自行车的人机分析与改进

1、 文章编号 :100025889(2004 0320048203自行车的人机分析与改进尹 玲(宁波大学 传播与艺术学院 , 浙江 宁波 315211摘要 :针对现行普通自行车在 “ 宜人性” 方面不太令人满意的问题 , 从人机工程学的角度分析了造成 “机” 不适于 “ 人” 的因素 , 利用人机工程学的原理对其逐一进行了改进 , 并对自行车整体进行了协调 , 使现行普通自行车更趋于 “ 人性化” , 同时为自行车生产商提供了有意义的参考数据 .关键词 :自行车 ; 人机工程学 ; 舒适性中图分类号 :TH122 文献标识码 :AAnalysis of man 2machine relation

2、ship of bicycles and their improvement YI N Ling(Institute of C ommunication and Art , Ningbo , Abstract :Aiming at the unsatis factory performance use in connexion with their “ com fortability ” ,the reas on of incom in the view of man 2machine engineer 2 ing , and all the relevant by one. The bicy

3、cle is globally reconstructed in a coor 2 dinated fashion , ” and providing als o significant data for the bicycle manu facturer to refer to.K ey w ords :bicycles ; man 2machine engineering ; com fortability 随着技术的进一步发展 , 日趋完善化的设计更 强调人的效能 、 安全 、 舒适和身心健康 , 在设计高效 机的同时 , 充分考虑人的因素 , 反映人的需要 , 把人 与机密切结合起来

4、. 但是 , 现行自行车 , 尤其是休闲 、 代步用普通自行车在这方面发展得不尽如 “人意” , 存在的问题主要是自行车的一些零部件尺寸不适于 人 . 所以在保证高效的同时 , 有必要从人机工程学的 角度对其做一些 “ 人性化” 的改善 .1 车座的分析与改进大多数人长时间骑自行车 , 都会感到臀部疼痛 . 之所以如此 , 一部分原因是前倾式的骑车姿势使骑 车者会阴与车座前端产生磨擦 , 时间一久就会感到 不舒服 ; 一部分原因则是车座的尺寸与人体尺寸不 符所致 . 根据人体组织的解剖特性可知 , 坐骨结节处 是人体最能耐受压力的部位 , 身体的主要重量均由 骨盆下的两块面积约为 25cm 2

5、的坐骨结节承受 1, 故车座后端宽度过小就会使坐骨结节处在鞍座外缘 收稿日期 :2003207206 作者简介 :尹 玲 (19772 , 女 , 宁夏中宁人 , 硕士生 . 或紧挨外缘的位置 . 这样 , 身体的压力使得坐骨结节 被迫分离的趋势过大 , 由此导致臀部的疼痛感 . 所以 车座后端应在现有的基础上适当加宽 .1 车座宽度 . 车座后端的宽度应根据人体坐骨 结节间距 (50%的人群 加适当余量而定 . 女性骨盆 的坐骨结节间距约为 23cm , 男性骨盆坐骨结节间距 约为 20cm 1. 据此 , 车座宽度的适宜范围 :男式普通 单车为 2426cm , 女式普通单车为 2629c

6、m 较合 适 . 鞍座前端细部宽度由会阴加较小余量确定 , 这个 宽度不可过宽 , 否则会对会阴产生较大磨擦 . 根据人 体解剖学中的数据 , 可确定该宽度以 68cm 为宜 , 具体尺寸如图 1所示 .2 车座长度 . 人体处于坐姿时 , 坐骨结节离臀 部后缘约 1012cm 2, 据此 , 车座后端的长度范围 定为 1012cm. 鞍座总长不同于一般工作椅的座 深 , 鞍座的总长只需给骑车者以有限的支承稳定性 即可 , 因为鞍座过长势必影响大腿前后摆动的灵活 性 . 人体的会阴中心离坐骨结节约半个大腿厚 1, 鞍 座总长由坐姿时臀部后缘到坐骨结节间距加上坐骨 结节中心到会阴点间距加适当余量

7、而定 . 50%的人第 30卷 第 3期 2004年 6月兰 州 理 工 大 学 学 报Journal of Lanzhou University of T echnologyV ol. 30N o. 3 Jun. 2004图 1 靠背示意图 (单位 :cmFig. 1 Schem atic diagram of seat b ack体大腿厚约为 13cm 2, 故在座长度范围为 2224cm (余量约取 5. 5cm .3 座面倾角 . 鞍座后倾一定的角度 , 一方面可 使背部抵靠靠背 , 获得支持 , 从而降低背肌静压 ; 一方面则可防止坐者从座缘滑出座面 .角度不可太大 , , , 脊椎

8、拉直 , , 一般后倾角在 3°. 另外 , 研究还表明 , 人在 骑车时身体适当前倾 , 人体的迎风面积减小 , 更有利 于发力和加速 , 如果靠背角为 90°, 前倾角在 15°以 内 , 则相当于前倾座面与靠背夹角在 105°以内 , 属坐 姿的最小舒适范围 1. 靠背对于脊椎部还能起适度 的支持作用 , 肌肉紧张较小 , 背部压力在椎骨上分布 也较均匀 . 基于此 , 座面倾角设置成可调式 , 能在后 倾与前倾坐姿的舒适调节范围内连续调整 , 并可在 任意角度锁紧 , 骑车者可根据需要调整鞍座倾角 . 4 座垫 . 长时间骑车 , 臀部不舒服的另

9、外一个 原因就是座垫软硬不合适所致 . 鞍座加上座垫 , 人坐 于其上 , 臀部压力值大为降低 , 接触支承面增大 , 使 压力分散 . 但是座垫不可过软 , 过软不仅增加了身体 的不稳定性 , 而且容易使人产生疲劳 ; 过硬又会导致 臀部痛楚或麻木 . 座垫的软硬应以股骨头刚好与座 垫相接近 , 几近接触而无压力为宜 . 测试数据表明 :此时臀部下陷约 18mm 1. 另外坐垫材料必须透气 , 且不易打滑 , 座垫应缝制或钉在鞍座上 , 使其对起坐 时的动载有良好的弹性响应 .2 靠背的分析与设计长时间骑自行车的人感觉腰部最累 , 这是因为 骑车时 , 人处于一种前屈运动的状态 , 坐姿属于

10、非自 然姿势 . 良好的坐姿 , 压力适当地分布于各椎间盘 上 , 肌肉组织承受均匀的静负荷 , 脊椎形状最接近自 然状态 ; 而人处于非自然姿势时 , 椎间盘内压力分布 不均衡 , 故腰部产生酸痛 、 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 . 通常情况下 , 设置适当 的靠背可使疲劳降低 , 大于 90°的靠背还可防止骨盆 的旋转 , 增加坐姿的稳定性 1, 基于上述原因与原 理 , 可考虑在自行车的鞍座后面设置一个适当的靠 背 , 靠背的具体尺寸如图 1所示 .1 靠背的高度 . 靠背由肩靠和腰靠两部分构 成

11、 , 腰靠的凸出部分压入腰凹内 , 以保证腰部得到充 分支持 , 其水平截面为曲率不大的圆弧形 , 以适合于 腰圆 . 由于成年人腰椎部的中心位置约在座位上方 2326cm 2处 , 腰椎支点略高于此尺度 , 腰靠的高 度至少要等于腰椎支点的高度 , 以支持背部重量 , 所 cm 处为宜 . 为了 , 座面上 , 其高度至少为2 靠背的宽度 . 宽度由腰围决定 , 腰围以 50%的女性的腰围为依据 , 靠背宽度为腰围的 1/3,50%的 女性腰围为 77. 2cm 1, 所以靠背宽度可定为 26cm. 3 靠背的角度 . 设为 99°, 该倾角的作用与座面 倾角的作用相同 .4 靠背

12、的重量及材料 . 靠背不易过重 , 太重 , 一 方面增加了自行车的重量 , 另一方面则使自行车的 重心后移 , 人骑车上坡时 , 容易引起翻车事故 . 所以 , 靠背应选用强度较好 , 质量较轻的材料 (如 ABS 塑 料 , 并具有适当的弹性 , 以增加舒适感 .3 车把的分析与改进1 车把的高度 . 自行车的车把如果偏低 , 骑车 者必须弯下腰 , 时间久了 , 就会感到腰酸背疼 , 胳膊 疲劳 . 车把的高度应保证骑车者在骑车时处于自然 坐姿或接近自然坐姿 , 并使颈关节 、 胸关节 、 腰关节 、 髋关节 、 肩关节和肘关节处于舒适的调节范围内 . 2 车把的宽度 . 经实践测量 ,

13、 当车把的宽度接 近于骑车者的最大肩宽时 , 人能够自然舒适地握住 车把 , 并能保持长时间不易疲劳 . 中等身材 (50%的 人群 的人最大肩宽 , 男为 43. 1cm , 女为 39. 7cm 1, 因此 , 车把的宽度可定为 39. 743. 1cm.3 把手 . 现行自行车的把手很多都是橄榄形 的 , 其实这并不符合人机工程学原理 , 因为当手握把 手时 , 手的屈肌和伸肌共同完成握把 . 从手掌的解剖 特征看 , 掌心部分的肌肉最少 , 指骨间肌和手指部分 94第 3期 尹 玲 :自行车的人机分析与改进 是神经末稍满布的部位 ; 指球肌和大 、 小鱼际是肌肉 丰富的部位 3, 是手

14、部的天然减振器 . 橄榄形的把手 将会使掌心受压受振 , 引起难以治愈的痉挛 , 也会引 起疲劳和操纵失误 . 把手的设计应使操作者掌心处 略有空隙 , 以减少压力和摩擦力的作用 .图 2a 的把手形状不合适 , 应取图 2b. 把手的直 径太小 , 则扭矩随之减小 ; 若太大 , 则会减小握力 , 降 低灵活性与作业速度 , 并使指端骨弯曲增加 , 长时间 操作还会导致疲劳 , 比较合适的直径为 34cm , 因 此可把车把的直径定为大端 4cm 左右 , 小端 3cm 左右 . 把手的长度主要取决于手掌宽度 , 掌宽一般为 7. 19. 7cm 2, 因此把手的长度可定为 12cm 左右

15、.图 2Fig. 2 h ar4 车闸 . , 而人手的抓握直径在 13cm 左右 2, 所以 , 车闸直径可定为 13cm 左右 , 长度约等于把手长度 . 车闸与把手形成一个角 度 , 此角度的设计因素是抓握空间 , 当抓握空间宽度 在 4. 58. 0cm 时抓力最大 3, 据此 , 可计算出车闸 与把手的交角为 40°. 至于把手与车闸的表面设计 , 应保证能准确抓握 , 不产生滑动 , 所以它们的表面不 能太光滑 , 要有一定的粗糙度 .5 把手的弯度 . 传统的自行车把手为水平 , 这 不符合人机工程学原理 , 因为这样将会使手腕处于 背屈状态 , 腕部酸痛 , 握力减小

16、 , 长时间操作还会引 起腕道综合症 、 腱鞘炎等症状 4. 测试表明 , 把手与 水平位置成 10°左右效果最好 , 可以降低疲劳 , 并且 容易操作 , 还使腕关节处于放松状态 .4 普通自行车的整体分析与改进人的上体后倾一定角度的坐姿是最接近于腰椎曲度的正常姿势 , 而目前几乎所有的自行车都使人 的上身前倾 , 这就是为什么长时间骑车者的胳膊和 腰感到很疲劳的原因所在 . 一方面骑车者的上身重 量有相当一部分要由胳膊支撑 ; 另一方面躯干前倾 的姿势使本来前凸的腰椎拉直甚至向后凹 , 破坏了 正常的腰椎曲线 . 同时 , 因胸部向前倾伏 , 这势必会 增加会阴与车座前端的磨擦

17、, 长期如此 , 可导致泌尿生殖系统损伤 、 充血或发生局部炎症 4. 对女性来 说 , 会阴与车座前端的磨擦 , 容易引起感染和疾 病 4. 所以对于休闲 、 代步用普通自行车而言 , 座面 倾角可调整成后倾 , 这样前倾式的骑车姿势可适当 后倾一定角度 .基于以上的分析 , 选择了 50%的人群骑车时舒 适调节范围内的尺寸 , 其数据见表 13.表 1 50%的人群在舒适调节范围内的尺寸 T ab. 1 Adjustable dimensional range of hum an jointsand limbs for their com fortability身体部位 舒适调节范围内角度 /(°肩关节 前、 后摆 :40 上、 下摆 :25肘关节 弯曲角度 :110躯干 后倾角度 :99身体部位 舒适调节范围内尺寸 /cm肩高 男 :59.8 女 :55.6上臂长 男 3 女 :43.8前臂长 女 :21.3 女 :43.8:41. 女 :38.2, 站姿时自然视线低于水平面15°5. 普通自行车 整体协调改进如图 3所示 (以女单车为例 .A. 车把位置 B. 车座基准点 C. 脚踏板中心 D. 脚踏板 (最大力足蹬点 图 3 普通自行车整体设计示意图Fig. 3 Schem atic diagram of glob al construction