基于人因工程学的自行车设计改进

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1、 基于人因工程学的自行车设计改进摘要：自行车设计在以往只是从满足人的使用功能以及节约成本出发，而忽视了骑乘者是否感到舒适。本文从人因工程学角度，根据人一自行车系统，运用人体测量学、身体运动学等理论，对自行车设计上长期存在的一些不符合人体工效学要求的缺陷提出了改进建议。关键词：人一自行车系统 人因工程学 自行车 设计1、 背景 人因工程学（ Human Factors or Human Factor Engineering ）,又称工效学（Ergonomics），是近几十年发展起来的一门边缘性应用科学。它综合应用生理学、心理学、医学、卫生学、人体测量学、劳动科学、系统工程学、社会学和管理学等学科

2、的知识和技术，在对人、机器、技术和相关环境的深入研究的基础上，发现并利用人的行为方式、工作能力、作业限制等特点，以提高生产（包括日常生活中人的活动）的效率、安全性、健康性、舒适性和有效性。现代人因工程学的落脚点不仅在于工厂生产现场的布置与设计，还在于人们日常生活随处可见、随时接触的日常用品当中。真正具有现代形式的自行车诞生于1874 年。如今自行车在很多国家只是作为运动健身的工具，但是从上世纪20 年代自行车传入我国以来，由于经济、人口状况与地理条件等方面的原因，自行车在一个很长时期内一直作为中国百姓的主要交通工具。当前我国自行车产量、出口量均占世界总量60%以上，国内消费量也居世界第一。自行

3、车的历史已经超过了一百年，但是从人因工程学的角度进行分析，我们可以发现，现在的自行车设计仍然存在缺陷，需要改进。二、人一自行车系统 （一）、人一自行车系统的提出 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图1来进行分析。 图1 人一车界面关系1、人与支撑部件关系 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

4、人的位置和肌肉的动作有着性的设计参数。 2、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。3、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。 4、人与工作部件关系 工作部件就是车轮，即车圈

5、、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。 （二）、影响自行车性能的人体因素 影响自行车性能的人体因素很多，如图2所示。现主要分析下述几点： 图2 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

6、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。肺活量、血液量、心脏容量等都可看成与 H3成比例。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。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

7、平方厘米40-50N ，通过一定训练的人可提高到65N 。 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（ 0.51 kw ) ，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 1.0-0.7马力（0.07-0.15kw）。 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。5、人的平衡机能 骑车人本身的平衡机能是影响自行车性

8、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。 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。 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体不合适等引起的。此外，影响出力因素还有人的最大摄氧量。 三、自行车设计结构要素分析 影响

9、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，如图3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。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。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

10、速，可得到比较好的效果。 图3 影响自行车性能的机械因素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。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 110 ，也相当于大腿骨长的 12 。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，如图1-4(a）中所示的鞍座位置 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 = ( A

11、C 一 3 ) cm , A点略低于B点，约为5cm 。 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。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。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

12、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。3、 问题的提出及改进（一）、鞍座设计不合理鞍座太平坦，太窄，太硬根据一家国外研究机构的统计，在他们调查的人群中有90%骑自行车男士的睾丸存在畸形。有一半的被调查人群会感到阴囊不适或存在勃起障碍。另据我国的男性学医学报告，骑行自行车在我国前列腺炎的发病诱因中占很大比重。 鞍座设计要素分析 尺寸 决定鞍座宽度的因素主要是人体的生理结构，如坐骨结节的距离、骨盆的大小等等。其中起关键作用的是坐骨结节间的距离。这段距离基本上决定了鞍座后部的宽度，它的宽度保证人体

13、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的平衡。坐骨结节一般912 厘米。因为女性的髋骨要宽于男性，在设计时鞍座宽度要比男性的宽一些。 弧度 弧度是指从鞍座后部过渡到鞍座鼻部弧线的弯曲程度。由鞍座的宽度、长度以及骑乘者大腿内侧的脂肪厚度、髋臼窝的深浅和鞍座的用途等决定。 垫料 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。如果垫料过软，坐骨结节就会陷入到鞍座中，导致人体组织的麻木和缺血：如果垫料太硬，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。另外，包覆材料的透气性、防水性、防变形性等也是应该考虑的因素

14、。当人骑在鞍座上时坐骨生殖区（位于坐骨结节和耻骨联合部之间，分布有大量的血管、神经和软组织）靠在平坦的座面上（如图4），鞍座会压迫到坐骨神经区的组织和脂肪；坐骨神经区的组织里含有丰富的血管、软组织和大量的神经及神经末梢，在骑行时，上躯体的部分重量压迫到这些血管和神经，造成人体会阴区的疼痛和麻木；而且会阴区深层中含有泌尿组织、血管及生殖动脉和传导神经，这样也会造成生殖区域的麻木和缺血，严重的会导致生殖系统障碍。 图4 图5根据工作座椅一般人类工效学要求，座椅的坐面有带座垫的柔性坐面和不带座垫的刚性坐面两种形式。座垫应为由弹性材料及蒙面材料组成的柔性座垫，且覆盖物必须具有弹性和透气性。在选择座垫材

15、料时，还应考虑其散热和吸潮的能力，以及防止滑动的能力等。基于人因工程学的改进设计如图5，鞍座的中部嵌入了比两侧更加柔软的垫料；从正视图看，这一区域下陷，很好的减轻了对坐骨生殖区的挤压。开有4 个圆孔，有利于散热、散潮；鞍座前部比后部稍低，减轻了对耻骨联合部的压迫；鞍座头部比一般自行车鞍座稍窄，减轻了对大腿内侧的摩擦；前后连接的弧度比一般自行车鞍座要小一些，使鞍座增加了表面受力面积，减轻了对臀部的挤压。（二）、缺少腰靠 改良过座位高度的自行车，虽然车座的高度已经降低，但是骑车者长时间骑车，却没有腰靠，其背部负荷仍然很大。腰靠的作用是为腰部提供支撑，保持脊柱处于自然形态的轻松姿势。 腰靠长应为腰靠

16、左右边缘间的最大水平距离，腰靠宽应为腰靠上下边缘间的最大直线距离。腰靠厚应为腰靠在受力状态下，在其左右对称面内、腰靠宽中点处，前后缘间的垂直距离。腰靠高应为腰靠宽中点处到座椅转动轴与坐面交点处所在水平面的垂直距离。腰靠圆弧半径应为腰靠在受力被压缩且腰靠倾角等于90 度的情况下，过其左右对称面上腰靠宽中点的水平面与腰靠前缘圆弧面相交曲线的曲率半径。 另外，腰靠在设计时应注意其靠面弯曲与人体腰部生理弯曲相符，以增加腰部受力缓冲，减小脊柱受力。增加腰靠后的自行车改进设计如图6 所示。 图6增加腰靠的自行车（三）、车把握起来费力 应尽量保持手腕伸直，在骑车时，尽量使车把弯曲而不要使手腕弯曲，避免手腕的

17、偏差（径向偏差和尺骨偏差），同时也应尽量避免大臂过度伸直，因为那样会使整个手臂肌肉始终处于紧张状态。因此，应采用能满足理想的车把高度的车把，即保证肘部成90 度角，小臂与手在一条直线上。所以改进后的车把与鞍座要保证一定的高度落差，以避免骑乘时整个手臂处于伸直状态，使肌肉紧张。并且，车把应设计成平把，因为手握弯把会使手腕弯曲，产生手腕偏差。图7所示为不符合人体工效学的设计，图8所示是改进后的设计。 图7 不符合人体工效学的设计 图8 改进后的设计（四）、手柄握起来舒适度较差 现在的自行车手柄上都有防滑花纹或条纹，但手柄材料却参差不齐，大多数自行车手柄由硬塑料或硬橡胶制成，硬度高，弹性差，而且其形

18、状并不符合人手的生理曲线，在振动时也不能起到缓冲减震的作用。建议手柄由更加柔软，弹性好的材料制成，并且设计又符合人后形状的突起，增加握起来的舒适感，如图9所示。 图9合理的手柄设计四、结论 虽然拥有百多年历史的自行车设计已经相当成熟，现代自行车的造型也更加时尚。但是除了考虑造型新颖性之外，从人因工程学的角度考虑，自行车的设计仍然有很多值得改进的地方。综合起来有以下几点： 1、设计合理造型的鞍座，减轻鞍座对会阴区的压迫。增加腰靠，减轻人腰部负荷。 2、设计平直式车把的自行车，在满足人坐姿接近自然状态的条件下，肘部成90 度，小臂与手成一条直线，避免人手腕部处于尺偏或过度屈伸状态，也避免大臂过度伸直。 3、改进手柄的设计，使用弹性更好的材料，使其握起来更舒适。参考文献：1 郭伏，钱省三.人因工程学M.北京：机械工业出版社.2007.32 杨勤.人机系统适配设计的预测模型研究M.北京：万国学术出版社.20003 黄海波，丁玉兰.自行车鞍座的人机工学设计J.工程图学学报.2005.34 张巾爽.自行车座位及把手设计缺陷J.甘肃科技纵横.2006.55 沈维蕾.基于人因工程学的座椅设计与评价J.机械工程师.2005.10