陈健

（齐鲁工业大学，山东 济南 250353）

自行车设计中人机工程学的应用

陈健

（齐鲁工业大学，山东 济南 250353）

在现代提倡绿色，低碳生活的潮流下，人们越来越注重自己生活的品质和对环境的影响。在这个大环境中，人们开始反思机动车辆对生活带来的影响，出行的选择也将由家用车辆转向其他交通工具，自行车以其无任何污染，而且在出行时还可以达到端丽身体的效果，越来越多的被人使用。人机工程学的应用，将大大提高人们驾乘自行车的安全性和舒适度。

人机工程学；系统；舒适；体格因素；输出功率；刹车阻力；动力传动

一、人——车系统

自行车的功能是供人骑行。就发挥自行车的功能作用而言，把人看作自行车的组成部分是完全合理的。因此，人在骑车时组成了人——车系统，该人——车系统中的人—车界面关系可由下图进行分析。支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等，是自行车的构架。支撑部分将其他零部件固定在相互间正确的位置上，保证自行车的整体性，实现自行车的功能。从人机关系来看，鞍座、车把和车架等的位置和大小，以及它们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着性的设计参数。

动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力是靠骑车人的双脚踩在脚蹬上，下肢运动的力使曲柄转动而产生的。传动部件主要是滚珠、链条和链轮。人的作用力是通过链条和链轮传动而带动后轮转动，从而使自行车前移。传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性，且有易操纵的变速机构。保证较高的传动效率，才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率。

工作部件就是车轮，即车圈、轮胎等。在设计自行车的各部分尺寸、车闸及变速器等时，应该着眼于骑车人——动力——传动——工作的连贯性，才可能设计出同骑车人手的大小或握力相适应的闸把、刹车力适当的车闸，才不会发生刹车阻力不够而造成失误现象。

二、影响人——车系统正常运作的人体因素

1.人的体格因素。以身高为基本因素，其他身体的部位与身体成比例。以身高H为基本因素，其他身体的能力与H成比例，并有与H2、H3成比例的特性。肌肉、大动脉、骨骼的截面积以及肺泡的表面积等都可看成与H2成比例。肺活量、血液量、心脏容量等都可看成与H3成比例。体格对出力性能的影响，从理论上讲，弹跳能力与H成比例，速度能力与H2成比例，作功能力与H3成比例。但实际上因每个人身体素质不同，常有20%以上的偏差。

2.人体的下肢力量。自行车骑行的原动力，主要是骑车人的下肢肌力。人骑车时，骨骼肌肉内部的化学能转换为肌肉收缩的机械能。自行车脚蹬的转动就是通过腿肌收缩出力而完成的，一般说腿肌长的人比腿肌短的人有利。肌肉收缩时产生的力，一般与肌肉的截面积成比例，约为每平方厘米40—50牛，通过一定训练的人可提高到65牛。

3.人体的输出功率。人输出的功率随着骑车人的体格、体力、骑车姿势、持续时间和速比等的变化而变化。一般成年男人的最大输出功率约为0.7马力（0.51千瓦），能持续10秒左右。

4.人的脚踏速度。自行车运动是很有节奏的，其节奏常常与人的心脏节律保持一定关系。健康人的心脏跳动为70次每分钟，一般脚踏以60圈每分钟节奏转动较为合适。

5.人的平衡技能。骑车人本身的平衡机能是影响自行车性能的重要因素，如果缺少平衡机能，哪怕是运动性能很好的自行车也不能平稳行驶；若人有很好的平衡机能，却可掩盖自行车设计上的某些缺陷。

6.人的手和握力。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，手的大小和握力都不相同。据试验，为了长时间施闸而不致使手有疼痛的感觉，希望只用最大握力的10%左右便能得到必要的减速度。

三、自行车设计中的结构要素分析

影响自行车性能的因素除了上述人的因素外，还有许多机械因素。

1.速比。大小链轮的齿数比，与链轮直径比相一致，一般控制在2.3-4.0的范围内。利用速比关系可取得骑行时所必要的功率和必要的速度。为了保持不疲倦的持续骑行，希望肌肉的负担约为最大肌力的10%，按此选择速比和曲柄转速，可得到比较好的效果。

2.曲柄长度。一般来说，按人的身长或下肢长来考虑曲柄长度，可使人省力和舒适。通常曲柄长度的基准，取人体身长的10%，也相当于大腿骨长的1/2。

3.鞍座位置。设计或校正鞍座位置高低最常用的方法，是使手臂的腋窝部位中心紧靠鞍座中部，使手的中指能触到装配链轮的中轴心为宜。人体各部尺寸都有一定的联系，只要腋窝中心至中指的长度确定下来，鞍座高度便可大致确定。

4.刹车。设计时，闸把开挡、力率和闸把力要与人手的大小和握力相适应。灵敏度高的车闸，随着闸把上力的增大，刹车力也按比例地增加。如果闸把力到达某一程度不发生刹车作用，继而又骤然生效，说明这种车闸设计不良。

自行车行驶在平地上转弯的条件是侧向力（与离心力平衡）与自行车总重量（人和车的重量）的合力作用线要通过轮胎与地面的接触点。这当然与骑车人有关，但更重要的是自行车的造型要有适合这种力学特征的结构形式。

[1]何人可.工业设计史[M].北京:北京理工大学出版社,2000.

[2]赵江洪.人机工程学[M].北京:高等教育出版社,2006.

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1005-5312（2015）11-0280-01