人體測量數(shù)據(jù)在自行車中的應(yīng)用

1、人體測量數(shù)據(jù)在自行車設(shè)計中的應(yīng)用【前言】自行車的車架、輪胎、腳踏、剎車、鏈條等25個部件中，其基本部件缺一不可。其中，車架是自行車的骨架，它所承受的人和貨物的重量最大。按照各部件的工作特點，大致可將其分為導(dǎo)向系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)：1、 導(dǎo)向系統(tǒng)：由車把、前叉、前軸、前輪等部件組成。乘騎者可以通過操縱車把來改變行駛方向并保持車身平衡。 2、 驅(qū)動（傳動或行走）系統(tǒng)：由腳蹬、中軸、鏈輪、曲柄、鏈條、飛輪、后軸、后輪等部件組成。人的腳的蹬力是靠腳蹬通過曲柄，鏈輪、鏈條、飛輪、后軸等部件傳動的，從而使自行車不斷前進(jìn)。 3、 制動系統(tǒng)：它由車閘部件組成、乘騎者可以隨時操縱車閘，使行駛的自行車減速、停

2、使、確保行車安全。此外，為了安全和美觀，以及從實用出發(fā)，還裝配了車燈，支架等部件。一般來說，與產(chǎn)品有直接接觸的人體部位尺寸比較重要。由所學(xué)我們可知，對于自行車來說，靜態(tài)尺寸包括：手寬、腳寬、前臂寬、臀寬、胯寬；動態(tài)尺寸包括：臂的功能極限尺寸和腿的機(jī)能極限尺寸。人一自行車系統(tǒng) 自行車的車架、輪胎、踏腳、剎車、鏈條等25個部件中，其基本部分缺一不可。其中，車架是自行車的骨架，它所承受的人和貨物的重量最大。按照各部件的工作特點，大致可將其分為導(dǎo)向系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)： 自行車的功能是供人騎行，就發(fā)揮自行車的功能作用而言，把人看作自行車的組成部分是完全合理的。因此，人在騎車時組成了人車系統(tǒng)。 人和

3、自行車支撐部件的關(guān)系如下圖所示：支撐部件主要有車架、前叉、鞍座和車把等，是自行車的構(gòu)架。支撐部分將其他零部件固定在相互間正確的位置上，保證自行車的整體性，實現(xiàn)自行車的功能。從人機(jī)關(guān)系來看，鞍座、車把和車架等的位置和大小，以及它們間的相互關(guān)系，與騎車人的位置和肌肉的動作有著性的設(shè)計參數(shù)。動力接受部件主要是腳蹬和曲柄。動力是靠騎車人的雙腳踩在腳蹬上，下肢運動的力使曲柄轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的。為了使人省力和有舒適感，必須在騎自行車人的體格和體力與自行車元件的尺寸關(guān)系上下功夫，即研究人體下肢肌肉的收縮運動與曲柄轉(zhuǎn)動之間的能量轉(zhuǎn)換問題。傳動部件主要是滾珠、鏈條和鏈輪。人的作用力是通過鏈條和鏈輪傳動而帶動后輪轉(zhuǎn)動，

4、從而使自行車前移。傳動部分的設(shè)計關(guān)鍵是要有較高的傳動效率和可靠性，且有易操縱的變速機(jī)構(gòu)。保證較高的傳動效率，才能使人用一定的肌力而獲得較大的輸出功率。工作部件就是車輪，即車圈、輪胎等。絕大部分輪胎是充氣的，少數(shù)是實心的。車輪一方面把騎車人的肌肉力量，有效地轉(zhuǎn)換為同地面接觸而向前運動的力；另一方面將騎車人的握力轉(zhuǎn)換為與接地部分所產(chǎn)生的剎車阻力。在設(shè)計自行車的各部分尺寸、車閘及變速器等時，應(yīng)該著眼于騎車人一動力一傳動一工作的連貫性，才可能設(shè)計出同騎車人手的大小或握力相適應(yīng)的閘把、剎車力適當(dāng)?shù)能囬l，才不會發(fā)生剎車阻力不夠而造成失誤現(xiàn)象。前叉部分自行車設(shè)計國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：車把前叉軸線與通過輪心的地面垂直

5、線的交點到地面的距離不小于輪半徑的15%，不大于輪半徑的60%。曲柄長度傳統(tǒng)的自行車設(shè)計，一般從杠桿原理考慮比較多，對人研究少，認(rèn)為曲柄越長越有力。曲柄過長后，為了不使腳蹬碰到前泥板，不得不加大中軸至前軸的距離（前心距）。這樣勢必加長車架，影響了正確的坐車姿勢，使人感到臀部痛。若能按人的身長或下肢長來考慮曲柄長度，則可使人省力和舒適。通常曲柄長度的基準(zhǔn)，取人體身長的 110 ，也相當(dāng)于大腿骨長的 12 。 三接點位置 正確的騎車姿勢，是由騎車人和自行車三個接點位置決定的，如圖所示的鞍座位置 A 、車把位置B 、腳蹬位置C 。按三點調(diào)整法，AB 和AC 約等，一般 AB = ( AC 一 3 )

6、 cm , A點略低于B點，約為5cm 。車架的前三角部分：上管、下管、立管組成了一個封閉的前三角，是決定騎行者操縱性能的主要部件。車架的后三角部分：立管的長度、角度決定鞍座的位置，其位置與曲柄的長度等因素決定了騎行動力的輸出大小。決定輸出效率的傳動部件由鏈輪和飛輪的大小即速比而定。自行車立管角度的大小，關(guān)系到騎行重心的位置和輸出效力。角度越大，即立管越往前傾，騎行速度越快。多次實驗得知：立管角如果大于80，結(jié)合人體工程學(xué)的原理，騎行者的大腿骨、小腿骨的動作反而受到約束、動作不靈活、有效肌力難以發(fā)揮。因此，要以舒適出發(fā)、速度相結(jié)合的思路出發(fā)，依據(jù)實際情況選擇角度問題。據(jù)有關(guān)資料分析：當(dāng)人呈水平

7、狀態(tài)，小腿與水平的大腿基本垂直，而另一小腿能自然垂直于地面、此時的曲柄應(yīng)轉(zhuǎn)到呈60時用腳掌蹬力最舒適位置。 車閘設(shè)計時，閘把開擋、力率和閘把力要與人手的大小和握力相適應(yīng)。靈敏度高的車閘，隨著閘把上力的增大，剎車力也按比例地增加。如果閘把力到達(dá)某一程度不發(fā)生剎車作用，繼而又驟然生效，說明這種車閘設(shè)計不良。理想的施閘力和減速度閘把施閘力/N相對握力%減速度說明6035050010701000.1g0.6g0.8g控制下坡速度全剎車緊急全剎車注：g=9.8m/s2車把 可以在把手的后半面采用突起的一個脊（如圖），增加把握時的牢固度。同時把車把的水平面增大，使手掌有更多托付面積，減小手掌單位面積的受力

8、，在長距離行駛時不容易感到疲勞。剎車與車把平面的角度設(shè)計應(yīng)該是3545度之間，這樣可以釋放手腕的壓力，最好是這個角度能夠設(shè)計成可以調(diào)節(jié)的。確定車把與鞍座之間的相對位置：根據(jù)人機(jī)工程學(xué)相關(guān)理論確定上身姿態(tài)，進(jìn)而確定鞍座和車把之間的相對位置。長時間騎自行車人們大多感覺腰部最累，這是因為騎車時，人處于一種前屈運動的狀態(tài)，坐姿屬于非自然姿勢。要減輕人體上身疲勞，就要盡量使腰背肌肉處于放松狀態(tài)，在保證人體操作靈活性的同時，使人騎車時的坐姿接近自然坐姿，即盡量使腰曲弧形接近自然狀態(tài)。因此保持脊柱正常的生理彎曲是減輕疲勞的重要因素。調(diào)整人體模型的姿勢，使脊柱弧形盡量接近自然狀態(tài)，另有人機(jī)學(xué)統(tǒng)訓(xùn)研究表明，“人

9、的上臂與上胸夾角為50左右時騎姿最為舒適”。鞍座尺寸設(shè)計 座面寬度：根據(jù)人體測量學(xué)，50%的人群盆骨的坐骨結(jié)節(jié)間距約為200-220mm，在設(shè)計時還需加上適當(dāng)?shù)脑O(shè)計余量（40-60mm），以提高鞍座的舒適性，因此可確定普通休閑自行車的鞍座后端寬度為240-280mm為宜。由于女性的髖骨要寬于男性，在鞍座設(shè)計時，女士自行車的鞍座寬度要比男性的寬一些。鞍座長度：據(jù)人體解剖學(xué)中人體解構(gòu)尺寸可知，鞍座后端的長度應(yīng)由坐姿狀態(tài)下坐骨結(jié)節(jié)離臀部后緣的距離（100-120mm）確定，鞍座總長度則由坐姿時會陰處離臀部后緣的距離（160-190mm）再加上適當(dāng)余量確定。鞍座與踏板之間的相對位置鞍座的設(shè)計應(yīng)采用局部

10、凹陷的結(jié)構(gòu)以減少對騎乘者坐骨生殖區(qū)造成的壓迫。腳踏分為水平腳踏、自鎖腳踏和腳帶腳踏。水平腳踏即我們平日所見的腳踏，腳和腳踏是分開的。自鎖腳踏需使用專用配套自鎖鞋，如果是長時間騎行會感覺輕松很多，因為一只腳踩下去的同時另一只腳還可以往上提，一般來說可以省力25%。 根據(jù)自行車國家標(biāo)準(zhǔn)：1、腳蹬面朝上放置時，自行車向一傾斜 25，腳蹬上的零部件不觸及地面。2、腳蹬中心與泥板轉(zhuǎn)到任意角度時的間隔距離必須大于或等于89mm。在確定鞍座與踏板之間的相對位置時，要先確定曲柄的長度。曲柄的長度曲柄的長度決定了蹬踏所產(chǎn)生的圓周直徑，直徑越大，膝蓋和大腿的肌肉就要加大伸縮幅度才能驅(qū)動曲柄。在整個蹬踏的圓周運動過

11、程中，大腿肌肉所承受的力并不相等。這一點很好證明：下蹲，并使膝蓋完全彎曲，然后站直，這時，就會花費比只下蹲15厘米然后再站直消耗更多的精力，在完全下蹲的情況下，肌肉所用的力量也不相同。因此，當(dāng)不得不使膝蓋在整個圓周動中都處于彎曲的狀況時，合適的曲柄長度能夠保證膝蓋屈伸幅度在20。曲柄太長的曲柄長度雖然能夠增加每一踏所做的功，但是卻降低了蹬踏頻率，太短的曲柄長度可以增大蹬踏頻率，卻降低了每一踏產(chǎn)生的功，因此，過長和過短的曲柄在提高速度上都會產(chǎn)生負(fù)作用。曲柄過長，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎時膝關(guān)節(jié)碰到車把，騎行發(fā)生困難，影響騎行者的輸出性能。選取曲柄為165mm-170mm時為最適合，使騎行者即省力又舒適。車輪

12、車輪部分分前輪和后輪，它是由前、后軸、輻條、內(nèi)外胎組成，以承受自行車和騎行者的總重量，并通過腳蹬驅(qū)動，推動車輛前進(jìn)。據(jù)有關(guān)資料介紹，腳踏力和車輪啟動力距是1：20。為了更好地發(fā)揮車輪的氣動力，則要提高車輪部件的質(zhì)量，就應(yīng)選用高韌性、高彈性的輕質(zhì)耐磨輪胎。一般的通勤自行車是生活中最普通常見的，適用于所有有能力會騎自行車的人。 一般通勤自行車大、小百分位數(shù)選擇P95、P5，或酌情選P90、P10。 決定鞍座寬度的因素主要由人體的生理結(jié)構(gòu)來決定。包括坐骨結(jié)節(jié)的距離、大腿部的脂肪、髖臼窩的深淺、骨盆的大小等等。其中起關(guān)鍵作用的是坐骨結(jié)節(jié)間的距離(原因上文已有解釋)。這段距離基本上決定了鞍座后部的寬度，

13、女性的鞍座在設(shè)計時比男性稍寬，它的寬度保證了人體坐骨結(jié)節(jié)在鞍座上時的距離位置：“過小容易使結(jié)節(jié)間軟組織受到擠壓，過大容易影響鞍座的平衡。一般的情況下不小于9cm，不大于12cm?！倍遣康膶挾葎t是由于人體的個別差異而不同(包括脂肪堆積、臼窩的深淺等)。如果座位太窄坐骨區(qū)的軟組織就會承受一部分上肢的重量：對于男性來說，這里是生殖神經(jīng)和動脈血管經(jīng)過的地方；對于女性來說寬度也需要優(yōu)先考慮，因為女性的坐骨要寬于男性，在設(shè)計時要比男性的寬一些。弧率是指從鞍座后部過渡到鞍座鼻部弧線的彎曲程度。這由鞍座的寬度、長度、以及大腿內(nèi)側(cè)的脂肪厚度、人體髖臼窩的深淺以及鞍座的用途等等決定。其從后面看，座位應(yīng)該是平的或

14、者稍微有一些拱型。好的曲線會使坐骨結(jié)節(jié)略低于鞍座的中心，用叉部來分散坐骨結(jié)節(jié)的一部分壓力。墊料是自行車鞍座舒適與否的一個重要因素。它決定了鞍座的變形程度。因此如果墊料過軟，它就會陷入到人體軟組織中，導(dǎo)致人體組織的麻木和缺血：如果摯料太硬，將會導(dǎo)致人體組織的疼痛。所以，墊料的柔軟程度和大小是設(shè)計中一個非常重要的因素。它是直接與人體接觸的元素，因此其材料的質(zhì)地直接影響人體感覺的好壞。另外，包覆材料的透氣性、防水性、防變形性等也是一個應(yīng)該考慮的因素。所以，墊料的材料、與支撐架的厚度以及包覆材料等等都是需要考慮的因素。為了使坐骨舒適，騎乘者肯定想要有足夠的泡沫和凝膠來摯襯。但是厚的填料增加了胯部的壓力，坐骨下陷，會使腹股溝的壓力增大。但沒有墊料的鞍座比有墊料的鞍座更多的減少供給生殖區(qū)的血液流量。鞍座的寬度并不是一個影響的因素，其并不會影響血液流量。反射器 反射器是能夠反射光線的裝載自行車前后及腳蹬的裝置，它的主要作用是在夜晚反射路燈和車輛的強(qiáng)光，以提示前后車輛注意自行車的位置，其實就是相當(dāng)于一個信號燈?；谶@個作用，反射器的顏色必須是顯目，而且能夠引起人足夠的注意力，給人警示和指引。但是夜間行駛的時候反射器由于不醒目并沒有起到該有的作用。 所以我認(rèn)為可以嘗試在坐墊后面以及車的前面兩側(cè)安裝一種軟性的反射器，或是涂抹一種能夠發(fā)射光線的如涂料。同時把腳蹬改為白色或琥珀色，