机械系统设计跑步机改进方案

一、设计背景

随着经济的发展和人们对健康的要求越来越高，自行车必将成为人们近距离的第一交通工具。时下，自行车的设计只考虑到了少数人的因素，自行车的设计急需更加人性化。同时，技术水平越来越成熟，自行车的设计更加强调人的舒适、安全、以及人的身心健康，也就是人因工程学。这样一来，对自行车的设计就更加合理，更好的实现人机配合。

设计理念

我们在对自行车的设计过程中，强调人的效能、安全、舒适和身心健康，在设计高效的同时，充分考虑人的因素，反映人的需要，把人与机密切结合起来。依据人体的生理特征来设计，根据实际情况（环境，个人情况）来重点设计，最后，随着科技进步逐步改进，使产品功能更完善，使人的更多的要求得以满足。

改善方案

（一）、车座设计

1、分析：

1）从人体解剖学分析人体形态。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25cm2的坐骨结节承受。（注：应考虑到男女性别差异带来的设计差异）

2）人体处于坐姿时，坐骨结节离臀部后缘约10～12cm

3）有关的研究还表明，人在骑车时身体适当后倾，人体的迎风面积减小，更有利于发力和加速

4）根据人体坐姿的生物力学分析得知，人体上身越前倾，脊柱的弯曲程度越大，背部肌肉受力越大。当人骑车时，几乎完全伏在车把上，背部与水平面几乎平行，腰部椎间盘压力分布不当，腰椎变形。

2、设计不合理的危害：

1）使坐骨结节处在车座外缘或紧挨外缘的位置，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。

2）人坐在车座上时，坐骨生殖区靠在平坦的座面上，车座会压迫到坐骨生殖区的组织和脂肪以及坐骨生殖区的血管和神经，造成人体会阴区的疼痛和麻木。

3) 会阴区深层中含有泌尿组织、血管及生殖动脉和传导神经，这样也会造成生殖区域的麻木和缺血，严重的会导致生殖系统障碍。

3、改善方案：

1）车座宽度的适宜范围：男式单车为24～26cm，女式单车为26～29cm较合适。根据《人体测量学》中成年男子坐姿臀宽355mm（90%），成年女子382mm（90%），应以女子的臀宽为设计标准，以满足座位的要求。（注：女性骨盆的坐骨结节间距约为23cm，男性骨盆坐骨结节间距为20cm）

2）车座后端的长度范围定为10～12cm，车座总长不同于一般工作椅的座深，车座的总长只需给骑车者以有限的支承稳定性即可，因为车座过长势必影响大腿前后摆动的灵活性。根据有关数

据，50%的人体大腿厚约为13cm，故车座长度范围为22～24cm(余量约取5.5cm)。

3）设计靠背角90°，后倾角在15°以内，相当于前倾座面与靠背夹角在105°以内，属坐姿的舒适范围。

4）长时间骑车，臀部不舒服的另外一个原因就是座垫软硬不合适所致。车座加上座垫，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。坐垫材料必须透气，且不易打滑，座垫应缝制或钉在车座上，使其对起坐时的动载有良好的弹性响应。

（二）、靠背设计

1、靠背的高度：靠背由肩靠和腰靠两部分构成，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。为了使背部下方骶骨和臀部有适当的后凸空间，座面上方与靠背下部之间留一开口部分，其高度至少为12.5cm。

2、靠背的宽度：宽度由腰围决定，靠背宽度为腰围的1/3。靠背面带一点向内凹的圆弧，和背的形状相似，可以使背部和腰部受力均匀，较少疲劳，增强舒适性。

3、靠背的角度：靠背设计为90°，该倾角的作用与座面倾角的作用相同。并设计成可调式靠背，可以满足因人的差异而带来的不同。

4、靠背的材料：靠背不易过重，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。

、车把手设计

1、把手的高度：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。（把手高于车座，保证正常坐姿，对于运动员，应尽量减少阻力）

2、把手的宽度：经实践测量，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。据有关的统计数据，中等身材的人最大肩宽，男为43.1cm，女为39.7cm，因此，车把的宽度可定为39.7～43.1cm。适合男女满足大多数人的需要。

3、把手的形状：

1）手部肌肉特点：掌心部位肌肉最少，指骨间肌和手指部分是神经末梢满布的区域。而指球肌、和大、小鱼际是肌肉丰富的部位，是手部的天然减振器。

2）优化方案：设计手把形状时，应避免将手把丝毫不差地贴合于手的握持空间，更不能紧贴手掌心。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。手部肌肉分布图

3）设计尺寸：

比较合适的直径为3～4cm，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7.1～9.7cm，因此把手的长度可定为12cm左右。

4、把手的弯度：传统的自行车把手为水平，这不符合人因工程学原理，因为这样将会使手

腕处于背屈状态，腕部酸痛，握力减小，长时间操作还会引起腕道综合症、腱鞘炎等症状。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。

5、手闸的设计：车闸的设计精度较高，而人手的抓握直径在13cm左右，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，要适当的粗糙。

6、手把的材料：改进手柄的设计，使用弹性更好的材料，使其握起来更舒适。

四、改善前后比较

1、老式自行车：不轻便，车座与车把一样高，轮子太大，不灵活。

2. 部分改善的自行车

五、结果分析

本次对自行车的改善运用了人因工程的知识，对自行车的设计加入了人因的理念，能更加符合人类的需要，满足舒适、环保、健康、安全的基本准则，设计过程中，有严格的查数据，以及人体有关的生理参数，充分保证了人多生理、心理特征以及能力限度得到充分运用。因此此改善结果是具有一定可行性的。

一．背景概述

近几年来，我国健身器材市场一直呈逐年上升趋势，随着全国健身计划的实施，人民生活水平的提高和消费观念的转变等等，对健身器材、特别是家用健身器材、特别是家用健身器材的销售也都有了极大的促进作用，身器材的市场必然会越来越广阔。“一二一”工程倡导社区提供一处以上体育健身活动场所，倡导每个家庭拥有一件以上体育健身器材，这就为健身器材市场绘制了宏伟的蓝图：若以每户平均有5口人计算，而每个家庭只以拥有一台器材来计算，则单就这一项，全国就需要2亿4千万件！这简直可谓天下第一市场。

健身车是家庭健身器材中的领先产品，早年曾出现了供不应求的局面。预计未来几年内健身车仍将是受欢迎的健身器材。健身车在运动科学领域叫做“功率自行车”，分为直立式、背靠式（也称为卧式）健身车两种，可以调整运动时的强度（功率），起到健身的效果，所以人们把它称为健身车。属于典型的模拟户外运动的有氧健身器材亦被称为心肺训练器材。主要是通过身体较长时间，适当强度的运动来促进心血管的运动，加快新陈代谢，增强心脏和肺部功能，从而改善人体的体质。

二．健身车的现状和发展趋势

从健身车的阻力调节方式看，目前市场的健身车有普及型的磁控健身车（根据飞轮的构造不同还分为内磁控和外磁控），较高阶的电磁控健身车。 1、磁控健身车

磁控健身车是指产生阻力的金属飞轮外围（或内围）有磁铁挨近，通过人力旋钮拉线方式，调节磁铁与金属飞轮的远近调节阻力大小来实现不同运动强度的要求，目前此类健身车是入门家庭用健身车的主力军。 2、电磁控健身车

原理与磁控健身车类似，只是原先人力旋钮调节更换为拉线马达控制磁铁与飞轮

调节段数可以更细微，而且设定的程序允许在运动过程中自动变换阻力大小，形成模拟类似爬山、山地、间歇等自然环境的程序。以适合较高阶使用者。目前此类健身车是高阶家用和小型健身会所常用设备。

三．健身车功能分析

健身车具有普通自行车所不可比拟的优点——可自由发挥自己的骑行速度、掌控骑行时间。