基于人体工程学的自行车设计改进

基于人因工程学的自行车设计改进
姓 名：张海青
学 号：05083008
班 级：工硕51
指导老师：孙林岩
2007年11月
摘要：自行车设计在以往只是从满足人的使用功能出发，而忽视了骑乘者是否感到舒适。

本文从人因工程学角度，运用人体测量学、身体运动学的理论，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：人因工程学设计鞍座腰靠
一、引言
人因工程学（Human Factors or Human Factor Engineering）,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、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、问题及改进
2.1 鞍座设计不合理——鞍座太平坦，太窄，太硬
根据一家国外研究机构的统计，在他们调查的人群中有90%骑自行车男士的睾丸存在畸形。

有一半的被调查人群会感到阴囊不适或存在勃起障碍。

另据我国的男性学医学报告，骑行自行车在我国前列腺炎的发病诱因中占很大比重。

鞍座设计要素分析
尺寸 决定鞍座宽度的因素主要是人体的生理结构，如坐骨结节的距离、骨盆的大小等等。

其中起关键作用的是坐骨结节间的距离。

这段距离基本上决定了鞍座后部的宽度，它的宽度保证人体坐骨结节在鞍座上时的距离位置：过小容易使结节间软组织受到挤压，过大容易影响鞍座的的平衡。

坐骨结节一般9—12厘米。

因为女性的髋骨要宽于男性，在设计时鞍座宽度要比男性的宽一些。

弧度 弧度是指从鞍座后部过渡到鞍座鼻部弧线的弯曲程度。

由鞍座的宽度、长度以及骑乘者大腿内侧的脂肪厚度、髋臼窝的深浅和鞍座的用途等决定。

垫料 垫料是自行车鞍座舒适与否的一个重要因素。

它决定了鞍座的变形程度。

如果垫料过软，坐骨结节就会陷入到鞍座中，导致人体组织的麻木和缺血：如果垫料太硬，将会导致人体组织的疼痛。

所以，垫料的柔软程度和大小是设计中一个非常重要的因素。

另外，包覆材料的透气性、防水性、防变形性等也是应该考虑的因素。

当人骑在鞍座上时坐骨生殖区（位于坐骨结节和耻骨联合部之间，分布有大量的血管、神经和软组织）靠在平坦的座面上（如图1），鞍座会压迫到坐骨神经区的组织和脂肪；坐骨神经区的组织里含有丰富的血管、软组织和大量的神经及神经末梢，在骑行时，上躯体
的部分重量压迫到这些血管和神经，造成人体会阴区的疼痛和麻木；而且会阴区深层中含有泌尿组织、血管及生殖动脉和传导神经，如图2所示，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。

根据《工作座椅一般人类工效学要求》，座椅的坐面有带座垫的柔性坐面和不带座垫的刚性坐面两种形式。

座垫应为由弹性材料及蒙面材料组成的柔性座垫，且覆盖物必须具有弹性和透气性。

在选择座垫材料时，还应考虑其散热和吸潮的能力，以及防止滑动的能力等。

图1 传统的自行车鞍垫设计
图2 人体在鞍座上时臀部组织的分布简图
基于人因工程学的改进设计如图3，鞍座的中部嵌入了比两侧更加柔软的垫料；从正视图看，这一区域下陷，很好的减轻了对坐骨生殖区的挤压。

开有4个圆孔，有利于散热、散潮；鞍座前部比后部稍低，减轻了对耻骨联合部的压迫；鞍座头部比一般自行车鞍座稍窄，减轻了对大腿内侧的摩擦；前后连接的弧度比一般自行车鞍座要小一些，使鞍座增加了表面受力面积，减轻了对臀部的挤压，如图4所示。

图3 改进的自行车鞍座设计
图4 改进的自行车鞍座人体解剖学分析
2.2 鞍座太高
公路赛车运动员骑乘的自行车，鞍座的高度和把手一样高，甚至超过把手（如图5所示），运动员骑行时上躯体与地面的倾斜角小于30度（如图6所示）。

那是为了减小身体对空气的阻力，加快骑行的速度。

但是如果日常生活中骑这种自行车，是不符合人体工效学要求的。

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，当人骑座位太高的自行车时，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。

将自行车车座向前放低10至15度，脊柱的弯曲程度就会降低，脊柱的形状接近自然状态，腰椎间盘的压力分布较均匀，有效减轻不合理的座位设计给人带来的伤害。

图5 比赛用自行车
图6 上躯体与地面倾斜角小于30度
调整鞍座高度后，上躯体与地面的合理倾斜角应为大约90度（如图7所示），放低改进后的自行车如图8所示。

图7 上躯体与地面倾斜角为90度
图8 改进后的自行车鞍座高度
2.3 缺少腰靠
改良过座位高度的自行车，虽然车座的高度已经降低，但是骑车者长时间骑车，却没有腰靠，其背部负荷仍然很大。

腰靠的作用是为腰部提供支撑，保持脊柱处于自然形态的轻松姿势。

腰靠长应为腰靠左右边缘间的最大水平距离，腰靠宽应为腰靠上下边缘间的最大直线距离。

腰靠厚应为腰靠在受力状态下，在其左右对称面内、腰靠宽中点处，前后缘间的垂直距离。

腰靠高应为腰靠宽中点处到座椅转动轴与坐面交点处所在水平面的垂直距离。

腰靠圆弧半径应为腰靠在受力被压缩且腰靠倾角等于90度的情况下，过其左右对称面上腰靠宽中点的水平面与腰靠前缘圆弧面相交曲线的曲率半径。

另外，腰靠在设计时应注意其靠面弯曲与人体腰部生理弯曲相符，以增加腰部受力缓冲，减小脊柱受力。

增加腰靠后的自行车改进设计如图9所示。

图9 增加腰靠的自行车
2.4 车把握起来费力
应尽量保持手腕伸直，在骑车时，尽量使车把弯曲而不要使手腕弯曲，避免手腕的偏差（径向偏差和尺骨偏差），同时也应尽量避免大臂过度伸直，因为那样会使整个手臂肌肉始终处于紧张状态。

因此，应采用能满足理想的车把高度的车把，即保证肘部成90度角，小臂与手在一条直线上。

所以改进后的车把与鞍座要保证一定的高度落差，以避免骑乘时整个手臂处于伸直状态，使肌肉紧张。

并且，车把应设计成平把，因为手握弯把会使手腕弯曲，产生手腕偏差。

图10所示为不符合人体工效学的设计，图11所示是改进后的设计。

图10 不符合人体工效学的设计
图11 改进后的设计
2.5手柄握起来舒适度较差
现在的自行车手柄上都有防滑花纹或条纹，但手柄材料却参差不齐，大多数自行车手柄由硬塑料或硬橡胶制成，硬度高，弹性差，而且其形状并不符合人手的生理曲线，在振动时也不能起到缓冲减震的作用。

建议手柄由更加柔软，弹性好的材料制成，并且设计又符合人后形状的突起，增加握起来的舒适感，如图12所示。

图12 合理的手柄设计
三、结语
虽然拥有百多年历史的自行车设计已经相当成熟，现代自行车的造型也更加时尚。

但是除了考虑造型新颖性之外，从人因工程学的角度考虑，自行车的设计仍然有很多值得改进的地方。

综合起来有以下几点：
1、设计合理造型的鞍座，减轻鞍座对会阴区的压迫。

增加腰靠，减轻人腰部负荷。

2、将座位放低，使车座低于车把。

保持人脊柱接近自然状态，减轻背部肌肉张力，使腰椎间盘受力均匀。

3、设计平直式车把的自行车，在满足人坐姿接近自然状态的条件下，肘部成90度，小臂与手成一条直线，避免人手腕部处于尺偏或过度屈伸状态，也避免大臂过度伸直。

4、改进手柄的设计，使用弹性更好的材料，使其握起来更舒适。

参考文献
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