自行車設(shè)計(jì)中人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用

陳健

（齊魯工業(yè)大學(xué)，山東 濟(jì)南 250353）

自行車設(shè)計(jì)中人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用

陳健

（齊魯工業(yè)大學(xué)，山東 濟(jì)南 250353）

在現(xiàn)代提倡綠色，低碳生活的潮流下，人們?cè)絹碓阶⒅刈约荷畹钠焚|(zhì)和對(duì)環(huán)境的影響。在這個(gè)大環(huán)境中，人們開始反思機(jī)動(dòng)車輛對(duì)生活帶來的影響，出行的選擇也將由家用車輛轉(zhuǎn)向其他交通工具，自行車以其無任何污染，而且在出行時(shí)還可以達(dá)到端麗身體的效果，越來越多的被人使用。人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用，將大大提高人們駕乘自行車的安全性和舒適度。

人機(jī)工程學(xué)；系統(tǒng)；舒適；體格因素；輸出功率；剎車阻力；動(dòng)力傳動(dòng)

一、人——車系統(tǒng)

自行車的功能是供人騎行。就發(fā)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(shí)組成了人——車系統(tǒng)，該人——車系統(tǒng)中的人—車界面關(guān)系可由下圖進(jìn)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(gòu)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(shí)現(xiàn)自行車的功能。從人機(jī)關(guān)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(guān)系，與騎車人的位置和肌肉的動(dòng)作有著性的設(shè)計(jì)參數(shù)。

動(dòng)力接受部件主要是腳蹬和曲柄。動(dòng)力是靠騎車人的雙腳踩在腳蹬上，下肢運(yùn)動(dòng)的力使曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的。傳動(dòng)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(dòng)而帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使自行車前移。傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要有較高的傳動(dòng)效率和可靠性，且有易操縱的變速機(jī)構(gòu)。保證較高的傳動(dòng)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(shè)計(jì)自行車的各部分尺寸、車閘及變速器等時(shí)，應(yīng)該著眼于騎車人——?jiǎng)恿Α獋鲃?dòng)——工作的連貫性，才可能設(shè)計(jì)出同騎車人手的大小或握力相適應(yīng)的閘把、剎車力適當(dāng)?shù)能囬l，才不會(huì)發(fā)生剎車阻力不夠而造成失誤現(xiàn)象。

二、影響人——車系統(tǒng)正常運(yùn)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(dòng)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(duì)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(shí)際上因每個(gè)人身體素質(zhì)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(dòng)力，主要是騎車人的下肢肌力。人騎車時(shí)，骨骼肌肉內(nèi)部的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為肌肉收縮的機(jī)械能。自行車腳蹬的轉(zhuǎn)動(dòng)就是通過腿肌收縮出力而完成的，一般說腿肌長(zhǎng)的人比腿肌短的人有利。肌肉收縮時(shí)產(chǎn)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(xùn)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(shì)、持續(xù)時(shí)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(xù)10秒左右。

4.人的腳踏速度。自行車運(yùn)動(dòng)是很有節(jié)奏的，其節(jié)奏常常與人的心臟節(jié)律保持一定關(guān)系。健康人的心臟跳動(dòng)為70次每分鐘，一般腳踏以60圈每分鐘節(jié)奏轉(zhuǎn)動(dòng)較為合適。

5.人的平衡技能。騎車人本身的平衡機(jī)能是影響自行車性能的重要因素，如果缺少平衡機(jī)能，哪怕是運(yùn)動(dòng)性能很好的自行車也不能平穩(wěn)行駛；若人有很好的平衡機(jī)能，卻可掩蓋自行車設(shè)計(jì)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(jù)試驗(yàn)，為了長(zhǎng)時(shí)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(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)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(jī)械因素。

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

2.曲柄長(zhǎng)度。一般來說，按人的身長(zhǎng)或下肢長(zhǎng)來考慮曲柄長(zhǎng)度，可使人省力和舒適。通常曲柄長(zhǎng)度的基準(zhǔn)，取人體身長(zhǎng)的10%，也相當(dāng)于大腿骨長(zhǎng)的1/2。

3.鞍座位置。設(shè)計(jì)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(lián)系，只要腋窩中心至中指的長(zhǎng)度確定下來，鞍座高度便可大致確定。

4.剎車。設(shè)計(jì)時(shí)，閘把開擋、力率和閘把力要與人手的大小和握力相適應(yīng)。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(dá)某一程度不發(fā)生剎車作用，繼而又驟然生效，說明這種車閘設(shè)計(jì)不良。

自行車行駛在平地上轉(zhuǎn)彎的條件是側(cè)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(diǎn)。這當(dāng)然與騎車人有關(guān)，但更重要的是自行車的造型要有適合這種力學(xué)特征的結(jié)構(gòu)形式。

[1]何人可.工業(yè)設(shè)計(jì)史[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2000.

[2]趙江洪.人機(jī)工程學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2006.

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1005-5312（2015）11-0280-01