自行车设计的人因改进

自行车设计的人因改进案例介绍中国是世界闻名的“自行车王国”。自行车是广大工薪阶层最常使用的交通工具。骑车 外出，不但可以锻炼身体，而且经济方便。但是在方便的同时，有些自行车“骑士”常常 感到会阴部胀痛，腹部坠胀，长时间骑车后还会感到腰酸背疼等，这与自行车的设计不够人 性化有一定的关系。随着技术的进一步发展，日趋完善化的设计更强调人的效能、安全、舒 适和身心健康，在设计高效机的同时，充分考虑人的因素，反映人的需要，把人与机密切结 合起来。但是，现行自行车，尤其是休闲、代步用普通自行车在这方面发展得不尽如“人意”， 存在的问题主要是自行车的一些零部件尺寸不适于人。所以，在保证高效的同时，有必要全 面分析在社会生活中对家用自行车的特殊需求和人因设计规范。根据需求对现在的自行车进 行改进设计，充分考虑人的因素，对其做一些“人性化”的改善，以求在人们享受经济效率 的同时，也能够维护和促进身体健康。案例目的1、全面分析自行车设计所涉及的人因问题。2、联系接触自行车的贴身体会，应用相关人因原理和方法提出自行车设计的改进建议。3、体会人体测量相关理论对产品设计的意义。案例问题1、从人因工程学的角度出发，对自行车车座设计进行改进分析。2、从人因工程学的角度出发，对自行车靠背设计进行改进分析。3、从人因工程学的角度出发，对自行车车把设计进行改进分析。案例分析1、（1）车座存在的问题分析大多数人长时间骑自行车，都会感到臀部疼痛。之所以如此，一部分原因是前倾式的骑 车姿势使骑车者会阴与车座前端产生磨擦，时间一久就会感到不舒服；一部分原因则是车座 的尺寸与人体尺寸不符所致。根据人体组织的解剖特性可知，坐骨结节处是人体最能耐受压力的部位，身体的主要重 量均由骨盆下的两块面积约为25cm2的坐骨结节承受。故车座设计不合适就会使坐骨结节处 在车座外缘或紧挨外缘的位置，身体的压力使得坐骨结节被迫分离的趋势过大，由此导致臀部的疼痛感。图1人体骨盆在车座上的位置图2人体骨盆在车座上的位置如图 1 和图 2 是人体骨盆在车座上的位置。当人骑车坐在车座上时，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，座会 压迫到坐骨生殖区的组织和脂肪（见图 1）；坐骨生殖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（见图 2）；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， 如图 3 所示，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。Urc-GehHalUcssels生殖曲脉iEschio- Put ECHamus J坐骨生产揖图3人体生殖区结构和车座的关系/ rPuhLCSijmphFSLS盘阴区（2）改进的方面和措施1）车车座后端的宽度应根据人体坐骨结节间距（50%的人群）加适当ischialTubierosy基骨结节余量而定。女性骨盆的坐为2629c合适。车座前端细部宽度由会阴加较小余量确骨结节间距约为23cm，男性骨盆坐骨结节间距约为20cm。据此，车座宽度的适宜范围：男 式单车为2426cm，女式 . 定，这个宽度不可过宽，否则会对会阴产生较大磨擦。根据人体解剖学中的数据，可确定该图4车座的尺寸和实物2）车座长度人体处于坐姿时，坐骨结节离臀部后缘约1012cm，据此，车座后端的长度范围定为 1012cm,如图4所示。车座总长不同于一般工作椅的座深，车座的总长只需给骑车者以有 限的支承稳定性即可，因为车座过长势必影响大腿前后摆动的灵活性。人体的会阴中心离坐 骨结节约半个大腿厚，车座总长由坐姿时臀部后缘到坐骨结节间距加上坐骨结节中心到会阴 点间距加适当余量而定。根据有关数据,50%的人体大腿厚约为13cm,故车座长度范围为22 24cm（余量约取5.5cm）。3）座面倾角车座后倾一定的角度,一方面可使背部抵靠靠背,获得支持,从而降低背肌静压；另一 方面则可防止坐者从座缘滑出座面。车座后倾的角度不可太大,如果太大,身体势必前屈作 业,致使脊椎拉直,破坏正常腰椎曲线,形成一种费力姿势,一般后倾角在3以内为宜。 另外,有关的研究还表明,人在骑车时身体适当后倾,人体的迎风面积减小,更有利于发力 和加速,如果靠背角为 90,后倾角在 15以内,则相当于前倾座面与靠背夹角在105 以内,属坐姿的舒适范围。靠背对于脊椎部还能起适度的支持作用,肌肉紧张较小,背部压 力在椎骨上分布也较均匀。基于此,座面倾角设置成可调式,能在后倾与前倾坐姿的舒适调 节范围内连续调整,并可在任意角度锁紧,骑车者可根据需要调整车座倾角。4）座垫长时间骑车,臀部不舒服的另外一个原因就是座垫软硬不合适所致。车座加上座垫,人 坐于其上,臀部压力值大为降低,接触支承面增大,使压力分散。但是座垫不可过软,过软 不仅增加了身体的不稳定性,而且容易使人产生疲劳；过硬又会导致臀部痛楚或麻木。座垫 的软硬应以股骨头刚好与座垫相接近,几近接触而无压力为宜。坐垫材料必须透气,且不易 打滑,座垫应缝制或钉在车座上,使其对起坐时的动载有良好的弹性响应。5）车座高度如图 5 所示,根据人体坐姿的生物力学分析得知,人体上身越前倾,脊柱的弯曲程度越 大,背部肌肉受力越大。当人骑车时,几乎完全伏在车把上,背部与水平面几乎平行,腰部 椎间盘压力分布不当,腰椎变形。若将座位适当降低,一般是设计的车座低于车把,脊柱的 弯曲程度就会降低,脊柱的形状接近自然状态,腰椎间盘的压力分布较均匀,有效减轻不合 理的座位设计给人带来的伤害。图5人体坐姿的生物力学分析2、长时间骑自行车的人感觉腰部最累，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。良好的坐姿，压力适当地分布于各椎间盘上，肌肉组织承受均匀的静 负荷，脊椎形状最接近自然状态；而人处于非自然姿势时椎间盘内压力分布不均衡，故腰部 产生酸痛、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，可考虑在自行车的车座后1）靠背的高度靠背由肩靠和腰靠两部分构成，腰靠的凸出部分压入腰凹内，以保证腰部得到充分支持， 其水平截面为曲率不大的圆弧形，以适合于腰圆。由于成年人腰椎部的中心位置约在座位上 方2326cm处，腰椎支点略高于此尺度，腰靠的高度至少要等于腰椎支点的高度，以支持 背部重量，所以腰靠的高度在座面上方2632cm处为宜。为了使背部下方骶骨和臀部有适 当的后凸空间，座面上方与靠背下部之间留一开口部分，其高度至少为12.5cm。（2）靠背的宽度宽度由腰围决定，靠背宽度为腰围的1/3,例如50%的女性腰围为77.2cm，所以靠背宽 度可定为26cm为宜。（3）靠背的角度设为 99，该倾角的作用与座面倾角的作用相同。（4）靠背的重量及材料靠背不易过重，应选用强度较好，质量较轻的材料（如ABS塑料），并具有适当的弹性, 以增加舒适感。3、（1）车把的高度 自行车的车把如果偏低，骑车者必须弯下腰，时间久了，就会感到腰酸背疼，胳膊疲劳。 车把的高度应保证骑车者在骑车时处于自然坐姿或接近自然坐姿，并使颈关节、胸关节、腰2）车把的宽度经实践测量，当车把的宽度接近于骑车者的最大肩宽时，人能够自然舒适地握住车把， 并能保持长时间不易疲劳。据有关的统计数据，中等身材的人最大肩宽，男为43.1cm,女 为39.7cm,因此，车把的宽度可定为39.743.1cm。（3）把手的形状 现在自行车的把手很多都是橄榄形的，其实这并不符合人因工程学原理，因为当手握把 手时，手的屈肌和伸肌共同完成握把。从手掌的解剖特征看，掌心部分的肌肉最少，指骨间肌和手指部分是神经末稍满布的部 位；指球肌和大、小鱼际是肌肉丰富的部位，是手部的天然减振器。橄榄形的把手将会使掌 心受压受振，引起难以治愈的痉挛，也会引起疲劳和操失误。把手的设计应使操作者掌心处 略有空隙，以减少压力和摩擦力的作用。如图 8 的把手比较好，把手的直径太小，则扭矩随 之减小；若太大，则会减小握力，降低灵活性与作业速度，并使指端骨弯曲增加，长时间操 作还会导致疲劳，比较合适的直径为34cm,因此，可把车把的直径定为大端4cm左右， 小端3cm左右。把手的长度主要取决于手掌宽度，掌宽一般为7.19.7cm，因此把手的长 度可定为12cm左右。Ir1 04图8自行车把手的形状和尺寸（4）把手的弯度传统的自行车把手为水平，这不符合人因工程学原理，因为这样将会使手腕处于背屈状态，腕部酸痛，握力减小，长时间操作还会引起腕道综合症、腱鞘炎等症状。测试表明，把 手与水平位置成 10左右效果最好，可以降低疲劳，并且容易操作，还使腕关节处于放松 状态。如果必要的话，可以考虑自行车车把的蝴蝶型设计，如图9。图9蝴蝶型车把车闸车闸的设计精度较高，而人手的抓握直径在13cm左右，所以，车闸直径可定为13cm左右，长度约等于把手长度。车闸与把手形成一个角度如图 10，此角度的设计因素是抓握 空间，当抓握空间宽度在4.58. 0cm时抓力最大，据此，可计算出车闸与把手的交角为40。 至于把手与车闸的表面设计，应保证能准确抓握，不产生滑动，所以它们的表面不能太光滑， 要有一定的粗糙。