自行车改善方案
【摘要】在生活中的骑车过程中，常常可见关于自行车的省力问题和舒适性问题。针对这些问题，本文综合运用了人机工程学的人在系统中的功能和人的运动输出理论和方法，分析了人在骑车过程中所做的有用功，指出了人在骑车过程中所受各种力的作用，提出了对自行车各个部件改善方案。 【关键字】人机工程学 作用力 舒适度 1 引言
在产品设计的过程中，充分考虑人的因素，围绕人的用力状况和骑车过程中的舒适度展开改善方案的研究。人机工程学，是探讨人与环境、设备、工具的一个有效的科学工具。本文探讨了将人机工程学的人在系统中的功能和人的运动输出理论和方法应用于解决骑车过程中的省力和舒适方面的问题。 2 研究背景
自行车设计的基本任务是根据使用者的要求结合制造部门的可能性，创造性地运用有关科学技术和知识，设计出受用户欢迎的产品。因此，设计自行车时首先应该选择合理的结构，同时还应符合有关技术经济指标的要求。社会对自行车使用的要求是多方面的。
自行车既要有一定的刚度，也要有相应的弹性，否则就会影响骑行性能和使骑行者容易产生疲劳，因此对架、前叉和鞍座等主要部件都要与人的体形结合起来考虑，使之达到骑行舒适的要求。 此外，骑行自行车应该向着更加省力更加方便的方向发展。
坐垫部分：为了
把减轻降低行驶时对 图一 自行车结构 下体的压力，我们可以在设计坐垫的时候将两侧垫高，这样就将更多的压力分散到两翼坐骨上，从而使得下体得到解放。
其次，由于人在骑自行车时，长时间处于一种前屈运动的状态，坐姿属于非自然、良好的坐姿，这样椎间盘内压力分布不均衡，就会产生腰部酸痛、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。
车把部分：增加把握时的牢固度。同时把车把的水平面增大，使手掌有更多托付面积，减小手掌单位面积的受力，在长距离行驶时不容易感到疲劳。
刹车与车把平面的角度设计应该是35—45度之间，这样可以
释放手腕的压力，最好是这个角 图二 骑车受力示意图 度能够设计成可以调节的。
3 问题及分析
3.1 车把部分和把手部分
现在的车把的种类层出不穷，按照车把的样式分类大致有4类：直把、雁把、弯把、蝴蝶把，按照材料的分类有钢管车把、铝合金管车把、钛合金管车把、碳纤维及复合材料的车把这几类。
图三 各种把手示意图
车把的加工方法有很多，大多都是通过机械设备的冲压，弯曲，拉伸而得到我们的需要的长度，角度。材料加工工艺的精良程度，加工的工序的多少直接
决定了车把的使用寿命还有价格。
在自行车左右把手的下方（或前侧）的铁杆，用于制动（刹车），左边的为车后闸（后刹），左边的车前闸（前刹）。
图四 把手示意图
3.2 车架、前叉以及鞍座部分
自行车车架是构成自行车的基体联接着自行车的其余各个部件并承受骑者
的体重及自行车在行驶时经受各种震动和冲击力量，最大程度地决定、影响了骑
行姿势的正确性和舒适性。
前叉部件在自行车结构中处于前方部位，它的上端与车把部件相连，车架部件与前管配合，下端与前轴部件配合，组成自行车的导向系统。转动车把和前叉，可以使前轮改变方向，起到了自行车的导向作用。
鞍座起承受骑车者的体重作用，要有足够的强度和弹性，不同类型的自行车对鞍座的要求也不同。
图五 车架示意图
图六 前叉示意图 图七 鞍座示意图 3..3 曲柄和脚踏部分
曲柄的长度是力臂，用脚蹬的力和力臂的乘积叫力矩，对同样规格和零部件的自行车来讲，在同样的路上，用同样的速度骑行，需要的力矩是一定的，所以力臂（即曲柄长度）越大，需要的力越小也就越省力，当然脚和腿绕的圈也相应变大些；反之曲柄越短，需要的力越大，也就是越费力，但是脚和腿绕的圈要小些。脚踏分为水平脚踏、自锁脚踏和脚带脚踏。
图八 曲柄示意图
4 人机工程学理论及方法应用要点 4.1
影响刹车性能的人的因素主要是人的手和握力，男性和女性、成年人和儿
童的手的大小和握力都不相同。据试验，为了长时间捏闸而不致手有疼痛的感觉，希望只用最大握力的10%左右便能得到必要的减速度。 4.2
鞍座的位置装得过低，骑行时双脚始终呈弯曲状态，腿部肌肉得不到放松，
时间长了就会感到疲软无力；鞍座装得过高，骑行时腿部的肌肉拉得过紧，脚趾部分用力过多，双脚也容易疲劳。 4.3
车架是自行车的主要部件，它与车把、前叉和前后车轮连接，承载着骑车
人的全部重量，分前三角和后三角两部分。立管的长度、角度决定鞍座的位置，其位置与曲柄的长度等因素决定了骑行动力的输出大小，决定输出效率的传动部分的输出大小。 4.4
自行车设计国家标准规定：车把前叉轴线与通过轮心的地面垂直线的交点
到地面的距离不小于轮半径的15%，不大于轮半径的60%。 5 改善方案
山地车的专业选手一般使用燕把，而一般玩家则使用直把。车把的宽度以中青年男子的肩宽480mm，手掌宽度100mm为参照，设计时考虑手掌中央与车把把套的中央为接触点，这样可使整车受力平衡，具备安全可靠的操纵车把和刹车制动的有利条件。
把手上不应该留有指槽，因为人的手的尺寸都不同。其次形状上可以改为更符合在靠近身体的那面外缘处有突起的软胶设计，以增大手掌与把手的接触面积，使压力能分布于较大的手掌面积上，减少作用力。车把的材料可以选用橡胶材质，起到防滑的作用，同时又有类似硅胶的舒适柔韧性。车闸应与把手水平面成20°~40°的夹
角。 图九 不好把手示意图
图十 修改示意图