人体测量数据在自行车中的应用.docx

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人体测量数据在自行车中的应用

人体测量数据在自行车设计中的应用

【前言】自行车的车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等25个部件中，其基本部件缺一不可。

其中，车架是自行车的骨架，它所承受的人和货物的重量最大。

按照各部件的工作特点，大致可将其分为导向系统、驱动系统、制动系统：

1、导向系统：

由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。

乘骑者可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。

2、驱动（传动或行走）系统：

由脚蹬、中轴、链轮、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。

人的脚的蹬力是靠脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动的，从而使自行车不断前进。

3、制动系统：

它由车闸部件组成、乘骑者可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、停使、确保行车安全。

此外，为了安全和美观，以及从实用出发，还装配了车灯，支架等部件。

一般来说，与产品有直接接触的人体部位尺寸比较重要。

由所学我们可知，对于自行车来说，静态尺寸包括：

手宽、脚宽、前臂宽、臀宽、胯宽；动态尺寸包括：

臂的功能极限尺寸和腿的机能极限尺寸。

人一自行车系统

自行车的车架、轮胎、踏脚、刹车、链条等25个部件中，其基本部分缺一不可。

其中，车架是自行车的骨架，它所承受的人和货物的重量最大。

按照各部件的工作特点，大致可将其分为导向系统、驱动系统、制动系统：

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车系统。

人和自行车支撑部件的关系如下图所示：

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性的设计参数。

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。

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。

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。

前叉部分

自行车设计国家标准规定：

车把前叉轴线与通过轮心的地面垂直线的交点到地面的距离不小于轮半径的15%，不大于轮半径的60%。

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。

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。

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，如图所示的鞍座位置

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。

车架的前三角部分：

上管、下管、立管组成了一个封闭的前三角，是决定骑行者操纵性能的主要部件。

车架的后三角部分：

立管的长度、角度决定鞍座的位置，其位置与曲柄的长度等因素决定了骑行动力的输出大小。

决定输出效率的传动部件由链轮和飞轮的大小即速比而定。

自行车立管角度的大小，关系到骑行重心的位置和输出效力。

角度越大，即立管越往前倾，骑行速度越快。

多次实验得知：

立管角如果大于80°，结合人体工程学的原理，骑行者的大腿骨、小腿骨的动作反而受到约束、动作不灵活、有效肌力难以发挥。

因此，要以舒适出发、速度相结合的思路出发，依据实际情况选择角度问题。

据有关资料分析：

当人呈水平状态，小腿与水平的大腿基本垂直，而另一小腿能自然垂直于地面、此时的曲柄应转到呈60°时用脚掌蹬力最舒适位置。

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。

理想的施闸力和减速度

闸把施闸力/N

相对握力%

减速度

说明

60

350

500

10

70

100

0.1g

0.6g

0.8g

控制下坡速度

全刹车

紧急全刹车

注：

g=9.8m/s2

车把

可以在把手的后半面采用突起的一个脊（如图），增加把握时的牢固度。

同时把车把的水平面增大，使手掌有更多托付面积，减小手掌单位面积的受力，在长距离行驶时不容易感到疲劳。

刹车与车把平面的角度设计应该是35—45度之间，这样可以释放手腕的压力，最好是这个角度能够设计成可以调节的。

确定车把与鞍座之间的相对位置：

根据人机工程学相关理论确定上身姿态，进而确定鞍座和车把之间的相对位置。

长时间骑自行车人们大多感觉腰部最累，这是因为骑车时，人处于一种前屈运动的状态，坐姿属于非自然姿势。

要减轻人体上身疲劳，就要尽量使腰背肌肉处于放松状态，在保证人体操作灵活性的同时，使人骑车时的坐姿接近自然坐姿，即尽量使腰曲弧形接近自然状态。

因此保持脊柱正常的生理弯曲是减轻疲劳的重要因素。

调整人体模型的姿势，使脊柱弧形尽量接近自然状态，另有人机学统训研究表明，“人的上臂与上胸夹角为50左右时骑姿最为舒适”。

鞍座尺寸设计

座面宽度：

根据人体测量学，50%的人群盆骨的坐骨结节间距约为200-220mm，在设计时还需加上适当的设计余量（40-60mm），以提高鞍座的舒适性，因此可确定普通休闲自行车的鞍座后端宽度为240-280mm为宜。

由于女性的髋骨要宽于男性，在鞍座设计时，女士自行车的鞍座宽度要比男性的宽一些。

鞍座长度：

据人体解剖学中人体解构尺寸可知，鞍座后端的长度应由坐姿状态下坐骨结节离臀部后缘的距离（100-120mm）确定，鞍座总长度则由坐姿时会阴处离臀部后缘的距离（160-190mm）再加上适当余量确定。

鞍座与踏板之间的相对位置

鞍座的设计应采用局部凹陷的结构以减少对骑乘者坐骨生殖区造成的压迫。

脚踏分为水平脚踏、自锁脚踏和脚带脚踏。

水平脚踏即我们平日所见的脚踏，脚和脚踏是分开的。

自锁脚踏需使用专用配套自锁鞋，如果是长时间骑行会感觉轻松很多，因为一只脚踩下去的同时另一只脚还可以往上提，一般来说可以省力25%。

根据自行车国家标准：

1、脚蹬面朝上放置时，自行车向一倾斜25°，脚蹬上的零部件不触及地面。

2、脚蹬中心与泥板转到任意角度时的间隔距离必须大于或等于89mm。

在确定鞍座与踏板之间的相对位置时，要先确定曲柄的长度。

曲柄的长度曲柄的长度决定了蹬踏所产生的圆周直径，直径越大，膝盖和大腿的肌肉就要加大伸缩幅度才能驱动曲柄。

在整个蹬踏的圆周运动过程中，大腿肌肉所承受的力并不相等。

这一点很好证明：

下蹲，并使膝盖完全弯曲，然后站直，这时，就会花费比只下蹲15厘米然后再站直消耗更多的精力，在完全下蹲的情况下，肌肉所用的力量也不相同。

因此，当不得不使膝盖在整个圆周动中都处于弯曲的状况时，合适的曲柄长度能够保证膝盖屈伸幅度在20。

曲柄

太长的曲柄长度虽然能够增加每一踏所做的功，但是却降低了蹬踏频率，太短的曲柄长度可以增大蹬踏频率，却降低了每一踏产生的功，因此，过长和过短的曲柄在提高速度上都会产生负作用。

曲柄过长，会导致转弯时膝关节碰到车把，骑行发生困难，影响骑行者的输出性能。

选取曲柄为165mm-170mm时为最适合，使骑行者即省力又舒适。

车轮

车轮部分分前轮和后轮，它是由前、后轴、辐条、内外胎组成，以承受自行车和骑行者的总重量，并通过脚蹬驱动，推动车辆前进。

据有关资料介绍，脚踏力和车轮启动力距是1：

20。

为了更好地发挥车轮的气动力，则要提高车轮部件的质量，就应选用高韧性、高弹性的轻质耐磨轮胎。

一般的通勤自行车是生活中最普通常见的，适用于所有有能力会骑自行车的人。

一般通勤自行车大、小百分位数选择P95、P5，或酌情选P90、P10。

决定鞍座宽度的因素主要由人体的生理结构来决定。

包括坐骨结节的距离、大腿部的脂肪、髋臼窝的深浅、骨盆的大小等等。

其中起关键作用的是坐骨结节间的距离（原因上文已有解释）。

这段距离基本上决定了鞍座后部的宽度，女性的鞍座在设计时比男性稍宽，它的宽度保证了人体坐骨结节在鞍座上时的距离位置：

“过小容易使结节间软组织受到挤压，过大容易影响鞍座的平衡。

一般的情况下不小于9cm，不大于12cm。

”而鼻部的宽度则是由于人体的个别差异而不同（包括脂肪堆积、臼窝的深浅等）。

如果座位太窄坐骨区的软组织就会承受一部分上肢的重量：

对于男性来说，这里是生殖神经和动脉血管经过的地方；对于女性来说宽度也需要优先考虑，因为女性的坐骨要宽于男性，在设计时要比男性的宽一些。

弧率是指从鞍座后部过渡到鞍座鼻部弧线的弯曲程度。

这由鞍座的宽度、长度、以及大腿内侧的脂肪厚度、人体髋臼窝的深浅以及鞍座的用途等等决定。

其从后面看，座位应该是平的或者稍微有一些拱型。

好的曲线会使坐骨结节略低于鞍座的中心，用叉部来分散坐骨结节的一部分压力。

垫料是自行车鞍座舒适与否的一个重要因素。

它决定了鞍座的变形程度。

因此如果垫料过软，它就会陷入到人体软组织中，导致人体组织的麻木和缺血：

如果挚料太硬，将会导致人体组织的疼痛。

所以，垫料的柔软程度和大小是设计中一个非常重要的因素。

它是直接与人体接触的元素，因此其材料的质地直接影响人体感觉的好坏。

另外，包覆材料的透气性、防水性、防变形性等也是一个应该考虑的因素。

所以，垫料的材料、与支撑架的厚度以及包覆材料等等都是需要考虑的因素。

为了使坐骨舒适，骑乘者肯定想要有足够的泡沫和凝胶来挚衬。

但是厚的填料增加了胯部的压力，坐骨下陷，会使腹股沟的压力增大。

但没有垫料的鞍座比有垫料的鞍座更多的减少供给生殖区的血液流量。

鞍座的宽度并不是一个影响的因素，其并不会影响血液流量。

反射器

反射器是能够反射光线的装载自行车前后及脚蹬的装置，它的主要作用是在夜晚反射路灯和车辆的强光，以提示前后车辆注意自行车的位置，其实就是相当于一个信号灯。

基于这个作用，反射器的颜色必须是显目，而且能够引起人足够的注意力，给人警示和指引。

但是夜间行驶的时候反射器由于不醒目并没有起到该有的作用。

所以我认为可以尝试在坐垫后面以及车的前面两侧安装一种软性的反射器，或是涂抹一种能够发射光线的如涂料。

同时把脚蹬改为白色或琥珀色，做到醒目的效果。

调节的方法

动态调节“脚蹬”转矩增加力臂长度“脚蹬”使用棘轮和单向轴承的原理相同，结构有所差异，但都能应用于“脚蹬”调节。

使用中“脚蹬”的调节功能可以备而不用；一旦调节必有效果。

可根据速度和负荷，灵活调节即时的力臂长度，在高效率区多做功。

所以提高了平均效率。

发挥体能的效率。

又在调节时能把死点提前了，扩大做功区间。

常态预置“脚蹬”运动半径在一种标准下的曲柄、脚蹬曲轴，通过调节夹角，预置运动半径R，适合不同身高的人群（包括儿童）。

发挥使用人的最佳状态。