人機(jī)工程學(xué)在自行車(chē)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

本文基于美國(guó)KB公司提出的五通中心點(diǎn)自行車(chē)尺寸關(guān)系，通過(guò)對(duì)人體尺寸的分析，完整描述自行車(chē)騎行姿勢(shì)和整車(chē)尺寸的關(guān)系，并通過(guò)分析出人與自行車(chē)的相互關(guān)系來(lái)歸納出符合人機(jī)工程學(xué)的自行車(chē)設(shè)計(jì)方法步驟。

自行車(chē)部分是專(zhuān)為激烈的騎車(chē)運(yùn)動(dòng)而設(shè)計(jì)。最重要的關(guān)鍵在于車(chē)體尺寸的大小，能否有效均勻地分散騎乘者的重量，同時(shí)又可保持良好的平衡。座墊要調(diào)整到正確的高度，曲柄要與地面平行，如此膝蓋下方突出的骨塊就會(huì)直接位于腳踏軸心的上方。背部應(yīng)該向前傾斜到至少45度角，背部臀部及下背部強(qiáng)壯的臀肌才能在踩踏時(shí)有效施力。這種姿勢(shì)會(huì)使身體重量移至雙臂，此時(shí)手肘微微彎曲，手腕要打直，才能減緩行車(chē)時(shí)的震動(dòng)。

當(dāng)跨立在自行車(chē)上方推動(dòng)自行車(chē)時(shí)，車(chē)子的高度不會(huì)撞傷大腿，而且也確保摔車(chē)時(shí)不會(huì)受到嚴(yán)重傷害。

座管：座管應(yīng)伸長(zhǎng) 15-20 公分（6-8英寸）。若要使踩踏發(fā)揮最高效率，座墊高度在公路及越野時(shí)的高度應(yīng)該保持一致。陡降坡時(shí)，要降低座墊，才能放開(kāi)車(chē)尾。

車(chē)把：車(chē)把應(yīng)比座墊低約2.5-5公分（1-2 英寸），寬度為53.3-70公分（21-24 英寸）。寬車(chē)把在低速時(shí)控車(chē)效果較好；窄車(chē)把在高速時(shí)較易操控。

胯下空間：越野騎車(chē)時(shí)，胯下與上管應(yīng)管應(yīng)保持 8-10 公分（3-4英寸）的距離。較高的上管適用于下坡及平順的路面，但胯下仍應(yīng)保持 2.5公（1英寸）的距離。較低的上管有利于表演騎車(chē)特技，但是除非騎行者身材很矮，否則手伸出去的距離會(huì)太短，騎乘的感覺(jué)會(huì)不舒服。

在車(chē)把手與騎乘的操控設(shè)計(jì)方面，美國(guó) Klein bicycle公司，創(chuàng)新的提出了五通中心點(diǎn)（BB Center）到騎乘時(shí)手握持點(diǎn)的關(guān)系，稱(chēng)之為Direct fit length及 Direct fit angle，來(lái)完整描述騎姿和車(chē)架尺寸的關(guān)系。從座墊到手把位置是有身體的尺寸，如軀干長(zhǎng)，上臂長(zhǎng)，小臂長(zhǎng)及手腕尺寸所決定，因?yàn)橛兴膫€(gè)角度變化，縱使有人體的尺寸，設(shè)計(jì)者也很難依照四個(gè)長(zhǎng)度及四個(gè)角度去決定座墊和手把的相對(duì)位置。所以 Klein bicycle公司提出這兩個(gè)尺寸及座管的相對(duì)長(zhǎng)度，讓我們很容易的決定人體和車(chē)架接觸位置的互相關(guān)系，使我們整車(chē)尺寸的規(guī)劃有較佳的進(jìn)行方法及步驟如下：

1.決定前后輪距（Wheel Base，WB）：由于五通中心至前輪輪心的距離，其準(zhǔn)則為踏板軸至輪胎至少要有89mm的法規(guī)要求來(lái)決定，故配置條件上五通中心至前輪輪心的最小水平距離宜在595mm（Crank Length以175mm估算，輪胎尺寸26”），加上踏板的半寬以上。故在City Bike前輪有裝置擋泥板情況時(shí)，最小的WB將增加。WB越大穩(wěn)定性越佳，相對(duì)靈活性就下降；WB越小穩(wěn)定性降低，靈活性就增加。WB直接影響座墊至把手的距離（Cockpit Length，CPL），故WB長(zhǎng)度的設(shè)定除最基本的考慮法規(guī)要求外，應(yīng)和豎管及把手一起考慮，以滿足騎姿的要求。例如以身高175mm的人來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)，若基準(zhǔn)身高變更，為了滿足座墊至把手距的對(duì)應(yīng)，WB必須變更或以豎管及把手作調(diào)整。

2.考慮操縱穩(wěn)定度（Steering Stabilit）：根據(jù)Bicycle Science 2ND Edition by Whitt Frank Rowland 7 Wilson David Gordon Published by Mit Press 5TH Print Lng（1989）的資料顯示，頭管角度（Head Angle，HA）之設(shè)定，以u(píng)值做為判定標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)為-3

3.決定頭管長(zhǎng)度（Head Tube Length，HTL）：在其它條件不變的情況下，頭管長(zhǎng)度（HTL）的增加，會(huì)使手把的位置提高。較大的頭管長(zhǎng)度也利于車(chē)架前三角剛性的提升，此值一般由把手位置、前叉（Fork）的長(zhǎng)度及車(chē)頭碗組（Head Parts）、造型式樣、制造條件所限定。HTL一般采整數(shù)長(zhǎng)度，若車(chē)架使用管材構(gòu)成，HTL與造型及制造條件極為相關(guān)，必須作共通考慮，原則上以保持把手落在設(shè)定的位置為優(yōu)先考慮。

4.決定座管長(zhǎng)度（Length of Seat Tube，LS）：LS決定的合理與否，與人體的身高腿長(zhǎng)有關(guān)，越高的騎乘者，LS需越長(zhǎng)。LS應(yīng)為車(chē)架度加上座墊及座桿長(zhǎng)而成，因?yàn)樽鶙U長(zhǎng)度是可調(diào)整，故一般都以座管的長(zhǎng)度作為自行車(chē)尺寸的參考。一般成人用的自行車(chē)尺寸以小尺寸（S）、中尺寸（M）、大尺寸（L），也再加上超小尺寸（XS）及加大尺寸（XL）來(lái)做尺寸的標(biāo)示。

5.避震前叉的作動(dòng)行程（Front Suspension Stroke）：避震前叉（Front Suspension）已經(jīng)是自行車(chē)通用的配備了，考慮商品性及用途需求，以下坡車(chē)或登山車(chē)來(lái)說(shuō)，其作動(dòng)行程大于63mm為佳。騎乘的下沉量如果是15mm，則實(shí)際前叉（Fork）的作動(dòng)行程約-15～48mm。

6.后避震器的作動(dòng)行程（Rear Suspension Stroke）：避震車(chē)架后懸吊行程的設(shè)定，與后避震器（Rear Suspension）設(shè)計(jì)型態(tài)的杠桿比相關(guān)。杠桿比大則后避震器受力大，固持點(diǎn)局部應(yīng)力也高，故后避震器可用短行程設(shè)計(jì)。后避震器的裝配長(zhǎng)度與車(chē)架造型空間有關(guān)，設(shè)計(jì)考量座管長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)避免裝配失敗的情況發(fā)生。

（作者單位：湖北工業(yè)大學(xué)）