌力作用、下肢重量及慣性力的影響。踏板水平方向受力，最大在 150 度左右，最小在 90 與 285 度。就踩踏效益來說，最大發生在 90 度，最小則在 285 度。 Wilczynski 和 Hull 【5 】將越野腳踏車及騎士二者視為一體，化成 動態系統模型（ dynamic