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自行车的人机工程学研究
摘要：未来的城市交通应是洁净、快速便捷的轨道交通为主，公交及自行车为辅，轿车及出租车适量控制的可持续发展的交通模式。自行车交通在未来的交通系统中应起到越来越重要的作用。
关键词：人体；自行车；机械；特性

前言
自行车是真正的绿色交通工具，自行车是现有的最清洁方便的交通工具。它与其他交通工具相比有以下优点：它的价格低廉，养护和维修都较简单，而且受地域限制小，使用也比其他交通工具简单得多。
1自行车系统
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1-1来进行分析。
1.1人与支撑部件关系

图1-1 人-车界面关系

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设计参数。
1.2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。
1.3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。
1.4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。
2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1-2 所示。现主要分析下述几点：
2.1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。
2.2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 通过一定训练的人可提高到65N 。

图1-2 影响自行车性能的人体因素

2.3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（ 0.51 kw ) ，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）。
2.4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 节奏转动较为合适。设计时以这一常用速度来确定相关设计参数。
2.5人的平衡机能
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。
2.6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。
2.7人的疲劳
人体疲劳和疼痛是对骑车出力性能的不利因素，其产生原因有人体因素，也有自行车结构因素。疲劳和疼痛一般是由于部分肌肉负担过大，骑车姿势不合适，以及体重对鞍座的体压分体不合适等引起的。此外，影响出力因素还有人的最大摄氧量。
3自行车设计结构要素分析
　 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，如图1-3所示。为了获得自
行 车较佳的性能，必须把人的因素与机械因素有机地结合起来，以使人一车协调。为此，着重分
析与人体相关的结构要素。
3.1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。速比要合适，如果太小，无论人的肌力有多大，由于不能充分提高转速，所以就得不到大的输出功率。也由于速比小，在限定的曲柄转速下，得不到必要的骑行速度（后轮转速）。速比过大时，要求的踏力也大，容易使人疲劳。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。
3.2曲柄长度
传统的自行车设计，一般从杠杆原理考虑比较多，对人研究少，认为曲柄越长越有力。曲柄
过长后，为了不使脚蹬碰到前泥板，不得不加大中轴至前轴的距离（前心距）。这样势必加长车架，影响了正确的坐车姿势，使人感到臀部痛。若能按人的身长或下肢长来考虑曲柄长度，则可使人省力和舒适。通常曲柄长度的基准，取人体身长的 1／10 ，也相当于大腿骨长的 1／2 。
3.3三接点位置
　　正确的骑车姿势，是由骑车人和自行车三个接点位置决定的，如图1-4(a）中所示的鞍座位置
A 、车把位置B 、脚蹬位置C 。按三点调整法，AB 和AC 约等，一般 AB = ( AC 一 3 ) cm , A点略
低于B点，约为5cm 。

图1-3 影响自行车的机械因素

3.4鞍座位置
鞍座装得过低，骑行时双脚始终呈弯曲状态，腿部肌肉得不到放松，时间长了就会感到疲软
无力；鞍座装得过高，骑行时腿部的肌肉拉得过紧，脚趾部分用力过多，双脚也容易疲劳。骑车时适当的用力部位是脚掌。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。行驶较快的车，鞍座位置要向前移动，行驶较慢的车，鞍座位置要向后移动，否则都不利于骑行，如图1-4 ( b ）、（ c ）所示。
3.5车闸
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。在紧急情况下操纵时，理想的施闸力和减速度见表1-1 。

图1-4自行设计的结构要素

表1-1　理想的施闸力和减速度

闸把施闸力/N
相对握力%
减速度
说明
60
350
500
10
70
100
0.1g
0.6g
0.8g
控制下坡速度
全刹车
紧急全刹车
注：g=9.8m/s2

4人一车动态特性分析
4.1动态稳定性
　　自行车的稳定是行驶过程中的稳定，是一种动态平衡的稳定性。动态稳定性影响到自行车骑行中的动作，包括直进稳定性和前后左右方向的稳定性，见图 1-5(a）。显然，稳定性对安全行驶是必不可少的特性。
4.2力学特性
　　 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。
4.3转向特性
　　 自行车转弯时可能有三种情况：

图1-5 人-车系统动态特性
人体和车身向内倾的角度相等。即骑车人身体的中心线和车子的中心线一致时，自行车就可以转弯，即所谓中倾旋转，见图1-5(b) ；骑车人的倾斜角比车子的倾斜角大时，此时的转弯即所谓内倾旋转，见图（c）；骑车人的倾斜角比车子的倾斜角小时，此时的转弯即所谓外倾旋转，见图(d))。

参考文献：
[1]赵江洪编译.普通人体工程学.长沙：湖南科学技术出版社，1988
[2]吴宗泽主编.机械结构设计.北京：机械工业出版社，1988
[3]许喜华编.工业造型设计.杭州：浙江大学出版社，1991
[4]卢玉明编.机械零件的可靠性设计.北京：高等教育出版社，1983
[5]（美）E.J.豪格等著.使用最优设计.郁永熙等译.北京：科学出版社，1985
[6]（美）D.J.奥博尼著.人类工程学及其应用.岳从风，孙仁佳译.北京：科学普及出版社，1988