自行車設計中人機工程學的應用

陳健

（齊魯工業大學，山東 濟南 250353）

自行車設計中人機工程學的應用

陳健

（齊魯工業大學，山東 濟南 250353）

在現代提倡綠色，低碳生活的潮流下，人們越來越注重自己生活的品質和對環境的影響。在這個大環境中，人們開始反思機動車輛對生活帶來的影響，出行的選擇也將由家用車輛轉向其他交通工具，自行車以其無任何污染，而且在出行時還可以達到端麗身體的效果，越來越多的被人使用。人機工程學的應用，將大大提高人們駕乘自行車的安全性和舒適度。

人機工程學；系統；舒適；體格因素；輸出功率；剎車阻力；動力傳動

一、人——車系統

自行車的功能是供人騎行。就發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，人在騎車時組成了人——車系統，該人——車系統中的人—車界面關系可由下圖進行分析。支撐部件主要有車架、前叉、鞍座和車把等，是自行車的構架。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，實現自行車的功能。從人機關系來看，鞍座、車把和車架等的位置和大小，以及它們間的相互關系，與騎車人的位置和肌肉的動作有著性的設計參數。

動力接受部件主要是腳蹬和曲柄。動力是靠騎車人的雙腳踩在腳蹬上，下肢運動的力使曲柄轉動而產生的。傳動部件主要是滾珠、鏈條和鏈輪。人的作用力是通過鏈條和鏈輪傳動而帶動后輪轉動，從而使自行車前移。傳動部分的設計關鍵是要有較高的傳動效率和可靠性，且有易操縱的變速機構。保證較高的傳動效率，才能使人用一定的肌力而獲得較大的輸出功率。

工作部件就是車輪，即車圈、輪胎等。在設計自行車的各部分尺寸、車閘及變速器等時，應該著眼于騎車人——動力——傳動——工作的連貫性，才可能設計出同騎車人手的大小或握力相適應的閘把、剎車力適當的車閘，才不會發生剎車阻力不夠而造成失誤現象。

二、影響人——車系統正常運作的人體因素

1.人的體格因素。以身高為基本因素，其他身體的部位與身體成比例。以身高H為基本因素，其他身體的能力與H成比例，并有與H2、H3成比例的特性。肌肉、大動脈、骨骼的截面積以及肺泡的表面積等都可看成與H2成比例。肺活量、血液量、心臟容量等都可看成與H3成比例。體格對出力性能的影響，從理論上講，彈跳能力與H成比例，速度能力與H2成比例，作功能力與H3成比例。但實際上因每個人身體素質不同，常有20%以上的偏差。

2.人體的下肢力量。自行車騎行的原動力，主要是騎車人的下肢肌力。人騎車時，骨骼肌肉內部的化學能轉換為肌肉收縮的機械能。自行車腳蹬的轉動就是通過腿肌收縮出力而完成的，一般說腿肌長的人比腿肌短的人有利。肌肉收縮時產生的力，一般與肌肉的截面積成比例，約為每平方厘米40—50牛，通過一定訓練的人可提高到65牛。

3.人體的輸出功率。人輸出的功率隨著騎車人的體格、體力、騎車姿勢、持續時間和速比等的變化而變化。一般成年男人的最大輸出功率約為0.7馬力（0.51千瓦），能持續10秒左右。

4.人的腳踏速度。自行車運動是很有節奏的，其節奏常常與人的心臟節律保持一定關系。健康人的心臟跳動為70次每分鐘，一般腳踏以60圈每分鐘節奏轉動較為合適。

5.人的平衡技能。騎車人本身的平衡機能是影響自行車性能的重要因素，如果缺少平衡機能，哪怕是運動性能很好的自行車也不能平穩行駛；若人有很好的平衡機能，卻可掩蓋自行車設計上的某些缺陷。

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，男性和女性，成年人和兒童，手的大小和握力都不相同。據試驗，為了長時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。

三、自行車設計中的結構要素分析

影響自行車性能的因素除了上述人的因素外，還有許多機械因素。

1.速比。大小鏈輪的齒數比，與鏈輪直徑比相一致，一般控制在2.3-4.0的范圍內。利用速比關系可取得騎行時所必要的功率和必要的速度。為了保持不疲倦的持續騎行，希望肌肉的負擔約為最大肌力的10%，按此選擇速比和曲柄轉速，可得到比較好的效果。

2.曲柄長度。一般來說，按人的身長或下肢長來考慮曲柄長度，可使人省力和舒適。通常曲柄長度的基準，取人體身長的10%，也相當于大腿骨長的1/2。

3.鞍座位置。設計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系，只要腋窩中心至中指的長度確定下來，鞍座高度便可大致確定。

4.剎車。設計時，閘把開擋、力率和閘把力要與人手的大小和握力相適應。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。如果閘把力到達某一程度不發生剎車作用，繼而又驟然生效，說明這種車閘設計不良。

自行車行駛在平地上轉彎的條件是側向力（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。這當然與騎車人有關，但更重要的是自行車的造型要有適合這種力學特征的結構形式。

[1]何人可.工業設計史[M].北京:北京理工大學出版社,2000.

[2]趙江洪.人機工程學[M].北京:高等教育出版社,2006.

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1005-5312（2015）11-0280-01