陈志敏080301321---自行车鞍座.doc

各种自行车鞍座人机工程学上的比较与改进陈志敏摘要：对于自行车爱好者而言，自行车鞍座的舒适型问题一直是困扰他们的一大难题，不管更换多少次市面上的鞍座头，似乎总有不如人意的地方。因此，针对目前自行车鞍座的舒适性问题，结合人机工程学原理，分析了鞍座设计中影响骑行舒适性的主要因素；对市面上国内外现有自行车鞍座的舒适性及人机工程学特点进行了分析，找出其各自存在的不足；进而在其基础上，提出基于人机工程学原理的较为科学的鞍座设计原则，并以此为依据进行相关的设计实验，从而的出相应的自行车鞍座设计实例。关键词：人机工程学；自行车鞍座；舒适性；设计Ergonomics analysis of bicycle saddleChen zhiminAbstract：Riders are troubled by the comfortableness of bicycle saddle all alongConcering to the comfortability problem ofpresent bicycle saddle，with consideration of ergonomic principles，the main factors affecting the riding comfortability in thesaddle design are analyzedThe comfortability and ergonomics features of existing bicycle saddles produced home and abroadare analyzed and the disadvantages have been pointed outFinally,the saddle design principles are proposed based on ergonomictheories，and an example of saddle design is given according to the introduced pinciplesKey words：Ergonomics；Bicycle Saddle；Comfortableness引言 在现代社会中，随着技术的发展和人们生活水平的普遍提高，伴随的现代设计中，日趋完善化的设计越来越强调人性化的因素，效能，安全，舒适很身心健康，在设计活动中，如何将人的因素，包括生理和心理的双重因素完美的融入到设计活动中，达到最优化设计是当代设计中的重要课题， 也是决定设计成败的重要因素。而现在要讨论的自行车鞍座的设计就是其中一典型设计案例。1.自行车鞍座与骑行舒适性 自行车虽已有两百多年的历史，但其设计方面仍存在很多问题，骑乘者抱怨最多的莫过于骑行舒适性的问题。而鞍座是支撑自行车骑乘者体重的主要零部件，其设计对骑乘者的健康和骑行舒适性有着很大的影响。 由于骑车回阴部长时间受到挤压，致使前列腺或阴部充血膨胀而发生炎症，根据图1所示人体臀部组织在自行车鞍座上的分布简图可知，当骑乘者位于鞍座上时，鞍座会压迫到位于坐骨结节和耻骨联合部之间的坐骨生殖区，该处的组织里含有丰富的血管，软组织和大量的神经及神经末梢。在骑行过程中，骑乘者的大部分体重会压迫到这些血管和神经，造成会阴区的疼痛和麻木。同时会阴区深层中含有泌尿组织，血管和生殖动脉和传导神经，骑行中骑行者体重的压迫也会造成生殖区域的缺血和麻木，严重时还会导致生殖系统功能障碍。这也就是骑自行车会引起会阴胀痛，臀部疼痛，长时间骑行还会感到阴部发麻，甚至会引起尿痛，尿频，睾丸疼痛等症状的主要原因。另外，据一家外国机构调查研究统计，骑自行车的男士中，90%以上的人的睾丸存在畸形；50%的被调查人群会感到阴囊不适或存在勃起障碍。2.鞍座的人机工程学分析（1）坐姿时的脊柱状态 处于坐姿状态时，人的身体主要由脊柱，骨盘，腿和脚支撑。不同坐姿下的脊柱状态不同。在良好的自然坐姿状态下，各椎间盘上压力分布适当且肌肉组织承受均匀静载荷。而处于非自然状态下，椎间盘压力分布不正常，容易产生腰部疼痛和疲劳不适。从坐姿生理学角度来讲，鞍座的尺寸和结构设计因能使骑乘者处于或接近自然坐姿，保证正常的脊椎形态和腰弧曲线以降低疲劳减少腰部疼痛等不适。 （2）坐姿时的脊柱形态 当人处于坐姿状态时，人的身体重量主要由坐垫和靠背承担，因此坐姿体压分布包括坐垫上的体压分布和靠背上的体压分布两部分。坐姿状态下，有人体组织的解剖学特性可知，与鞍座紧密接触的是最能承受压力的臀部的两块坐骨结节，约25的部位会支撑这75%的人体重量，时间久了便会感到疲劳，造成臀部疼痛。图2所示为坐姿上的压力分布图。可见坐姿状态下，坐骨结节出压力最大，向四周逐渐减少，到大腿部位时压力降到最低，即为鞍座设计的压力不均匀分布原则。靠背上的体压分布同样也不均匀，就带靠背的鞍座而言，压力主要集中在腰椎部位，由此向外逐渐降低。（3）股骨受力分析 坐姿时坐骨结节处承受大部分身体重量，当座面接近水平状态时，位于坐骨结节外侧的股骨处于正常的位置（如图3a）而不会受到过分压迫使人觉得舒适；当座面呈斗形（凹式三角形）时，会使股骨因受到压迫而向上转动（如图3b)并承受载荷，且还会使髋部肌肉受压从而引起不舒适感。图3所示为不同座面时股骨受力图。3.现有鞍座的人机特点分析 在自行车的发展演变过程中，鞍座的设计也有了很大的改进，在设计过程中越来越重视安全和舒适性，由过去的硬质材料鞍座发展为座面采用较为柔软的材料制成的鞍座，并通过凹陷，凿孔等方法来减少对骑乘者生殖区的压迫。（1）镂空型鞍座 如图4所示，鞍座中间的镂空有效的减少了鞍座对骑乘者会阴区的压迫，但镂空的设计使得骑乘者的重量主要集中在坐骨结节处且镂空边缘的尖角会给与其接触的部位造成不适。图5所示为局部凹陷的鞍座设计，与中间开孔的鞍座相比，孔边缘的避免巧妙的减轻了对骑乘者会阴部的压力。 鞍座设计者将最大限度的减少对骑乘者坐骨生殖区和会阴处软组织，血管和神经的压迫作为鞍座设计准则，除通过凿孔，凹陷等方法来实现这一准则外，还通过改变鞍座形状来实践该设计准则，故出现了一些外观造型独特的鞍座设计，如月牙型鞍座，直杆型鞍座以及造型独特的分离型自行车鞍座。 （2）月牙型自行车鞍座图6 为美国MOONSADDLE公司所设计的月牙型鞍座，该鞍座成功地避免了对骑乘者坐骨生殖区器官和组织压迫。引起缺乏前部必要支撑，骑乘者会感到缺乏安全性，同时月牙型的造型会给上下车带来不便切回影响骑乘者的腿部运动。直杆型自行车鞍座（3）直杆型自行车鞍座（图7）仅仅由一个横向的直杆构成，没有了普通自行车鞍座的窄小部分，避免了对人体坐骨生殖区的压迫和摩擦，不会对会阴区的血管和神经造成压迫。但由此带来的问题是骑乘者会前倾身体以保持身体的稳定性，从而会加重上肢负担而加速疲劳。并且因其形态设计大大减少了骑乘者臀部与鞍座的接触面积，因而在骑行过程中骑乘者的坐骨结节和臀大肌所承受的压力会大大增加，这将加速了臀部肌肉的疲劳和疼痛。4.人机工程学指导下的鞍座设计 鞍座的人机工程学设计一直是围绕着如何减少对骑乘者坐骨生殖区和会阴区的摩擦和雅痞进行的，除此之外还应考虑以下因素：1.保证骑乘者在鞍座上处于或接近自然坐姿；2保证股骨于正常位置受力；3.保证骑乘者蹬踏运动的灵活性；4保证骑乘过程中的坐姿稳定性；5寻求最佳的鞍座尺寸，结构和坐垫材料。(1）鞍座结构设计 为保证骑乘者骑坐鞍座上能处于自然坐姿，在结构上应采用带有腰靠的鞍座，避免在骑乘过程中由于身体前倾而造成的脊柱与腰椎自然曲线的破坏，同时减轻骑乘者体重对上肢和腹部造成的压力。并通过合理设计腰靠支撑点来保证坐垫和腰靠上合理的体压分布以及股骨的正常位置受力。鞍座座面的设计采用局部凹陷的结构以减少对骑乘者坐骨生殖区的压迫。（2）鞍座尺寸设计 鞍座尺寸设计的参数主要包括座面宽度，鞍座长度，座面倾角以及腰靠的高度，宽度和倾角。鞍座尺寸依据主要是人体的生理结构尺寸。鞍座后端的宽度保证了骑乘者位于鞍座上时坐骨结节间距，过小会导致坐骨结节出软组织受到挤压，过大会影响鞍座的平衡性。根据人体测量学，50%的人群骨盘的坐骨结节间距约为200-220mm.在设计时还要加上适当的设计余量（40-60mm)，以提高鞍座的舒适性，因此可确定普通休闲自行车的鞍座后端宽度为240-280mm为宜。由于女性的髋骨要宽于男性，在鞍座设计时，女式自行车的鞍座宽度要比男性的宽一些。 鞍座长度由坐深以及腿部蹬踏运动的灵活性确定。鞍座过长，不仅会影响腿部蹬踏运动的灵活性，还会对人体生殖区造成压迫，过短又会见底坐姿稳定性，加速骑车疲劳。根据人体解剖学中人体结构尺寸可知，鞍座后端的长度应由坐姿状态下坐骨结节离臀部后缘的 距离（160-190mm)再加上适当余量确定，由实验测量得出，普通休闲自行车鞍座的设计余量取50mm左右为宜，因此可确定鞍座长度的尺寸范围为210-240mm. 腰靠的形态和尺寸的设计衣服和人体背部的形状，其突出部分应正好压入骑乘者腰凹内为宜，保证骑乘者腰部能得到充分支持。其横断面可以是一个半径小于1000mm的圆弧。高度和宽度的设计均应根据骑乘者的结构尺寸进行确定。自然坐姿下，成年人的腰椎部的支持中心约在座面上方230-259mm处，腰靠的高度必须高于此高度，选取在座面上方360-400mm为宜。为了增加要不下方的骶骨部分的舒适感，必须在座面和靠背下沿之间流出一定空间，以容纳向后挤出的臀部肌肉，其高度为150-180mm为宜。要靠宽度则有骑乘者的腰围决定，50%的成年人腰围约为775mm，而腰靠宽度为腰围的1/3为宜，因此可确定腰靠宽度为260mm。 靠背倾角的设计不仅可以防止骑乘过程中骑乘者从座面滑出，还可以避免骑乘过程中身体前倾对腹部的压迫，同时可是骑乘者背部获得腰靠的支持，降低骑乘者的背部负荷，以保证骑行过程能保持腰椎的正常自然形态以增加骑车舒适性。综合考虑舒适坐姿下的关节夹角可知靠背倾角为100度较为合适。（3）材料选取 坐垫材料是影响鞍座舒适性的重要因素之一，同时也是骑行过程中的减震元件之一。选择坐垫材料的主要是其变形程度和大小，过硬的坐垫材料会增加对骑乘者坐骨结节的压力，导致臀部疼痛；过软的坐垫又会使坐骨结节陷入鞍座中，对神经和血管造成压迫，易造成与坐垫接触部位的组织和神经的缺血和麻木。在鞍座设计中，一般应采用硬质座面包裹软硬适中的坐垫材料，同时还应考虑到其透气性，防水性等特征。柔软度适中的坐垫和腰靠材料，在保证骑乘者保持正常的腰弧曲线和合理的体压分布时，还可减少骑行路面不平整时所产生的震动冲击，起到一定的减震避震作用，进一步增强骑车舒适性。鞍座和靠背的面料可采用透气性较好的皮革材料以利于散热.。以上面的研究分析为设计依据，以休闲自行车鞍座为例进行了计算机仿真建模实践，设计结果如图9所示。5.结束语 通过对鞍座的人际工程学的相关理论研究成果的分析，发现自行车鞍座对舒适性的影响不单单是对骑乘者坐骨生殖区的摩擦和压迫，还影响坐姿时的脊柱形态和坐姿体压分布等因素。在人际工程学的相关理论指导下，通过分析研究给出了基于人机工程学的自行车鞍座设计基本准则。由于还未进行人机学实验验证，其应用效果还有待进一步深入研究和实践检验。参考文献：【1】马