人机工程学课程论文—自行车骑姿分析与改进设计

课程论文

人机工程学

自行车骑姿分析与改进设计

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目录

1概述 (3)

2与自行车骑姿相关的因素分析 (3)

2.1车把与鞍座之间的相对位置 (3)

2.2鞍座与脚踏之间的相对位置 (4)

2.3鞍座 (4)

2.4中轴 (4)

3 现行骑姿人机特性分析 (5)

3.1蹬踏运动 (5)

3.2休闲车骑姿 (5)

4 自行车骑姿的改进设计 (6)

4.1鞍座 (6)

4.2中轴与鞍座之间的相对位置 (6)

4.3把手与鞍座之间的相对位置 (7)

4.4设计计算方法 (7)

5设计实例 (10)

6结束语 (10)

1概述

自行车骑姿是由骑乘者与自行车的把手、鞍座以及脚踏板的相对位置来决定的。骑乘者的手、臀部、脚在车上的相对位置决定了骑行的舒适程度和骑行的效率。从人机工程学观点出发，要提高自行车骑行时的舒适性，应该合理定位把手、鞍座以及脚踏板三者之间的位置，让骑行者在骑行过程中身体各部位尽可能处于自然状态。

车架是自行车的骨架，在很大程度上决定了自行车的结构和性能，进而决定了自行车的骑姿和骑行舒适性。现在的车架设计多采用经验法，即以现有的车型为参考来确定车架的关键参数，在此基础上进行形态创新。这样设计出来的车架延续了以往的骑姿，未能真正做到设计以人为本。

本文从人体尺寸、动作范围以及运动生理等方面出发，改进设计影响骑姿的三大部件之间的相对位置。改进后的骑姿在身体各部分之间进行合理的功能分配，脚踩踏板驱动自行车前行，臀部和腰支撑上体的体重，手操纵把手控制前行方向。在此基础上进行的车架设计能提高骑行的舒适度。

2与自行车骑姿相关的因素分析

正确的骑姿可以提高骑行效率，使骑行不易产生不适和疲劳，同时还能降低危险发生的几率。骑姿设计是自行车设计工作中的一项重要内容。与自行车骑姿相关的因素主要有：

2.1车把与鞍座之间的相对位置

车把与鞍座之间的相对位置决定了骑乘者上半身的姿势。车把过低会使骑行者的上肢承受很大的静压，时间稍长手臂和手掌易发生疲劳，同时过低的上身也会压迫腹部，但力容易传递到车。提高车把高度可使背部弯曲度变浅，可以避免对腹部的压迫，但力不易传递到前轮。从生物力学角度来看，当人体脊柱处于非自然弯曲状态时，会引起椎间盘压力改变，致使腰部疼痛。所以良好的骑姿应使骑乘者脊柱接近正常形态。在腰部增加适当的靠背可以改善臀部受力，维持脊柱的正常形态，并有利于腿部蹬力的发挥。

2.2鞍座与脚踏之间的相对位置

鞍座与脚踏之间的相对位置直接影响蹬踏方式，由鞍座相对中轴轴心的位置和曲柄长度决定。鞍座相对中轴轴心的位置是决定下肢肌肉群的肌力能否有效利用的一个关键，即是影响踏力和踏速能否获得最佳配合的关键。鞍座的位置由鞍座的高度和坐管倾角共同决定。鞍座的高度与胯高关系紧密。大的坐管倾角使骑乘者重心靠前，有利于高速骑行，但不能长时间骑行。

曲柄长度决定了大腿骨的运动角度和有关肌肉群的收缩程度。过长的曲柄将引起肌肉的过度伸长和过度缩短。曲柄过短将使宝贵的肌肉收缩力不能被充分利用。此外，曲柄的长度还直接影响合理的踏速。现在有两种比较流行的确定曲柄长度的方法，一种是从股骨的顶端到地面距离的18.5%为所需曲柄的长度，还有一种是取为身高的1/10。

2.3鞍座

当人坐在坐垫上时，与坐垫接触最紧密的是坐骨结节。坐骨结节处是人体最能承受压力的部位，在这两个点周围约250mm2范围承受人体约70%的重量，其受力情况如图1。车座后端宽度过小就会使坐骨结节处于鞍座边缘或紧贴边缘的位置，导致身体重量落到会阴上。适当加宽车座后端，有助于增大坐骨结节与坐垫的接触面积，充分发挥坐骨结节承载能力，使压力远离控制会阴血液的血管和神经。

图1 坐姿下的坐面力分析

2.4中轴

中轴是传动机构，同时承受骑车者的部分体重。中轴高度应根据自行车的使用环境来决定，高中轴自行车适用于凹凸不平的路面，低中轴自行车在失控时具有更大的稳定

性。

3 现行骑姿人机特性分析

3.1蹬踏运动

假定蹬踏力F竖直向下，如图2所示，当踏板处于最高位置A 和最低位置C 时，蹬踏力F通过中轴轴心，此时力臂d 为零，力矩M=F×d 也为零，F不做功，无法驱动自行车前行。位置A和C分别为上死点和下死点。

从A点到C点，蹬踏力F可分为F1（与曲柄垂直）与F2（沿曲柄轴线）两个分力。分力F2通过中轴轴心，力矩等于零，只有F1做功。此时，力矩M=F1×d。因此，要获得更大的力矩，就应该增大F1。由此可知，要提高骑行效率，脚的用力方向应尽量与曲柄垂直。

在实际骑行过程中，蹬踏力的方向不断改变，蹬踏上死点和下死点的位置不一定在最高点和最低点处，它们主要由鞍座和脚蹬之间的位置决定。

图2 蹬踏运功的受力分析图3 休闲车骑姿

3.2休闲车骑姿

图3为休闲车常见骑姿。在这种骑姿下骑行者上体稍向前倾，前倾的骑姿改变脊柱的自然弯曲为后凸，时间一长容易引起背部酸疼。手臂除了控制行进方向外，还要承受部分体重，静态受力加速了手臂及肩关节的疲劳。落在鞍座上的体重由会阴和臀部共同承担，为了防止骑乘者从鞍座上滑下，鞍座通常向后仰一定角度，这导致会阴与鞍座之间的摩擦加剧，危害骑乘者的健康。

由人机工程学可知，人在垂直平面内颜色辨别界限在标准视线以上30°和标准视线

以下40°，站立时人的自然视线低于标准视线10°，坐着时低于标准视线15°。所以在这种骑姿下骑乘者脖子需后仰20°～30°以看清道路。

4 自行车骑姿的改进设计

由人机工程学知，在肢体活动的最大角度范围内存在一个舒适的调节范围，是指人体处于某种姿势时对应的关节处于舒适的调节范围。舒适调节范围对人机界面的工效设计影响甚大。在自行车骑姿设计时应以人体尺寸为基础，以蹬踏的用力阶段关节处于舒适的活动范围为出发点，来确定影响骑姿的三个部件之间的相对位置，以提高骑行的舒适性。具体的设计参数为图4中的M N H T

、、、。

图4 自行车设计参数

4.1鞍座

座面稍向后倾，可防止骑乘者从鞍座上滑下，同时使得人体与腰靠的接触面积增大，骑乘者的上体体重由鞍座和腰靠来承担，减小对手臂的压力，体重由鞍座和腰靠来承担，减小对手臂的压力，让骑乘者感觉更安稳。工作椅座面倾角一般小于3°，实际计算时可取2°。靠背与座面的夹角小于90°会让骑乘者腹部受压，太大会让人处于松弛状态，容易酿成交通事故，综合考虑可取靠背与座面的夹角为98°。这个角度既可以使上体略向后倾，人体重量由鞍座和靠背共同来支撑，同时可保持脊柱的正常自然形态和良好的视野。

4.2中轴与鞍座之间的相对位置

中轴与鞍座之间的相对位置由图4中的H和T来确定。其中A为坐骨结节与鞍座的

接触点，B 为把手抓握的中心点。根据大腿、小腿的尺寸以及让各关节在蹬踏的工作阶段处于舒适角度范围内可以计算出中轴与鞍座之间的相对位置。

4.3把手与鞍座之间的相对位置

把手与鞍座之间的相对位置由图4中的M 和N 来确定。根据上肢的尺寸和舒适的手臂姿势可以计算出把手与鞍座之间的相对位置范围。

4.4设计计算方法

假定座面的后倾角为2°，靠背与座面的夹角为98°。如图5所示，首先假设手、脚和躯干都是刚性结构。1O 为中轴轴心，1O A 为曲柄的轴线。0L 为曲柄长度，1L 为大腿长度，2L 为为胫骨点高加修正量再加上脚蹬厚度的一半。1θ为躯干轴线与大腿轴线间的夹角，2θ为大腿轴线与小腿轴线间的夹角，3θ为大腿轴线12O O 之间的夹角，θ为12O O 与垂直线之间的夹角，躯干轴线与水平线之间的夹角为418029880θ=?-?-?=?。在骑自行车的时候，骑乘者的上体几乎处于静止状态，大腿在一定的角度范围内摆动，脚绕中轴轴心做圆周运动，并带动小腿运动。由此，下肢可简化成由1212O O O A AB BO 、、、组成的四杆机构，其中12O O 固定。

图5 蹬踏用力的主要阶段 图6 处于上死点的下肢示意图

在从上死点到下死点的过程中，当脚处于上死点时，如图6 所示，1θ取得最小值，2θ取得最小值；当曲柄与12O O 共线时，θ取得最大值；当脚处于下死点时，1θ取得最大值。与自行车骑乘相关的人体关节舒适角度为：肩关节3590??、肘关节95180??、膝关节60130??。

如图6死点时，膝关节取得最小值，即2min 60θ=?，可求得L 最小值。

2

22min 1021022min ()2()cos L L L L L L L θ=++-+ （1）

如图7曲柄与12O O 共线时，膝关节取得最大值即2max 130θ=?，可求得L 最大值。

222

max 012122max ()2cos L L L L L L θ+=+- （2）

在图6的12O BO ?中，当L 取min L 时，3θ取得最大值3max θ；当L 取max L 时，3θ取得最小值3min θ。

222

10231()cos 2L L L L L L θ+-+= （3） 当踏板处于上死点时，大腿与上体之间的夹角为最小值，取为95°可避免压迫腹部，由上式求得的3θ的最大值和最小值带入下式可求得min θ和max θ。

41min 3270θθθθ=?--- （4） 进而确定T 和H

sin T L θ=? （5） cos 65H L θ=?-（65为大腿厚度一半） （6） 按GB 3565-93《自行车安全要求》，处于最高位置时的把套上端面和处于最低位置是的鞍座面之间的垂直距离不应超过400mm ，即400N mm ≤。自行车车架的上管上，在鞍座和鞍座前300mm 处之间不应有突出物，考虑到鞍座的尺寸，取400M mm ≥。

图7 2θ取得最大值时的下肢 图8 上肢各关节示意图 在图8中3L 为坐姿肩高，4L 为上臂长，5L 为前臂功能长，可由肘高减去受功能高得到。

M 取得最小值时，当上臂与下臂在一条直线上时，N 取得最小值。将min 400M =代入式（7）求得5θ，再把5θ代入式（8）可计算得min N ：

min 34545

cos sin(10)M L L L θθ++?=+ （7） min 3445565sin ()cos(10)N L L L θθ=+-++? （8） N 取得最大值时，当上臂与下臂在一条直线上时，M 取得最大值。将max 400N =代入式（9）求得5θ，再把5θ代入式（10）可计算得max M ：

34max 545

sin 65cos(10)L N L L θθ+-+?=+ （9） max 45534()sin(10)cos M L L L θθ=++?- （10）

5设计实例

以50%男性的人体测量数据为例来计算调整后的鞍座、中轴、把手之间的相对位置。 取01234170465482598313L mm L mm L mm L mm L mm =====、、、、、5283L mm =。 将0122min 60L L L θ=?、、、代入式（1），可得min 582L mm =。

将0122max 130L L L θ=?、、、代入式（2），可得max 688L mm =。

将012min 582L L L L mm =、、、代入式（3），可得3max 76θ=?。

将012max 688L L L L mm =、、、代入式（3），可得3min 66θ=?。

将3max 76θ=?代入式（4），可得min 19θ=?。

将3min 66θ=?代入式（4），可得max 29θ=?。

将min min 19582L mm θ=?=、代入式（5），可得min 189T =；代入式（6），可得min 485H =。 将max max 29688L mm θ=?=、代入式（5），可得max 334T =；代入式（6），可得max 537H =。 将345min 400L L L M mm =、、、代入式（7），可得548θ=?，再将3455L L L θ、、、代入式

（8），可得min 338N =。

将345max 400L L L N mm =、、、代入式（9），可得555θ=?，再将3455L L L θ、、、代入式

（10），可得max 435M =。

得计算结果为：M 取值范围为400435mm ；N 取值范围为338400mm ；H 取值范围为485537mm ；T 取值范围为189334mm 。

通过验证，当M N H T 、、、在以上各自的取值范围内取值时，各关节都在与自行车骑乘相关的人体关节舒适角度范围内。

6结束语

本文结合与骑姿相关的因素，分析讨论了现有骑姿人机特性，给出了重新确定了中轴、鞍座、把手之间的相对位置的方法。调整后的骑姿在骑行过程中各关节处于舒适的

角度范围内；鞍座设计可防止骑乘者从鞍座上滑下，上体的体重由鞍座和靠背来支撑，减少对会阴的压力以及手的负担，手操纵行驶方向，脚踩踏板驱动自行车，各部分分工明确；挺直上身、获得良好的视野；中轴前移有助于腿部力量的发挥，同时便于骑乘者利用脚蹬地反力起步前行。

参考文献

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[2]阮宝湘. 2005.工业设计人机工程[M].北京：机械出版社.

[3]周美玉. 2001.工业设计应用人类工程学[M].北京：中国轻工业出版社.

[4]孙恒陈做模葛文杰. 2006.机械原理[M].北京：高等教育出版社.

[5]宋贤敦.1989.自行车设计.中国自行车，3: 38-40.