基于人機(jī)工程學(xué)自行車的設(shè)計(jì)(修復(fù)的)

1、 基于人機(jī)工程學(xué)自行車的設(shè)計(jì) 基于人機(jī)工程學(xué)自行車的設(shè)計(jì)摘 要隨著人們環(huán)保意識(shí)和健身意識(shí)的增強(qiáng)，以及自行車本身的諸多優(yōu)點(diǎn)，自行車越來越受到人們的青睞。然而當(dāng)人們騎行不適合自己身體結(jié)構(gòu)的自行車，隨著時(shí)間的持續(xù)就會(huì)產(chǎn)生疲勞和不適，嚴(yán)重的還會(huì)影響到人們的身體健康。 基于人機(jī)工程學(xué)的自行車設(shè)計(jì)是自行車設(shè)計(jì)的一個(gè)重要研究熱點(diǎn)。自行車與人體有多個(gè)部位緊密接觸，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮自行車的結(jié)構(gòu)和騎自行車的人的生理特點(diǎn)，才能做到人與自行車的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。 在自行車設(shè)計(jì)中考慮人的因素，對(duì)其進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)是自行車發(fā)展的必經(jīng)之路。正是基于此，本文首先分析自行車的結(jié)構(gòu)和人體特性，并找出他們之間的聯(lián)系點(diǎn)，然后應(yīng)用人機(jī)工程

2、學(xué)的相關(guān)理論進(jìn)行自行車設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：人機(jī)工程學(xué)； 自行車系統(tǒng)； 自行車性能； 自行車設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；自行車的機(jī)械因素 ；自行車動(dòng)態(tài)特性AbstractAlong with the people environmental protection consciousness and consciousness of fitness enhancement, as well as the bike itself has many advantages, the bike more and more people of all ages. However when people ride is not su

3、itable for their own physical structure of bicycle, as time continued will produce fatigue and discomfort, serious will influence people's health.Based on the ergonomics design of bicycle bike design is one of the most important and hot research topics. Bicycle and the human body has many parts

4、of close contact, in the design should consider the structure of bicycle and bicycle riding people's physiological and psychological characteristics, can accomplish person and bicycle is harmonious and unified.Senior high school entrance examination in bicycle design consider the human factor, c

5、arries on the man-machine engineering design is the development of the route one must take the bike. It is based on this, this article first analysis of bicycle structure and property of the human body, and to find out the connection between them, and then the application of ergonomics theory bicycl

6、e design.Key Word: Ergonomics; bicycle design system; bicycle performance; bicycle structure; mechanical factors of bicycle bike; dynamic characteristics目 錄摘 要I第一章 人一自行車系統(tǒng)的關(guān)系分析11.1設(shè)計(jì)原則11.2形態(tài)設(shè)計(jì)11.3人與支撐部件關(guān)系11.4人與動(dòng)力接受部件關(guān)系21.5人與傳動(dòng)部件關(guān)系21.6人與工作部件關(guān)系2第二章 影響自行車性能的人體因素42.1人的體格因素42.2人的下肢肌力42.3人的輸出功率42.4人的腳踏速度4

7、2.5人的平衡機(jī)能52.6人的手和握力52.7人的疲勞53.1齒速比63.2曲柄63.3三接點(diǎn)位置正確的騎車姿勢(shì)6第四章 影響自行車的機(jī)械因素84.1車把的分析與改進(jìn)84.1.1車把的高度84.1.2車把的寬度84.1.3車把的位置84.1.4把手的形狀94.1.5把手的彎度94.2車閘104.3車架結(jié)構(gòu)尺寸確定114.3.1車架規(guī)格124.3.2 輪距.134.3.3 后心距.134.4車座的改進(jìn)與分析134.4.1車座存在的問題134.4.2優(yōu)化的方面和措施144.5靠背的分析與設(shè)計(jì)164.5.1靠背的高度164.5.2靠背的寬度174.5.3靠背的角度174.5.4靠背的重量及材料174

8、.6曲柄長(zhǎng)度184.7避震器184.8泥除204.9不起眼的腳蹬214.10反射器21第五章 人一車動(dòng)態(tài)特性分析245.1動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性245.2力學(xué)特性245.3轉(zhuǎn)向特性24總結(jié)25致謝26參考文獻(xiàn)27IV 基于人機(jī)工程學(xué)自行車的設(shè)計(jì)第一章 人一自行車系統(tǒng)的關(guān)系分析1.1設(shè)計(jì)原則自行車設(shè)計(jì)要從人機(jī)工程學(xué)、材料強(qiáng)度、加工工藝，可靠性等各個(gè)方面進(jìn)行考慮，這些因素都直接影響著車架的外觀美感、強(qiáng)度大小和彈性優(yōu)劣，而車架造型很大程度上決定著自行車騎行好壞、易轉(zhuǎn)性能、騎行舒暢感等。把人的因素作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的條件和原則，其目的是使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品操作方便、省力、安全、可靠、高效、舒適。人們都知道，用系統(tǒng)的觀點(diǎn) 對(duì)自

9、行車進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮到人的生理特點(diǎn)、人的用力的特點(diǎn)，減少疲勞的產(chǎn)生等因素。任何產(chǎn)品的開發(fā)，與人機(jī)工程學(xué)結(jié)合的基本原則就是產(chǎn)品對(duì)于人的適用性和易用性。涉及到自行車的造型設(shè)計(jì)，主要有以下幾個(gè)方面得考慮： (）自行車的性能是通過人來體現(xiàn)的，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以人為主，充分考慮到人機(jī)工程學(xué)、自行車運(yùn)動(dòng)學(xué)、形態(tài)美學(xué)等方面的知識(shí)。 （）自行車的形狀和尺度與其功能有關(guān)。要求外形尺寸合適，以提高騎行舒適性，要求所受阻力最小，騎行的輸出性能最佳。（）要求有基本的剛性和強(qiáng)度，并且盡量減少重量。具有良好的抗沖擊、耐疲勞性，以保證壽命使用。1.2形態(tài)設(shè)計(jì)自行車車架造型根據(jù)用途和所適應(yīng)路況而采用多種整體結(jié)構(gòu)，其種類分析，主

10、要有以下兩種： （）流線型結(jié)構(gòu)：可最大限度地減少空氣阻力，提高騎行速度。 （）整體式結(jié)構(gòu)：人體做功力傳遞效率高，避免了普通車架因部件多，相互磨擦、接觸變形造成的人體動(dòng)力傳遞損耗。1.3人與支撐部件關(guān)系 組成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(shí)組成了人一車系統(tǒng)，該人一車系統(tǒng)中的人一車界面關(guān)系可由下圖1-1來進(jìn)行分析。圖1-1人-車界面關(guān)系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(shí)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

11、它們間的相互關(guān)系，與騎車人的位置和肌肉的動(dòng)作有著性的設(shè)計(jì)參數(shù)。1.4人與動(dòng)力接受部件關(guān)系動(dòng)力接受部件主要是腳蹬和曲柄。動(dòng)力是靠騎車人的雙腳踩在腳蹬上，下肢運(yùn)動(dòng)的力使曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)與曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)之間的能量轉(zhuǎn)換問題。1.5人與傳動(dòng)部件關(guān)系傳動(dòng)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(dòng)而帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使自行車前移。傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要有較高的傳動(dòng)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(dòng)效率，才能使人用一定的肌力而獲得較大的輸出功率。1.6人與工作部件關(guān)系工作

12、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(shí)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(yùn)動(dòng)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(jì)自行車的各部分尺寸、車閘及變速器等時(shí)，應(yīng)該著眼于騎車人一動(dòng)力一傳動(dòng)一工作的連貫性，才可能設(shè)計(jì)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(huì)發(fā)生剎車阻力不夠而造成失誤現(xiàn)象。 第二章 影響自行車性能的人體因素2.1人的體格因素人的體格因素以身高為基本因素，其他身體的能力與身高成比例，并與手臂成比例的特性。如手臂和腿長(zhǎng)的長(zhǎng)度與身高成比例，從而以骨關(guān)節(jié)為中心所產(chǎn)生的力矩、步幅等，都取決于身高的

13、大小。肌肉、大動(dòng)脈、骨骼的截面積等都可看成與手臂成比例。體格對(duì)出力性能的影響，從理論上講，速度能力與作功能力和身高、手臂、腿長(zhǎng)、肌肉成比例。但實(shí)際上因每個(gè)人身體素質(zhì)不同，常有20以上的偏差。2.2人的下肢肌力自行車騎行的原動(dòng)力，主要是騎車人的下肢肌力。人騎車時(shí)，骨骼肌肉內(nèi)部的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為肌肉收縮的機(jī)械能。自行車腳蹬的轉(zhuǎn)動(dòng)就是通過腿肌收縮出力而完成的，一般說腿肌長(zhǎng)的人比腿肌短的人有利。肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的力，一般與肌肉的截面積成比例，約為每平方厘米40-50N，通過一定訓(xùn)練的人可提高到65N。2.3人的輸出功率人輸出的功率隨著騎車人的體格、體力、騎車姿勢(shì)、持續(xù)時(shí)間和速比等的變化而變化。一般成年男人的

14、最大輸出功率約為0.7馬力（0.51 kw )，能持續(xù)10s左右。如果持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，其值要小得多，持續(xù)1h，大約只有1.0-0.7馬力（0.07-0.15kw）。2.4人的腳踏速度自行車運(yùn)動(dòng)是很有節(jié)奏的，其節(jié)奏常常與人的心臟節(jié)律保持一定關(guān)系。健康人的心臟跳動(dòng)為70次/min ，一般腳踏以60r/min節(jié)奏轉(zhuǎn)動(dòng)較為合適。設(shè)計(jì)時(shí)以這一常用速度來確定相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。2.5人的平衡機(jī)能騎車人本身的平衡機(jī)能是影響自行車性能的重要因素，如果缺少平衡機(jī)能，哪怕是運(yùn)動(dòng)性能很好的自行車也不能平穩(wěn)行駛；若人有很好的平衡機(jī)能，卻可掩蓋自行車設(shè)計(jì)上的某些缺陷。2.6人的手和握力影響剎車性能的人的因素主要是人的手和握力，男

15、性和女性，成年人和兒童，手的大小和握力都不相同。據(jù)試驗(yàn)，為了長(zhǎng)時(shí)間施閘而不致使手有疼痛的感覺，希望只用最大握力的10%左右便能得到必要的減速度。2.7人的疲勞騎自行車時(shí)的疲勞主要為肌肉疲勞。肌肉疲勞常由往復(fù)的大量工作，身體姿勢(shì)的不正確，人機(jī)工程設(shè)計(jì)不合理引起。作者認(rèn)為騎自行車時(shí)的疲勞主要產(chǎn)生于： （1）騎自行車時(shí)人蹬腳蹬驅(qū)動(dòng)自行車時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的用力。 （2）騎自行車時(shí)的身體姿勢(shì)的不正確?，F(xiàn)在普通的自行車騎行的姿勢(shì)為略前俯式，這種設(shè)計(jì)方式使人的手臂、腰部等部分肌肉長(zhǎng)時(shí)間受到靜力的作用，從而產(chǎn)生疲勞。（3）自行車鞍座的設(shè)計(jì)的不合理。現(xiàn)在多數(shù)自行車采用狹窄的鞍座，也常導(dǎo)致臀大肌的疲勞。

16、60;降低騎自行車時(shí)的疲勞的措施： （1）根據(jù)人的蹬力的特點(diǎn)，改進(jìn)腳蹬的位置、用力方向，提高人在騎車時(shí)的效率。 （2）改善騎行姿勢(shì)，減少肌肉受靜力的作用，降低疲勞。 （3）對(duì)自行車鞍座進(jìn)行改善，可使鞍座加寬，并考慮安裝靠背。通過對(duì)自行車的分析，可發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的自行車，仍存在諸多不符合人類生理特點(diǎn)的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)使人們?cè)隍T車時(shí)易產(chǎn)生疲勞，且使人在騎車時(shí)之工作效率低下。把人機(jī)工學(xué)應(yīng)用于自行車設(shè)計(jì)中，無疑將有益于對(duì)自行車性能的提高。第三章 自行車設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要素分析影響自行車性能的因素除了上述人的因素外，還有許多結(jié)構(gòu)因素。為了獲得自行車較佳的性能，必須把人的因素與結(jié)構(gòu)因素有機(jī)地結(jié)合起來，以使人車協(xié)調(diào)。為此，

17、著重分析與人體相關(guān)的結(jié)構(gòu)要素。3.1齒速比 大小鏈輪的齒數(shù)比，與鏈輪直徑比相一致，一般控制在2.3-4.0的范圍內(nèi)，就是說前鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，后飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)2-4圈，利用速比關(guān)系可取得騎行時(shí)所必要的功率和必要的速度。速比要合適，如果太小，無論人的肌力有多大，由于不能充分提高轉(zhuǎn)速，所以就得不到大的輸出功率。也由于速比小，在限定的曲柄轉(zhuǎn)速下，得不到必要的騎行速度（后輪轉(zhuǎn)速）。速比過大時(shí)，要求的踏力也大，容易使人疲勞。為了保持不疲倦的持續(xù)騎行，希望肌肉的負(fù)擔(dān)約為最大肌力的10%，按此選擇速比和曲柄轉(zhuǎn)速，可得到比較好的效果。3.2曲柄傳統(tǒng)的自行車設(shè)計(jì)，一般從杠桿原理考慮比較多，對(duì)人研究少，認(rèn)為曲柄越長(zhǎng)越有力。

18、曲柄過長(zhǎng)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(shì)必加長(zhǎng)車架，影響了正確的坐車姿勢(shì)，使人感到臀部痛。若能按人的身長(zhǎng)或下肢長(zhǎng)來考慮曲柄長(zhǎng)度，則可使人省力和舒適。通常曲柄長(zhǎng)度的基準(zhǔn)，取人體身長(zhǎng)的1/10 ，也相當(dāng)于大腿骨長(zhǎng)的1/2 。3.3三接點(diǎn)位置正確的騎車姿勢(shì)騎車姿勢(shì)是由騎車人和自行車三個(gè)接點(diǎn)位置決定的，如下圖3-1所示，車把位置A、車座位置B、腳蹬位置C、腳踏板（最大力足凳點(diǎn)）D，按四點(diǎn)調(diào)整法，AC和BC約等， 一般AB = ( AC -3 ) cm , B點(diǎn)略低于A點(diǎn)，約為5cm 。圖3-1第四章 影響自行車的機(jī)械因素4.1車把的分析與改進(jìn)車把：連接著前叉，可

19、轉(zhuǎn)動(dòng)前叉，在使用性能上主要是操縱自行車的行駛方向，并作為騎車者的扶手，支承著一部分騎車者的重量，在車把上安裝著制動(dòng)手把，控制制動(dòng)和信號(hào)。車把因裝在自行車正前方，要求美觀合適，必須能承受一定的顛簸撞擊性能。4.1.1車把的高度自行車的車把如果偏低，騎車者必須彎下腰，時(shí)間久了，就會(huì)感到腰酸背疼，胳膊疲勞。車把的高度應(yīng)保證騎車者在騎車時(shí)處于自然坐姿或接近自然坐姿，并使頸關(guān)節(jié)、胸關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)、胯骨關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)處于舒適的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。 4.1.2車把的寬度經(jīng)實(shí)踐測(cè)量，當(dāng)車把的寬度接近于騎車者的最大肩寬時(shí)，人能夠自然舒適地握住車把，并能保持長(zhǎng)時(shí)間不易疲勞。中等身材（50%的人群）的人最大肩寬，男為4

20、3.1cm，女為39.7cm，因此，車把的寬度可定為39.743.1cm。 4.1.3車把的位置車把和鞍座的位置影響了騎車人上半身的姿勢(shì)。為了使腿部的肌力有效地轉(zhuǎn)換為踏力，往往利用上身肌肉的肌力，成為作用在車把上的握力，它與下車身的肌力、相應(yīng)的部分體重(騎車人的另一部分體重作用在車座上)相平衡。騎車人上半身的合理姿勢(shì)還應(yīng)考慮騎行舒適性和迎風(fēng)面積等因素。車把的水平位置離地高度約等于騎車人股骨的長(zhǎng)度。如果車把位置太高，會(huì)增加車架長(zhǎng)度;過低，將妨礙車把的轉(zhuǎn)向。車把的垂直位置應(yīng)略高于車座，如果長(zhǎng)期騎行車把位置低于車座位置的自行車，對(duì)身體是不利的。4.1.4把手的形狀現(xiàn)行自行車的把手很多都是橄欖形的，其

21、實(shí)這并不符合人機(jī)工程學(xué)原理，因?yàn)楫?dāng)手握把手時(shí)，手的屈肌和伸肌共同完成握把。 從手掌的解剖特征看，掌心部分的肌肉最少，指骨間肌和手指部分是神經(jīng)末稍布滿的部位：指球肌肌肉最豐富的部位，是手部的天然減振器。橄欖形的把手將會(huì)使掌心受壓受振，引起難以治愈的痙攣，也會(huì)引起疲勞和操縱失誤。把手的設(shè)計(jì)應(yīng)使操作者掌心處略有空隙，以減少壓力和摩擦力的作用。把手的直徑太小，則扭矩隨之減??；若太大，則會(huì)減小握力，降低靈活性與作業(yè)速度，并使指端骨彎曲增加，長(zhǎng)時(shí)間操作還會(huì)導(dǎo)致疲勞，比較合適的直徑為34cm，因此可把車把的直徑定為大端4cm 左右，小端3cm 左右。把手的長(zhǎng)度主要取決于手掌寬度，掌寬一般為7.19.7cm，

22、因此把手的長(zhǎng)度可定為12cm 左右。相關(guān)數(shù)據(jù)如下表所示，身體部位舒適調(diào)節(jié)范圍內(nèi)角度肩關(guān)節(jié)前、后擺：40 上、下擺：25肘關(guān)節(jié)彎曲角度：110軀干后傾角度：99肩高男：59.8 女：55.6上臂長(zhǎng)男：31.3 女：43.8前臂長(zhǎng)男：23.7 女：21.3大腿長(zhǎng)男：46.5 女：43.84.1.5把手的彎度傳統(tǒng)的自行車把手為水平，這不符合人機(jī)工程學(xué)原理，因?yàn)檫@樣將會(huì)使手腕處于背屈狀態(tài)，腕部酸痛，握力減小,長(zhǎng)時(shí)間操作還會(huì)引起腕道綜合癥、腱鞘炎等癥狀。測(cè)試表明，把手與水平位置成10°左右效果最好，可以降低疲勞，并且容易操作，還使腕關(guān)節(jié)處于放松狀態(tài)。 綜上所述，合理的車把如下圖4-1所示： 圖

23、4-14.2車閘 車閘的設(shè)計(jì)精度較高，而人手的抓握直徑在13cm 左右，所以，車閘直徑可定為13cm左右，長(zhǎng)度約等于把手長(zhǎng)度。車閘與把手形成一個(gè)角度,此角度的設(shè)計(jì)因素是抓握空間,當(dāng)抓握空間寬度在 4.58.0 cm 時(shí)抓力最大，據(jù)此,可計(jì)算出車閘與把手的交角為40°。至于把手與車閘的表面設(shè)計(jì)，應(yīng)保證能準(zhǔn)確抓握，不產(chǎn)生滑動(dòng)，所以它們的表面不能太光滑，要有一定的粗糙度。車閘如下圖4-2所示：圖4-2設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)不良。

24、在緊急情況下操縱時(shí)，理想的施閘力和減速度見下表。閘把施閘/N相對(duì)握力%減速度說明60100.1g控制下破速度350700.6g全剎車5001000.8g緊急全剎車4.3車架結(jié)構(gòu)尺寸確定車架是構(gòu)成自行車的基體聯(lián)接著自行車的其余各個(gè)部件，并承受騎者的體重及自行車在行駛時(shí)經(jīng)受各種震動(dòng)和沖擊力量，因此除了強(qiáng)度以外還應(yīng)有足夠的剛度，這是為了在各種行駛條件下，使固定在車架上的各機(jī)構(gòu)的相對(duì)位置應(yīng)保持不變，充分發(fā)揮各部位的功能。自行車整體結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)置主要參考車架規(guī)格、輪距和后心距等幾個(gè)方面的考慮：4.3.1車架規(guī)格人體下肢(大腿、小腿、腳)的長(zhǎng)短，決定車架的高度。上肢(上臂、下臂和手腕)的長(zhǎng)短與胸之和，決定

25、車架的長(zhǎng)度。參考人類身體各個(gè)部位的具體參數(shù)之后，總結(jié)了度量身體各部位長(zhǎng)度和計(jì)算車架尺寸的公式為：n測(cè)量大腿長(zhǎng)度。測(cè)量時(shí)最好穿騎行服，站于水平硬性地面，井由一人輔助。身體直立，兩腳間隔約十公分。用書本或其他類似的東西平置于襠部，并向上施加小于坐車座的適當(dāng)力度，測(cè)量書本頂部至地面的距離：。測(cè)量身長(zhǎng)。姿勢(shì)與步驟相同，測(cè)量鎖骨之間字槽底部至?xí)旧隙说木嚯x：。測(cè)量臂長(zhǎng)。水平站立，平伸手臂、掌心向前，測(cè)量從虎口到肋骨所在平面的距離。 測(cè)量肩寬。直立，放松兩臂，測(cè)量肩關(guān)節(jié)處的寬度。以上尺寸每個(gè)測(cè)量三次，取平均值。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以得到你所需要的車架尺寸： 車架尺寸把立長(zhǎng)度公路車；山地；effective to

26、p tube length（車架上管有效長(zhǎng)度）=28。從而得出以下與腿長(zhǎng)和肩寬相對(duì)應(yīng)的實(shí)際曲柄長(zhǎng)度和把寬范圍，車架如下圖4-3所示：圖4-3與腿長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的實(shí)際曲柄長(zhǎng)度范圍腿長(zhǎng)范圍（cm）65-7071-7679-8182-90曲柄長(zhǎng)度（從cm)16.517.017.2517.5與腿長(zhǎng)和肩寬相對(duì)應(yīng)的實(shí)際曲柄長(zhǎng)度和把寬長(zhǎng)度范圍 肩寬s(cm)383940414243444546把寬(cm)38-40404040-424242-44444444-464.3.2 輪距為了減少自行車的重量，提高運(yùn)動(dòng)性能，必須考慮盡量縮短輪距。前、后輪中心距的尺寸大小與傳動(dòng)中心距有關(guān)，當(dāng)傳動(dòng)中心距較小時(shí)前、后輪中心距可取

27、小一些，反之取大一點(diǎn)。4.3.3 后心距從保證車架的剛性和良好的加速性能出發(fā)，盡量縮短后心距。4.4車座的改進(jìn)與分析車座： 是承受騎車者的體重作用，要有足夠的強(qiáng)度和彈性，不同型號(hào)的自行車對(duì)車座的要求也不完全一致，對(duì)鞍座的要求是堅(jiān)固、舒適，既能使騎行者提高輸出功率的作用，同時(shí)減少騎行者的疲勞，提高行駛性能。4.4.1車座存在的問題 大多數(shù)人長(zhǎng)時(shí)間騎自行車，都會(huì)感到臀部疼痛。之所以如此，一部分原因是前傾式的騎車姿勢(shì)使騎車者臀部與車座前端產(chǎn)生磨擦，時(shí)問一久就會(huì)感到不舒服，一部分原因則是車座的尺寸與人體尺寸不符所致。根據(jù)人體組織的解剖特性可知坐骨結(jié)節(jié)處是人體最能耐受壓力的部位，身體的主要重量均由骨盆下

28、的兩塊面積約為25cm的坐骨結(jié)節(jié)承受，故車座后端寬度過小就會(huì)使坐骨結(jié)節(jié)處在鞍座外緣或緊挨外緣的位置。這樣，身體的壓力使得坐骨結(jié)節(jié)被迫分離的趨勢(shì)過大，由此導(dǎo)致臀部的疼痛感。所以車座后端應(yīng)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上適當(dāng)加寬。4.4.2優(yōu)化的方面和措施1.車座寬度車座后端的寬度應(yīng)根據(jù)人體坐骨結(jié)節(jié)間距(50%的人群) 加適當(dāng)余量而定。女性骨盆的坐骨結(jié)節(jié)間距約為23 cm，男性骨盆坐骨結(jié)節(jié)間距約為20cm。據(jù)此,車座寬度的適宜范圍：男式單車為2426 cm，女式單車為 2629 cm 較合適。車座前端細(xì)部寬度由身體量確定,這個(gè)寬度不可過寬，否則會(huì)對(duì)身體產(chǎn)生較大磨擦。根據(jù)人體解剖學(xué)中的數(shù)據(jù),可確定該寬度以68cm為宜

29、。 圖4-42.車座長(zhǎng)度人體處于坐姿時(shí)，坐骨結(jié)節(jié)離臀部后緣約1012cm，據(jù)此，車座后端的長(zhǎng)度范圍定為：1012cm。車座總長(zhǎng)不同于一般工作椅的座深，車座的總長(zhǎng)只需給騎車者以有限的支承穩(wěn)定性即可，因?yàn)檐囎^長(zhǎng)勢(shì)必影響大腿前后擺動(dòng)的靈活性。人體的中心離坐骨結(jié)節(jié)約半個(gè)大腿厚，車座總長(zhǎng)由坐姿時(shí)臀部后緣到坐骨結(jié)節(jié)間距加上坐骨結(jié)節(jié)中心到人體中心間距加適當(dāng)余量而定。50%的人體大腿厚約為：13cm，故在座長(zhǎng)度范圍為2224cm（余量約取5.5cm）。3.座面傾角車座后傾一定的角度，一方面可使背部抵靠靠背，獲得支持，從而降低背肌靜壓；另一方面則可防止坐者從座緣滑出座面。車座后傾的角度不可太大，如果太大，身體

30、勢(shì)必前屈作業(yè)，致使脊椎拉直，破壞正常腰椎曲線，形成一種費(fèi)力姿勢(shì)，一般后傾角在3°以內(nèi)為宜。另外，人在騎車時(shí)身體適當(dāng)前傾，人體的迎風(fēng)面積減小，更有利于發(fā)力和加速，如果靠背角為90°，前傾角在15°以內(nèi)，則相當(dāng)于前傾座面與靠背夾角在105°以內(nèi)，屬坐姿的最小舒適范圍。靠背對(duì)于脊椎部還能起適度的支持作用，肌肉緊張較小，背部壓力在椎骨上分布也較均勻。4.坐墊長(zhǎng)時(shí)間騎車，臀部不舒服的另外一個(gè)原因就是座墊軟硬不合適所致。鞍座加上坐墊，人坐于其上，臀部壓力值大為降低，接觸支承面增大，使壓力分散。但是坐墊不可過軟，過軟不僅增加了身體的不穩(wěn)定性，而且容易使人產(chǎn)生疲勞，過硬

31、又會(huì)導(dǎo)致臀部痛楚或麻木。坐墊的軟硬應(yīng)以股骨頭剛好與坐墊相接近，幾近接觸而無壓力為宜。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，此時(shí)臀部下陷約18mm。另外坐墊材料必須透氣，且不易打滑，坐墊應(yīng)縫制或釘在鞍座上，使其對(duì)起坐時(shí)的動(dòng)載有良好的彈性響應(yīng)。5.車座高度 鞍座裝得過低，騎行時(shí)雙腳始終呈彎曲狀態(tài)，腿部肌肉得不到放松，時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)感到疲軟無力；鞍座裝得過高，騎行時(shí)腿部的肌肉拉得過緊，腳趾部分用力過多，雙腳也容易疲勞。根據(jù)人體坐姿的生物力學(xué)分析得知，人體上身越前傾，脊柱的彎曲程度越大，背部肌肉受力越大。當(dāng)人騎車時(shí)，幾乎完全伏在車把上，背部與水平面幾乎平行，腰部椎間盤壓力分布不當(dāng)，腰椎變形。若將座位適當(dāng)降低，一般是設(shè)計(jì)的車座低

32、于車把，脊柱的彎曲程度就會(huì)降低，脊柱的形狀接近自然狀態(tài)，腰椎間盤的壓力分布較均勻，有效減輕不合理的座位設(shè)計(jì)給人帶來的傷害。騎車時(shí)適當(dāng)?shù)挠昧Σ课皇悄_掌。設(shè)計(jì)或校正鞍座位置高低最常用的方法，是使手臂的腋窩部位中心緊靠鞍座中部，使手的中指能觸到裝配鏈輪的中軸心為宜。人體各部尺寸都有一定的聯(lián)系，只要腋窩中心至中指的長(zhǎng)度確定下來，鞍座高度便可大致確定。綜上所述，合理的車座如下圖4-5所示：圖4-54.5靠背的分析與設(shè)計(jì)長(zhǎng)時(shí)間騎自行車的人感覺腰部最累，這是因?yàn)轵T車時(shí)，人處于一種前屈運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，坐姿屬于非自然姿勢(shì)。良好的坐姿，壓力適當(dāng)?shù)胤植加诟髯甸g盤上，肌肉組織承受均勻的靜負(fù)荷，脊椎形狀最接近自然狀態(tài)；而人

33、處于非自然姿勢(shì)時(shí)，椎間盤內(nèi)壓力分布不均衡，故腰部產(chǎn)生酸痛、疲勞等不適感。要減輕腰部的不適感，在保證人體操作靈活性的同時(shí)，應(yīng)使人騎車時(shí)的坐姿接近自然坐姿。加上靠背能大大減少腰背的負(fù)荷，而且還能保證良好的視野。通常情況下，設(shè)置適當(dāng)?shù)目勘晨墒蛊诮档?，大?0°的靠背還可防止骨盆的旋轉(zhuǎn)，增加坐姿的穩(wěn)定性，基于上述原因與原理，可考慮在自行車的鞍座后面設(shè)置一個(gè)適當(dāng)?shù)目勘场?#160;從人體之動(dòng)作用力和動(dòng)作靈活性的角度分析，騎普通車時(shí)無靠背，主要依靠腿部肌肉、關(guān)節(jié)的向下動(dòng)作用力，在臀部與車座保持接觸的情況下，運(yùn)動(dòng)肢體的沖力有限；且其動(dòng)作基本上是垂直面的運(yùn)動(dòng)，較之人體肢體在水平面上的運(yùn)動(dòng)速度為慢。

34、由此可知，若平蹬時(shí)帶靠背，人體背靠靠背，則腰部稍有用力，腿部就可產(chǎn)生很大的肢體運(yùn)動(dòng)沖力，且人體腿部在水平面上的運(yùn)動(dòng)較之垂直面，會(huì)有更大的動(dòng)作靈活性。4.5.1靠背的高度靠背由肩靠和腰靠?jī)刹糠謽?gòu)成，腰靠的凸出部分壓入腰凹內(nèi)，以保證腰部得到充分支持，其水平截面為曲率不大的圓弧形，以適合于腰圓。由于成年人腰椎部的中心位置約在座位上方2326cm，腰椎支點(diǎn)略高于此尺度，腰靠的高度至少要等于腰椎支點(diǎn)的高度，以支持背部重量，所以腰靠的高度在座面上方2632cm處為宜。為了使背部下方骶骨和臀部有適當(dāng)?shù)暮笸箍臻g，座面上方與靠背下部之間留一開口部分，其高度至少為12.5cm。4.5.2靠背的寬度寬度由腰圍決定，

35、腰圍以50%的女性的腰圍為依據(jù)，靠背寬度為腰圍的1/3，50%的女性腰圍為77.2cm，所以靠背寬度可定為26cm。 4.5.3靠背的角度設(shè)為99°，該傾角的作用與座面傾角的作用相同。4.5.4靠背的重量及材料靠背不易過重，太重，一方面增加了自行車的重量，另一方面則使自行車的重心后移，人騎車上坡時(shí)，容易引起翻車事故。所以，靠背應(yīng)選用強(qiáng)度較好，質(zhì)量較輕的材料（如塑料），并具有適當(dāng)?shù)膹椥?，以增加舒適感。綜上所述，合理的靠背如下圖4-6所示：圖4-64.6曲柄長(zhǎng)度曲柄長(zhǎng)度決定了腳蹬軸的前后水平距離和上下垂直距離。由此也確定了大腿骨的運(yùn)動(dòng)角度和有關(guān)肌肉群的收縮程度。由于肌肉的收縮使兩個(gè)骨骼夾

36、著關(guān)節(jié)而運(yùn)動(dòng)、肌肉的收縮力是通過骨骼而起作用的，表現(xiàn)在手碗或腳的端部的力量，就是肌力。肌力的大小與肌肉的伸長(zhǎng)和收縮程度有密切關(guān)系。肌肉的收縮一般在自然伸長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)能夠發(fā)揮最大的力量。如果伸長(zhǎng)超過此限，肌肉的收縮力下降。肌肉收縮時(shí)長(zhǎng)度縮短30%左右為宜，超過此限，收縮力大減。曲柄如下圖4-7所示：圖4-7考慮這些肌肉的特性及其相應(yīng)的肌力，對(duì)于一定長(zhǎng)度的骨骼，就容易予測(cè)出相應(yīng)的曲柄長(zhǎng)度。對(duì)一定長(zhǎng)度的骨骼，過長(zhǎng)的曲柄將引起肌肉的過度伸長(zhǎng)和過度縮短，都是不利的。反之，曲柄過短，可貴的肌肉收縮力又不能充分地利用。曲柄的長(zhǎng)度也直接影響合理的踏速，即曲柄轉(zhuǎn)速。如果踏速增高，而骨骼的運(yùn)動(dòng)角范圍不相應(yīng)地縮小，那么

37、，肌肉收縮的速度就跟不上，收縮力就下降。4.7避震器 自避震技術(shù)產(chǎn)生以來，避震器大多采用鋼制彈簧避震、氣動(dòng)避震、液壓避震或鋼制彈簧/氣動(dòng)、或氣動(dòng)/液壓避震等避震方式?，F(xiàn)在，避震器開始應(yīng)用到輕便車、城市休閑車等一般車型上，避震方式全新改變，現(xiàn)在流行的 “彈力避震器”是采用板條式彈性元件制成的避震器，使傳統(tǒng)自行車剛性結(jié)構(gòu)改進(jìn)為柔性結(jié)構(gòu)，充當(dāng)避震器上 “主件” 的板條式彈性元件具有體積小，重量輕、無摩擦、反彈速度快、生產(chǎn)成本低、避震效果顯著、騎行舒適感強(qiáng)等多種特性。避震技術(shù)在自行車上應(yīng)用是人性化的體現(xiàn)，而它日顯重要，要求逐漸嚴(yán)格、規(guī)范，設(shè)計(jì)越來越精細(xì)到位。彈力避震器如下圖4-8所示：圖4-84.7.

38、1避震器的作用：1.壓縮阻尼: 壓縮阻尼的作用在當(dāng)自行車遇到大障礙物時(shí)，它可吸收一些沖擊力，已預(yù)防避震器壓縮到底部。雖然所有的避震器都有壓縮阻尼，但是只有高級(jí)的避震器上的壓縮阻尼有調(diào)整功能。當(dāng)路況有障礙物時(shí)，增加壓縮阻尼，將會(huì)使避震器壓縮的比較慢。當(dāng)增加壓縮阻尼，自行車的避震行程曲線比較高。所以遭遇到小顛簸路況時(shí)，才需要增加壓縮阻尼。在大部分的騎車狀況下，你應(yīng)該讓壓縮阻尼維持比較低的程度。2. 回彈阻尼: 當(dāng)車輪遇到障礙物時(shí)，回彈阻尼的功能為控制避震器回歸到它原來位置的速度?；貜椬枘峥深A(yù)防避震器回彈太快，防止自行車遇到障礙物時(shí)跳的太猛。也可以讓避震器避免回到頂端。若把回彈阻尼設(shè)的太高，避震器將

39、不能發(fā)揮作用。若沒有回彈阻尼，遭遇到任何顛簸，車輪將會(huì)反應(yīng)太快。在平滑、大坡度的路面時(shí)，將回彈阻尼設(shè)定高一點(diǎn)，將會(huì)幫助避震器反應(yīng)的比較平順。如果路面是小而密集的顛簸時(shí)，設(shè)定方向則相反。增加阻尼有助控制高速度騎乘；在高車速情況下，太快的避震器回彈，會(huì)跟路面狀況相沖突。4.8泥除泥板：是用以防止行駛時(shí)，由車輪將路面上帶起的泥塵、濺到騎車者的身上。此外有美觀作用。泥板不承受任何重量，要求在本身不變形的條件下，盡量采用薄料，以減輕車身重量。泥除順應(yīng)人的需求作出相應(yīng)的變化，外形多樣、色彩豐富、裝飾性強(qiáng)是與以往明顯的不同之處，更為重要的是其功能的細(xì)分。根據(jù)不同車型設(shè)計(jì)不同截面、形狀的泥除，專一性突出。專一

40、的泥除體現(xiàn)出泥除的人性化設(shè)計(jì)，泥除如下圖4-9所示：圖4-9泥除是自行車在雨天必不可少的設(shè)備，自行車的泥除在一定程度上可以極大地減少落在身后的泥點(diǎn)，但是泥除究竟多長(zhǎng)為宜呢？我們可以知道泥除長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其擋泥效果越好，但是，泥除卻不可以無限制的延長(zhǎng)，其一，擋泥板過長(zhǎng)會(huì)影響其美觀，會(huì)增加風(fēng)阻和山地車的重量，且一旦受損發(fā)生變形，極有可能會(huì)與車輪發(fā)生摩擦而影響山地車行進(jìn)，其二，更重要的是積淀在擋泥板上的泥會(huì)隨速度和時(shí)間增加愈來愈多，最后會(huì)和車輪產(chǎn)生摩擦而阻礙自行車的行進(jìn)，所以擋泥板應(yīng)當(dāng)盡可能的短，但過短勢(shì)必會(huì)影響其擋泥效果。故擋泥板的長(zhǎng)度應(yīng)盡量控制在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)，見下表數(shù)據(jù)分析：擋泥板長(zhǎng)度l/cm

41、3540455055606570最高落點(diǎn)距擋泥板的高度M/cm724235332718120通過分析，我們可以得知最高落點(diǎn)距擋泥板的高度M隨擋泥板長(zhǎng)度的增加而逐漸減小。忽略實(shí)驗(yàn)誤差之后，可以發(fā)現(xiàn)隨著擋泥板長(zhǎng)度的減少，落點(diǎn)高度的增速越來越大，因此應(yīng)將擋泥板長(zhǎng)度控制在一個(gè)較長(zhǎng)的范圍之內(nèi)：5665cm之間。此時(shí)，由后輪甩出的泥點(diǎn)都被控制在距擋泥板1221cm的高度之間，對(duì)人的影響較小，且長(zhǎng)度不會(huì)過長(zhǎng)。4.9不起眼的腳蹬 腳蹬：是承受騎車者的蹬踏，然后通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)車前進(jìn)。 在運(yùn)轉(zhuǎn)中腳蹬本身能自轉(zhuǎn)，以保持腳掌用力位置的不變，腳蹬的結(jié)構(gòu)與規(guī)格是否合適，將直接影響到騎車者的放腳位置是否舒適，足脛關(guān)節(jié)和小腿

42、肌肉的作用狀況是否最佳， 這是設(shè)計(jì)者要考慮的因素。圖4-10腳蹬的演變也與自行車的鞍座、泥除的演變一樣，功能日趨強(qiáng)大，可防滑、防震、防脫落，并且能安全方便地卡入腳蹬。腳蹬的外形同樣令人眼花繚亂，雖然它被踩在腳下，不易被人發(fā)現(xiàn)，腳蹬皮的花紋、腳蹬皮兩側(cè)的裝飾及是否用花紋都非常的考究。腳蹬如上圖4-10所示：4.10反射器反射器是能夠反射光線的裝載在自行車前后及腳蹬的裝置，功能性強(qiáng)，外形簡(jiǎn)單，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，避撞示警之用，反射器如下圖4-12所示：反射器的改進(jìn)按要求反射器應(yīng)該這樣安置：前方為白色，后方為紅色，前輪側(cè)向?yàn)榘咨蜱晟?，后輪?cè)向?yàn)榘?/p>

43、色或紅色，腳蹬為白色或琥珀色。總共有前方、側(cè)向和后方三種。自行車應(yīng)安裝一個(gè)廣角反射器，后反射器應(yīng)為紅色。另外，應(yīng)該裝有兩個(gè)側(cè)反射器，每一個(gè)在兩側(cè)都能看見，裝在自行車前半部和后半部的廣角反射器，其中至少有一個(gè)是裝在車輪的輻條上。對(duì)有些自行車在后輪上除了車架和泥板支棍外，還裝有其他部件者，則轉(zhuǎn)動(dòng)的反射器應(yīng)該裝在前輪上；在每一個(gè)車輪的兩側(cè)，都裝有連續(xù)的環(huán)形反射材料。兩個(gè)反射器應(yīng)為同種顏色，或白色（透明），或黃色。另外，每只腳蹬的前后表面都應(yīng)裝有反射器，反射器可以和腳蹬結(jié)構(gòu)連成一體，但都應(yīng)充分的凹進(jìn)腳蹬的邊緣里面或反射器框架內(nèi)，以免在腳蹬的邊緣與其他平面接觸式碰到反射器鏡面。腳蹬反射器同樣應(yīng)該為黃色。

44、安裝位置的突破，尾燈在安全性能越趨強(qiáng)大的情況下，向著更人性化且具個(gè)性化的方向發(fā)展。 圖4-11 圖4-12綜上所述,自行車總體的設(shè)計(jì),如下圖4-13所示： 圖4-13第五章 人一車動(dòng)態(tài)特性分析5.1動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性自行車的穩(wěn)定是行駛過程中的穩(wěn)定，是一種動(dòng)態(tài)平衡的穩(wěn)定性。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性影響到自行車騎行中的動(dòng)作，包括直進(jìn)穩(wěn)定性和前后左右方向的穩(wěn)定性，顯然，穩(wěn)定性對(duì)安全行駛是必不可少的特性。5.2力學(xué)特性自行車行駛在平地上轉(zhuǎn)彎的條件是側(cè)向力（與離心力平衡）與自行車總重量（人和車的重量）的合力作用線要通過輪胎與地面的接觸點(diǎn)。這當(dāng)然與騎車人有關(guān)，但更重要的是自行車的造型要有適合這種力學(xué)特征的結(jié)構(gòu)形式。 5.3轉(zhuǎn)向特性自行車轉(zhuǎn)彎時(shí)可能有三種情況：人-車系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性人體和車身向內(nèi)傾的角度相等。即騎車人身體的中心線和車子的中心線一致時(shí)，自行車就可以轉(zhuǎn)彎，即所謂中傾旋轉(zhuǎn) ；騎車人的傾斜角比車子的傾斜角大時(shí)，此時(shí)的轉(zhuǎn)