人机工程学之自行车

山地车架尺寸和身高对照表（参考）：15/16寸：适合身高：150cm-165cm；17/18寸：适合身高：165cm-175cm；19/20寸：适合身高：175cm-185cm；21/22寸：适合身高：185cm-195cm；15”/17”/19”/21”:为亚洲人设计车型 16”/18”/20”/22”:为欧洲人设计车型车架的尺寸自行车的简介12自行车的结构3人机工程学在自行车中的应用4不足与改进5 概念自行车一、自行车简介一、自行车简介1）发展：1818年，德国的德莱斯在前轮上加了一个控制方向的车把子，可以改变前进的方向。1840年，英格兰的铁匠麦克米伦，他在后轮的车轴上装上曲柄，再用连杆把曲柄和前面的脚蹬连接起来，并且前后轮都用铁制的，前轮大，后轮小。当骑车人踩动脚蹬，车子就会自行运动起未，向前跑去。1861年，法国的米肖父子，原本职业是马车修理匠，他们在前轮上安装了能转动的脚蹬板；车子的鞍座架在前轮上面，这样除非骑车的技术特别高超，否则就抓不稳车把，会从车子上掉下来。他们把这辆两轮车冠以“自行车”的雅名，并于1867年在巴黎博览会上展出，让观众大开眼界。1790年，法国人名西夫拉克，这辆最早的自行车是木制的，它的结构比较简单，既没有驱动装置，也没有转向装置，骑车人靠双脚用力蹬地前行，改变方向时也只能下车搬动车子。一、自行车简介一、自行车简介1）发展：1869年，英国的雷诺采用钢丝辐条来拉紧车圈作为车轮；同时，利用细钢棒来制成车架，车子的前轮较大，后轮较小。从而使自行车自身的重量减小一些。真正具有现代形式的自行车是在1874年诞生的。英国人罗松在这一年里，别出心裁地在自行车上装上了链条和链轮，用后轮的转动来推动车子前进。但仍然是前轮大，后轮小，看起来不够协调，不稳定。1886年，英国的约翰.k.斯塔利，是一位机械工程师，从机械学，运动学的角度设计出了新的自行车样式，为自行车装上了前叉和车闸，前后轮的大小相同，以保持平衡，并用钢管制成了菱形车架，还首次使用了橡胶的车轮。斯塔利不仅改进了自行车的结构，还改制了许多生产自行车部件用的机床，为自行车的大量生产利推广应用开辟了宽阔的前景，因此他被后人称为“自行车之父”。斯塔利所设计的自行车车型与今天自行车的样子基本一致了。一、自行车简介一、自行车简介1）发展：1888年，爱尔兰的兽医邓洛普，从医治牛胃气膨胀中得到启示，他把家中花园里用来浇水的橡胶管粘成圆形，打足了气，装在自行车轮子上，前往参加骑自行车比赛，居然名列前茅，引起了人们极大的兴趣。充气轮胎是自行车发展史上一个划时代的创举，它增加了自行车的弹性，不会因路面不平而震动；同时大大地提高了行车速度，增大了车轮与路面的摩擦力。这样，就根本上改变了自行车的骑行性能，完善了自行车的使用功能。同样是1888年，英国考文垂市的约翰.k.斯塔利生产出了第一辆现代自行车“安全”自行车。其主要特点是采用菱形车架，使得车身有更高的刚度和强度，后轮用链条驱动，并通过前叉直接把握方向。2）种类：一、自行车简介一、自行车简介专门设计用来在公路上运动竞速的车种，车架方面采线条优美的设计，有减低风阻的下弯把手设计，较细的阻力外胎，且轮经比一般的登山越野车都大，能不用花太大的力气就可以轻松前进，车架材质部分，是采用超轻量化的材质。（1）竞技比赛使用的车种，因大部分的竞赛以下坡为主，为了克服崎岖不平及速度快的挑战，所以下坡越野车要有较坚固的外型及宽且厚的轮胎 （2）车架均以特殊质料造成，有多种的选择，包括铝合金、钛合金、碳纤维、高碳钢及复合材料等 （3）避震系统方面，包括弹簧避震器、气压避震器、复合式避震器等 （4）煞车的部分，大都使用油压煞车 该车用升降手闸使整车轴心向上提升折叠成超小体积的轴心型便携折叠车的整体结构，整车折叠后放进布袋（箱包）中成为折叠自行车的一体化结构。在制作中则需要用锁紧合页将车架及龙头、车座相连接；锁紧合页装有弹簧、钢索（线闸）等，方便操作；升降手闸可控制锁紧合页，确保安全和方便。（1）设有前置式避震器，舒适，省力，操控轻松，有较好的踩踏效率，求车身的灵活几轻巧度，车架后面采用固定式后摇臂。（2）变速系统方面，采用前置式变速器，有1827段的选择，方便在不同路况中进行加速或减速。（3）变速把手有拨杆式及旋转式 （4）煞车采用碟煞系统，配合专用的煞车轮架，在紧急状况场地赛中采用的自行车只配有一个齿轮，无闸。使用先进的技术和器材，目的只有一个，就是让人把自行车骑得越来越快。（1）单速设计且轮胎宽粗，车身小易于个种技巧运作 （2）适合人工铺设跑道、泥地竞速、土坡跳跃、模拟街道障碍的道具场地 及特技单车之用。（1）适合竞技及休闲的车种，能够轻易地穿梭林道、河床地、公路及上下坡，还可以进行简单的跳跃动作 （2）由于避震器的行程不长，所以保留了爬坡的优越功能 （3）最大的特色是安装了后悬吊链杆及摇臂，将凡避震系统发挥出最大的一般民众用来通勤的车种，因各国交通安全的法规须贴上反光、警示、明照等标示。二、自行车的结构自行车的车架、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：导向系统：由车把、前叉、前轴、前轮等部分组成。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。驱动系统：由脚蹬、中轴、牙盘、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、链条、飞轮、后轴等部件传动的，从而使自行车不断前进。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、停驶、确保行车安全。前叉部分12车把部分3脚踏部分4鞍座部分6车轮部分5 车架部分前叉部分：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%。车把部分：这是关系到操纵和制动性能的主要部件。例如山地车，车把的宽度以中青年男子的肩宽480mm，手掌宽度100mm为参照，设计时考虑手掌中央与车把把套的中央为接触点，这样可使整车受力平衡，具备安全可靠的操纵车把和刹车制动的有利条件。脚踏部分：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%。水平脚踏自锁脚踏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。脚带脚踏鞍座部分：人处于坐姿状态时，由人体组织的解剖学特性可知，与鞍座紧密接触的是最能承受压力的臀部的两块坐骨结节，时间久了便会感到疲劳，造成臀部疼痛。坐姿时坐骨结节承受大部分的身体重量，当座面接近水平状态时，位于坐骨结节外侧的股骨处于正常的位置（如图）而不会受到过分压迫使人觉得舒适；而当座面呈斗型（凹式三角形）时，会时股骨因受到压迫而向上转动并承受载荷，且还会使髋部肌肉受压从而引起不舒适感。1、鞍座结构设计、鞍座结构设计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。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。坐垫材料是影响鞍座舒适性的重要因素之一，同时也是骑行过程中减震元件之一。一般采用硬质座面包覆软硬适中的坐垫材料，同时还考虑到其透气性、防水性等特征。柔软度适中的坐垫材料，还可减少骑行路面不平整时所产生的震动冲击，起到一定的减震避震作用，进一步增强骑行舒适性。鞍座的面料可采用透气性透气性较好的皮革材料皮革材料以利于散热散热。车架部分：车架是自行车的主要部件，它与车把、前叉和前后车轮连接，承载着骑车人的全部重量，分前三角和后三角两部分。车架的前后部分都应具有一定的刚性和弹性。从而确保不同的道路，安全稳定的行驶。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分的输出大小。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。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。曲柄:车轮部分：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。坐垫部分 车把部分 反射器 坐垫部分为了把减轻降低行驶时对下体的压力，我们可以在设计坐垫的时候将两侧垫高，这样就将更多的压力分散到两翼坐骨上，从而使得下体得到解放。其次，由于人在骑自行车时，长时间处于一种前屈运动的状态，坐姿属于非自然、良好的坐姿，这样椎间盘内压力分布不均衡，就会产生腰部酸痛、疲劳等不适感。要减轻腰部的不适感，在保证人体操作灵活性的同时，应使人骑车时的坐姿接近自然坐姿。通常情况下，设置适当的靠背可使疲劳降低。大于90的靠背还可防止骨盆的旋转，增加坐姿的稳定性，基于上述原因与原理，可考虑在自行车的坐垫后面设置一个适当的靠背。靠背的具体尺寸如图所示。车把部分我认为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3545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。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。