基于人因工程学的自行车设计改进

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1、基于人因工程学的自行车设计改进摘要：自行车设计在以往只是从满足人的使用功能以及节约成本出发，而忽视了骑乘者是否感到舒适。本文从人因工程学角度，根据人一自行车系统，运用人体测量学、身体运动学等理论，对自行车设计上长期存在的一些不符合人体工效学要求的缺陷提出了改进建议。关键词：人一自行车系统人因工程学自行车设计一、背景人因工程学（HumanFactorsorHumanFactorEngineering）,又称工效学（Ergonomics），是近几十年发展起来的一门边缘性应用科学。它综合应用生理学、心理学、医学、卫生学、人体测量学、劳动科学、系统工程学、社会学和管理学等学科的知识和技术，在对人、

2、机器、技术和相关环境的深入研究的基础上，发现并利用人的行为方式、工作能力、作业限制等特点，以提高生产（包括日常生活中人的活动）的效率、安全性、健康性、舒适性和有效性。现代人因工程学的落脚点不仅在于工厂生产现场的布置与设计，还在于人们日常生活随处可见、随时接触的日常用品当中。真正具有现代形式的自行车诞生于1874年。如今自行车在很多国家只是作为运动健身的工具，但是从上世纪20年代自行车传入我国以来，由于经济、人口状况与地理条件等方面的原因，自行车在一个很长时期内一直作为中国百姓的主要交通工具。当前我国自行车产量、出口量均占世界总量60%以上，国内消费量也居世界第一。自行车的历史已经超过了一百

3、年，但是从人因工程学的角度进行分析，我们可以发现，现在的自行车设计仍然存在缺陷，需要改进。二、人一自行车系统（一）、人一自行车系统的提出组成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一车系统，该人一车系统中的人一车界面关系可由图1来进行分析。图1人一车界面关系1、人与支撑部件关系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

4、设计参数。2、人与动力接受部件关系　　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。为了使人省力和有舒适感，必须在骑自行车人的体格和体力与自行车元件的尺寸关系上下功夫，即研究人体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换问题。3、人与传动部件关系　　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。4、人与工作部件关系　工作部件就是车轮，即车圈、轮胎等。绝大部分轮胎是

5、充气的，少数是实心的。车轮一方面把骑车人的肌肉力量，有效地转换为同地面接触而向前运动的力；另一方面将骑车人的握力转换为与接地部分所产生的刹车阻力。在设计自行车的各部分尺寸、车闸及变速器等时，应该着眼于骑车人一动力一传动一工作的连贯性，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）、影响自行车性能的人体因素影响自行车性能的人体因素很多，如图2所示。现主要分析下述几点：图2影响自行车性能的人体因素1、人的体格因素以身高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。如手臂、腿、气管等的长度与身高成比例，从而以

6、骨关节为中心所产生的力矩、步幅等，都取决于H的大小。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，作功能力和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、人的下肢肌力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--50N，通过一定训

7、练的人可提高到65N。3、人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（0.51kw)，能持续10s左右。如果持续时间长，其值要小得多，持续lh，大约只有1.0-0.7马力（0.07-0.15kw）。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／min，一般脚踏以60r/min节奏